[發明專利]一種基于定向充電時間的可充電節點定位方法

有效

• 申請號: 201810275509.5
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN108549050B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 李建雄;郭陽
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G01S5/14
• 分類號: G01S5/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于定向充電時間的可充電節點定位方法，其具體步驟如下：

步驟1：以充電器天線選用定向天線和可充電節點天線選用全向天線為建模條件，建立定向充電場景；選取局部直角坐標系X_TY_TZ_T，建立充電器天線的輻射增益模型，令充電器的位置就是充電器天線的位置，為局部直角坐標系X_TY_TZ_T的原點O_T，充電器天線的輻射特性在局部直角坐標系X_TY_TZ_T的X_TO_TY_T平面上表現為定向性；選取局部直角坐標系X_RY_RZ_R，建立可充電節點天線的輻射增益模型，令可充電節點的位置就是可充電節點天線的位置，為局部直角坐標系X_RY_RZ_R的原點O_R，可充電節點天線的輻射特性在局部直角坐標系X_RY_RZ_R的X_RO_RY_R平面上表現為全向性；令充電器天線的局部直角坐標系中X_TO_TY_T平面和可充電節點天線的局部直角坐標系中X_RO_RY_R平面都處在全局直角坐標系XYZ的XOY平面；

步驟2：根據電磁波傳輸理論中的弗里斯傳輸公式得到理想條件下信號功率的傳輸特性；弗里斯傳輸公式為

P_R＝P_TG_T(θ_T，φ_T)G_R(θ_R，φ_R)L(d)，

式中，P_R是可充電節點天線的接收功率，P_T是充電器的發射功率，G_T(θ_T，φ_T)是充電器天線的增益，θ_T是Z_T軸與輻射方向O_TT組成的夾角，φ_T是X_T軸與輻射方向O_TT在X_TO_TY_T平面的投影O_TT′組成的夾角，G_R(θ_R，φ_R)是可充電節點天線的增益，θ_R是Z_R軸與輻射方向O_RR組成的夾角，φ_R是X_R軸與輻射方向O_RR在X_RO_RY_R平面的投影O_RR′組成的夾角，L(d)是信道損耗因子，L(d)＝λ²(4πd)^-2，λ是工作波長，d是充電器天線和可充電節點天線之間的距離；可充電點節點采用超級電容作為儲能器件，其平均充電功率公式為式中，C為超級電容的容量，V為充電過程中的結束電壓，Δt表示充電時間，即，充電過程中電容電壓從零電壓充電到結束電壓的時間；

步驟3：將步驟2中的弗里斯傳輸公式和平均充電功率公式聯立得到理想充電模型：

式中，η表示整流效率，是在范圍[0，1]內的一個常數，Δt_a表示在理想條件下的充電時間；

步驟4：由于應用環境中地形、氣候等環境因素導致信號傳輸功率產生波動，并且可充電節點受硬件條件限制使整流效率隨接收信號強度的降低而減?。灰虼耍诶硐氤潆娔Ｐ偷幕A上，需要根據實際環境對步驟3中的理想充電模型進行修正，修正后的公式為

式中，α表示整流損失，β表示修正效率，Δt_m表示在擬合條件下的充電時間；整理公式，得到經驗充電模型：

步驟5：根據定向充電場景，將步驟1中的可充電節點天線和充電器天線的輻射增益模型代入經驗充電模型；然后進行實驗測試并擬合得到經驗參數α和β，得到擬合后的經驗充電模型；

步驟6：通過實驗擬合后的經驗充電模型存在一定不足，當可充電節點應用在新的環境時，為了保證擬合后的經驗充電模型的準確性需要重新擬合經驗參數，這將耗費許多的時間和成本；為了解決這個問題，在步驟5中擬合后的經驗充電模型中引入環境影響因子ε，反映工作環境對可充電節點充電時間的影響；環境影響因子ε表達式為式中，Δt_e表示可充電節點在應用條件下某一位置的實際測量充電時間，Δt_m表示可充電節點在擬合條件下同一位置的充電時間；然后，得到環境適應充電模型：

這樣，只需在新的環境中進行一次節點充電時間實驗，并將測得的數據與擬合條件下的數據相比較，得到符合實際的環境適應充電模型；該環境適應充電模型可以較為準確地表示可充電節點工作中充電距離與充電時間的關系；

步驟7：依據得到的環境適應充電模型建立定位方程；充電器天線的極化方向與可充電節點天線的極化方向相同，以保證系統有較高的傳輸效率；定義充電器天線的旋轉角φ_i為X軸與充電器天線在全局直角坐標系的XOY平面上法線方向所組成的夾角，用來表述充電器的朝向；定義原點O_T和O_R分別位于全局直角坐標系的XOY平面中的(x_i，y_i)和(x，y)，其中下標i∈[1，I]，I是充電器天線停留不同位置的總個數，則第i個位置的充電器天線與可充電節點天線之間的距離d_i表示為根據充電器天線與全局直角坐標系原點O的相對位置以及充電器天線的朝向，在全局直角坐標系的XOY平面上，同時平移充電器天線和可充電節點天線使得原點O_T與原點O重合，則(x，y)通過平移變換為(x_t，y_t)；然后順時針旋轉φ_i，則(x_t，y_t)經過旋轉變換為(x′_t，y′_t)；因此，得到關系公式：

(x_t，y_t)＝(x-x_i，y-y_i)，

x_t＝d_i(cosφ_icosφ_T-sinφ_isinφ_T)，

x′_t＝d_icosφ_T，

y_t＝d_i(sinφ_icosφ_T+cosφ_isinφ_T)，

y′_t＝d_isinφ_T；

因此，可充電節點的位置在變換坐標系下表示為

φ_T可以表示為：

令θ_R＝π/2，θ_T＝π/2，最終，得到用于可充電節點定位的二維充電模型；根據幾何法定位原理，需要保證I≥3，并且求解由二維充電模型構成的非線性超定方程，從而得到可充電節點的位置坐標(x，y)；

步驟8：考慮到定位方程可能不存在精確解，使用最小二乘法求解無約束非線性優化問題，得到一個近似解；基于最小二乘法的幾何原理，待定位的可充電節點位置應該使可充電節點到所有充電器的等功率線的距離平方和達到最??；定義第i個充電器的等功率線和充電器天線與可充電節點天線連線O_TO_R的交點C，則線段O_TC的長度定義為

步驟9：當充電時間的測量誤差較小時，令可充電節點天線到充電器的等功率線的線段的長度近似等于線段O_RC的長度；建立帶有I個元素的線段O_RC誤差向量

步驟10：建立可充電節點位置的目標函數：優化該目標函數能夠得到使誤差向量的平方和達到最小的可充電節點位置(x，y)。