1.本发明涉及水下超声波无线电能传输技术，具体涉及一种距离自适应控制方案，使系统获得最优的输出功率，并同时进行传输距离的测量。
背景技术：2.超声波无线电能传输技术利用超声波进行能量传输。该技术利用超声换能器进行电能和机械能的相互转换，在发射端利用高频电源驱动发射换能器，在接收端连接负载拾取电能。超声波作为一种机械波用于水下无线电能传输拥有其独特的优势，在中长距离无线能量传输中有着良好的表现。
3.目前，针对水下超声波无线电能传输系统的研究大都采用固定传输距离。但在实际应用中，水下设备的工作环境相对复杂，工作条件不稳定。这虽然不会导致传输距离较大的偏移，但会造成接收端在期望位置附近的反复波动。研究表明，在较短距离范围内，系统传输功率和效率随距离周期性波动，在距离为声波四分之一波长偶数倍时达到波峰，而在奇数倍时达到波谷。由于高频时声波在水下的波长通常为毫米级，因而接收端位置微小的变化就会引起传输性能较大的偏差，严重影响系统工作效率和稳定性。
技术实现要素：4.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种距离自适应的水下超声波无线电能传输系统，用于解决水下超声波无线电能传输系统中传输距离变化对系统传输能力的影响，使系统传输距离保持在声波四分之一波长的偶数倍处，系统获得最优的输出功率和传输效率，同时利用超声波能量传输完成传输距离的在线监测。
5.为达到上述目的，本发明的实施采用如下技术方案：
6.一种距离自适应的水下超声波无线电能传输系统，由能量发射模块、能量传输模块、能量接收模块和控制测量模块构成，其中，能量发射模块由输入直流电源1、逆变器2、发射端谐振补偿电感3和发射端谐振补偿电容4组成，输入直流电源1连接在逆变器2的两端，逆变器2的一个输出端与发射端谐振补偿电感3相连，另一输出端直接连接发射换能器5的一端，发射端谐振补偿电感3的另一端与发射换能器5的另一端相连，发射端谐振补偿电容4并联在发射换能器5的两端；能量传输模块由位于水下的发射换能器5、测距换能器6、滑轨7、滑块8和接收换能器9组成，发射换能器5和测距换能器6固定在滑轨7上，接收换能器9固定在滑块8上，可通过移动滑块8改变发射换能器5和接收换能器9之间的距离；能量接收模块由接收端谐振补偿电感10、整流器11和负载12组成,接收端谐振补偿电感10的一端连接接收换能器9，另一端连接整流器11的一个输入端，整流器11的另一个输入端直接与接收换能器9相连，整流器11的输出端接负载12；控制测量模块由dsp控制器和控制电机组成，dsp控制器的pwm输出连接逆变器2的控制极，测距换能器6的测量结果返回dsp控制器，dsp控制器接收端的输出电压检测器检测到的输出电压误差信号返回dsp控制器后，经运算处理驱动控制电机移动滑块8从而改变接收换能器9的位置。
7.接通电源后，逆变器2将输入直流电源1的信号转换为频率与发射换能器5谐振频率相同的交流信号，通过发射端谐振补偿电感3和发射端谐振补偿电容4施加到发射换能器5两端。发射换能器5通过逆压电效应振动辐射声波，声波经过一定距离的传输介质到达接收换能器9，并将机械能转换为电能，通过接收端谐振补偿电容10及整流器11输出直流到负载12，实现能量的无线传输。为了同时进行传输距离测量，添加测距换能器6接收反射回的超声波，检测超声波从被发出到接收的时间，该时间与声波在水中传播速度乘积的一半即为系统传输距离。
8.实验结果表明，系统输出功率随传输距离的变化主要受声波在水中的衰减和传输距离与声波波长的关系两方面因素的影响，使得输出功率随距离增大而衰减的同时周期性波动，在四分之一波长偶数倍的距离处均存在输出功率峰值。在中长距离(1m以下)的水下超声波无线电能传输系统中，考虑声波在水中的衰减随传输距离的变化不大，控制传输距离与声波波长的关系以提升系统的输出功率。在能量接收模块的整流器11输出端检测输出电压幅值与期望参考电压vref比较，并向dsp控制器返回误差信号，由dsp控制器驱动控制电机移动滑块8，使接收换能器9的位置微调，直至位于声波四分之一波长偶数倍距离处，达到期望输出电压，系统获得最优输出功率。
9.与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
10.(1)实现水下超声波无线能量传输及传输距离的自适应控制，系统能够获得最优的输出功率。
11.(2)利用超声波进行能量传输的同时对传输距离进行测量，传输距离可视化，便于与理论结果进行比较，使系统具有高稳定性、高可靠性的优点。
附图说明
12.图1为本发明距离自适应的水下超声波无线电能传输系统结构图。
13.其中，
14.1，输入直流电源；2，逆变器；3，发射端谐振补偿电感；4，发射端谐振补偿电容；5，发射换能器；6，测距换能器；7，滑轨；8，滑块；9，接收换能器；10，接收端谐振补偿电感；11，整流器；12，负载。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
16.如图1所示，超声波无线传能通过发射换能器5振动发出超声波进行无线能量传输，当发射换能器5工作在其谐振频率处时工作效率最高。一般情况下，发射换能器5的谐振频率位于几十khz到几百khz之间，因此需要控制能量发射模块输出与谐振频率相同的电信号驱动发射换能器5。使用dsp控制器输出四路pwm控制信号驱动到逆变器2的控制极，控制期四个桥臂轮流导通，通过计算适当的pwm方波频率使逆变器2将输入直流电源1的直流转换为与发射换能器5谐振频率相同的交流。由于实际中，发射换能器5静态电容的存在，其工作在串联谐振频率处时的输入阻抗呈容性，为减少系统无功损耗，在能量发射模块的逆变器2输出后加入合适的发射端谐振补偿电感3和发射端谐振补偿电容4。此时，发射换能器5发出超声波，超声波经过传输介质被接收换能器9接收，通过滑块8可以改变接收换能器9的
位置，改变传输距离。在能量接收模块同样加入适当的接收端谐振补偿电感10，将接收到的交流信号通过整流器11输出直流信号到负载12。
17.如图1所示，利用超声波无线电能传输系统在控制测量模块中实现对传输距离的测量，利用超声波从被发出到接收的时间差以及超声波在传输介质中的传播速度获得超声波在传输介质中经历的路程。假设发射换能器5发射超声波的时间和测距换能器6接收到反射超声波的时间分别为t1、t2，若忽略发射换能器5和测距换能器6将电能转换为机械能的时间及电路触发时间，t1、t2即为超声波经过传输距离的时间，可通过d＝c|t1-t2|/2获得传输距离，其中c＝1480m/s为水中的声速。
18.如图1所示，在控制测量模块中加入距离自适应控制调节传输距离，获得最优的能量传输功率。在水下超声波无线电能传输系统中，传输距离的波动势必对能量传输效果产生影响，使系统无法达到预期的输出功率。实验发现水下超声波无线传能系统输出功率随传输距离的变化主要受两方面因素的影响，即声波在水中的衰减和传输距离与声波波长的关系，使得输出功率随距离增大而衰减的同时周期性波动，在四分之一波长偶数倍的距离处均存在输出功率峰值。在中长距离(1m以下)的水下超声波无线电能传输系统中，考虑声波在水中的衰减随传输距离的变化不大，控制传输距离与声波波长的关系可有效提升系统的输出功率。当系统处于某一传输距离时，在能量接收模块的整流器11输出端检测输出电压幅值并与设定的期望参考电压vref进行比较，当输出电压幅值低于vref时向dsp控制器输出误差信号，由dsp控制器驱动控制电机拖动滑块8对接收换能器9的位置进行一次微调mm级，直至接收换能器9位于声波四分之一波长偶数倍距离处，输出电压幅值等于或大于vref，系统获得最优输出功率。
技术特征：1.一种距离自适应的水下超声波无线电能传输系统，其特征在于：由能量发射模块、能量传输模块、能量接收模块和控制测量模块构成，其中，能量发射模块由输入直流电源(1)、逆变器(2)、发射端谐振补偿电感(3)和发射端谐振补偿电容(4)组成，输入直流电源(1)连接在逆变器(2)的两端，逆变器(2)的一个输出端与发射端谐振补偿电感(3)相连，另一输出端直接连接发射换能器(5)的一端，发射端谐振补偿电感(3)的另一端与发射换能器(5)的另一端相连，发射端谐振补偿电容(4)并联在发射换能器(5)的两端；能量传输模块由位于水下的发射换能器(5)、测距换能器(6)、滑轨(7)、滑块(8)和接收换能器(9)组成，发射换能器(5)和测距换能器(6)固定在滑轨(7)上，接收换能器(9)固定在滑块(8)上，能通过移动滑块(8)改变发射换能器(5)和接收换能器(9)之间的距离；能量接收模块由接收端谐振补偿电感(10)、整流器(11)和负载(12)组成,接收端谐振补偿电感(10)的一端连接接收换能器(9)，另一端连接整流器(11)的一个输入端，整流器(11)的另一个输入端直接与接收换能器(9)相连，整流器(11)的输出端接负载(12)；控制测量模块由dsp控制器、控制电机和输出电压检测器组成，dsp控制器的pwm输出连接逆变器(2)的控制极，测距换能器(6)的测量结果返回dsp控制器，dsp控制器接收端的输出电压检测器检测到的输出电压误差信号返回dsp控制器后，经运算处理驱动控制电机移动滑块(8)从而改变接收换能器(9)的位置。2.根据权利要求1所述的一种距离自适应的水下超声波无线电能传输系统，其特征在于：在能量发射模块中，逆变器(2)将输入直流电源(1)的信号转换为频率与发射换能器(5)谐振频率相同的交流信号，通过发射端谐振补偿电感(3)和发射端谐振补偿电容(4)施加到发射换能器(5)两端，发射换能器(5)使用的是压电换能器，其通过逆压电效应振动辐射声波，声波经过一定距离的传输介质到达接收换能器(9)，接收换能器(9)由压电效应将机械能转换为电能，通过接收端谐振补偿电容(10)及整流器(11)输出直流到负载(12)，实现能量的无线传输。3.根据权利要求1所述的一种距离自适应的水下超声波无线电能传输系统，其特征在于：添加测距换能器(6)，利用测距换能器(6)检测由接收换能器(9)反射回的超声波，计算超声波从被发出到接收的时间，该时间与超声波在水中传播速度乘积的一半即为系统的传输距离。4.根据权利要求1所述的一种距离自适应的水下超声波无线电能传输系统，其特征在于：对传输距离进行自适应控制，使系统达到最优输出功率；实验结果表明系统输出功率随传输距离的变化主要受声波在水中的衰减和传输距离与声波波长的关系两方面因素的影响，使得输出功率随距离增大而衰减的同时周期性波动，在四分之一波长偶数倍的距离处均存在输出功率峰值；在中长距离即1m以下的水下超声波无线电能传输系统中，考虑声波在水中的衰减在较短的距离范围内变化不大，控制传输距离与声波波长的关系以提升系统的输出功率，在能量接收模块的整流器(11)输出端检测输出电压幅值与期望参考电压vref比较，当输出电压幅值低于vref时向dsp控制器返回误差信号，由dsp控制器驱动控制电机移动滑块(8)，使接收换能器(9)的位置微调，直至位于声波四分之一波长偶数倍距离处，输出电压幅值等于或大于vref，达到期望输出电压，系统获得最优输出功率。
技术总结本发明提供了一种距离自适应的水下超声波无线电能传输系统，该系统包括能量发射模块、能量传输模块、能量接收模块和控制测量模块；能量发射模块由输入直流电源、逆变器和发射谐振补偿电路组成；能量传输模块由超声换能器和滑轨组成；能量接收模块由接收谐振补偿电路、整流器和负载组成；控制测量模块由DSP控制器、控制电机和输出电压检测装置组成。本发明的核心是在水下超声波无线电能传输系统中加入了距离自适应控制，能够很好地应对传输距离小范围波动对传输能力造成的影响，控制传输距离为声波四分之一波长的偶数倍时，获得最大的输出功率。本发明解决水下超声波无线传能系统中传输距离波动对能量传输的影响，使系统获得最优输出功率，提高工作效率。提高工作效率。提高工作效率。
技术研发人员：王振兴 赵宇霏 杜宇维 孙丽琼 耿英三 李昊旻
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/7/5
