[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

权利要求书

1.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；

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；

设置约束条件：所述第一耦合线圈电感与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，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；

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；

求解所述双目标优化模型，得到最优解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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；

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；

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。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电阻模型包括：

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。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电抗模型包括：

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。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，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。