文摘
广泛应用的智能无人驾驶单元和无线能量传输技术的发展,已经成为一个紧迫的要求使用无线电力传输领域的扩展无人的连续工作时间单位。提高无线传输能源效率尽可能在实际应用的基于当前无线传输技术的发展水平,本文首先列举和分析现有的无线能源供应方法,表明微波无线能量传输技术在这项研究是最合适的。然后,在长距离输电的必要性的传递微波无线电力传输进行了探讨。基于微波中继传输能量的概念,本文构造了一个微波无线传输链路规划模型,考虑功率继电器,使用进化算法来解决无线传输链路规划模型与两层优化。最后,结果表明,无线传输距离超过一定的阈值时,继电器节点添加到链接可以提高能量传输效率从电源节点接收节点。
1。介绍
作为一种新型的电能传输技术,无线能量传输可用于提供持续的能源供应工作过程的无人驾驶单位延长他们的工作时间和工作范围1,2]。大致说来,无线能量传输技术可分为近场(nonradiation)和远场(辐射)无线能量传输技术(3]。细分的能量转移原理,近场无线能量传输可分为电场耦合(电磁感应)和磁场耦合(电磁谐振)无线能量传输技术(3,4];远场无线能量传输包括超声波无线能量传输、微波无线能量传输和激光无线能量传输(5]。这些无线能量传输的方法是不同的能源传输原理,有效的能源传输距离、传输效率和成熟。其中,更成熟的无线能量传输方法可以最初投入实际应用电场耦合(6,7[],磁场耦合8- - - - - -10),和微波无线能量传输11,12]。
因为无人单位倾向于在更大的范围内执行任务时,控制终端之间的距离和无人驾驶单位如数百米,只要几公里甚至几十公里。在这种情况下,各种近场无线能量传输方法(13- - - - - -15),一般只能进行无线能量传输的10米的顺序不能满足的要求提供连续可靠的能源供应无人在工作单位。与电场和磁场耦合无线能量传输方法,微波无线能量传输也成熟及其能量传输距离可达几公里(11],它可以满足无线能量传输的需要链接无人在工作单位(16,17]。
在统一的气氛中,微波束变弱指数(18]。在过程中微波无线能量传输,如果大气中造成的衰减,微波激发效率,microwave-electric能量转换的效率被认为是,微波无线能量传输继电器将增加在激发和接收。在这种情况下,精力传输效率的点对点直接从电源端微波energytransmission权力接收端必须比电源的效率更高些结束转发微波能量通过继电器电源接收端。
然而,大气中的微波束的损失不仅是指数衰减穿过大气层,还造成的损失光束在空间传播长途传输(几何衰减)19]。后者损失减小到最低限度,微波无线能量传输一般采用定向梁小激发发散角点对点能量传输,同时调节光束,这样大部分能量集中在中心。即使上述方法用于降低几何衰减自励磁发散角不能是零,定向光束不能被视为一个部分的汽缸从微波激励节点平面到接收节点平面在长距离传输而应被视为一个锥与微波激发点作为顶点和微波激发发散角的顶点角(20.,21];接收节点只能接收能量分布在接收节点天线的有效面积(天线孔径)的横截面梁锥(18]。由于有限的接收节点天线的接收区域,当直接点对点传输的几何衰减率远远大于re-excited继电器继电器节点接收和转换效率后,执行继电器是非常必要的能源传输的微波无线能量传输过程。图1是一个比较图的几何衰减的能量传输通过两个继电器和没有继电器当微波激励角度是相同的。
中继节点添加到链接可以减少微波无线能量传输的几何衰减和提高无线能量传输的效率从电源节点到接收节点,但它将不可避免地带来额外的成本,因为购买和操作的中继节点。因此,基于电源节点之间的距离接收节点,微波励磁电源节点的发散角,和接收天线孔径接收节点,中继节点的数量和位置的链接和所需energy-receiving天线孔径的中继节点需要优化实现更高的链路无线能量传输效率最低的继电器成本。在链接建设的决策过程,有必要增加继电器的数量在一定范围内,增加中继节点的energy-receiving天线的孔径提高链接无线能量传输的效率;这将导致的成本增加链接。建设,最小化的要求传递成本和最大化的无线能量传输效率的要求限制了彼此的联系,构成一个典型的dual-objective优化问题。
本文基于微波无线能量传输技术构建无线能量传输环节考虑能量传输中继。根据实际情况和电力电源节点的接收节点,中继节点被添加到链接提高能量传输效率的整体联系。基于多目标进化算法,中继节点的数量和位置的链接和微波energy-receiving天线孔径的中继节点进行了优化。本文的主要贡献如下:(1)分析原理、优点和缺点当前无线能量传输的方法,解释说,微波无线能量传输是最合适的方法,持续的能源供应单位无人工作,并讨论了微波能量传输中继的必要性。(2)电源节点的单元模型、能源接收器节点和中继节点的能量传输链路建立,和微波无线能量传输链接规划模型,考虑能源传输中继基于单元模型建立在这项研究中。(3)进化算法(NSGA-II)是用于解决微波无线能量传输链路的规划模型考虑到能源传输中继基于两层迭代优化方法。解决方案的结果验证的有效性中继传输提出了微波能量。
2。文献综述
当前的无线能量传输关系的研究大多是基于磁场耦合无线能量传输技术。太阳从重庆大学教授的团队提出了无线电力传输网络的概念基于磁场耦合无线能量传输技术(22]。在这个无线电力传输网络,多个中继终端利用谐振线圈形成共振链接和使用之间的强耦合谐振器形成“高效能源传输通道。“火炬传递过程不涉及能量形式的转换。使用这一原则,在文献[23],发射机传输功率接收器2米之外通过多个中继节点,可以改善无线能量传输的有效距离。文献[24)假设有多个中继节点随机分布在一个特定区域,并使用蚁群算法来实现最优的中继节点选择能源传输链接。在同样的假设,文献[25)使用熵算法来优化能源传输链接,这避免了问题的蚁群算法容易陷入局部最优的路径优化。基于无线电力传输网络是否有一定的传输节点和传输节点是否能提供无限的权力,文献中定义的无线电力传输网络(22)是进一步分为主动注入无线电力传输网络和被动注射在文献[无线电力传输网络26),并通过实验证明了细胞遗传算法可以有效地解决无线电力传输网络的路径优化与主动注入和被动注入。
微波无线能量传输的相关研究几乎完全集中在改善DC-microwave转换效率,收到整改和直流合成过程中两个点之间的直接能源传输(11,27]。没有相关研究微波无线中继传输能量。从微波无线能量传输试验报告由NASA在1974年实现了DC-to-DC转换效率6.7%的距离1.54公里(28),研究人员一直在致力于改善整个微波无线能量传输的传输效率。2009年,c波段微波无线能量传输系统研究由四川大学实现整流效率为70%的条件下工作5.8 GHz频率和发射功率600 W;2012年,在日本京都大学的一个研究小组建立了一个s波段使用相控阵磁控管微波无线能量传输系统;无线能量传输系统的microwave-to-DC转换效率为54%,当传动功率为1.9千瓦(11]。文献[27)设计了一个高性能的微波源的电源节点微波无线电力传输系统,使用锁相循环频率合成技术和单片集成功率芯片简化电路系统结构。
继电器的能源传输无线电力传输网络中基于磁场耦合无线能量传输技术指出一个好的方向无线能量传输的链接。
然而,有限的技术原理,磁场耦合无线能量传输,无线电力传输网络基于磁场耦合无线能量传输技术只能提供无线电energy-receiving设备在几十米范围内即使多个继电器(23,26),这是难以满足无人单位的能源需求。考虑到微波无线能量传输技术是相对成熟11),它可以进行无线能量传输的公里级别较高的效率,本文是基于微波无线能量传输技术构建的无线能量传输链路无人单位工作。中继节点的位置和数量要求的链接和精力充沛的孔径天线中继节点的优化减少微波能量无线能量传输的几何衰减,提高整体能源传输的效率。
需要清楚的是,相比之下,孙悦的磁场耦合传递能量传播的团队,微波能量中继传输提出了使用一个类似的无线能量链接传输形式,但无论能量传输原理或添加中继节点的含义是完全不同的。
3所示。模型建设
3.1。单元模型
摘要微波无线能量传输链路,认为能源中继传输由一个固定的能源供应平台(电源节点)作为无线电力传输源,中继平台(继电器节点),函数作为能源继电器的链接,和无人单元(权力接收节点)接收能量。为了简化计算,本文假设无线能量传输中使用的微波束平面波和梁截面上的能量密度服从均匀分布(20.,21];电源节点的最大微波传输功率和微波能量的最大接收和转发功率继电器节点决定根据功率要求和微波energy-receiving接收节点的能力;本研究不涉及的优化传输和接收的力量中的每个节点链接。
3.1.1。电源节点的模型
电源节点的主要参数(固定能源供应平台)包括微波束激发角 ,的转换效率将电能转化为微波能量,三维坐标的微波源。当电源的微波源节点发出微波在太空中,在某一方向上的能量分布在梁截面的距离从电源节点可以通过以下公式计算: 在哪里是实际的微波传输功率电源节点;是大气衰减系数,它与光束传输路径上的大气状况;和追踪损失系数。的值和确定在传输过程中根据实际天气条件和设备条件。
3.1.2。权力接收节点的模型
无人单位作为权力接收节点接收微波能直接通过电源节点或中继节点转发的过程中完成预定的工作。
权力的参数包括接收天线孔径接收节点 ,效率将微波能量分布在接收天线为电能的有效面积,和三维坐标等价的中心点的接收天线(使用这个权力接收节点坐标 )。当权力接收节点之间的距离和微波发射源 ,电力通过微波能量转换是由下列公式计算:
在平面波假设下,梁截面积 在相关的公式是梁锥角和传输距离 :
3.1.3。中继节点的模型
中继节点的角色能源继电器和转发的链接。其主要参数包括接收天线的孔径 ,效率的接收天线的微波能量分布转换成电能,激励角度微波束的转换效率将电能转化为微波能量,三维坐标的中继节点。
当继电器节点之间的距离和微波发射源 ,电力通过微波能量转换是由下列公式计算:
接收能量时,中继节点开始微波能转发给接收节点或另一个中继节点,和变压器的损耗和稳定过程中电路合并成转换效率电能的微波能量。当继电器节点发射微波,能量分布在梁部分的距离它可以由以下公式计算:
3.2。模拟微波无线能量传输链接
无线能量传输链路的中继节点根据实际需要可以有多种形式,如功率继电器无人机,一个继电器驱动的车辆,或固定中继平台。图2是一个原理图的微波无线能量传输与功率继电器无人机中继节点;功率继电器的使用无人机无线能量传输的链接可以避免干扰地面障碍。本文规划模型选择功率继电器无人机中继节点,以避免干扰地面障碍。
链路传输效率最重要的属性是一个无线能量传输链接。传送能源传输的目标是减少的几何衰减微波能量在传输过程中。对于任何两个节点 的链接,从节点的能量传递效率到节点是由以下公式计算:
的横截面积发出的微波束的节点在节点是由以下公式计算: 在哪里直线距离节点吗到节点 。
3.3。优化目标
无线能量传输链接建设的主要目标是最大化的能量传输过程中能量传输效率从电源节点到接收节点,并添加一个中继节点的额外成本也必须加以考虑。因此,链接能量转移效率最大化和成本最小化继电器链接的优化目标是构建无线能量传输链接。
3.3.1。能量转移效率的链接
中继传输的能量微波无线能量传输链路是减少几何衰减,提高能量传输效率的链接电源节点接收节点。
当有中继节点的链接,链接在某些时刻传输效率计算如下: 在哪里 , ,和从电源传输效率函数节点最近的中继节点,我th中继节点到下一个中继节点,最后一个中继节点到接收节点。
在能量传输效率的具体计算方法时间指的是公式(7)和(8);一个,B,C分别是电源节点最近的中继节点,我th到下一个中继节点,中继节点和微波能量传输距离最后一个中继节点接收节点。当能量传输效率的具体计算方法是两点之间直接传播是指方程(7)和(8)。 , ,和从电源节点是微波传输距离最近的中继节点,中继节点到下一个中继节点,最后一个中继节点到接收节点,分别。
3.3.2。继电器的联系的成本
在能源相关网络规划、网络单元的成本一般包括三个部分:采购成本、维护成本和操作成本(29日]。由于规划模型本文旨在验证链接继电器能源传输的有效性,只有购买成本的中继节点的优化。当有中继节点连接,继电器成本 ,有 在哪里的采购成本是微波中继节点和energy-receiving设备吗的采购成本是微波energy-receiving设备相关激励天线孔径的中继节点。
4所示。模型求解
微波无线能量传输链接计划,有必要考虑的两个相互制约的目标的能量传输效率最大化和最小化的链接链接继电器成本,这是一个典型的dual-objective优化问题。在各种现有的多目标进化算法(30.,31日),与精英策略快速nondominated排序遗传算法(NSGA-II) [32),作为一个优秀的算法,已经广泛应用于许多学科(33,34];其特点也适合本研究的实验。因此,本文运用NSGA-II解决无线能量传输链路规划模型考虑中继传输能量。
实现无人驾驶的持续的能源供应单位在工作中传递的能量传输链接基于微波无线能量传输技术,同时最大限度地提高传输效率,中继节点的数量和位置的链接和中继节点的孔径天线需要优化的基于坐标和性能(梁激励角度,energy-receiving天线孔径,等等)的电源节点和接收节点。
由于决策变量中的中继节点的数量决定了中继节点的坐标,编码的数量和中继节点的坐标在同一个人会使每个个体的染色体长度是不同的。在进化计算,不同长度的染色体不能交叉。因此,内层优化中继节点的位置分别执行,优化的数量和中继节点的天线孔径完成根据返回的优化结果和其他相关参数。
图3显示了无线能量传输的解决方案过程链接规划模型考虑能源中继传输:采用双层优化方法的解决方案。外层优化的决策变量的数量和energy-receiving天线孔径的中继节点。优化目标是最大化能量传输效率和减少的链接链接继电器成本;内部优化的决策变量是继电器节点坐标,和优化的目标是最大化能量传输效率的联系。在溶液中,首先,进入数量的个人和人口数量的优化目标,决策变量的设置值范围,生成外部优化的初始种群,并设置最大进化一代。之前计算目标函数值,根据天线孔径的数量和继电器的个体,内层优化计算执行在每个继电器的位置与能量传输效率最大化的目标的链接。然后,保存每个中继节点的坐标中得到优化结果,使用内部的链接能量转移效率优化结果的客观价值的当前个人外层优化;外层的其他客观价值优化(链接)的继电器成本是根据输入参数和相关计算公式。快速非惯用排序后,拥挤的计算,选择、交叉、变异,对初始种群和其他操作,新一代的人口获得和双层循环迭代不断执行之前达到进化迭代的最大数量。当达到进化迭代的最大数量,终止循环和输出解决方案的结果。
基于优化目标,已经确定的决策变量和约束之前,无线能量传输的dual-objective规划问题链接考虑能源中继传输可以描述如下:(一)外层优化目标函数: 限制: (b)内层优化目标函数: 限制:
在前面的公式,代表了目标函数包括两个目标。决策变量和中继节点的数量在链接和energy-receiving天线孔径的中继节点。和上限和下限的孔径energy-receiving天线的中继节点; 和 是电源节点的坐标和energy-receiving节点,分别。坐标 中继节点的内部优化的决策变量,和它的价值范围必须满足公式(13)- (15)。
当使用NSGA-II解决dual-objective规划问题的无线能量传输链路两层迭代,设置外的个体数量优化人口50和最大迭代次数为100;设置内部的个体数量优化人口25,迭代的最大数量是根据实际数量浮动在内部优化决策变量;遗传算子都使用模拟二进制交叉(墨)和多项式变异(PM);具体参数,请参考相关的讨论(32,35,36)和算法调试的实际情况。染色体的编码解决方案中采用实数编码。在外层优化,每个染色体由2基因(决策变量): ,在内部优化,每个染色体组成的基因 : 。
5。案例研究
5.1。实验数据
验证的有效性能源中继传输微波无线能量传输,无线能量传输链路优化执行基于设备技术参数和成本数据排序从相关文献[11,12,18,21]。中继节点的实际形式是一种无人驾驶飞行器携带能源中继传输设备。优化过程不考虑地形变化或其他原因造成的阻塞和假设大气实验仍然是统一的和安静的环境。
十倍的链接规划进行了实验,以及电源节点之间的相对距离和接收节点在每个时间线性增加。建立了坐标系与电源节点原点。的X- - - - - -Y平面位置的接收节点的规划如图10倍4。规划所需的相关参数设置如表所示1和2。
5.2。实验结果
当使用CCMO和NSGA-II算法解决无线能量传输的问题链接计划通过一个两层迭代法,首先生成一个包含50个人的外部优化的初始种群,然后执行两层迭代进化的100倍。在迭代中,每个人在每一代的外层优化必须完成一个内层优化计算的价值目标。获得的最优帕累托方面解决10倍的实验显示在图上相同的颜色,如图5。在图中,纵“目标1” ,和横线“目标值2” 。
从图可以看出5有一个明显的继电器成本之间的负相关和能源传输损失率链接解决方案的10倍计划的结果。减少传输损耗的能量率(即提高能量传输效率 )链接的链接继电器成本将会增加。换句话说,一个无线能量传输与更高的能量传输效率要求更高的链接继电器成本;获得的最优链路规划方案将权衡这两个优化目标。没有规划方案可以减少继电器成本和能量损失的链接在同一时间。
在最优帕累托集获得100次迭代后,nondominated候选解决方案的数量是50岁,也就是说,50 nondominated动态无线能量传输链路规划方案最终获得(计划1相同的链接,50计划已经获得,但是许多计划有相似的价值观和目标并不容易区分图)。这些计划都是理论上的最优方案,决策者可以选择最合适的规划方案根据他们的偏好。的方案选择,可以使用许多方法来帮助决策者在决策37- - - - - -39]。例如,当一个决策者使用期望水平方法(40)选择一个解决方案,他可以指定一个特定的期望价值需要达到一定的目标,然后选择解决方案,它可以实现这个期望价值,而对另一个目标进行最好的。
此外,图5表明,当电源节点之间的距离和权力接收节点线性增加,最大能量传输效率,可以实现降低指数的联系。这是因为继电器节点添加到链接只能减少微波无线能量传输的几何衰减但是不能减少大气能量传输过程中衰减,所以最高能量传输效率,可以实现的联系主要是传播过程的影响。大气衰减的影响反映在线性能量传输距离的增加,和最大能量传输效率指数衰减。
另一个特点呈现在图5是帕累托前面得到的解决方案显示了线性负相关链接时继电器成本很小,显示了一个非线性负相关链接时继电器成本很高。
帕累托面前获得第六选择解决方案,进一步分析这一特性。帕累托前面获得的第六个解决方案是如图6;10计划统一来自帕累托前面获得的第六个解决方案如表所示3。目标表中的值能量传输损耗汇率转换平均链接能量传输效率表中的链接,和计划按升序排列的价值 。
从图可以看出6客观值显示的线性负相关x设在坐标(0,290000)和(420000、550000)。这是因为计划增加相同数量的继电器(表的链接3,方案2 - 4、5、6),和几何衰减在能源传输减少线性天线孔径的增加安装在中继节点。
帕累托前面有一个间隔之间的差距(0,290000)和(420000、550000)。这是因为计划(420000、550000)间隔增加1中继节点与计划相比(0,290000)间隔,和高单中继节点的单位成本(29999元)引起这种差距在前面。在前沿(550000、830000),这两个目标的价值观表现出明显的非线性负相关。这是因为有许多继电器节点链接在这前面的一部分,和无线能量传输的几何衰减过程已经非常小;进一步增加孔径energy-receiving天线中继节点的减少影响减少几何衰减。突然变化的斜率在面前的这一部分是因为双方的中继节点的数量的突变点的斜率发生了变化。一般来说,帕累托的形状前获得的解决方案是符合理论预期和两层迭代解发现最优帕累托。
在表3链接的,能量传输效率普遍偏低是由于电源之间的长距离节点和接收节点(12公里)。方案1不添加一个中继节点的链接。在这个时候,虽然链接继电器成本为0,链接的能量传输效率仅为0.057%。无线能量传输与这样一个低能量的传输效率将导致巨大的能源浪费,这个方案在实际应用中并不可行。相比之下,计划4只添加一个中继器链接(energy-receiving天线孔径是19米2),使能量传递效率增加了15倍相比方案1 (0.86%)。当然,也有0.86%的能量传递效率较低的实际可行性,但巨大的改进方案4相比方案1完全显示,添加合适数量的继电器节点链接可以有效地提高链接的平均能量传输效率。
以前的深入分析后得到的最优帕累托前沿解决方案,最优帕累托解通常是符合预期的解决方案结果基于输入数据信息和模型约束。解决方案显示了良好的优化效果,无线能量传输的有效性本文链接多目标规划模型验证;能源中继传输微波无线能量传输链接摘要可以有效提高能量传输效率的链接。决策者可以权衡能量转移效率要求和经济成本预算选择合适的方案最优帕累托前沿。
6。结论
针对实现无线供电的问题无人在工作单位根据当前无线能量传输技术水平和提高能量传输效率尽可能多,本文提出了一种基于微波无线能量传输技术的能源供应方法,传输微波能量从电源节点的接收节点通过一定数量的中继节点。
首先,分析了目前几种类型的特点更成熟的无线能量传输技术和得出结论,微波无线能量传输是最合适的方式在当前的应用程序上下文。然后,接收天线孔径的条件下接收节点是固定的,有效地减少了几何衰减的可行性在长距离传送微波无线能量传输的微波能量讨论;微波无线能量传输链路的规划模型考虑能源建立中继传输和解决。最后,设计一个实验来验证微波能量传递传播的重要作用在减少几何衰减过程中微波无线能量传输。
微波无线能量传输的几何衰减增加急剧增加的能量传输距离。发散角时的微波激励电源节点是常数和权力接收节点的天线孔径有限,添加适当的电源节点之间的中继节点数量和远距离微波无线能量传输的功率接收节点在传输过程中可以有效地降低几何衰减。当数量和最优的中继节点的接收天线孔径,几乎完全避免几何在传输过程中衰减的效果可以实现以更低的额外成本,从电源节点和传输效率的接收节点可以最大化。
此外,由于继电器节点可以灵活部署,电源节点还可以使用微波中继传输传输能源的能量接收节点被障碍在点对点的线性传播。这些特征反映了无人提供持续的能源供应单位的可行性操作基于当前微波无线能量传输技术,以及微波能量中继传输的实际应用价值。
后续研究将进一步丰富的规划模型微波无线能量传输链接基于现有的微波无线能量传输技术和继电器能源传输的想法。本文的研究成果可以为后续的理论研究提供理论支持和工程设计中/远距离无线能量传输和无线能量传输网络的链接。
数据可用性
使用的数据来支持研究中提出了本文。其他数据可从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。