[发明专利]水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法

说明书

本申请涉及水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法，包括：获取系统的参考电路模型；将水介质使系统产生额外能量损耗的影响因素等效为电阻模型；将水介质使系统谐振频率变化的影响因素等效为电抗模型；根据电阻模型和电抗模型，对参考电路模型进行更新，得到等效电路模型；根据等效电路模型，得到设计向量；设置约束条件，以使无线电能传输通道和信号传输通道分别在不同的谐振频率点运行；根据设计向量和约束条件，以无线电能传输效率和无线信号传输电压增益为目标函数，建立系统的双目标优化模型并求解，得到最优解。本申请能够使系统既获得较高的电能传输效率，又能获得较大的信号传输电压增益，且电能传输与信号传输互不干扰。

技术领域

本申请涉及磁耦合谐振无线电能传输技术领域，特别是涉及水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法。

背景技术

近年来，磁耦合谐振无线电能传输技术发展十分迅速，该技术有望解决水下作业机器人的电能补给和信号传输难题，极具发展潜力。磁耦合谐振无线电能与信号传输系统包含多个线圈、补偿电容、补偿电感以及功能模块，如何对这些模块的参数进行优化设计是系统获得高性能的关键。

现有技术中，大多数参数优化方法是针对空气环境中的无线电能与信号传输系统，未考虑海水介质对系统性能的影响，因此通过传统的参数优化方法来求取系统参数的最优解效果不佳，使得系统的实际响应与设计目标之间存在较大偏差。此外，在对无线电能与信号传输系统参数进行优化设计时，通常希望系统同时获得较高的电能传输效率和较大的信号传输电压增益。然而，由于系统的电能传输效率和信号传输电压增益之间往往相互冲突，难以获得一组最优解使二者都达到最大值，传统的无线电能与信号传输系统参数优化方法通常只针对单个目标进行优化，无法解决多个目标函数之间相互冲突的问题，例如增大电能传输效率常常会导致信号传输电压增益减小。

因此，传统的系统参数优化方法未考虑海水介质的影响导致参数优化结果精度不高，并且无法使系统既获得较高的电能传输效率，又能获得较大的信号传输电压增益，不能满足实际应用需求。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法，能够使系统既获得较高的无线电能传输效率，又能获得较大的无线信号传输电压增益，且无线电能传输与无线信号传输互不干扰。

水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法，水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统包括：

水下预置系统以及能量接收与信号发射系统；所述水下预置系统与海底电缆相连接；所述能量接收与信号发射系统安装在水下机器人上；

所述水下预置系统包括：传输接口模块、第一电能变换模块、第一调谐与阻抗匹配网络、第一耦合线圈、第二调谐与阻抗匹配网络以及信号采样与解调模块；

所述能量接收与信号发射系统包括：信号调制与发射模块、第三调谐与阻抗匹配网络、第二耦合线圈、第四调谐与阻抗匹配网络以及第二电能变换模块；

所述第一调谐与阻抗匹配网络、所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述第三调谐与阻抗匹配网络、所述第四调谐与阻抗匹配网络均包括：一个补偿电感与两个补偿电容；

所述第一耦合线圈与所述第二耦合线圈之间通过磁场耦合实现无线电能与无线信号的传输；

其特征在于，所述方法包括：

获取水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统的参考电路模型；所述参考电路模型包括：第一电能变换模块的输出频率、信号调制与发射模块的输出频率、第一耦合线圈电感、第二耦合线圈电感、补偿电感以及补偿电容；

将水介质使系统产生额外能量损耗的影响因素等效为电阻模型；将水介质使系统谐振频率变化的影响因素等效为电抗模型；根据所述电阻模型和所述电抗模型，对所述参考电路模型进行更新，得到等效电路模型；