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微小型机器人微波电能传输系统的研究

作　者: 李荣熙
导　师: 孙立宁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 微波电能传输 微型机器人 整流天线 高功率微波放大器
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


随着微电子和微电子机械(MEMS)技术的发展,微型移动机器人在包括微纳制造、生物医药工程、精密仪器、通信和军事工业等领域上的应用前景已经得到广泛的关注和深入的研究。尺度的改变使机器人的研究面临更大的挑战,其中能源供给问题是其迈向实用化的主要瓶颈之一。微波电能传输具有无线无限时供电、能量转换效率高、整流天线功率密度较高、结构紧凑等优点,其面向微型机器人应用的优越性不言而喻。本文从偶极子天线模型和肖特基势垒二极管的SPICE模型入手,深入研究了整流天线的时域模型,在该模型的基础上分析了影响微波/直流转换效率和输出电压的各种因素,并探索了面向微型移动机器人应用的整流天线的设计方法,创造性地在整流天线上设计了微带线馈线和集成地层反射板,在成功减小体积的同时提高了增益。研制出高低压两种整流天线,大量的实验测试和分析验证了模型和设计的合理性和可行性。面向实用和实验需求本文研制了一套微波电能传输的发射系统,可在2.40~2.50GHz每500kHz步进的ISM全频带内提供10~20W的微波功率。该系统采用宽带锁相环稳频、对数放大器检测功率,并使用数控衰减器实现了发射功率调节和高动态范围的功率检测。三级结构的高功率微波放大器保证了输出功率。本文还在基于Stick-slip驱动原理的平面微动机器人上实现了整流天线阵供电工作,其获得的驱动电压高达80V,运动速度0.23mm/s,分辨率可到微米级,相对于电池供电驱动效率更高,并实现了微控制器的稳定工作。分析了直流电动机在整流天线阵驱动下的性能、存在问题和解决办法。验证了微波电能传输方案在微型移动机器人上应用的合理性和优越性。本课题的研究,探索了面向微型机器人的微波电能传输系统的设计方法,有助于微型机器人的实用化发展和应用。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 引言  8-9
  1.2 国内外机器人微波电能传输的发展、研究现状及分析  9-13
    1.2.1 国外机器人微波电能传输的发展及研究现状  9-11
    1.2.2 国内机器人微波电能传输的发展及研究现状  11-12
    1.2.3 国内外整流天线的研究进展  12-13
  1.3 课题来源、主要研究内容  13-14
    1.3.1 课题来源  13
    1.3.2 主要研究内容  13-14
第2章 偶极子整流天线的建模、仿真及测试  14-35
  2.1 引言  14
  2.2 整流天线的工作原理  14-15
  2.3 偶极子整流天线模型的建立  15-25
    2.3.1 偶极子天线及其模型概述  15-18
    2.3.2 整流电路的模型  18-25
  2.4 偶极子整流天线的设计仿真和测试  25-30
    2.4.1 偶极子天线的设计，仿真和测试  25-27
    2.4.2 整流电路的设计和仿真  27-30
  2.5 总体测试及分析  30-33
  2.6 整流天线同时接收频率调制数据通信广播  33-34
  2.7 本章小结  34-35
第3章 微波电能传输的发射系统研究  35-51
  3.1 引言  35
  3.2 发射系统的总体方案  35-36
  3.3 宽带锁相环微波信号合成器和数控放大器仿真设计  36-38
    3.3.1 锁相环路仿真和电路设计  36-38
    3.3.2 数字增益控制放大器设计  38
  3.4 数控衰减微波功率检测器设计  38-40
  3.5 基于ARM7TDMI 处理器的控制电路设计  40
  3.6 高功率微波放大器设计  40-47
    3.6.1 线性放大器  41-43
    3.6.2 推动级放大器  43-46
    3.6.3 末级高功率放大器  46-47
  3.7 发射喇叭天线的设计  47-50
  3.8 本章小结  50-51
第4章 微波电能传输系统的实验研究  51-58
  4.1 引言  51
  4.2 平面微动机器人结构及Stick-slip 驱动原理概述  51-53
    4.2.1 平面微动机器人结构  52
    4.2.2 Stick-slip 驱动原理概述  52-53
  4.3 四分压电陶瓷管开关驱动及控制电路设计  53-55
  4.4 平面微动机器人性能测试  55-56
  4.5 驱动微型直流电动机性能测试  56-57
  4.6 本章小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-64
攻读学位期间发表的学术论文  64-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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