水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法

1.本技术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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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；
12.其特征在于，所述方法包括：
13.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；
14.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；
15.根据所述等效电路模型中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的设计参数，得到设计向量；
16.设置约束条件，以使无线电能传输通道和无线信号传输通道分别在不同的谐振频率点运行；
17.根据所述设计向量和所述约束条件，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；
18.求解所述双目标优化模型，得到最优解。
19.在一个实施例中，所述参考电路模型包括：等效水下预置模块、等效能量接收和信号发射模块；
20.所述等效水下预置模块包括：第一电能变换模块的开路电压、第一电能变换模块的输出阻抗、信号采样与解调模块的等效阻抗、第一电能变换模块的输出频率、第一耦合线圈电感、第一补偿电感、第一并联补偿电容、第一串联补偿电容、第二补偿电感、第二并联补偿电容以及第二串联补偿电容；
21.所述等效能量接收和信号发射模块包括：信号调制与发射模块的开路电压、信号调制与发射模块的输出阻抗、第二电能变换模块的等效阻抗、信号调制与发射模块的输出频率、第二耦合线圈电感、第三补偿电感、第三并联补偿电容、第三串联补偿电容、第四补偿电感、第四并联补偿电容以及第四串联补偿电容。
22.在一个实施例中，所述电阻模型包括：
23.水介质在第一耦合线圈中的映射电阻和水介质在第二耦合线圈中的映射电阻。
24.在一个实施例中，所述电抗模型包括：
25.水介质在第一耦合线圈中的映射电抗和水介质在第二耦合线圈中的映射电抗。
26.在一个实施例中，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，得到等效电路模型包括：
27.所述第一耦合线圈中的映射电阻和所述第一耦合线圈中的映射电抗串联后与所述第一耦合线圈电感的第二端相连；
28.所述第二耦合线圈中的映射电阻和所述第二耦合线圈中的映射电抗串联后与所述第二耦合线圈电感的第二端相连。
29.在一个实施例中，所述约束条件包括：
30.所述第一耦合线圈电感与所述第一串联补偿电容组成线路的谐振频率、所述第二耦合线圈电感与所述第四串联补偿电容组成线路的谐振频率以及所述第一电能变换模块
的输出频率均相等；
31.所述第一耦合线圈电感与所述第二串联补偿电容组成线路的谐振频率、所述第二耦合线圈电感与所述第三串联补偿电容组成线路的谐振频率以及所述信号调制与发射模块的输出频率均相等；
32.所述信号调制与发射模块的输出频率与所述第一电能变换模块的输出频率之比大于等于10。
33.在一个实施例中，根据所述双目标优化模型，得到最优解包括：
34.根据所述双目标优化模型，采用多目标遗传算法进行求解，得到帕累托最优解集；根据所述帕累托最优解集，得到最优解。
35.在一个实施例中，根据所述帕累托最优解集，得到最优解包括：
36.根据所述帕累托最优解集，绘制帕累托前沿图；根据所述帕累托前沿图和设计目标，得到最优解。
37.在一个实施例中，所述无线电能传输效率包括：
38.第二电能变换模块的消耗功率与第一电能变换模块的最大输出功率之比。
39.在一个实施例中，所述无线信号传输电压增益包括：
40.信号采样与解调模块两端电压与信号调制与发射模块的开路电压之比。
41.上述水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法，将水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统转换为参考电路模型，并考虑水介质使系统产生额外能量损耗和谐振频率变化，将参考电路模型转换为等效电路模型，在等效电路的基础上，得到设计向量并设置约束条件，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。利用上述方法，可以求得系统参数的最优解，进而使系统的无线电能传输通道与无线信号传输通道分别在其最佳阻抗特性下运行，使系统既能保持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。
附图说明
42.图1为一个实施例中水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法的流程示意图；
43.图2为一个实施例中水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统的示意图；
44.图3为一个实施例中水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统的等效电路模型图；
45.图4为一个实施例中的帕累托前沿图；
46.图5为一个实施例中无线电能传输效率的频率特性曲线图；
47.图6为一个实施例中无线信号传输电压增益的频率特性曲线图；
48.图7为一个实施例中第二电能变换模块两端的电压波形图；
49.图8为一个实施例中信号采样与解调模块两端的电压波形图。
具体实施方式
50.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
51.水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统包括：
52.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；
53.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；
54.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；
55.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；
56.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。
57.如图1至图3所示，本技术提供的水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法，在一个实施例中，包括如下步骤：
58.步骤102：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；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；
59.步骤104：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，对所述参考电路模型进行更新，得到等效电路模型；
60.步骤106：根据等效电路模型中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的设计参数，得到设计向量；
61.步骤108：设置约束条件，以使无线电能传输通道和无线信号传输通道分别在不同的谐振频率点运行；
62.步骤110：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；
63.步骤112：求解双目标优化模型，得到最优解。
64.在本实施例中，将水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统等效为一个集中参数电路模型，得到参考电路模型，参考电路模型包括：等效水下预置模块和等效能量接收和信号发射模块；
65.等效水下预置模块包括：第一电能变换模块的开路电压、第一电能变换模块的输出阻抗、信号采样与解调模块的等效阻抗、第一电能变换模块的输出频率、第一耦合线圈电感、第一补偿电感、第一并联补偿电容、第一串联补偿电容、第二补偿电感、第二并联补偿电容以及第二串联补偿电容；
66.等效能量接收和信号发射模块包括：信号调制与发射模块的开路电压、信号调制与发射模块的输出阻抗、第二电能变换模块的等效阻抗、信号调制与发射模块的输出频率、第二耦合线圈电感、第三补偿电感、第三并联补偿电容、第三串联补偿电容、第四补偿电感、
第四并联补偿电容以及第四串联补偿电容；
67.具体表示如下：
68.u
p
表示第一电能变换模块的开路电压有效值，r
p
表示第一电能变换模块的输出阻抗，f
p
表示第一电能变换模块的输出频率；rc表示信号采样与解调模块的等效阻抗；l
a2
表示第一耦合线圈等效电感；
69.us表示信号调制与发射模块的开路电压有效值，rs表示信号调制与发射模块的输出阻抗，fs表示信号调制与发射模块的输出频率；r
l
表示电能变换模块2的等效阻抗；l
b2
表示第二耦合线圈等效电感；
70.l
a1
表示第一补偿电感，c
a1
表示第一并联补偿电容，c
a2
表示第一串联补偿电容；l
f1
表示第二补偿电感，c
f1
表示第二并联补偿电容，c
f2
表示第二串联补偿电容；l
e1
表示第三补偿电感，c
e1
表示第三并联补偿电容，c
e2
表示第三串联补偿电容；l
b1
表示第四补偿电感，c
b1
表示第四并联补偿电容，c
b2
表示第四串联补偿电容；
71.m表示第一耦合线圈与第二耦合线圈之间的互感。
72.由于第一耦合线圈、第二耦合线圈产生的磁场暴露在海水介质中，在建立系统模型时还需要考虑海水介质对整个无线电能与无线信号传输系统的影响。本发明将海水介质对系统的影响简化为两个方面：一是海水介质使系统产生额外的能量损耗(例如线圈磁场在海水介质中引起的涡流效应带来额外能量损耗)，可将此类影响因素等效为电路中的电阻模型；二是海水介质使系统的谐振频率发生变化(如海水介质改变线圈分布电容等)，可将此类影响因素等效为电路中的电抗模型。
73.在一个实施例中，电阻模型包括：水介质在第一耦合线圈中的映射电阻和水介质在第二耦合线圈中的映射电阻。电抗模型包括：水介质在第一耦合线圈中的映射电抗和水介质在第二耦合线圈中的映射电抗。
74.具体表示如下：r
wa
表示水介质在第一耦合线圈中的映射电阻，x
wa
表示水介质在第一耦合线圈中的映射电抗；r
wb
表示水介质在第二耦合线圈中的映射电阻，x
wb
表示水介质在第二耦合线圈中的映射电抗。
75.在一个实施例中，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，得到等效电路模型包括：所述第一耦合线圈中的映射电阻和所述第一耦合线圈中的映射电抗串联后与所述第一耦合线圈电感的第二端相连；所述第二耦合线圈中的映射电阻和所述第二耦合线圈中的映射电抗串联后与所述第二耦合线圈电感的第二端相连。相关连接关系如图3所示电路。
76.根据电路的连接关系，可得到电流i1、i2、i3、i4、i5、i6、i7、i8所在回路的电压方程为：
[0077][0078]
对(1)式解方程可得到电流i1～i8，进而可计算出第二电能变换模块消耗的功率为：
[0079]
p
l
＝|i6|2r
l
(2)
[0080]
第一电能变换模块的最大输出功率可表示为：
[0081][0082]
将第二电能变换模块消耗的功率p
l
与第一电能变换模块的最大输出功率p
in
之比定义为无线电能传输效率，可得：
[0083][0084]
信号采样与解调模块两端电压可计算为：
[0085]
uc＝|i4|rc(5)
[0086]
将信号采样与解调模块两端电压uc与信号调制与发射模块的开路电压us之比定义为无线信号传输电压增益，可得：
[0087][0088]
在等效电路模型中，第一电能变换模块的开路电压u
p
、输出阻抗r
p
，信号调制与发射模块的开路电压us、输出阻抗rs，第二电能变换模块的等效阻抗r
l
，信号采样与解调模块的等效阻抗rc通常为已知确定参数。第一耦合线圈与第二耦合线圈之间的互感m与线圈的相对位置有关，可以通过实验测量等方法获取，视为已知确定参数。另外，海水介质在第一耦合线圈中的映射电阻r
wa
、映射电抗x
wa
，在第二耦合线圈中的映射电阻r
wb
、映射电抗x
wb
反映海水介质对系统的影响，可以通过实验测量等方法获取，因此也视为已知确定参数。
[0089]
除上述已知参数外，第一电能变换模块的输出频率f
p
，信号调制与发射模块的输出频率fs，第一耦合线圈电感l
a2
，第二耦合线圈电感l
b2
，补偿电感l
a1
、l
b1
、l
e1
、l
f1
，补偿电容ca1
、c
a2
、c
b1
、c
b2
、c
e1
、c
e2
、c
f1
、c
f2
的值不确定，在实际情况中可以通过调整这些参数值来增强系统的性能，是需要进行优化设计的参数，本发明按照以下步骤对上述参数进行设计：
[0090]
步骤一、确定设计向量：
[0091]
将水下无线电能与信号传输系统的设计向量记为：
[0092]
q＝[f
p
,fs,l
a1
,l
a2
,l
b1
,l
b2
,l
e1
,l
f1
,c
a1
,c
a2
,c
b1
,c
b2
,c
e1
,c
e2
,c
f1
,c
f2
](7)
[0093]
考虑到输出频率、电容、电感设计值的可实现性，设计向量q需要在一定的范围内取值，记为：
[0094]
q∈q＝[q
min
,q
max
](8)
[0095]
其中，q
min
、q
max
分别为设计向量q的上下界。
[0096]
步骤二、确定优化目标函数：
[0097]
为了使系统既能获得较大的无线电能传输效率，又获得较高的无线信号传输电压增益，将目标函数确定为：
[0098][0099]
通过最小化目标函数f1、f2来寻找设计向量q的最优解。
[0100]
步骤三、设置约束条件：
[0101]
为了保证无线电能传输与无线信号传输互不干扰，使无线电能传输通道与无线信号传输通道分别在不同的谐振频率点运行。为此，设置如下约束条件：
[0102]
所述第一耦合线圈电感与所述第一串联补偿电容组成线路的谐振频率、所述第二耦合线圈电感与所述第四串联补偿电容组成线路的谐振频率以及所述第一电能变换模块的输出频率均相等；所述第一耦合线圈电感与所述第二串联补偿电容组成线路的谐振频率、所述第二耦合线圈电感与所述第三串联补偿电容组成线路的谐振频率以及所述信号调制与发射模块的输出频率均相等；所述信号调制与发射模块的输出频率与所述第一电能变换模块的输出频率之比大于等于10。
[0103]
具体表示为：
[0104][0105]
步骤四、建立双目标优化问题对应的双目标优化模型：
[0106]
根据步骤一、二、三，可建立水下无线电能与信号传输系统的双目标优化问题对应的双目标优化模型如下：
[0107][0108]
对上述双目标优化模型进行求解，得到最优解。
[0109]
上述水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统参数优化方法，将水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统转换为参考电路模型，并考虑水介质使系统产生额外能量损耗和谐振频率变化，将参考电路模型转换为等效电路模型，在等效电路的基础上，得到设计向量并设置约束条件，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。利用上述方法，可以求得系统参数的最优解，进而使系统的无线电能传输通道与无线信号传输通道分别在其最佳阻抗特性下运行，使系统既能保持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。
[0110]
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0111]
在一个实施例中，根据所述双目标优化模型，得到最优解包括：根据所述双目标优化模型，采用多目标遗传算法进行求解，得到帕累托最优解集；根据所述帕累托最优解集，绘制帕累托前沿图；根据所述帕累托前沿图和设计目标，得到最优解。
[0112]
由于建立的水下无线电能与信号传输模型复杂、阶次高，采用基于梯度的优化算法来求解上述优化问题效率低下、容易收敛到局部最优解，因此，本发明采用多目标遗传算法对上述双目标优化问题进行求解。由于两个目标函数f1、f2相互冲突，无法求得唯一最优解使目标函数f1、f2同时取得最小值，而是得到设计向量q的帕累托最优解集。为了选出无线电能与信号传输系统设计向量的最优解，画出帕累托前沿图(即帕累托最优解集对应的目标函数图)，根据设计目标进行综合权衡，最终从帕累托最优解集中选出系统设计向量的最优解，记为q
opt
。
[0113]
下面以一个案例来进行说明，在一个具体的实施例中，得到设计向量q的帕累托最优解集，画出对应的帕累托前沿图如图4所示。
[0114]
根据帕累托前沿图中目标函数f1、f2的信息进行权衡：例如选择离原点最近的a点(-0.93，-0.4)对应的解作为设计向量的最优解q
opt
，可以使目标函数f1、f2都接近取得最小值。
[0115]qopt
对应的系统具体参数值为：
[0116][0117]
将q
opt
代入建立的系统模型，根据公式(4)和公式(6)可分别计算出系统的无线电能传输效率η和无线信号传输电压增益g。
[0118]
绘制无线电能传输效率η的频率特性曲线如图5所示，无线信号传输电压增益g的频率特性曲线如图6所示。从图5、图6中可以看出，通过本发明提出的系统参数优化设计方
法，可以使系统既能获得较高的无线电能传输效率(在第一电能变换模块输出电能波的频率f
p
＝300khz时，无线电能传输效率η＝0.93)，又能获得较大的无线信号传输电压增益(在信号调制与发射模块输出信号波的频率fs＝3mhz时，无线信号传输电压增益g＝0.4)。
[0119]
系统同时进行无线电能传输和无线信号传输时，第一电能变换模块输出频率f
p
＝300khz的电能波，信号调制与发射模块输出频率fs＝3mhz的信号波，计算并绘制出第二电能变换模块两端的电压波形如图7所示、信号采样与解调模块两端的电压波形如图8所示。从图7可以看出，第二电能变换模块两端电压波主要由第一电能变换模块输出的f
p
＝300khz的电能波激发，而信号调制与发射模块输出的fs＝3mhz的信号波未对第二电能变换模块两端电压波形造成明显干扰。从图8可以看出，信号采样与解调模块两端电压波主要由信号调制与发射模块输出的fs＝3mhz的信号波激发，而第一电能变换模块输出的f
p
＝300khz的电能波未对信号采样与解调模块两端电压波形造成明显干扰。因此，采用本发明提出的系统参数优化方法，可使系统无线电能传输与无线信号传输互不干扰。
[0120]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0121]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。