БЕСПРОВОДНОЙ СПОСОБ И СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ ПОСРЕДСТВОМ УЛЬТРАЗВУКА В УПРУГОЙ СРЕДЕ Российский патент 2023 года по МПК H02J50/80 H04B11/00 H02J4/00 

Изобретение относится к способам, реализующим передачу информации и энергии посредством ультразвукового канала, а также системам, реализующим данный способ. Изобретение может быть использовано в устройствах и системах обмена данными с автономными приемо-передающими устройствами, расположенными в герметичном корпусе или среде, непрозрачной для электромагнитного излучения радиочастотного диапазона, в том числе в условиях малой точности взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств в случае применения портативных устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей.

Физической основой беспроводного ультразвукового способа передачи энергии и информации через упругую среду является способность кристаллической решетки поликристаллических диэлектриков изменять свои геометрические размеры под воздействием электрического поля, что создает возможность преобразования электрического сигнала в механические колебания, в том числе ультразвукового диапазона частот, сопрягаемой с материалом упругой среды. Данный эффект положен в основу работы пьезоэлектрических преобразующих устройств - пьезоэлектрических элементов.

Известны способ и система беспроводной передачи энергии и информации, обеспечивающие возможность передачи через металлические поверхности работающими на одинаковых резонансных частотах передающим и принимающим преобразователями электромеханических колебаний. Корпуса преобразователей плотно соединяют между собой. Организация передачи информации осуществляется посредством модуляции передаваемого сигнала. Для накопления энергии на стороне принимающего устройства используется блок накопления электрической энергии. Патент РФ №2693536, МПК H02J 50/80, 03.07.2019.

Недостатками данного изобретения следует считать характерную для предложенного в нем способа беспроводной передачи энергии и информации существенную потерю эффективности приема/передачи осуществляемых через металлическую поверхность в условиях малой точности взаимного расположения приемо-передающих преобразователей, особенно, в случае портативного исполнения данных преобразователей. Требование плотного соединения между собой корпусов передающего и принимающего устройств для передачи механических колебаний, где в качестве корпусов устройств может быть металл сопряжено с необходимостью предварительной механической обработки поверхности металлического корпуса, что сопряжено с возможным нарушением его исходной геометрии, и в ряде случаев может быть технологически нереализуемым, особенно в случае криволинейных или цилиндрических поверхностей с малыми радиусами кривизны. При этом, весьма вероятно, особенно при использовании преобразователей из пьезокерамических материалов, что элементы передающего и принимающего устройств не могут быть плотно соединены между собой через металлический корпус так, чтобы не образовывать пространств, заполняемых средой с малой относительно металла скоростью распространения ультразвуковых колебаний, что также приводит к значительному снижению эффективности приема/передачи. Приведенное в описании к данному изобретению требование осуществления приема/передачи энергии и информации на резонансных частотах электромеханических преобразователей не учитывает эффект возникновения в металлической среде стоячих волн вследствие переотражения передаваемого ультразвукового сигнала, а также эффекта присоединенной к электромеханическому преобразователю массы, что приводит к смещению в частотном диапазоне режима основного резонанса и к появлению ряда дополнительных резонансных режимов связанной системы приемо-передающих преобразователей и упругой среды (металла) (фиг. 1, 2). Кроме того, в качестве недостатка данного изобретения следует указать, что в нем не приведен способ крепления электромеханических преобразователей к приемо-передающим поверхностям упругой среды (металла), при этом способ крепления значительно, вплоть до потери, снижает эффективность приема/передачи энергии и информации.

Известно устройство передачи энергии, предполагающее передачу энергии через герметичный корпус посредством использования ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, размещаемых на его противоположных сторонах и соединенных с корпусом непосредственно, либо через промежуточный слой, увеличивающий эффективность передачи энергии механических колебаний от преобразователя в конструкцию корпуса. Патент США US 9450420, МПК H02J 4/00, 20.09.2016. Недостатком устройства является значительное снижение эффективности приема/передачи энергии в условиях малой точности позиционирования передающего и принимающего устройств, особенно в случае применения портативных приемо-передающих устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей. На фиг. 3 приведена экспериментальная диаграмма распределения энергии механических колебаний возбуждаемых расположенным на противоположной стороне упругой среды пьезоэлектрическим преобразователем. Зона с координатами (0; 0) соответствует центру пьезоэлектрического диска. Зоны, выделенные более темным цветом, - зоны наибольшей энергии механических колебаний. Заштрихованные зоны - зоны, для которых замер энергии механических колебаний в условиях используемой экспериментальной установки оказался невозможен. На рис. 4 представлена расчетная модель распределения энергии механических колебаний, возбуждаемых дискообразным пьезоэлектрическим преобразователем. Зоны, обозначенные более темным цветом, соответствуют зонам с большей энергией механических колебаний.

Известен узел для передачи электрической энергии с помощью пьезоэлектрических преобразователей, в котором пьезоэлектрические преобразователи являются съемными и устанавливаются на поверхность корпуса объекта при помощи магнита. Опубликованная заявка Германии DE 102019124989, МПК H04D 11/00, 02.06.2021. Недостатком данного технического решения является невозможность установки пьезоэлектрических преобразователей на поверхности корпусов объектов, изготовленных из немагнитных материалов, например титана, алюминия, композитных и иных материалов, не обладающих магнитными свойствами. Вместе с тем, в изобретении не представлен способ взаимного позиционирования передающего и принимающего пьезоэлектрических преобразователей, что является недостатком данного изобретения, поскольку выбор способа взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств значительно влияет на эффективность осуществляемых приема и передачи, а также определяет возможность реализации данного способа приема и передачи энергии и информации в случае применения портативных приемо-передающих устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей.

Известны способ и устройство, обеспечивающие одновременную двустороннюю связь через металл (барьер, металлический канал) с использованием пары пьезоэлектрических преобразователей. В данном техническом решении предусмотрена защита от несанкционированной передачи данных на принимающее устройство кодированием входного сигнала. Данные изнутри наружу, согласно способу, передаются путем изменения электрической нагрузки на внутренний преобразователь для изменения доли отражаемого им непрерывного сигнала. Отраженная часть непрерывной волны изменяет электрический импеданс внешнего преобразователя, и это изменение измеряется и интерпретируется как двоичные данные. Для повышения эффективности осуществляемых приема/передачи в изобретении предлагается использование раздельных диапазонов частот с выбором частоты несущего сигнала для организации эффективного приема/передачи энергии и информации. Патент США US 9455791, МПК Н04В 11/00, 27.09.2016. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая эффективность приема/передачи информации и энергии в условиях малой точности позиционирования передающего и принимающего устройств, а также в случае неплоскопараллельного расположения передающей и принимающей сторон упругой среды. Кроме того, изобретение не раскрывает способ крепления пьезоэлектрических преобразователей к передающей и принимающей сторонам упругой среды, что является недостатком данного изобретения, поскольку выбор способа значительно влияет на эффективность осуществляемых приема и передачи, а так же определяет возможность реализации данного способа приема и передачи энергии и информации в случае применения портативных приемо-передающих устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей.

Целью изобретения являются разработка системы и способа эффективной передачи энергии и информации через пакет последовательно соединенных упругих сред, в том числе и в случаях неплоскопараллельного взаимного расположения противоположных сторон упругой среды, а также изменяющегося температурного состояния упругой среды и низкого качества подготовки ее поверхностей, к которым примыкают пьезоэлектрические преобразователи передающего и принимающего устройства, а также в условиях малой точности взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств в случае применения портативных устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей, для упругих сред с различными физическими свойствами, определяющими, в том числе, скорость распространения в них ультразвуковых волн, исключающий несанкционированный доступ к автономному принимающему устройству, позволяющий исключить и/или минимизировать указанные выше недостатки.

Под упругой средой понимается физическая среда, в которой могут распространяться ультразвуковые волны и которая ограничена поверхностями, имеющими геометрические параметры и параметры ее механической обработки. Примерами упругой среды могут быть твердые материалы - магнитные и немагнитные металлы, керамика, пластмассы и другие твердые материалы, жидкостями и маслами, эластичными пленками, гелеобразными материалами, а также различными газовыми смесями.

Под автономным аппаратом понимается автономное устройство, имеющее герметичный корпус, непрозрачный для электромагнитных волн. Примером подобного аппарата является автономное устройство мониторинга климатических параметров окружающей среды, корпус которого изготовлен из металла или металлических сплавов, в том числе титановых.

Техническим результатом является повышение эффективности приема/передачи энергии и информации посредством ультразвукового канала в упругой среде в условиях малой точности взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств.

Технический результат достигается тем, что система беспроводной передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде включает передающее и принимающее устройства, каждое из которых содержит приемо-передающие модули с пьезоэлектрическими преобразователями, посредством которых осуществляется преобразование передаваемого электрического сигнала в механические колебания ультразвукового частотного диапазона, и модули формирования и усиления передаваемого сигнала, а также модули фильтров, предварительного усиления и обработки принятого сигнала; каналы приема/передачи энергии и информации, работающие в отдельно выделенных под них частотных диапазонах; цепи обратной связи, формирование и передача сигналов по которым осуществляется управлением эквивалентными полными комплексными сопротивлениями каналов приема/передачи со стороны принимающего устройства, используемые для автоматической коррекции режима приема/передачи; пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей, структурно объединены в электрически управляемые фазированные решетки; пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей устанавливаются на внутреннюю и внешнюю поверхность упругой среды посредством промежуточного слоя эластичного пьезоэлектрического материала; пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей располагаются в жестком корпусе с гофрированными стенками, вакуумирование полостей которого формирует механическое усилие, прижимающее пьезоэлектрические преобразователи к поверхности упругой среды, при этом степень вакуумирования определяется по уровню и синхронности механических колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями и возбуждаемых ими механических колебаний корпуса передающего устройства; содержит модули, которые осуществляют независимое управление приемом/передачей информации, включая служебные данные по четырем каналам приема/передачи, два из которых организованы по цепям обратной связи в выделенных низкоскоростном и высокоскоростном каналах приема/передачи; устройства управления передающим и принимающим устройствами выделены в независимые модули.

Также технический результат достигается тем, что при реализации беспроводного способа передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде, заключающегося в том, что пьезоэлектрические элементы передающего и принимающего устройств располагают, соответственно, на внешней и внутренней поверхностях упругой среды; выполняют настройку параметров приема/передачи, заключающуюся в выборе частотных диапазонов для передачи энергии и информации; выполняют идентификацию передающего устройства по кодовой последовательности, поступающей на принимающее устройство вместе с передаваемым сигналом; выполняют формирование передаваемого сигнала, используя модуляцию; выполняют усиление передаваемого электрического сигнала и его преобразование в механические колебания пьезоэлектрическим преобразователями; на принимающей стороне выполняют преобразование механических колебаний в электрический сигнал пьезоэлектрическими элементами принимающего устройства; выполняют фильтрацию принятого сигнала и последующее его усиление; выполняют распознавание идентификационного кода передающего устройства и активируют передачу энергии и информации с разделением частотного диапазона передачи на две зоны - для передачи энергии и информации; на протяжении сеанса связи выполняют автоматическую коррекцию частотного диапазона несущих частот; пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей структурно объединяют в электрически управляемые фазированные антенные решетки; пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей устанавливают на поверхности упругой среды через промежуточный слой эластичного пьезоэлектрического материала; установку и механическую фиксацию с управляемым усилием прижима выполняют вакуумированием полостей корпусов приемо-передающих модулей, устанавливаемых на поверхности упругой среды через уплотнительный материал, и имеющих гофрированные стенки, позволяющие регулировать высоту корпусов приемо-передающих модулей, развивая механическое усилие прижима пьезоэлектрических преобразователей; для приема и передачи энергии и информации используют распределенную структуру приема и передачи, включающую четыре канала приема/передачи - низкоскоростной и высокоскоростной, используют для передачи энергии и информации, и два из которых организованы по цепям обратной связи, формирование сигналов по которым реализуется управлением полным комплексным сопротивлением ультразвукового канала на стороне принимающего устройства, используют для передачи служебных данных и данных некритичных к скорости их передачи; для приема/передачи используют диапазоны частот с наиболее высоким коэффициентом передачи мощности, которые изменяются на протяжении сеанса связи в зависимости от климатических факторов, физических свойств и геометрических параметров слоя упругой среды и определяются автоматически по сигналам цепей обратной связи; на протяжении сеанса связи выполняют автоматическую коррекцию режима работы фазированных антенных решеток пьезоэлектрических преобразователей приемо-передающих модулей.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлены экспериментальные частотные характеристики передачи электрического сигнала посредством пьезоэлектрических преобразователей (собственная частота резонанса 700⋅кГц).

На фиг. 2 представлены экспериментальные частотные характеристики передачи электрического сигнала посредством пьезоэлектрических преобразователей (собственная частота резонанса 2510⋅кГц).

На фиг. 3 представлена экспериментальная диаграмма напряжений пьезоэлемента, перемещаемого относительно центра излучающего пьезоэлектрического преобразователя.

На фиг. 4 представлена расчетная диаграмма распределения механических колебаний по принимающей поверхности упругой среды.

На фиг. 5 представлена функциональная схема системы приема/передачи энергии и информации посредством ультразвукового канала в упругой среде.

На фиг. 6 представлен вариант реализации легкосъемного модуля приема/передачи для портативного исполнения передающего и принимающего устройств.

На фиг. 7 представлена схема организации ультразвукового канала передачи энергии и информации через упругую среду, имеющей форму плоскопараллельной плиты.

На фиг. 8 представлена схема организации ультразвукового канала передачи энергии и информации через упругую среду, имеющей форму цилиндра.

На фиг. 9 представлен укрупненный алгоритм осуществления приема/передачи.

На фиг. 10 представлен укрупненный алгоритм оптимизации параметров приема/передачи.

На фиг. 11 представлены экспериментальные частотные характеристики передачи электрического сигнала посредством пьезоэлектрических преобразователей (собственная частота резонанса 700⋅кГц), включая характеристику коэффициента передачи по напряжению.

На фиг. 12 представлены экспериментальные частотные характеристики передачи электрического сигнала посредством пьезоэлектрических преобразователей (собственная частота резонанса 2510⋅кГц), включая характеристику коэффициента передачи по напряжению.

Система беспроводной передачи энергии и информации посредством ультразвукового канала в упругой среде (фиг. 5) содержит модули и устройства, структурно объединенные в низкоскоростной канал передачи энергии и информации НКПЭИ и модули и устройства, объединенные в высокоскоростной канал приема/передачи информации ВКПИ, использующие для организации приема/передачи различные диапазоны частот.

Передающий и принимающий пьезоэлектрические модули (ПР1, ПР2), каждый из которых или один из них, в зависимости от условий эксплуатации, оснащены вакуумным прижимным фиксирующим устройством (фиг. 6), состоящим из прочного корпуса (К) с гофрированными стенками (Гф), примыкающего к поверхности упругой среды посредством упругого элемента (УП), и устройства управления вакуумированием (УГП) внутренней полости (ВП) корпуса приемо-передающего модуля, что обеспечивает легкосъемную установку и фиксацию модулей ПР1 и ПР2 на поверхностях упругой среды (корпуса автономного необитаемого аппарата), а также задает через упругую прокладку (УпС) необходимое усилие прижима F (фиг. 7, 8) к ним приемо-передающих пьезоэлектрических преобразователей (ПЭл), структурно объединенные в фазированные антенные решетки АРэ1, АРэ2, АРи1 и АРи2 и примыкающих к поверхностям упругой среды посредством промежуточного слоя (ПУС) из эластичного упругого материала, что значительно снижает энергетические потери передаваемого сигнала, особенно в условиях низкого качества подготовки контактных зон на поверхностях упругой среды, а также для случаев цилиндрических форм передающей и принимающей поверхностей упругой среды (фиг. 8).

Низкоскоростной канал передачи энергии и информации НКПЭИ (фиг. 5) включает в себя модуль передачи и приема энергии (ПЭ1) предающего устройства и модуль передачи и приема энергии (ПЭ2) принимающего устройства.

Модуль ПЭ1 обеспечивает одностороннюю передачу энергии принимающему устройству и двунаправленный обмен данными некритичными к скорости их передачи, в том числе, код идентификации и информацию служебного характера. В состав ПЭ1 включены:

модуль формирования сигнала передающего модуля ФрСЭ, реализующий алгоритмы модуляции передаваемого сигнала, модуль формирования сигнала (ФрСЕ),

модуль (ФзЭ) управления режимами работы фазированной решетки АРэ1 пьезоэлектрических преобразователей низкоскоростного канала передачи информации и энергии передающего устройства

и модуль усилителей передаваемых сигналов энергии и информации (УсЭ).

Входящая в состав ПЭ1 цепь обратной связи обеспечивает предварительное усиление сигнала обратной связи посредством модуля предварительного усиления (ПУОСЭ) и обработку сигнала обратной связи модулем обработки сигнала обратной связи (ОСЭ) низкоскоростного канала передачи информации и энергии передающего устройства.

Модуль ПЭ2 (фиг. 5) обеспечивает односторонний прием передаваемого сигнала, выделение его информационной и энергетической составляющих, а также одностороннюю передачу данных некритичных к скорости их передачи, в том числе кода идентификации и информации служебного характера, по цепи обратной связи модулю ПЭ1 передающего устройства.

В состав ПЭ2 включены:

модуль управления нагрузкой УНЭ, обеспечивающий прием передаваемого сигнала, а также обеспечивающий передачу служебной информации по цепи обратной связи модуля ПЭ2,

модуль фильтра ФЭ, обеспечивающий выделение из принятого сигнала информационной и энергетической составляющих,

цепь передачи энергии, состоящая из модуля детектора Д, модуля электропитания Э и накопителя энергии НЭ, обеспечивающих, в целом, прием, обработку и управление аккумулированием получаемой электрической энергии,

также в состав ПЭ2 входит цепь приема/передачи информации, включающая предусилитель информационной составляющей принятого сигнала ПУЭ и устройство обработки принятого сигнала ОПИЭ, обеспечивающих прием, обработку и дальнейшую передачу данных в модуль управления внешнего устройства УУ2, размещенного внутри корпуса автономного модуля, кроме того модуль ОПИЭ обеспечивает функции управления режимами передачи служебной информации по каналу обратной связи модуля ПЭ2 и управления модулем включения Вк высокоскоростного канала передачи информации ВКПИ.

Модуль включения (Вк) обеспечивает защиту принимающего устройства от несанкционированного доступа со стороны стороннего передающего устройства. Защита обеспечивается посредством управления, в зависимости от разрешающего сигнала, формируемого ОПИЭ, при приеме кода идентификации от передающего устройства, подачей электропитания на модули принимающего устройства высокоскоростного канала приема/передачи ВКПИ.

Высокоскоростной канал передачи информации ВКПИ включает в себя модуль передачи и приема информации ППИ1 предающего устройства и модуль передачи и приема информации ППИ2 принимающего устройства.

Модуль ППИ1 обеспечивает на стороне передающего устройства двунаправленный обмен данными с высокой скоростью их передачи, а также прием по цепи обратной связи данных некритичных к скорости их передачи.

В составе ППИ1 выделены:

цепь прямой передачи сигнала, состоящая из модуля формирователя передаваемого сигнала ФрСИ1, реализующего алгоритмы модуляции передаваемого сигнала, модуля ФзИ1 управления фазированной решеткой пьезоэлектрических преобразователей приемо-передающего модуля АРи1 передающего устройства и модуля усилителей УсИ1, обеспечивающая формирование, усиление и передачу данных от передающего устройства принимающему устройству,

цепь приема информации, включающая модуль фильтров входного сигнала ФИ1, модуль предварительного усиления принятого сигнала ПУИ1 и модуль обработки принятого сигнала ОПИ1, обеспечивающего обработку, хранение и передачу данных модулю управления внешнего устройства УУ1,

а также цепь обратной связи, состоящая из модулей: предварительного усиления сигнала обратной связи ПУОСИ и модуля предварительной обработки сигнала обратной связи ОСИ, которые, в целом, обеспечивают прием по цепи обратной связи ППИ1 и обработку данных некритичных к скорости их передачи.

Модуль ППИ2 обеспечивает на стороне принимающего устройства двунаправленный обмен данными с высокой скоростью их передачи, а также передачу по цепи обратной связи данных некритичных к скорости их передачи.

В составе ППИ2 выделены:

цепь приема передаваемого сигнала, включающая модуль управления нагрузкой УНИ, обеспечивающий прием данных по высокоскоростному каналу передачи информации ВКПИ, а также передачу служебной информации по цепи обратной связи, модуль фильтрации принимаемого сигнала ФИ2, модуль предварительного усиления принимаемого сигнала ПУИ2, модуль обработки принятого сигнала ОПИ2, обеспечивающего обработку, хранение и передачу данных модулю управления устройства УУ2, а также подготовку и передачи данных по цепи обратной связи,

цепь формирования и передачи передаваемого сигнала, включающая модуль формирования передаваемого сигнала ФрСИ2, модуль (ФзИ2) управления фазированной решеткой пьезоэлектрических преобразователей АРи2 и модуль усиления передаваемого сигнала УсИ2, в целом обеспечивающая формирование, усиление и передачу сигнала от модуля управления УУ2 внешнему передающему устройству.

Беспроводная система передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде работает следующим образом.

Пьезоэлектрические элементы, структурно объединенные в фазированные решетки (АРэ1, Арэ2, АРи1, Ари2) передающего и принимающего модулей, располагают, соответственно, на внешней и внутренней поверхностях упругой среды согласно предварительно установленным на поверхностях упругой среды механическим маркерам.

Сеанс связи инициируется (фиг. 9) после механической установки и фиксации приемо-передающих модулей на поверхностях упругой среды и начинается со стартовой настройки передачи (блок «Стартовая настройка передачи (передача энергии)»). При стартовой настройке передачи выполняется алгоритм корректировки диаграммы направленности фазированных антенных решеток АРэ1, Арэ2 пьезоэлектрических преобразователей передающего устройства по каналу НКПЭИ (фиг. 10).

Результатом реализация алгоритма автоматической настройки параметров приема/передачи является автоматическая корректировка параметров приема/передачи (диапазона частот несущего сигнала, режима работы фазированных антенных решеток пьезоэлектрических преобразователей) с учетом климатических и иных влияющих факторов, в том числе в условиях малой точности взаимного расположения передающего и принимающего легкосъемных модулей в случае портативного исполнения приемо-передающих устройств, с целью повышения эффективности приема/передачи.

Согласно предложенному алгоритму автоматической настройки параметров приема/передачи (фиг. 10) исходно в автоматическом режиме или в режиме ручного управления устанавливается начальное значение частоты несущего сигнала и осуществляется выбор режима работы фазированной антенной решетки пьезоэлектрических преобразователей (блок «Начальные установки»). Далее выполняется алгоритм автоматической настройки параметров приема/передачи. Изначально производится подача стартового пилот-сигнала (блок «Подача пилот-сигнала») и выполняется определение параметров режима передачи по сигналу обратной связи (блок «Определение параметров режима передачи по сигналу обратной»). При этом формируемый модулем управления внешнего управляющего устройства УУ1 пилот-сигнал, поступает на модуль формирования сигнала ФрСЭ передающего модуля ПЭ1 канала НКПЭИ, далее проходит через модуль управления режимами работы фазированной решетки пьезоэлектрических преобразователей ФзЭ, усиливается модулем усиления передаваемого сигнала УсЭ и поступает на пьезоэлектрические преобразователи фазированной антенной решетки АРэ1. Преобразованный в механические колебания сигнал проходит через упругую среду УС и преобразуется в электрический сигнал пьезоэлектрическими преобразователями антенной решетки АРэ2 модуля ПР2 принимающего устройства.

Принятый сигнал проходит через модуль управления нагрузкой УНЭ, управление режимом приема которого (сопротивления приемо-передающего канала) выполняется передача информации по каналу обратной связи от принимающего устройства передающему устройству.

Из полученного сигнала модулем фильтров ФЭ в канале НКПЭИ выделяется информационная составляющая, усиливается модулем усиления получаемого сигнала ПУЭ и поступает в модуль обработки принимаемого сигнала (ОПИЭ) канала НКПИЭ. Энергетическая составляющая детектируется модулем Д и передается в модуль электропитания Э, посредством которого осуществляется управление режимом аккумулирования электроэнергии в накопителе электроэнергии НЭ.

Коррекция режима приема/передачи осуществляется по цепи обратной связи канала НКПИЭ посредством управления эквивалентным комплексным сопротивлением приемо-передающего канала модулем управления нагрузкой УНЭ в зависимости от управляющих воздействий модуля ОПИЭ. Режим корректировки завершается либо по достижении требуемых параметров эффективности режима приема/передачи ультразвукового канала в блоке «Оценка режима приема/передачи» - режим работы фазированных антенных решеток, а также рабочие диапазоны частот с высоким значением коэффициента передачи сигнала по напряжению, либо по превышению временного интервала ожидания (числа циклов настройки) с формированием кода ошибки.

Предложенный алгоритм автоматической настройки параметров приема/передачи (фиг. 10) применим для стартовой и текущей коррекции параметров режима приема/передачи каналов НКПЭИ и ВКПИ.

После или совместно с подачей пилот-сигнала стартовой настройки режима приема передачи по каналу НКПЭИ управляющим устройством внешнего передающего устройства УУ1 инициируется подача пилот-сигнала с кодом идентификации передающего устройства. При опознании передаваемого кода идентификации модулем ОПИЭ формируется команда, поступающая в модуль включения Вк, на подключение питания модулей принимающего устройства по высокоскоростному каналу приема/передачи ВКПИ.

В режиме стартовой настройки происходит обмен служебными данными, в том числе и данными по идентификации передающего внешнего управляющего устройства УУ1, расположенного снаружи корпуса автономного аппарата с модулем управления внешнего управляющего устройства УУ2, расположенного внутри автономного аппарата.

После подключения питания модулей канала ВКПИ проходит автоматическая настройка и последующая коррекция параметров режима приемо/передачи, в том числе диапазона частот канала ВКПИ и режима работы фазированной антенной решетки АРи2 (алгоритм настройки и коррекции аналогичен представленному на фиг. 10).

Передача данных по ВКПИ инициируется устройством УУ1. Передаваемый сигнал поступает в модуль формирования сигнала ФРСИ1 приемо-передающего модуля ППИ1 передающего устройства, далее передается в модуль управления режимом работы фазированной антенной решетки ФзИ1, усиливается модулем усиления сигнала УсИ1 и поступает на пьезоэлектрические преобразователи фазированной антенной решетки АРи1 приемо-передающего модуля ПР1. преобразованный в механические колебания передаваемый сигнал, через упругую среду УС поступает на пьезоэлектрические преобразователи фазированной антенной решетки АРи2 приемо-передающего модуля ПР2 принимающего устройства.

Принятый сигнал проходит через модуль управления нагрузкой УНИ канала ВКПИ, посредством управления эквивалентным комплексным сопротивлением которого со стороны модуля предварительной обработки принятого сигнала ОПИ2 осуществляется передача служебной информации по цепи обратной связи канала ВКПИ.

После выделения модулем фильтров ФИ2 информационной составляющей принятого сигнала и ее предварительного усиления модулем предварительного усиления ПУИ2 приемо-передающего модуля ППИ2 принимающего устройства она обрабатывается в модуле обработки принятого сигнала ОПИ2 и поступает в устройство управления УУ2 (фиг. 7) принимающего устройства, расположенного внутри корпуса автономного аппарата.

Встречный обмен данными от принимающего устройства передающему выполняется аналогично. Передача инициируется управляющим модулем УУ2 принимающего устройства. Передаваемый сигнал формируется модулем формирования передаваемого сигнала ФрСИ2 и поступает посредством модуля управления фазированной решеткой ФзИ2 принимающего устройства после усиления модулем усилителей УСи2 поступает на пьезоэлектрические преобразователи фазированной антенной решетки АРи2. Преобразованный в механические колебания передаваемый сигнал посредством упругой среды улавливается пьезоэлектрическими преобразователями фазированной антенной решетки АРи1 приемо-передающего модуля ППИ1 принимающего устройства. После выделения информационной составляющей переданного сигнала модулем фильтров ФИ1 предварительного усиления в модуле предварительного усиления принятого сигнала ПУИ1 и обработки в модуле обработки принятого сигналя ОПИ1 поступает в устройство управления УУ1 передающего устройства.

Цепь обратной связи на стороне передающего устройства реализована модулями предварительного усиления сигнала обратной связи и модулем предварительной обработки сигнала обратной связи ОСИ в канале ВКПИ, посредством которых выполняется прием и обработка передаваемого по цепи обратной связи служебных данных и данных некритичных к скорости их передачи.

Модули предложенной системы передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде максимально унифицированы, что обеспечивает взаимозаменяемость модулей и оперативность восстановления работоспособности приемо-передающего устройства в случае возможной поломки одного из модулей, что является несомненным достоинством предложенной системы.

Способ, реализуемый при помощи упомянутой системы, состоит из следующих этапов (фиг. 9):

на передающей стороне располагают пьезоэлектрический модуль, состоящий из пьезоэлектрических преобразователей, структурно объединенных в две фазированные решетки, при этом пьезоэлектрические преобразователи конструктивно, в зависимости от кривизны передающей стороны упругой среды, могут иметь различную форму - диска, кольца или пластины и различные геометрические размеры, пьезоэлектрические преобразователи плотно закрепляют на передающей стороне упругой среды, в частности, вакуумированием полости фиксирующе-прижимного устройства, выполненного в виде колоколообразного корпуса, имеющего гофрированные стенки, что позволяет изменять его высоту, тем самым оказывая прижимное воздействие на пьезоэлектрические преобразователи, примыкающие к передающей поверхности упругой среды посредством промежуточного эластичного слоя упругой среды, колоколообразный корпус примыкает к передающей поверхности упругой среды через эластичный уплотнитель, достигаемое при этом усилие прижима пьезоэлектрических преобразователей задается степенью вакуумирования, которая определяется автоматически по уровню и синхронности механических колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями и возбуждаемых ими механических колебаний корпуса передающего устройства,

корректировку взаимного расположения передающего и принимающего устройств в случае применения портативных устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей, начинают с начальной установки передающего устройства на поверхность упругой среды согласно нанесенной на ней разметке или установленным элементам позиционирования, далее настройку приемо-передающих каналов проводят в автоматическом режиме по сигналу обратной связи канала передачи энергии - согласование взаимного расположения передающего и принимающего модулей оценивается по модулю полного комплексного сопротивления эквивалентной электрической схемы замещения ультразвукового канала приема/передачи, при этом передающий модуль может быть дополнительно оснащен световой или иной сигнализацией, позволяющей оператору точнее установить передающий модуль на передающей поверхности упругой среды,

выбор начального режима работы фазированной решетки пьезоэлектрических преобразователей передающего пьезоэлектрического модуля низкоскоростного канала приема/передачи энергии и информации, а также определение оптимальной для передачи энергии частоты их работы определяют по сигналу обратной связи канала передачи энергии, в частности по изменению полного комплексного сопротивления эквивалентной электрической схемы замещения низкоскоростного канала приема энергии и информации,

при дальнейшем сеансе связи для обеспечения высокой эффективности и устойчивости приема/передачи корректировку режима работы фазированной решетки передающих пьезоэлектрических преобразователей низкоскоростного канала приема/передачи энергии и информации и высокоскоростного канала приема/передачи информации, а также подстройку частоты передачи энергии выполняют в автоматическом режиме по сигналу обратной связи этих каналов, при этом обеспечивают минимум двухчастотный диапазон режима работы, оптимальный для эффективной передачи энергии и процесса обмена данными некритичными к скорости их передачи посредством низкоскоростного канала приема/передачи энергии и информации и приема/передачи информации посредством высокоскоростного канала передачи информации,

прием стартового пилот-сигнала по низкоскоростному каналу приема/передачи энергии и информации обеспечивают принимающим пьезоэлектрическим модулем, содержащим, как минимум один пьезоэлектрический преобразователь, при этом передаваемый стартовый пилот-сигнал содержит код идентификации передающего устройства, который позволяет выполнить распознавание передающего устройства, что повышает защищенность принимающего модуля от несанкционированного подключения,

активацию, изначально находящегося в выключенном состоянии, высокоскоростного канала приема/передачи информации на стороне принимающего устройства выполняют после подтверждения кода идентификации передающего устройства и накоплении принимающим устройством энергии, достаточной для обеспечения бесперебойного режима его работы,

настройку и последующею корректировку режима работы высокоскоростного канала приема/передачи информации обеспечивают взаимным управлением фазированными решетками пьезоэлектрических преобразователей пьезоэлектрических модулей, расположенных на стороне передающего и принимающего устройств, а так же адаптивной последующей поднастройкой несущей частоты передаваемого информационного сигнала, по сигналу цепи обратной связи высокоскоростного канала приема/передачи информации на стороне передающего устройства,

завершение сеанса связи выполняют по команде, генерируемой на стороне передающего устройства после получения от принимающего устройства подтверждения успешного приема/передачи прямого и встречного информационных пакетов,

для повышения защищенности режима доступа к принимающему устройству, допускается на стороне передающего устройства генерация нового кода идентификации и его последующая передача, и хранение на принимающим устройством,

для обеспечения требуемого набора функциональных возможностей приема/передачи энергии и информации посредством упругой среды

устройство обработки принятой информации модуля приема информации и энергии (МПИЭ2) принимающего устройства низкоскоростного канала передачи энергии и информации и

устройства обработки принятой информации модулей приема/передачи информации на передающего (ППИ1) и принимающего устройств (ППИ2) высокоскоростного канала приема/передачи информации

выполняются в виде автономных микропроцессорных систем, оснащенных устройствами оперативной памяти и устройствами памяти постоянного хранения, а также оснащенных интерфейсами, позволяющими интегрировать данные микропроцессорные устройства в единую систему автоматического управления автономным объектом, в котором расположено принимающее устройство.

Беспроводной способ передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде работает следующим образом.

Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения как способа, имея в виду, что данный пример не ограничивает применение изобретения.

Этап А1.

Пьезоэлектрические элементы, структурно объединенные в фазированные решетки передающего и принимающего модулей располагают, соответственно, на внешней и внутренней поверхностях упругой среды и выполняют необходимую коррекцию их расположения согласно сигналам обратной связи так, чтобы достичь максимально возможной в данных условиях эффективности режима приема/передачи. При этом пьезоэлектрические преобразователи устанавливаются на поверхностях упругой среды посредством промежуточного слоя - эластичного пьезоэлектрического материала, позволяющего исключить в пакете пьезоэлектрический преобразователь - поверхность упругой среды появления среды с низкой скоростью распространения ультразвука. Пьезоэлектрические преобразователи плотно закрепляют на передающей стороне упругой среды, в частности, вакуумированием полости фиксирующе-прижимного устройства (фиг. 6), выполненного в виде колоколообразного корпуса, имеющего гофрированные стенки, что позволяет изменять его высоту, тем самым оказывая прижимное воздействие на пьезоэлектрические преобразователи, примыкающие к передающей поверхности упругой среды посредством промежуточного эластичного слоя упругой среды, колоколообразный корпус примыкает к передающей поверхности упругой среды через эластичный уплотнитель, достигаемое при этом усилие прижима пьезоэлектрических преобразователей задается степенью вакуумирования, которая определяется автоматически по уровню и синхронности механических колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями и возбуждаемых ими механических колебаний корпуса передающего устройства.

В отличие от прототипа в предложенном беспроводном способе передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде приемо-передающие модули пьезоэлектрические преобразователи структурно объединены в электрически управляемые фазированные решетки (фиг. 7), что повышает эффективность приема/передачи энергии и информации посредством ультразвукового канала в упругой среде в условиях малой точности взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей.

В отличие от прототипа в предложенном беспроводном способе передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде реализован вакуумный способ установки и фиксации (фиг. 6) приемо-передающих модулей, благодаря чему становится возможным легкосъемное закрепление пьезоэлектрических преобразователей на поверхности упругой среды, в том числе немагнитного, корпуса автономного аппарата, при этом обеспечивается эффективность приема/передачи энергии и информации включая варианты применения портативных устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей. Этап А2.

Выполняют автоматическую настройку параметров приема/передачи - выбор оптимального частотного диапазона для передачи энергии по низкоскоростному каналу и определение режима работы фазированной антенной решетки (блок «Стартовая настройка передачи (передача энергии)», фиг. 9). В режиме настройки выполняется подача пилот-сигнала диапазона частот характерного для низкоскоростного канала приема передачи энергии и информации (фиг. 10), посредством которого осуществляется передача энергии и данных об идентификационном коде передающего устройства. В процессе идентификации передающего устройства производится подзарядка накопительного элемента НЭ.

Общим с прототипом является разделение приема/передачи энергии и информации на два приемо-передающих канала с раздельными частными диапазонами. Так же, общим с прототипом является использование пьезоэлектрических преобразователей внешнего и внутреннего приемо-передающих модулей в режиме приема и передачи.

Отличительной от прототипа особенностью предложенного беспроводном способе передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде является применение распределенной структуры приема и передачи данных - модули предварительной обработки принятой информации ОПИЭ, ОПИ1, ОПИ2, ОСЭ, ОСИ передающего и принимающего устройств выполняются в виде автономных микропроцессорных систем, оснащенных устройствами оперативной памяти и устройствами памяти постоянного хранения, а также оснащенных интерфейсами, позволяющими интегрировать данные микропроцессорные системы в единую систему автоматического управления.

Благодаря данному способу приема, обработки и хранения информации упрощается состав модулей приема информации и энергии низкоскоростного канала НКПЭИ передающего устройства при обеспечении высокого уровня эффективности обмена информацией между передающим и принимающим устройствами.

Этап A3.

После идентификации передающего устройства становится возможным режим обмена информацией по низкоскоростному каналу приема/передачи. При этом подзарядка накопителя электроэнергии НЭ выполняется вне зависимости от результата идентификации передающего устройства, что позволяет обеспечивать электроэнергией устройства модуля приема/передачи ПЭ2 (фиг. 7).

Схожим с прототипом является идентификация передающего устройства по информационной составляющей передаваемого сигнала по низкоскоростному каналу передачи энергии.

Этап А4.

Выполняют стартовую настройку параметров режима приема/передачи по низкоскоростному каналу приема/передачи: в автоматическом режиме выполняют подбор оптимальной частоты несущего сигнала, а также осуществляют выбор режима управления фазированной антенной решетки пьезоэлектрических преобразователей. Настройку параметров режима приема/передачи выполняют по сигналу обратной связи и служебным сигналам, которые формируются модулем обработки принятого сигнала ОПИЭ (фиг. 7) и передаются передающему устройству посредством модуля управления нагрузкой УНЭ (фиг. 7). В последующем сеансе связи выполняется автоматическая текущая коррекция параметров приема/передачи с учетом влияния внешних воздействующих факторов.

Схожим с прототипом является способ передачи сигнала обратной связи посредством управления полным комплексным сопротивлением канала приема/передачи на стороне принимающего устройства.

В отличие от прототипа в предложенном беспроводном способе передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде является управление режимом работы фазированной антенной решеткой пьезоэлектрических преобразователей приемо-передающего модуля передающего устройства.

Этап А5.

При условии успешной идентификации передающего устройства осуществляют подачу электропитания модулям высокоскоростного канала принимающего устройства посредством модуля включения Вк (фиг. 7). При этом становится возможным обмен служебными данными между управляющими устройствами передающего УУ1 (фиг. 7) и УУ2 (фиг. 7) принимающего устройств по низкоскоростному каналу приема/передачи НКПЭИ (фиг. 7).

В отличие от прототипа в предложенном беспроводном способе передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде выполнен раздельный выбор пьезоэлектрических преобразователей приемо-передающих модулей для низкоскоростного и высокоскоростного каналов передачи энергии и информации. Благодаря чему повышается эффективность приема/передачи за счет исключения из информационного потока высокоскоростного канала приема/передачи потока служебных данных, который транслируется по низкоскоростному каналу приема/передачи.

Этап А6.

Выполнят в автоматическом настройку параметров приема/передачи высокоскоростного канала - осуществляют выбор частоты несущего сигнала и режима управления фазированной антенной решеткой пьезоэлектрических преобразователей приемо-передающих модулей высокоскоростного канала приема/передачи. Настройку параметров режима приема/передачи выполняют по сигналу обратной связи и служебным сигналам, которые формируются модулем обработки принятого сигнала ОПИ2 (фиг. 7) и передаются передающему устройству посредством модуля управления нагрузкой УНИ (фиг. 7). В последующем сеансе связи выполняется автоматическая текущая коррекция параметров приема/передачи с учетом влияния внешних воздействующих факторов.

В отличие от прототипа требование осуществления приема/передачи на резонансных частотах пьезоэлектрических преобразователей не является определяющим требованием. Поскольку в условиях присоединенной массы (упругой среды) наблюдается смещение по частоте режима основного резонанса и появление режимов дополнительных резонансов (фиг. 1, 2). При этом высокая эффективность приема/передачи возможна лишь в ограниченных диапазонах частот (фиг. 11, 12), которые характеризуются высокими значениями коэффициента передачи по напряжению.

Этап А7.

Выполняют обмен данными между передающим и принимающим устройствами. Для этого устройствами управления УУ1 и УУ2 формируют пакеты передаваемых данных, далее, формируют модулированный электрический сигнал модулями формирования сигналов ФрСИ1, ФрСИ2 и уже усиленный модулями усилителей УсИ1, УсИ2 передают в соответствии с режимами работы фазированной антенной решетки, задаваемым модулями управления фазированными решетками ФзИ1, ФзИ2, на пьезоэлектрические преобразователи фазированных антенных решеток приемо-передающих модулей высокоскоростного канала приема/передачи. В последующем сеансе связи выполняется автоматическая текущая коррекция параметров приема/передачи с учетом влияния внешних воздействующих факторов.

В отличие от прототипа в предложенном беспроводном способе передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде реализованы, по сути, четыре канала приема передачи. Два из которых организованы по цепям обратной связи низкоскоростного и высокоскоростного канала приема/передачи. Подобный подход позволяет освободить высокоскоростной канал приема/передачи от потока данных служебной информации, что значительно увеличивает эффективность обмена данными по высокоскоростному каналу приема/передачи.

Предложенная система передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде обеспечивает при ее реализации на практике заявленное назначение, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения. В соответствие с предложенным изобретением проведено математическое моделирование процессов приема/передачи. Результаты математического моделирования подтверждают выполнение заявленных целей.

Так же в соответствии с изобретением изготовлен опытный макет системы передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде, для которого были получены экспериментальные характеристики, представленные на фиг. 3, 4, 7-11. В рамках макета были рассмотрены режимы работы низкоскоростного канала приема/передачи реализованные шестью дискообразными пьезокерамическими преобразователями, расположенными по три друг напротив друга на противоположных поверхностях металлической плиты. Дискообразные пьезокерамические преобразователи, размещенные на одной из поверхностей упругой среды, были с расположены своими центрами на окружности радиусом, равным их диаметру и смещены друг относительно друга на треть окружности (фиг. 3). Также были рассмотрены режимы работы высокоскоростного канала приема/передачи реализованные шестью дискообразными пьезокерамическими преобразователями, расположенными по три друг напротив друга на противоположных поверхностях металлической плиты. Дискообразные пьезокерамические преобразователи, размещенные на одной из поверхностей упругой среды, были с расположены своими центрами на окружности радиусом равном их диаметру и смещены друг относительно друга на треть окружности (фиг. 3).

Материал плиты - титан.

При передаче информации по высокоскоростному каналу приема/передачи (ВКПИ) были отработаны различные способы модуляции несущего передаваемого сигнала. Были рассмотрена амплитудная модуляция, частотная и фазовая модуляции, а также модуляция с ортогональным мультиплексированием с частотным разделением (OFDM). Были рассмотрены различные варианты управления пьезоэлектрическими преобразователями приемо-передающих модулей, структурно объединенных в фазированные решетки. Раскрытие способов модуляции и управления антенными фазированными решетками пьезоэлектрических преобразователей приемо-передающих модулей не являются объектом данного изобретения и в данном изобретении не поясняются.

Испытания режимов приема/передачи, проведенных на изготовленном опытном макете системы передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде, показали реализацию заявленной цели -эффективную передачу энергии и информации через пакет последовательно соединенных упругих сред, в том числе и в случаях не плоскопараллельного взаимного расположения противоположных сторон упругой среды (фиг. 4), а также изменяющегося температурного состояния упругой среды и низкого качества подготовки ее поверхностей, к которым примыкают пьезоэлектрические преобразователи передающего и принимающего устройств, а также в условиях малой точности взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств в случае применения портативных устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей, для упругих сред с различными физическими свойствами, определяющими, в том числе, скорость распространения в них ультразвуковых волн, исключающий несанкционированный доступ к автономному принимающему устройству, позволяющий исключить и/или минимизировать указанные выше недостатки.

Эффект от применения данного изобретения состоит:

- в повышении эффективности обмена данными с контрольно-измерительными и управляющими устройствами и подзарядки автономных аппаратов в условиях применения роботизированных мобильных систем контроля, мониторинга и разведки, в том числе и при глубоководном их исполнении;

- в обеспечении технического и информационного обслуживания - обмен данными и обеспечение электропитания, автономных аппаратов герметичного исполнения с корпусами, непрозрачными для электромагнитного излучения;

- в обеспечении эффективного обмена данными с оборудованием, расположенным на внешней стороне герметичного корпуса, непрозрачного для электромагнитного излучения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам, реализующим передачу информации и энергии посредством ультразвукового канала, а также системам, реализующим данный способ. Изобретение может быть использовано в устройствах и системах обмена данными с автономными приемо-передающими устройствами, расположенными в герметичном корпусе или среде, непрозрачной для электромагнитного излучения радиочастотного диапазона, в том числе в условиях малой точности взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств в случае применения портативных устройств, оснащенных легкосъемными передающими и принимающими модулями пьезоэлектрических преобразователей. Техническим результатом является повышение эффективности приема/передачи энергии и информации посредством ультразвукового канала в упругой среде в условиях малой точности взаимного позиционирования передающего и принимающего устройств. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система беспроводной передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде, включающая

- передающее и принимающее устройства, каждое из которых содержит приемо-передающие модули с пьезоэлектрическими преобразователями, посредством которых осуществляется преобразование передаваемого электрического сигнала в механические колебания ультразвукового частотного диапазона, и модули формирования и усиления передаваемого сигнала, а также модули фильтров, предварительного усиления и обработки принятого сигнала,

- каналы приема/передачи энергии и информации, работающие в отдельно выделенных под них частотных диапазонах,

- цепи обратной связи, формирование и передача сигналов по которым осуществляется управлением эквивалентными полными комплексными сопротивлениями каналов приема/передачи со стороны принимающего устройства, используемые для автоматической коррекции режима приема/передачи,

отличающаяся тем, что

- пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей структурно объединены в электрически управляемые фазированные решетки,

- пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей устанавливаются на внутреннюю и внешнюю поверхность упругой среды посредством промежуточного слоя эластичного пьезоэлектрического материала,

- пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей располагаются в жестком корпусе с гофрированными стенками, вакуумирование полостей которого формирует механическое усилие, прижимающее пьезоэлектрические преобразователи к поверхности упругой среды, при этом степень вакуумирования определяется по уровню и синхронности механических колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями и возбуждаемых ими механических колебаний корпуса передающего устройства,

- содержит модули, которые осуществляют независимое управление приемом/передачей информации, включая служебные данные по четырем каналам приема/передачи, два из которых организованы по цепям обратной связи в выделенных низкоскоростном и высокоскоростном каналах приема/передачи,

- устройства управления передающим и принимающим устройствами выделены в независимые модули.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что функции устройств управления передающим и принимающим устройствами, выделенными в независимые модули, выполняют системы автоматического управления автономными аппаратами, реализованными роботизированными системами, при этом обмен данными и последующее их хранение осуществляется модулями обработки принятого сигнала низкоскоростного и высокоскоростного каналов приема/передачи.

3. Беспроводной способ передачи энергии и информации посредством ультразвука в упругой среде, заключающийся в том, что

- пьезоэлектрические элементы передающего и принимающего устройств располагают, соответственно, на внешней и внутренней поверхностях упругой среды,

- выполняют настройку параметров приема/передачи, заключающуюся в выборе частотных диапазонов для передачи энергии и информации,

- выполняют идентификацию передающего устройства по кодовой последовательности, поступающей на принимающее устройство вместе с передаваемым сигналом,

- выполняют формирование передаваемого сигнала, используя модуляцию,

- выполняют усиление передаваемого электрического сигнала и его преобразование в механические колебания пьезоэлектрическим преобразователями,

- на принимающей стороне выполняют преобразование механических колебаний в электрический сигнал пьезоэлектрическими элементами принимающего устройства,

- выполняют фильтрацию принятого сигнала и последующее его усиление,

- выполняют распознавание идентификационного кода передающего устройства и активируют передачу энергии и информации с разделением частотного диапазона передачи на две зоны - для передачи энергии и информации,

- на протяжении сеанса связи выполняют автоматическую коррекцию частотного диапазона несущих частот,

отличающийся тем, что

- пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей структурно объединяют в электрически управляемые фазированные антенные решетки,

- пьезоэлектрические преобразователи приемо-передающих модулей устанавливают на поверхности упругой среды через промежуточный слой эластичного пьезоэлектрического материала,

- установку и механическую фиксацию с управляемым усилием прижима выполняют вакуумированием полостей корпусов приемо-передающих модулей, устанавливаемых на поверхности упругой среды через уплотнительный материал, и имеющих гофрированные стенки, позволяющие регулировать высоту корпусов приемо-передающих модулей, развивая механическое усилие прижима пьезоэлектрических преобразователей,

- для приема и передачи энергии и информации используют распределенную структуру приема и передачи, включающую четыре канала приема/передачи - низкоскоростной и высокоскоростной, используют для передачи энергии и информации, и два из которых организованы по цепям обратной связи, формирование сигналов по которым реализуется управлением полным комплексным сопротивлением ультразвукового канала на стороне принимающего устройства, используют для передачи служебных данных и данных, некритичных к скорости их передачи,

- для приема/передачи используют диапазоны частот с наиболее высоким коэффициентом передачи мощности, которые изменяются на протяжении сеанса связи в зависимости от климатических факторов, физических свойств и геометрических параметров слоя упругой среды и определяются автоматически по сигналам цепей обратной связи,

- на протяжении сеанса связи выполняют автоматическую коррекцию режима работы фазированных антенных решеток пьезоэлектрических преобразователей приемо-передающих модулей.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что формирование передаваемого сигнала осуществляют с использованием модуляции мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов.