一种基于微波分束赋型的多目标能量管理方法

1.本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于微波分束赋型的多目标能量管理方法，特别是涉及一种适合多目标复杂环境下无线能量传输系统微波分束赋型的能量管理方法，属于电通信的技术领域。


背景技术：

2.随着科技的发展，各类电器设备逐渐进入了人类的生活中，杂乱无章的线缆既破坏了优美的环境又容易引起触电事故及火灾，人们对高效、便捷、安全的供电方式的需求日益增加。无线电能传输技术依靠电磁场等空间软介质进行能量传递，避免了电源与用电设备直接接触，能有效解决接触打火、电线破损、电线冗乱等问题，同时使用电设备摆脱电力线的束缚。目前，无线电能传输主要有电磁感应式、磁耦合谐振式以及微波式这三种，其中，前两种技术已经比较成熟，但是只适用于近距离无线电能传输。
3.微波式能量传输(mpt,microwave power transmission)适用于中远距离无线电能传输，具有穿透力强且传输不受大气环境、云层、雨露等影响的优点，运用波束集成、波束定向，波束分束赋型等技术可以实现高集中度、高定向度的能量传输，运用通信领域的调制解调技术可以实现能量和信息的同时传输，因此，该技术在太空能源开发、军事、航空航天、家用电器等方面有广阔的应用前景，并迅速成为了研究热点。
4.微波能量传输系统的通用结构如图1(a)所示，主要由微波发射端、自由空间以及微波接收端三部分组成。微波发射端用于把直流或者交流电能转换为射频功率，为了实现对主波束进行赋型和定性需对波束副瓣进行抑制，发射端一般采用相控阵天线阵列，并且需要对每个天线子阵提供相位可调和功率可变的射频功率。目前的研究大部分是单波束微波传能系统，这种无线传能系统控制方式简单，但是只适用于单目标的供能情形，当需要供能的目标数量增多时，单波束供能方式将不再适用。因此，亟需发明一种多波束供能方式，实现多个目标的供电。
5.目前，对闭环方式的多目标无线能量传输研究多为磁耦合方式，例如华南理工大学在申请的专利“一种基于pt对称原理的多频多负载无线供电系统”(申请号cn201921830512.5，申请日2019.10.28，公布号cn210608710u，公布日2020.05.22)中提出了一种基于pt对称原理的多频多负载无线供电系统，采用pt对称原理实现多负载之间的分配与控制，该方式存在不足之处是耦合线圈受高频损耗影响品质因数较低，充电距离短。
6.对于微波能量传输系统的接收端，整流电路是现在的研究焦点，当前很多文献都是围绕着高效率、大功率以及宽动态功率范围整流展开，取得了很多研究成果，然而负载层面上的研究比较缺乏，往往都是接受天线阵列后面直接接上对应的电阻负载，或者经过整合汇成一路给一个负载供电，没有和发射端建立联系，是典型的开环方式，虽然控制简单，但是在现实生活中供电负载是多变的，当处于复杂多目标供电环境下，该方式显然将面临挑战。为此，亟需研究一种适用于接收端多目标复杂环境下的能量管理方法，对微波能量进行合理分配，充分发挥mpt系统传能的灵活性和智能化。


技术实现要素：

7.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出一种基于微波分束赋型的多目标能量管理方法，对发射端波束的分束赋型为实时多目标供电提供基础，同时对接收端多个受能目标建立优先级评估模型，基于该评估模型实现mpt系统在复杂环境下能量分配的发明目的，解决基于磁耦合技术多目标无线能量闭环传输方案充电距离短的技术问题。
8.本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
9.一种基于微波分束赋型的多目标能量管理方法，包括如下步骤：
10.(1)根据接收端负荷类型进行分类，建立负荷优先级评估模型；
11.(2)接收端通信模块实时获取负荷的功率信息、位置信息以及负荷属性信息，并将负荷的功率信息、位置信息以传递给发射端通信模块；
12.(3)发射端主控制器对通信模块接收的信息进行处理，通过优先级评估模型对发出充电请求的负荷的属性数据进行优先级排序，筛选出接下来将要供电的负荷并安排空闲的传能通道，基于此生成发射端各路功放模块的路径控制信息，即，根据负荷的功率信息以及位置信息并依据优先级排序生成各路功放模块的幅值给定值和相位给定值，并将确定的幅值给定值和相位给定值信息传递给发射端对应的单路功放模块；
13.(4)发射端各路功放单模块根据控制器给定的幅值和相位信息对自身发射的微波信号进行时变加权处理，各单路功放模块发射的微波信号叠加后形成多个发射波束，根据优先级排序调度多个发射波束对接收端发出充电请求的各负荷进行供电；
14.(5)重复(2)到(4)直至受能目标充电完成且没有新的充电请求。
15.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
16.(1)性能优势：相对于传统的集中式单波束发射系统，本发明采用基于正交调制解调的dds分布式发射系统，运用时变矢量加权的方式对发射端波束进行分束赋型，实现发射端多波束发射，并且理论上可以实现宽带的扫频范围和无限精度的相位调节。相对于接收端单目标的开环控制方式，本发明的提出的多目标情况下优先级评估模型和系统闭环能量管理方法能够多目标复杂情况下的受能目标选定，实现mpt系统在复杂环境下的最优能量分配，充分发挥mpt系统传能的灵活性和智能化。
17.(2)成本优势：相比于传统的集中式微波能量传输系统，本发明系统采用dds方式的分布式发射端结构，单模块采用正交调制的方式对信号进行加权，避免使用传统射频器件，尤其是移相器等昂贵器件，同时也免去了使用多个传能系统多对多个目标进行供电，简化了系统复杂程度，大大降低了成本花费。
18.(3)模块化、易集成：本发明给出的方案利于模块化实现，具体实现的硬件电路、芯片等在通信领域发展较为成熟，后续芯片化设计易于实现。
附图说明
19.图1(a)是微波无线传能系统的通用结构图，图1(b)是本发明微波分束赋型的多能量管理系统的框图。
20.图2是本发明提出的基于dds的发射系统框图。
21.图3(a)是双波束指向角为0
°
和30
°
时的方向图，图3(b)为三波束指向角为
‑
15
°
、0
°
和30
°
时的方向图。
22.图4(a)是波束指向角为0
°
和30
°
时的三维方向图，图4(b)是波束指向角为
‑
15
°
、0
°
和30
°
时的三维方向图。
23.图5是本发明提出的多目标能量管理算法流程图。
具体实施方式
24.本发明提出的微波分束赋型的多目标能量管理系统和方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明确，下面参照附图对本发明进一步详细说明。
25.1.微波分束赋型的多波束形成技术
26.多目标供能本质上是mpt系统发射端的多波束定向辐射，需要发射端能够对波束分束赋型形成多波束。本发明的发射端采用直接数字合成(dds，directional digital synthesis)的多波束赋型方式，由基于dds器件的信号发生模块直接产生微波信号，dds具有频率分辨率高、转换时间短、输出相位连续、数字化可编程等优点，可以产生高质量、高频率稳定度和线性度的微波信号，并且可以有效降低波束赋型过程中的指向误差，还可以实现宽带的扫频范围。
27.采用dds方式的分布式发射端如图2所示。射频信号先由基于dds的信号源模块产生，然后经过功率分配网络送入到后面的各路功放模块中，控制模块采用功能强大的fpga芯片，通过控制阵内各通道dds输出信号的相位，改变天线各单元间的相位差，实现波束方向的控制；而多波束形成所需的加权矢量和波束误差由dac输出，每个单模块功放采用正交调制的方式实现对微波信号幅值的加权，再经过滤波和放大后由天线单元发射出去。
28.发射端通过对每一路微波原始信号叠加一个时变矢量实现波束赋型，对于一个n元均匀线阵，设s(t)为发射信号，θ
b
为波束方向角度，则远场接收到的信号为：
[0029][0030][0031]
式中，a
k
为第k个阵元的振幅，τ
k,θ
是第k个阵元与参考阵元的时间差，f0(θ,φ)是天线阵元的电场方向函数，d为天线阵元间距，c为电磁波速度，其中，s(t)可以表示为：
[0032][0033]
式中，t表示时间，t代表扫频的周期，f0为中心频率点，μ表示调制率。对远场接收信号进行改写：
[0034][0035]
在扫频周期开始的时刻，τ
k,θ
值可近似为0，可用h
k
_
steer
(t,θ
b
)表示叠加到第k个微
波通道的矢量权重，即可得到下式：
[0036][0037]
此时：
[0038][0039][0040]
由此可知，发射端每个通道的输出可以等效为在理想线性调频信号上叠加对应的时变波束赋型权重，这些权重可以实现功率信号在时域上的相移。如果对每个通道进行时变加权，则发射端天线阵列获得多发射波束的效果。本发明采用matlab对发射端功率信号叠加时变权重进行仿真，验证其波束扫描和分束赋型功能，图3(a)所示为双波束的方向图，波束指向角为0
°
和30
°
，图3(b)所示为三波束的方向图，波束指向角分别是
‑
15
°
、0
°
和30
°
，图4(a)和图4(b)所示为两波束和三波束对应的三维方向图，仿真结果表明，本发明所提的在发射端每路通道叠加时变权重可以同时形成两个及以上独立发射波束，并且在频带范围内波束指向角度不发生偏移。
[0041]
2.复杂情况下的多目标能量传输管理算法
[0042]
上一节内容阐述了如何在发射端形成多波束的方法，接下来就是如何对多波束传输的能量进行管理。当接收端为复杂多目标情况时，受能目标的优先级将会影响mpt系统的能量分配和波束指向，当多个受能目标同时发出供能请求时，发射端需要进行供能目标的优先级判定，通过对目标的优先级进行排序，选出优先级高的目标进行供能。因此，需要研究受能目标的优先级评估模型和优先级自适应管理策略，然后从mpt系统角度制定能量的分配策略，以应对多复杂环境和目标状态的变化。
[0043]
考虑到供电任务的紧迫性，所提出的优先级评估模型主要包括2个影响因素，首先是电量信息，具体是指受能目标当前的电量状态，电量越低优先级越高，其次是受能目标的重要性信息，根据受能目标的重要性设定属性参数，重要负荷具有较高的优先级。采用综合优先级评估办法，将受能目标重要性信息a升序排列，电量信息b降序排列，得到2个影响因素对应的紧急度分别为p1和p2，则受能目标的综合优先级评估公式为：
[0044][0045]
式中，m表示当前时段发出充电请求的受能目标总数量，n表示一个与m有关的变量，其取值范围是[1，m+1]，当取m/2+1时，所建立的优先级模型能够达到最佳的效果。
[0046]
基于以上思路，提出了复杂情况下的多目标能量传输管理方法，下面结合图1(b)所示的多目标能量传输系统阐述多目标能量传输管理方法，该方法包括如下两个步骤：
[0047]
步骤一：当前阶段发出充电请求的受能目标发送功率信息、位置信息经调制器发射至发射端，发射端主控制器对接收的信息进行解调，采用图5所示算法对当前阶段发出充电请求的受能目标进行传能通道的分配，生成当前阶段的路径控制信息；
[0048]
步骤二：发射端主控制器根据当前产生的路径控制信息，基于直接数字合成技术
对已分配传能通道发射的微波信号叠加时变矢量，进而完成发射端的多波束赋型，根据优先级排序调度多个发射波束对接收端发出充电请求的各受能目标进行供电。
[0049]
图5所示算法流程图，主要步骤如下：
[0050]
(1)对当前阶段发出传能请求的第m个受能目标进行信息检测，包括其重要性信息和电量信息，更新当前时段t
k
受能目标重要性信息的升序排列a(t
k
)、电量信息的降序排列b(t
k
)，记第m个受能目标的重要性信息在升序排列a(t
k
)中的序号为a
m
(t
k
)，第m个受能目标的电量信息在降序排列b(t
k
)中的序号为b
m
(t
k
)，根据第m个受能目标的重要性信息在升序排列a(t
k
)中的序号a
m
(t
k
)以及第m个受能目标的电量信息在降序排列b(t
k
)中的序号b
m
(t
k
)计算当前时段t
k
第m个受能目标重要性信息、电量信息对应的紧急度和
[0051]
(2)根据综合优先级评估公式更新当前时段t
k
第m个受能目标的充电优先级p
m
(t
k
)，
[0052][0053]
其中，为当前时段t
k
发出充电请求的受能目标总数量，表示一个与有关的变量，其取值范围是
[0054]
为便于表述，在流程图中用f(a
m
(t
k
)，b
m
(t
k
))表示计算受能目标充电优先级的公式；
[0055]
(3)从当前阶段发出传能请求的多个目标中筛选出符合优先级要求的m个受能目标放入集合s中，若没有筛选到符合优先级要求的受能目标，则获取其它受能目标的充电请求后返回步骤(1)重新对当前时段发出传能请求的受能目标的进行信息检测；
[0056]
(4)按照充电优先级降序的顺序对集合s中的受能目标进行排序，更新发射端空闲传能通道数目；
[0057]
(5)对于排序后的集合s中第j个受能目标，如果满足若j≤m且当前时间阶段发射端有空闲通道，则对其进行传能；若果当前时段所有传能通道都被占用，则第j个受能目标在下一时段继续发送传能请求，遍历集合s中的所有受能目标，根据充电优先级递减的顺序给每个受能目标分配空闲的传能通道，在集合s中所有受能目标都分配空闲传能通道后进入下一时段传能通道的分配，在没有空闲传能通道可分配时进入下一时段传能通道的分配；
[0058]
(6)在当前时间阶段集合s中所有受能目标充电完成且下一时间阶段没有受能目标发出传能请求则结束传能通道分配的循环过程。
[0059]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。