一种基于定向充电时间的可充电节点定位方法技术

本发明专利技术属于移动通信技术领域，涉及一种基于定向充电时间的可充电节点定位方法。步骤为：依据充电器天线选用定向天线和可充电节点天线选用全向天线的增益特性，将可充电节点和充电器放入全局直角坐标系中，结合弗里斯传输公式和电容充电公式得到理想充电模型；根据实际环境进行修正，得到环境适应充电模型；使用环境适应充电模型可以得到不同方向充电时间与充电距离的关系，建立准确的定位方程；通过几何法和最小二乘法相结合获得可充电节点位置的优化目标函数，从而实现基于定向充电时间的定位方法。本发明专利技术不需要额外精密设备，且定位精度较高，能够满足用户低成本下使用高精度定位系统的要求。

A recharging node location method based on directional charging time

The invention belongs to the technical field of mobile communication and relates to a charging node positioning method based on directional charging time. The steps are as follows: according to the gain characteristics of directional antenna and omnidirectional antenna of charger antenna, the chargeable nodes and chargers are put into the global rectangular coordinate system, and the ideal charging model is obtained by combining the Fries transmission formula and the capacitance charging formula; according to the actual environment, it is modified to get the suitable environment. The relationship between charging time and charging distance in different directions can be obtained by using the environment-adapted charging model, and the accurate positioning equation can be established. The invention does not need additional precision equipment, and has high positioning accuracy, which can meet the requirements of users to use high-precision positioning system at low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于定向充电时间的可充电节点定位方法
本专利技术属于移动无线通信
，涉及一种基于定向充电时间的可充电节点定位方法。
技术介绍
随着无线传感器网络的快速发展与广泛应用，社会对传感器网络的使用时间与稳定性的需求也越来越高。无线充电技术引起了人们的广泛关注，研究人员开始通过无线能量传输方式向传感器网络提供能量供应，这种新兴的传感器网络被称为无线可充电传感器网络(WirelessRechargeSensorNetworks，WRSN)。在WRSN中的许多应用一般都需要知道传感器节点自身的位置信息，在此基础上才能向用户提供想要的监测信息和服务。如果网络仅仅提供节点监测数据而没有节点位置信息，在很多的应用场合下是毫无意义的。此外，在无线可充电传感器网络中节点的位置还决定充电网络规划和效率。因此，节点的位置信息至关重要。现有类似于全球定位系统等高精度定位设备一般不适合集成在数量多、体积小、功耗低的传感器网络节点上。并且，基于现有测距的定位方法需要直接获得未知节点和锚节点间的距离或角度，虽然这类方法具有较高的定位精度，但节点一般都需要装有额外的测量装置或者准确的信号传输模型。相反，基于非测距的定位方法通过未知节点和锚节点间的相互连接关系或相对位置实现定位，这类方法实现起来更容易，但一般定位精度较低。因此，设计成本低、效率高、误差小的定位方法成为了国内外研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于定向充电时间的可充电节点定位方法。本专利技术通过构建基于充电器选用定向天线和可充电节点选用全向天线的定向充电场景，结合弗里斯传输公式和电容充电公式得到理想充电模型。根据实际环境进行修正，得到环境适应充电模型。使用环境适应充电模型可以得到不同方向充电时间与充电距离的关系，建立准确的定位方程。通过几何法和最小二乘法相结合获得可充电节点位置的优化目标函数。系统通过测得任意朝向的充电器停留在不同位置为可充电节点充电到一定电压所需的时间实现可充电节点定位。其具体步骤如下：步骤1：以充电器天线选用定向天线和可充电节点天线选用全向天线为建模条件，建立定向充电场景；选取局部直角坐标系XTYTZT，建立充电器天线的辐射增益模型，令充电器的位置就是充电器天线的位置，为局部直角坐标系XTYTZT的原点OT，充电器天线的辐射特性在局部直角坐标系XTYTZT的XTOTYT平面上表现为定向性；选取局部直角坐标系XRYRZR，建立可充电节点天线的辐射增益模型，令可充电节点的位置就是可充电节点天线的位置，为局部直角坐标系XRYRZR的原点OR，可充电节点天线的辐射特性在局部直角坐标系XRYRZR的XRORYR平面上表现为全向性；令充电器天线的局部直角坐标系中XTOTYT平面和可充电节点天线的局部直角坐标系中XRORYR平面都处在全局直角坐标系XYZ的XOY平面；步骤2：根据电磁波传输理论中的弗里斯传输公式得到理想条件下信号功率的传输特性；弗里斯传输公式为PR＝PTGT(θT，φT)GR(θR，φR)L(d)，式中，PR是可充电节点天线的接收功率，PT是充电器的发射功率，GT(θT，φT)是充电器天线的增益，θT是ZT轴与辐射方向OTT组成的夹角，φT是XT轴与辐射方向OTT在XTOTYT平面的投影OTT′组成的夹角，GR(θR，φR)是可充电节点天线的增益，θR是ZR轴与辐射方向ORR组成的夹角，φT是XR轴与辐射方向ORR在XRORYR平面的投影ORR′组成的夹角，L(d)是信道损耗因子，L(d)＝λ2(4πd)-2，λ是工作波长，d是充电器天线和可充电节点天线之间的距离；可充电点节点采用超级电容作为储能器件，其平均充电功率公式为式中，C为超级电容的容量，V为充电过程中的结束电压，Δt表示充电时间，即，充电过程中电容电压从零电压充电到结束电压的时间；步骤3：将步骤2中的弗里斯传输公式和平均充电功率公式联立得到理想充电模型：式中，η表示整流效率，是在范围[0，1]内的一个常数，Δta表示在理想条件下的充电时间；步骤4：由于应用环境中地形、气候等环境因素导致信号传输功率产生波动，并且可充电节点受硬件条件限制使整流效率随接收信号强度的降低而减小；因此，在理想充电模型的基础上，需要根据实际环境对步骤3中的理想充电模型进行修正，修正后的公式为式中，α表示整流损失，β表示修正效率，Δtm表示在拟合条件下的充电时间；整理公式，得到经验充电模型：步骤5：根据定向充电场景，将步骤1中的可充电节点天线和充电器天线的辐射增益模型代入经验充电模型；然后进行实验测试并拟合得到经验参数α和β，得到拟合后的经验充电模型；步骤6：通过实验拟合后的经验充电模型存在一定不足，当可充电节点应用在新的环境时，为了保证拟合后的经验充电模型的准确性需要重新拟合经验参数，这将耗费许多的时间和成本；为了解决这个问题，在步骤5中拟合后的经验充电模型中引入环境影响因子ε，反映工作环境对可充电节点充电时间的影响；环境影响因子ε表达式为式中，Δte表示可充电节点在应用条件下某一位置的实际测量充电时间，Δtm表示可充电节点在拟合条件下同一位置的充电时间；然后，得到环境适应充电模型：这样，只需在新的环境中进行一次节点充电时间实验，并将测得的数据与拟合条件下的数据相比较，得到符合实际的环境适应充电模型；该环境适应充电模型可以较为准确地表示可充电节点工作中充电距离与充电时间的关系；步骤7：依据得到的环境适应充电模型建立定位方程；充电器天线的极化方向与可充电节点天线的极化方向相同，以保证系统有较高的传输效率；定义充电器天线的旋转角φi为X轴与充电器天线在全局直角坐标系的XOY平面上法线方向所组成的夹角，用来表述充电器的朝向；定义原点OT和OR分别位于全局直角坐标系的XOY平面中的(xi，yi)和(x，y)，其中i∈[1，I]，I是充电器天线停留不同位置的总个数，则第i个位置的充电器天线与可充电节点天线之间的距离di表示为根据充电器天线与全局直角坐标系原点O的相对位置以及充电器天线的朝向，在全局直角坐标系的XOY平面上，同时平移充电器天线和可充电节点天线使得原点OT与原点O重合，则(x，y)通过平移变换为(xt，yt)；然后顺时针旋转φi，则(xt，yt)经过旋转变换为(x′t，y′t)；因此，得到关系公式：(xt，yt)＝(x-xi，y-yi)，xt＝di(cosφicosφT-sinφisinφT)，x′t＝dicosφT，yt＝di(sinφicosφT+cosφisinφT)，y′t＝disinφT；因此，可充电节点的位置在变换坐标系下表示为φT可以表示为：令θR＝π/2，θT＝π/2，最终，得到用于可充电节点定位的二维充电模型；根据几何法定位原理，需要保证I≥3，并且求解由二维充电模型构成的非线性超定方程，从而得到可充电节点的位置坐标(x，y)；步骤8：考虑到定位方程可能不存在精确解，使用最小二乘法求解无约束非线性优化问题，得到一个近似解；基于最小二乘法的几何原理，待定位的可充电节点位置应该使可充电节点到所有充电器的等功率线的距离平方和达到最小；定义第i个充电器的等功率线和充电器天线与可充电节点天线连线OTOR的交点C，则线段OTC的长度定义为步骤9：当充电时间的测量误差较小时，令可充电节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于定向充电时间的可充电节点定位方法，其具体步骤如下：步骤1：以充电器天线选用定向天线和可充电节点天线选用全向天线为建模条件，建立定向充电场景；选取局部直角坐标系XTYTZT，建立充电器天线的辐射增益模型，令充电器的位置就是充电器天线的位置，为局部直角坐标系XTYTZT的原点OT，充电器天线的辐射特性在局部直角坐标系XTYTZT的XTOTYT平面上表现为定向性；选取局部直角坐标系XRYRZR，建立可充电节点天线的辐射增益模型，令可充电节点的位置就是可充电节点天线的位置，为局部直角坐标系XRYRZR的原点OR，可充电节点天线的辐射特性在局部直角坐标系XRYRZR的XRORYR平面上表现为全向性；令充电器天线的局部直角坐标系中XTOTYT平面和可充电节点天线的局部直角坐标系中XRORYR平面都处在全局直角坐标系XYZ的XOY平面；步骤2：根据电磁波传输理论中的弗里斯传输公式得到理想条件下信号功率的传输特性；弗里斯传输公式为PR＝PTGT(θT，φT)GR(θR，φR)L(d)，式中，PR是可充电节点天线的接收功率，PT是充电器的发射功率，GT(θT，φT)是充电器天线的增益，θT是ZT轴与辐射方向OTT组成的夹角，φT是XT轴与辐射方向OTT在XTOTYT平面的投影OTT′组成的夹角，GR(θR，φR)是可充电节点天线的增益，θR是ZR轴与辐射方向ORR组成的夹角，φT是XR轴与辐射方向ORR在XRORYR平面的投影ORR′组成的夹角，L(d)是信道损耗因子，L(d)＝λ...

【技术特征摘要】
1.一种基于定向充电时间的可充电节点定位方法，其具体步骤如下：步骤1：以充电器天线选用定向天线和可充电节点天线选用全向天线为建模条件，建立定向充电场景；选取局部直角坐标系XTYTZT，建立充电器天线的辐射增益模型，令充电器的位置就是充电器天线的位置，为局部直角坐标系XTYTZT的原点OT，充电器天线的辐射特性在局部直角坐标系XTYTZT的XTOTYT平面上表现为定向性；选取局部直角坐标系XRYRZR，建立可充电节点天线的辐射增益模型，令可充电节点的位置就是可充电节点天线的位置，为局部直角坐标系XRYRZR的原点OR，可充电节点天线的辐射特性在局部直角坐标系XRYRZR的XRORYR平面上表现为全向性；令充电器天线的局部直角坐标系中XTOTYT平面和可充电节点天线的局部直角坐标系中XRORYR平面都处在全局直角坐标系XYZ的XOY平面；步骤2：根据电磁波传输理论中的弗里斯传输公式得到理想条件下信号功率的传输特性；弗里斯传输公式为PR＝PTGT(θT，φT)GR(θR，φR)L(d)，式中，PR是可充电节点天线的接收功率，PT是充电器的发射功率，GT(θT，φT)是充电器天线的增益，θT是ZT轴与辐射方向OTT组成的夹角，φT是XT轴与辐射方向OTT在XTOTYT平面的投影OTT′组成的夹角，GR(θR，φR)是可充电节点天线的增益，θR是ZR轴与辐射方向ORR组成的夹角，φT是XR轴与辐射方向ORR在XRORYR平面的投影ORR′组成的夹角，L(d)是信道损耗因子，L(d)＝λ2(4πd)-2，λ是工作波长，d是充电器天线和可充电节点天线之间的距离；可充电点节点采用超级电容作为储能器件，其平均充电功率公式为式中，C为超级电容的容量，V为充电过程中的结束电压，Δt表示充电时间，即，充电过程中电容电压从零电压充电到结束电压的时间；步骤3：将步骤2中的弗里斯传输公式和平均充电功率公式联立得到理想充电模型：式中，η表示整流效率，是在范围[0，1]内的一个常数，Δta表示在理想条件下的充电时间；步骤4：由于应用环境中地形、气候等环境因素导致信号传输功率产生波动，并且可充电节点受硬件条件限制使整流效率随接收信号强度的降低而减小；因此，在理想充电模型的基础上，需要根据实际环境对步骤3中的理想充电模型进行修正，修正后的公式为式中，α表示整流损失，β表示修正效率，Δtm表示在拟合条件下的充电时间；整理公式，得到经验充电模型：步骤5：根据定向充电场景，将步骤1中的可充电节点天线和充电器天线的辐射增益模型代入经验充电模型；然后进行实验测试并拟合得到经验参数α和β，得到拟合后的经验充电模型；步骤6：通过实验拟合后的经验充电模型存在一定不足，当可充电节点应用在新的环境时，为了保证拟合后的经...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建雄，郭阳，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12