Структура и схемотехническое решение двунаправленной беспроводной системы передачи энергии для роевых роботов

Цель исследования. Развитие роевых робототехнических систем и подходов к одновременному решению задачи группой роботов делает актуальным направление исследований, связанное с распределением энергетических ресурсов между агентами роя. Практическая реализация данных задач требует разработки систем, позволяющих осуществлять передачу энергии между агентами роя. Целью исследования является разработка структуры и схемотехнического решения двунаправленной беспроводной системы передачи энергии на основе резонансного автогенератора.

Методы. Проведен анализ существующих исследований и разработок двунаправленных систем передачи энергии индуктивным методом. Были рассмотрены такие параметры, как передаваемая мощность, эффективность, расстояние передачи энергии.

Результаты. Описан принцип работы разработанного схемотехнического решения в режиме приема и передачи энергии, приведена принципиальная электрическая схема и расчетные соотношения. Получены зависимости эффективности работы системы от передаваемой мощности и от расстояния передачи энергии. Наибольшее значение передаваемой мощности 15,4 Вт достигается при минимальном расстоянии между приемной и передающей частями системы. Наибольшая величина эффективности 59,91% достигается при передаваемой мощности 10,09 Вт.

Заключение. Разработанная структура и схемотехническое решение являются базой для реализации двунаправленной беспроводной системы передачи энергии. Предложенная структура, в составе которой используется повышающий DC-DC преобразователь, позволяет получать напряжение на выходе системы, работающей в режиме приема энергии, равное и выше напряжения источника питания системы, работающей в режиме передачи энергии. Применение представленного решения актуально для передачи энергии между автономными роботами, передачи энергии от источника питания к роботу и в обратном направлении.

1. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Групповое управление движением мобильных роботов в неопределенной среде с использованием неустойчивых режимов // Информатика и автоматизация. – 2018. – Т. 5. – №. 60. – С. 39-63. https://doi.org/10.15622/sp.60.2.

2. Araki B., Strang J., Pohorecky S., Qiu C., Naegeli T., Rus D. Multi-robot path planning for a swarm of robots that can both fly and drive // 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). – IEEE, 2017. – С. 5575-5582. https://doi.org/10.1109/ICRA.2017.7989657.

3. Архипкин А.В., Комченков В.И., Корольков Д.Н., Петров В.Ф., Симонов С.Б., Терентьев А.И. Задачи группового управления роботами в робототехническом комплексе пожаротушения // Труды СПИИРАН. – 2016. – Т. 2. – №. 45 – С. 116-129. https://doi.org/10.15622/sp.45.7.

4. Khaluf Y., Vanhee S., Simoens P. Local ant system for allocating robot swarms to time-constrained tasks // Journal of Computational Science. – 2019. – Т. 31. – С. 33-44. https://doi.org/10.1016/j.jocs.2018.12.012.

5. Krestovnikov K., Cherskikh E., Ronzhin A. Mathematical model of a swarm robotic system with wireless bi-directional energy transfer // Robotics: Industry 4.0 Issues & New Intelligent Control Paradigms. – Springer, Cham, 2020. – С. 13-23. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37841-7_2.

6. Melhuish C., Kubo M. Collective energy distribution: Maintaining the energy balance in distributed autonomous robots using trophallaxis // Distributed Autonomous Robotic Systems 6. – Springer, Tokyo, 2007. – С. 275-284. https://doi.org/10.1007/978-4-431-35873-2_27.

7. Riehl P.S., Satyamoorthy A., Akram H., Yen Y.-C., Yang J.-C., Juan B., Lee C., Lin F., Muratov V., Plumb W., Tustin P.F. Wireless power systems for mobile devices supporting inductive and resonant operating modes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2015. – Т. 63. – №. 3. – С. 780-790. https://doi.org/10.1109/TMTT.2015.2398413.

8. Miśkiewicz R., Moradewicz A. Contactless power interface for plug-in electric vehicles in V2G systems // Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences. – 2011. – Т. 59. – №. 4. – С. 561-568.

9. Deyle T., Reynolds M. Surface based wireless power transmission and bidirectional communication for autonomous robot swarms // 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. – IEEE, 2008. – С. 1036-1041. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2008.4543341.

10. Low Z.N., Chinga R.A., Tseng R., Lin J. Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system // IEEE transactions on industrial electronics. – 2008. – Т. 56. – №. 5. – С. 1801-1812. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2010110.

11. Itoh J.-I., Noguchi K., Orikawa K. System design of electric assisted bicycle using EDLCs and wireless charger // 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014-ECCE ASIA). – IEEE, 2014. – С. 2277-2284. https://doi.org/10.1109/IPEC.2014.6869907.

12. Shaw T., Mitra D. Wireless power transfer system based on magnetic dipole coupling with high permittivity metamaterials // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2019. – Т. 18. – №. 9. – С. 1823-1827. https://doi.org/10.1109/LAWP.2019.2930769.

13. Park C., Lee S., Cho G.H., Choi S.Y., Rim C.T. Two-dimensional inductive power transfer system for mobile robots using evenly displaced multiple pickups // IEEE Transactions on Industry Applications. – 2013. – Т. 50. – №. 1. – С. 558-565. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2271604.

14. Arvin F., Watson S., Turgut A.E., Espinosa J., Krajník T., Lennox B. Perpetual robot swarm: long-term autonomy of mobile robots using on-the-fly inductive charging // Journal of Intelligent & Robotic Systems. – 2018. – Т. 92. – №. 3. – С. 395-412. https://doi.org/10.1007/s10846-017-0673-8.

15. Samanta S., Rathore A.K., Thrimawithana D.J. Bidirectional current-fed half-bridge (C)(LC)–(LC) configuration for inductive wireless power transfer system // IEEE Transactions on Industry Applications. – 2017. – Т. 53. – №. 4. – С. 4053-4062. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2682793.

16. Madawala U.K., Thrimawithana D.J. A bidirectional inductive power interface for electric vehicles in V2G systems // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2011. – Т. 58. – №. 10. – С. 4789-4796. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2114312.

17. Zhao L., Thrimawithana D.J., Madawala U.K. Hybrid bidirectional wireless EV charging system tolerant to pad misalignment // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2017. – Т. 64. – №. 9. – С. 7079-7086. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2686301.

18. Madawala U.K., Neath M., Thrimawithana D.J. A power–frequency controller for bidirectional inductive power transfer systems // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2011. – Т. 60. – №. 1. – С. 310-317. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2174537.

19. Miura S., Nishijima K., Nabeshima T. Bi-directional wireless charging between portable devices // 2013 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). – IEEE, 2013. – С. 775-778. https://doi.org/10.1109/ICRERA.2013.6749857.

20. Huang M., Lu Y., Martins R.P. A reconfigurable bidirectional wireless power transceiver for battery-to-battery wireless charging // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2018. – Т. 34. – №. 8. – С. 7745-7753. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2881285.

21. Wu H., Gu B., Wang X., Pickert V., Ji B. Design and control of a bidirectional wireless charging system using GaN devices // 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). – IEEE, 2019. – С. 864-869. https://doi.org/10.1109/APEC.2019.8721909.

22. Neath M.J., Swain A.K., Madawala U.K., Thrimawithana D.J., Vilathgamuwa D.M. Controller synthesis of a bidirectional inductive power interface for electric vehicles // 2012 IEEE Third International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET). – IEEE, 2012. – С. 60-65. https://doi.org/10.1109/ICSET.2012.6357376.

23. Thrimawithana D.J., Madawala U. K. A contactless bi-directional power interface for plug-in hybrid vehicles // 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. – IEEE, 2009. – С. 396-401. https://doi.org/10.1109/VPPC.2009.5289820.

24. Черских Е.О., Ерашов А.А., Быков А.Н. Анализ и классификация автономных робототехнических систем по параметру энергопотребления // Вестник ВГУ. Серия: Системный анализ и информационные технологии. – 2021. – №. 2. – С. 56-80. https://doi.org/10.17308/sait.2021.2/3505.

25. Krestovnikov K., Cherskikh E., Smirnov P. Wireless Power Transmission System Based on Coreless Coils for Resource Reallocation Within Robot Group //International Conference on Interactive Collaborative Robotics. – Springer, Cham, 2019. – С. 193-203. https://doi.org/10.1007/978-3-030-26118-4_19.

26. Krestovnikov K., Cherskikh E., Pavliuk N. Concept of a synchronous rectifier for wireless power transfer system // IEEE EUROCON 2019-18th International Conference on Smart Technologies. – IEEE, 2019. – С. 1-5. https://doi.org/10.1109/EUROCON.2019.8861856.

27. Krestovnikov K., Cherskikh E., Bykov А. Approach to Choose of Optimal Number of Turns in Planar Spiral Coils for Systems of Wireless Power Transmission // Elektronika ir Elektrotechnika. – 2020. – Т. 26. – №. 6. – С. 17-24. https://doi.org/10.5755/j01.eie.26.6.26181.

28. Meinke H., Gundlach F.W. Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer: Verlag – 1986. part B13-B15. https://doi.org/10.1007/978-3-642-96894-5.

29. Крестовников К.Д., Быков А.Н., Ерашов А.А. Структура и схемотехническое решение системы беспроводной передачи энергии для применения в мобильных РТК // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 9. - №3. – Санкт-Петербург: ЦНИИ РТК. – 2021. – С. 196-206. https://doi.org/10.31776/RTCJ.9305.

30. Lu Y., Mao F., Martins R.P. Bi-directional Battery-to-Battery Wireless Charging Enabled by Reconfigurable Wireless Power Transceivers // 2018 IEEE International Conference on Electron Devices and Solid State Circuits (EDSSC). – IEEE, 2018. – С. 1-2. https://doi.org/10.1109/EDSSC.2018.8487127.

31. Mao F., Lu Y., Seng-Pan U., Martins R.P. A reconfigurable cross-connected wireless-power transceiver for bidirectional device-to-device charging with 78.1% total efficiency // 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC). – IEEE, 2018. – С. 140-142. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2018.8310223.

32. Hwang J.T., Lee D.S., Lee J.H. et al. 21.8 An all-in-one (Qi, PMA and A4WP) 2.5 W fully integrated wireless battery charger IC for wearable applications // 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). – IEEE, 2016. – С. 378-380. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2016.7418065.