本文選題：微波輸能 + 巷道�。� 參考：《中國礦業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：礦山數(shù)字化和信息化進(jìn)程的加快,使得井下傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量激增。由于節(jié)點(diǎn)多采用電池供電,電池能量的有限性嚴(yán)重制約了傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。如何保持節(jié)點(diǎn)能量的充足,是亟待解決的關(guān)鍵問題。隨著無線輸能技術(shù)的發(fā)展和可充電節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的日趨成熟,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量瓶頸將被緩解乃至消除。本文結(jié)合該方向的最新研究成果和井下的特殊環(huán)境,利用微波輸能(MPT,Microwave Power Transmission)技術(shù)解決節(jié)點(diǎn)的能量受限問題。在輸能的過程中,節(jié)點(diǎn)最終獲取的能量為充電功率與充電時(shí)間的乘積,因此,本文以能量傳輸(充電功率)和能量分配(充電時(shí)間)為研究內(nèi)容,主要工作和貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面:能量傳輸—功率特性:1.研究了能量在巷道短距離內(nèi)的傳輸特性。分析了MPT在巷道環(huán)境下的性能評(píng)價(jià)以及影響因素。在輸能時(shí)間確定的情況下,能量特性可以用功率特性表征。在輸能的近距離下,針對(duì)巷道現(xiàn)有微波功率模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大的問題,結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型和波模理論,提出了一種分段線性模型,來描述MPT場(chǎng)景下的功率特性。本文模型以波模理論為基礎(chǔ),結(jié)合初始位置和分段點(diǎn)處的測(cè)量值,以分段線性的方式描述近距離內(nèi),能量在巷道中的傳輸特性。大量巷道實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提模型。2.研究了單節(jié)點(diǎn)整流輸出最大化的問題。能量在巷道中的傳輸特性確定之后,影響節(jié)點(diǎn)能量獲取的因素將是整流。分析了兩種整流方式(單二極管整流、倍壓整流)的效率和計(jì)算方法,給出了單節(jié)點(diǎn)整流輸出最大化的問題描述方程。針對(duì)靜態(tài)輸能和移動(dòng)輸能的場(chǎng)景,利用多種群優(yōu)化算法求解最佳的輸能位置以及最優(yōu)整流電路參數(shù),從而使單節(jié)點(diǎn)整流輸出的能量最大化。結(jié)合工作1和2,可有效計(jì)算井下MPT系統(tǒng)的效率。能量分配—輸能策略:3.研究了巷道環(huán)境下的移動(dòng)輸能策略。在井下環(huán)境,輸能裝置只能沿軌道進(jìn)行移動(dòng)輸能。針對(duì)此場(chǎng)景,通過理論推導(dǎo),給出了保證傳感網(wǎng)絡(luò)無限運(yùn)行所必須滿足的邊界條件(CFS),提出了滿足CFS條件下最大化能量分配的問題模型,并利用CVX工具箱進(jìn)行模型求解。將整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為若干滿足CFS條件的子網(wǎng)絡(luò),利用多個(gè)輸能裝置以周期輪流的形式對(duì)其移動(dòng)輸能,從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無限運(yùn)行。在劃分子網(wǎng)絡(luò)的過程中,針對(duì)節(jié)點(diǎn)密集分布的區(qū)域,提出群節(jié)點(diǎn)劃分的思路及方法,之后對(duì)其進(jìn)行集體輸能,該機(jī)制有效擴(kuò)充了子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。最后給出了整個(gè)問題的求解算法,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。4.研究了波束成形的輸能機(jī)制。在劃分群節(jié)點(diǎn)的輸能策略中,為保證CFS條件,在群節(jié)點(diǎn)內(nèi)部,會(huì)出現(xiàn)過充電現(xiàn)象。因此,本文采用波束成形的機(jī)制來均衡群節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的能量分配。另一方面,波束成形能顯著提高能量在巷道中的傳輸效率,擴(kuò)大輸能規(guī)劃中的子網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。在波束成形的求解過程中,利用半定松弛技術(shù)將非凸的原問題轉(zhuǎn)換為符合半定規(guī)劃的一系列子問題,進(jìn)而利用二分法進(jìn)行迭代求解�？紤]了確定信道和噪聲信道的影響,以及整流效率隨能量變化的情況。最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)合工作3和4,可以制定最優(yōu)的移動(dòng)輸能規(guī)劃。
[Abstract]:In this paper , the problem of energy transmission - power characteristic is studied by means of multi - group optimization algorithm . In this paper , the beam forming mechanism is used to balance the energy distribution inside the cluster nodes . In the process of beam forming , the non - convex original problem is converted into a series of sub - problems which meet the semi - definite programming .

【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD65

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本文編號(hào)：1892451