CN107968451A - 基于微波无线充电的效率提升方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于无线充电技术领域，提供了一种基于微波无线充电的效率提升方法及装置，包括：首先，建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立所述充电节点和所述待充电设备之间天线的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；然后，结合所述第一衰减模型和所述第二衰减模型计算所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率；最后，对若干个所述充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合所述接收功率对划分后的若干个所述充电节点进行优化，得到优化后的所述接收功率的最大值，作为所述充电节点和所述待充电设备之间的最大接收功率；本发明提供的方法保证了各个充电节点的充电效率最大化，避免了资源浪费。
Description
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，尤其涉及一种基于微波无线充电的效率提升方法与装置。
背景技术
现阶段，随着便携式媒体播放器、智能手机和平板电脑等电池供电的消费类电子设备的不断普及，导致家里到处充斥着大量不同的充电器和成捆的电线。无线充电技术的到来适应现代生活的要求，提高生活品质。目前，基于微波的无线充电方式传输距离远、范围广且位置可自由移动。无线微波充电方式涉及到的装置有微波发射装置和微波接收装置，其具体利用的原理是电波能携带能量并传递能量的特性，导体中电流强弱的改变会产生无线电波，当电波通过空间传播到达接收端设备，电波引起的电磁场变化产生谐振效应，又会在导体中产生电流，以此来完成能量的传输过程。
但在实际运用中，微波无线充电系统面临着接收效率低，传输损耗大等问题。事实上，在保证传输有效的基础上，能最大化接收设备的接收功率则作为无线充电系统首要考虑的目标。在具体运用中，接收端设备通过自身所带天线接收能量发射端的无线能量场，进而将其转化为能维持设备稳定工作的电能，能量传输中的影响因素主要分为两类，传输距离和收发设备之间的偏角，微波无线充电效率会随着传输距离的增大和偏角的变化产生衰减。
一般情况下，根据能量发送和接收天线的数量，可以将充电模式分为三类：一对一，多对一以及多对多。在前两者模式中，只需针对某一个待充电设备进行最优化调整即可达到功率最大化的目标；而最后一种模式即多对多充电模式是微波无线充电的最常见模式，即在实际应用中，基于微波无线充电的方式往往针对多个接收设备，而这种模式对于传输距离和收发设备之间的偏角这两类主要影响因素，往往缺少在发射端和接收端之间的匹配优化方案，缺少对能量传输的优化，造成微波无线充电效率低，并且造成大量的能量浪费。
发明内容
本发明提供一种基于微波无线充电的效率提升方法与装置，旨在针对影响微波无线充电效率的两大主要因素——传输距离和收发设备之间的偏角，提供一种微波无线充电的效率提升方法。
本发明提供了一种基于微波无线充电的效率提升方法，所述基于微波无线充电的效率提升方法运用于基于微波无线充电的效率提升系统，所述系统包括若干个充电节点和若干个待充电设备，所述方法包括：
步骤S1，建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立所述充电节点和所述待充电设备之间天线的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；
步骤S2，结合所述第一衰减模型和所述第二衰减模型计算所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率；
步骤S3，对若干个所述充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合所述接收功率对划分后的若干个所述充电节点进行优化，得到优化后的所述接收功率的最大值，作为所述充电节点和所述待充电设备之间的最大接收功率。
本发明还提供了一种基于微波无线充电的效率提升装置，所述基于微波无线充电的效率提升装置运用于基于微波无线充电的效率提升系统，所述系统包括若干个充电节点和若干个待充电设备，所述装置包括：
模型建立模块，用于建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立所述充电节点和所述待充电设备之间天线的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；
计算模块，用于结合所述第一衰减模型和所述第二衰减模型计算所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率；
局部优化模块，用于对若干个所述充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合所述接收功率对划分后的若干个所述充电节点进行优化，得到优化后的所述接收功率的最大值，作为所述充电节点和所述待充电设备之间的最大接收功率。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种基于微波无线充电的效率提升方法与装置，建立充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立充电节点和待充电设备之间的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；结合第一衰减模型和第二衰减模型计算充电节点和待充电设备之间的接收功率；对若干个待充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合该接收功率对划分后的若干个待充电节点进行优化，得到优化后的接收功率的最大值，作为充电节点和待充电设备之间的最大接收功率；本发明与现有技术相比，一方面，通过建立针对传输影响参数的模型来充分融入各自的环境影响参数，保证了对功率分配的准确性和可靠性；另一方面，对充电节点进行分类并进行局部优化，以保证各个充电节点的充电效率最大化，避免了资源浪费。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于微波无线充电的效率提升方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的接收天线方向图；
图3(a)是本发明实施例提供的关于天线接收增益随天线接收角度及接收距离变化的在XY平面上的投影图；
图3(b)是本发明实施例提供的天线接收增益随天线接收角度和接收距离变化的三维方向图；
图4(a)是本发明实施例提供的接收功率-3dB衰减后，接收角度变化范围示意图；
图4(b)是本发明实施例提供的接收功率-3dB衰减后，接收距离变化范围示意图；
图5是本发明实施例提供的多对一模式的最优化接收功率方案示意图；
图6是本发明实施例提供的多对多一般化充电模式模型的示意图；
图7是本发明实施例提供的重叠型无线充电模型的示意图；
图8是本发明实施例提供的一般化充电模式的充电系统整体流程图；
图9是本发明实施例提供的一种基于微波无线充电的效率提升装置的模块图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于现有技术中存在微波无线充电效率会随着充电节点与待充电设备之间传输距离的增大和收发天线之间偏角的变化发生衰减，从而造成微波无线充电效率低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于微波无线充电的效率提升方法与装置，用局部优化去取代全局优化，即将优化的重心从全部充电节点转移到各单一的充电节点，在每个充电节点有效的充电距离范围内进行各自的局部优化选择，从而使待充电设备的总接收功率值最大化和微波无线充电效率最大化。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种基于微波无线充电的效率提升方法，所述基于微波无线充电的效率提升方法运用于基于微波无线充电的效率提升系统，所述系统包括若干个充电节点和若干个待充电设备；
具体地，所述充电节点相当于提供充电服务的基站，即微波发射端，所述待充电设备可以为手机、平板电脑等需要电池供电的消费类电子设备，即微波接收端。
所述基于微波无线充电的效率提升方法包括：
步骤S1，建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；
需要说明的是，每一个待充电设备与每一个充电节点之间都存在一个第一衰减模型和第二衰减模型。
具体地，在基于微波的无线充电过程中，影响充电效率的主要包含两大参数，接收距离和接收角度(微波发射端天线与微波接收端天线的接收夹角)；本发明实施例根据接收功率随接收距离的对数衰减关系和天线的方向图，建立其各自对应的衰减模型。
对于接收距离，其映射关系呈指数下降趋势，一般意义上而言，定义所述第一衰减模型即定义其与接收功率的衰减损耗函数如下：
其中，p1表示接收功率，A表示实际环境中的幅值参数，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，需要说明的是，所述接收距离指的是待充电设备与充电节点的天线之间的直线接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差，B表示噪声误差，A＞＞B,l∈(0,1)。
对于接收角度，本发明实施例所用天线为定向天线，其天线方向图具体表征天线本身的接受增益。其方位图或者极坐标示例图增益范围和增益趋势相似，区别于不同天线方位图的是接收偏角以及接收增益的幅值。在每个接收段的角度范围内，其变化趋势随实际环境变化形成各自的分布曲线。同时，方向图在特定角度范围内呈现对称状态，为方便分析求解，其中，对于接收值增益微乎其微的角度参数，予以忽略。假设天线接收角度范围为[0°,360°]，在其接收范围内，接收功率随接收角度的变化曲线如附图2所示。
当天线接收偏角达到垂直角度时，增益达到最大值。特征函数为一分段函数，起始偏角为α1，包络的起始偏角向量α＝[α1,α2,α3,…,αm]，其中α1<α2<α3<…<αm，各波峰峰值对应角度向量β＝[β1,β2,β3,…,βm]，其中β1<β2<β3<…<βm，α和β是关于接收偏角的参数，天线接收功率幅值向量p＝[p1,p2,p3,…,pm]，p1<p2<p3<…<pm，其中m表示包络个数，并且除主峰包络外，其他包络成对分布。其每个子包络的趋势变化为φ，φ＝φ(α,p)，φ可根据实际接收功率曲线图进行拟合，则所述第二衰减模型即天线接收功率关于接收偏角的映射的关系如下式所示：
其中，P2代表接收功率，Tl表示主瓣或旁瓣宽度。天线接收增益关于接收角度以及接收距离的变化趋势如附图3(a)和图3(b)所示。X坐标代表天线变化角度范围，幅值代表天线增益，如图3(a)所示，随着接收距离区间[0.1,1.5]，其方向图由外向内依次叠加显示；图3(b)表示天线接收增益随天线接收角度和接收距离的三维方向图，X坐标表示接收角度范围，Y坐标表示接收增益，Z坐标表示接收距离。
步骤S2，结合所述第一衰减模型和所述第二衰减模型计算所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率；
具体地，所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率为：
其中，x表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收偏角，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差。
事实上，这种基于微波的无线充电方式，从充电模式的角度划分，可分为三类，分别是一对一，多对一和多对多。其中，特殊充电模式包含两类，一对一，多对一。
下面介绍关于特殊充电模式，其对应的最优化解决方案。
在一对一情况下，在待充电设备与充电节点天线位置相对固定时，距离此参量无法从理论给予修正，只要保证在接收角度最优化的基础上，其接收功率既能达到最大值。在实际情况中，应用较少，适合做单例分析。
在多对一的情况下，对于接收端而言，接收距离往往是相对静止状态，在阵列位置固定的情况下，其距离向量一定，故重点考虑其接收角度对模型接收功率的影响。换言之，直接影响接收端功率的是充电节点天线阵列的具体分布情况，其具体模型如附图4(a)和图4(b)所示。
定义：天线阵列方向增益向量G＝[g1,g2,g3,…,gn]，n表示阵列所包含的天线数量，接收距离向量D＝[d1,d2,d3,…,dn]，故最终接收功率此时，最大化接收功率转换成求解最优化问题，即另外，当阵列分布可改变情况下，其距离参数也是一变量参数，其接收距离向量与接收角度向量相对独立，即最优解即最大化接收功率方案。通过求解，得知合理的分布方案为，以待充电设备为圆心，距离为半径的阵列分布。即最大化接收功率值为p1表示一对一传输的最大传输功率，参量l0相关于具体的环境参数，具体如附图5所示。
步骤S3，对若干个所述充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合所述接收功率对划分后的若干个所述充电节点进行优化，得到优化后的所述接收功率的最大值，作为所述充电节点和所述待充电设备之间的最大接收功率。
具体地，本发明以局域优化的方式取代全局优化。对于该优化方案的选择，考虑如下：
由于距离参数表现出的快速衰减特性，从全局考虑，距离的敏感性较强，在最大化接收功率时应当着重考虑，最优化的角度接收方案很可能被接收距离所弱化，甚至呈现负相关性。
设充电环境中，包含n个充电节点，m个待充电设备。则以全局优化作为充电节点的归属选择，即决定充电节点的充电节点选择。例如，当第j个待充电设备给第i个充电节点进行充电时，则目标函数求解最优解限制条件，第j个待充电设备到第i个充电节点的距离，Di表示充电节点的最大有效充电距离。即最优化解的求解问题。
假设所有充电节点的最大接收增益相同，则接收功率直接反比于接收距离。并且，每个充电节点选择各自的带充电设备，相互之间不影响，则最优化解的目标函数可转换成则以各待充电设备为中心，针对设备进行局部优化选择，其路程和最短，解为最优解。
故采用区域局部最优法进行最大化接收功率方案的分析，一方面弱化接收距离的敏感性，另一方面强化区域优化，充分利用充电节点，另减弱优化方案的复杂度，提高实时性。
下面介绍关于一般充电模式，其对应的最优化解决方案。
多对多的充电模式为一般情况下最常见的充电模式，在多对多的充电模式下，本发明实施例中所研究的最大化效率是在二维平面上进行，换言之，保证待充电设备和充电节点的天线阵列在同一高度线上。当有效接收区域内存在多个待充电设备，其各自的接收距离和接收角度则会呈现出相关性。充电节点在空间上的位置分布固定已知，待充电设备随机移动在覆盖范围内，在待充电设备与充电节点之间的有效通信距离内，各自的充电有效范围内，均存在一定数量的充电节点，同时，也存在一部分节点在有效通信距离之外。
具体地，所述步骤S3包括：
步骤S31，分别以若干所述待充电设备为圆心，以有效的最大充电距离为半径做圆，该圆作为有效接收功率圆；其中，在所述有效接收功率圆内的充电节点称为有效针对节点，在所述有效接收功率圆外的充电节点称为局外节点，在所述有效接收功率圆与所述有效接收功率圆重叠的公共区域内的充电节点称为共享节点；
具体地，如附图6所示为一般化多对多无线充电模型，其各自的区域即为有效接收功率圆。
步骤S32，对于所述有效针对节点，以其所在的有效接收功率圆内的待充电设备为目标充电设备，将所述有效针对节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述有效针对节点的最大接收功率；
具体地，设包含在各个待充电设备i区域内的充电节点数量为Ni，此类节点称为“有效针对节点”，待充电设备数量为M，对于任意充电区域Si，最优化方程为Max(Sum(p))，其中对于单个充电能量传输节点的接收功率情况为：
其中，x表示接收设备与天线之间的接收偏角，d表示接收设备与天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差。对于所述有效接收功率圆内所包含的充电节点，调整其接收角度至各自所对应的峰值角度，即β2，满足上述条件后，待充电设备即可获得最大接收功率；对于静态的待充电设备，值恒定，则最大化的接收功率值为：
其中，Φ(x0)＝p1,x0＝β2，p1表示一对一传输的最大传输功率，M表示待充电设备的数量，Ni表示i区域内的充电节点的数量。
对于所述局外节点，以离其距离最近的待充电设备作为目标充电设备，将所述局外节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述局外节点的最大接收功率；
具体地，对于所述有效接收功率圆内未包含的充电节点，将其称为“局外节点”，以离其距离最近的待充电设备为目标待充电设备，从而相对所述目标待充电设备，调整该局外节点的天线最佳能量传输角度，即可获得最大接收功率。
对于所述共享节点，计算所述共享节点相对于所述共享节点所在的有效接收功率圆内的各个待充电设备的充电敏感度，并以充电敏感度最高的待充电设备作为目标充电设备，将所述共享节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述共享节点的最大接收功率。
具体地，在各自的块区域内，存在重叠的公共区域，存在于公共区域的充电节点被称为“共享节点”，其具体模型如附图7所示。在公共区域内的充电节点方向选择(充电节点选择待充电设备)则是区别于一般化充电模式中的另外两种。
需要说明的是，在一般化的充电模式中，根据充电节点与待充电设备之间的相对距离进行节点分类，进而以充电敏感度为标准进行充电节点的合理分配部署，即充电敏感度的计算对象不仅仅局限于共享节点，对于“有效针对节点”和“局外节点”这类节点，都可以进行充电敏感度的计算；而其中，“有效针对节点”和“局外节点”都可以通过前述的方式直接判断出对应的待充电设备，不需要单独计算出充电敏感度，而“共享节点”则需要计算出充电敏感度，以充电敏感度作为共享节点选择待充电设备的标准。
下面具体介绍充电敏感度：
定义充电敏感度：
其中，wang l e代表接收角度的敏感度，wd代表接收距离的敏感度。
由于接收功率随距离的增大呈现指数衰减趋势，较接收角度而言，其变化平缓。据接收功率随接收距离的变化关系，当接收距离为1m时，功率-3dB衰减带来的距离变化如附图4(a)和图4(b)所示，Δd＝lg2≈0.301m，经实测，Δd＝0.314m。而功率-3dB衰减带来的天线可调角度范围：
其中，表示与各包络的左右交点，αl,βl,pl分别代表每个峰值对应的起始偏角、角度和接收功率。在接收距离为1m的情况下，经实测角度可调范围为193.2°，较接收距离而言，其敏感度较弱，在实际功率接收方案中，将两大参数进行加权评估，评估的标准为参数的敏感权值，并同时以此作为优化接收功率的评判标准，对于接收角度的敏感权值计算方法为对接收距离的敏感权值计算方法为其中，d表示实际接收距离，Max(d)表示最大有效接收距离。
对于存在于任意有效接收功率圆公共区域的充电节点，对其对应的待充电节点依照上述所述方法进行接收距离参数与接收角度参数的敏感权值计算。
如附图7所示，待充电设备A,B,C重叠区域包含四块，A,B重叠区，A,C重叠区，B,C重叠区，A,B,C公共重叠区。例如，在A,B重叠区内的充电节点，其计算得到的充电敏感度为ηij，i表示存在与所对应公共区域内的充电节点编号，j表示对于的待充电设备编号，当经过计算，满足条件η1A＞η1B，则代表A,B重叠区的编号为1的充电节点对待充电设备A的敏感度高，编号为1的充电节点，其天线角度应调整到相对于最大化待充电设备A的接收功率的最佳角度。同样，在其它公共区域，通过比较充电敏感度来判断出对应的待充电设备，进而决定共享节点的天线偏角。关于一般化充电模式具体的最优化解决方案流程如附图8所示。
本发明提供的一种基于微波无线充电的效率提升方法，有以下优点：首先，针对传输影响参数的模型建立，充分融入各自的环境影响参数，以保证对功率分配的准确性和可靠性；其次，对充电节点的明确分类，并对存在的有效的充电线路进行局部优化、效率量化，以保证各个充电节点的效率最大化，避免资源浪费；最后，对比于其它充电方式，在基于无线电波的方式的原有优势下，弥补了自身的局限——充电接收效率低，充电节点利用率不高等。
请参阅图9，为本发明实施例提供的一种基于微波无线充电的效率提升装置，所述基于微波无线充电的效率提升装置运用于基于微波无线充电的效率提升系统，所述系统包括若干个充电节点和若干个待充电设备，所述装置包括：
模型建立模块1，用于建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立所述充电节点和所述待充电设备之间天线的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；
具体地，所述模型建立模块中，所述第一衰减模型为：
其中，p1表示接收功率，A表示实际环境中的幅值参数，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差，B表示噪声误差，A＞＞B,l∈(0,1)；
所述第二衰减模型为：
其中，P2代表接收功率，α＝[α1,α2,α3,…,αm]代表包络的起始偏角向量，其中，α1<α2<α3<…<αm，β＝[β1,β2,β3,…,βm]代表各波峰峰值对应角度向量，其中，β1<β2<β3<…<βm，α和β是关于接收偏角的参数，p＝[p1,p2,p3,…,pm]代表天线接收功率幅值向量，其中，p1<p2<p3<…<pm，m代表包络个数，Tl表示主瓣或旁瓣宽度。
计算模块2，用于结合所述第一衰减模型和所述第二衰减模型计算所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率；
具体地，所述计算模块中，所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率为：
其中，x表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收偏角，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差。
局部优化模块3，用于对若干个所述充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合所述接收功率对划分后的若干个所述充电节点进行优化，得到优化后的所述接收功率的最大值，作为所述充电节点和所述待充电设备之间的最大接收功率。
具体地，所述局部优化模块包括：节点划分子模块、有效针对节点优化子模块、局外节点优化子模块和共享节点优化子模块；
其中，所述节点划分子模块，用于分别以若干所述待充电设备为圆心，以有效的最大充电距离为半径做圆，该圆作为有效接收功率圆；其中，在所述有效接收功率圆内的充电节点称为有效针对节点，在所述有效接收功率圆外的充电节点称为局外节点，在所述有效接收功率圆与所述有效接收功率圆重叠的公共区域内的充电节点称为共享节点；
所述有效针对节点优化子模块，用于对于所述有效针对节点，以其所在的有效接收功率圆内的待充电设备为目标充电设备，将所述有效针对节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述有效针对节点的最大接收功率；
所述局外节点优化子模块，用于对于所述局外节点，以离其距离最近的待充电设备作为目标充电设备，将所述局外节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述局外节点的最大接收功率；
所述共享节点优化子模块，用于对于所述共享节点，计算所述共享节点相对于所述共享节点所在的有效接收功率圆内的各个待充电设备的充电敏感度，并以充电敏感度最高的待充电设备作为目标充电设备，将所述共享节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述共享节点的最大接收功率。
具体地，所述局部优化模块中，所述最大接收功率为：
其中，M表示待充电设备的数量，Ni表示i区域内的充电节点的数量，其中，Φ(x0)＝p1,x0＝β2，β2表示充电节点相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，p1表示一对一传输的最大传输功率；
所述充电敏感度的公式为：
其中，
其中，wangle表示接收角度的敏感度，wd表示接收距离的敏感度，d表示实际接收距离，Max(d)表示最大有效接收距离，Δω表示衰减带来的天线可调角度范围，表示与各包络的左右交点，αl,βl,pl分别代表每个峰值对应的起始偏角、角度和接收功率。
需要说明的是，本发明实施例针对于无线充电领域，在基于无线电波充电的系统中均可使用，本发明结合实际情况，可有一些变更设计或其它用途；首先，在无线充电的收发模式上，主要通过能量发射端与接收端的天线进行完成，不同天线呈现出的特性各异，具体体现在其各自的天线方向图上，由此针对各种不同类别的天线，可带入实际的天线属性进行计算；其次，在多个待充电设备接入时，其各自形成的有效接收功率圆的相对位置可存在多种，所给定充电敏感度的计算方式亦可适用；最后，在实际充电系统中，往往存在功率权重分配，即重点充电对象设备，由此可设定充电敏感度阈值，以保证重点充电对象设备的充电功率和充电资源的合理利用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于微波无线充电的效率提升方法，所述基于微波无线充电的效率提升方法运用于基于微波无线充电的效率提升系统，所述系统包括若干个充电节点和若干个待充电设备，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立所述充电节点和所述待充电设备之间天线的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；
步骤S2，结合所述第一衰减模型和所述第二衰减模型计算所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率；
步骤S3，对若干个所述充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合所述接收功率对划分后的若干个所述充电节点进行优化，得到优化后的所述接收功率的最大值，作为所述充电节点和所述待充电设备之间的最大接收功率。
2.如权利要求1所述的基于微波无线充电的效率提升方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述第一衰减模型为：
其中，p1表示接收功率，A表示实际环境中的幅值参数，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差，B表示噪声误差，A＞＞B,l∈(0,1)；
所述第二衰减模型为：
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其中，P2代表接收功率，α＝[α1,α2,α3,…,αm]代表包络的起始偏角向量，其中，α1＜α2＜α3＜…＜αm，β＝[β1,β2,β3,…,βm]代表各波峰峰值对应角度向量，其中，β1＜β2＜β3＜…＜βm，α和β是关于接收偏角的参数，p＝[p1,p2,p3,…,pm]代表天线接收功率幅值向量，其中，p1＜p2＜p3＜…＜pm，m代表包络个数，Tl表示主瓣或旁瓣宽度。
3.如权利要求1所述的基于微波无线充电的效率提升方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率为：
其中，x表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收偏角，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差。
4.如权利要求1所述的基于微波无线充电的效率提升方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31，分别以若干所述待充电设备为圆心，以有效的最大充电距离为半径做圆，该圆作为有效接收功率圆；其中，在所述有效接收功率圆内的充电节点称为有效针对节点，在所述有效接收功率圆外的充电节点称为局外节点，在所述有效接收功率圆与所述有效接收功率圆重叠的公共区域内的充电节点称为共享节点；
步骤S32，对于所述有效针对节点，以其所在的有效接收功率圆内的待充电设备为目标充电设备，将所述有效针对节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述有效针对节点的最大接收功率；
对于所述局外节点，以离其距离最近的待充电设备作为目标充电设备，将所述局外节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述局外节点的最大接收功率；
对于所述共享节点，计算所述共享节点相对于所述共享节点所在的有效接收功率圆内的各个待充电设备的充电敏感度，并以充电敏感度最高的待充电设备作为目标充电设备，将所述共享节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述共享节点的最大接收功率。
5.如权利要求4所述的基于微波无线充电的效率提升方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述最大接收功率为：
其中，M表示待充电设备的数量，Ni表示i区域内的充电节点的数量，其中，Φ(x0)＝p1,x0＝β2，β2表示充电节点相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，p1表示一对一传输的最大传输功率；
所述充电敏感度的公式为：
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</mrow>
其中，wangle表示接收角度的敏感度，wd表示接收距离的敏感度，d表示实际接收距离，Max(d)表示最大有效接收距离，Δω表示衰减带来的天线可调角度范围，表示与各包络的左右交点，αl,βl,pl分别代表每个峰值对应的起始偏角、角度和接收功率。
6.一种基于微波无线充电的效率提升装置，所述基于微波无线充电的效率提升装置运用于基于微波无线充电的效率提升系统，所述系统包括若干个充电节点和若干个待充电设备，其特征在于，所述装置包括：
模型建立模块，用于建立所述充电节点和所述待充电设备之间的接收距离与接收功率的第一衰减模型，并建立所述充电节点和所述待充电设备之间天线的接收偏角与接收功率的第二衰减模型；
计算模块，用于结合所述第一衰减模型和所述第二衰减模型计算所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率；
局部优化模块，用于对若干个所述充电节点进行节点划分，并以局部优化的方式结合所述接收功率对划分后的若干个所述充电节点进行优化，得到优化后的所述接收功率的最大值，作为所述充电节点和所述待充电设备之间的最大接收功率。
7.如权利要求6所述的基于微波无线充电的效率提升装置，其特征在于，所述模型建立模块中，所述第一衰减模型为：
其中，p1表示接收功率，A表示实际环境中的幅值参数，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差，B表示噪声误差，A＞＞B,l∈(0,1)；
所述第二衰减模型为：
<mrow>
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<mi>P</mi>
<mn>2</mn>
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</mrow>
</mrow>
其中，P2代表接收功率，α＝[α1,α2,α3,…,αm]代表包络的起始偏角向量，其中，α1＜α2＜α3＜…＜αm，β＝[β1,β2,β3,…,βm]代表各波峰峰值对应角度向量，其中，β1＜β2＜β3＜…＜βm，α和β是关于接收偏角的参数，p＝[p1,p2,p3,…,pm]代表天线接收功率幅值向量，其中，p1＜p2＜p3＜…＜pm，m代表包络个数，Tl表示主瓣或旁瓣宽度。
8.如权利要求6所述的基于微波无线充电的效率提升装置，其特征在于，所述计算模块中，所述充电节点和所述待充电设备之间的接收功率为：
其中，x表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收偏角，d表示待充电设备与充电节点的天线之间的接收距离，l表示实测环境中的测量距离误差。
9.如权利要求6所述的基于微波无线充电的效率提升装置，其特征在于，所述局部优化模块包括：节点划分子模块、有效针对节点优化子模块、局外节点优化子模块和共享节点优化子模块；
所述节点划分子模块，用于分别以若干所述待充电设备为圆心，以有效的最大充电距离为半径做圆，该圆作为有效接收功率圆；其中，在所述有效接收功率圆内的充电节点称为有效针对节点，在所述有效接收功率圆外的充电节点称为局外节点，在所述有效接收功率圆与所述有效接收功率圆重叠的公共区域内的充电节点称为共享节点；
所述有效针对节点优化子模块，用于对于所述有效针对节点，以其所在的有效接收功率圆内的待充电设备为目标充电设备，将所述有效针对节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述有效针对节点的最大接收功率；
所述局外节点优化子模块，用于对于所述局外节点，以离其距离最近的待充电设备作为目标充电设备，将所述局外节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述局外节点的最大接收功率；
所述共享节点优化子模块，用于对于所述共享节点，计算所述共享节点相对于所述共享节点所在的有效接收功率圆内的各个待充电设备的充电敏感度，并以充电敏感度最高的待充电设备作为目标充电设备，将所述共享节点的天线角度调整到相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，所述目标充电设备即可获得相对于所述共享节点的最大接收功率。
10.如权利要求9所述的基于微波无线充电的效率提升装置，其特征在于，所述局部优化模块中，所述最大接收功率为：
其中，M表示待充电设备的数量，Ni表示i区域内的充电节点的数量，其中，Φ(x0)＝p1,x0＝β2，β2表示充电节点相对于其对应的目标充电设备的接收功率的最佳角度，p1表示一对一传输的最大传输功率；
所述充电敏感度的公式为：
<mrow>
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其中，wangle表示接收角度的敏感度，wd表示接收距离的敏感度，d表示实际接收距离，Max(d)表示最大有效接收距离，Δω表示衰减带来的天线可调角度范围，表示与各包络的左右交点，αl,βl,pl分别代表每个峰值对应的起始偏角、角度和接收功率。
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