Структура и схемотехническое решение двунаправленной беспроводной системы передачи энергии для роевых роботов
Abstract
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.
About the Authors
Константин КрестовниковRussian Federation
Александр Семенов
Russian Federation
Алексей Ерашов
Russian Federation
References
1. Pshikhopov V.KH., Medvedev M.YU. [Group control of the movement of mobile robots in an uncertain environment using unstable modes]. Gruppovoe upravlenie dvizheniem mobil'nyh robotov v neopredelennoj srede s ispol'zovaniem neustojchivyh rezhimov. [SPIIRAS Proceedings]. Trudy SPIIRAN. 2018; 5: 39–63. https://doi.org/10.15622/sp.60.2 (In Russ.).
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). 2017; pp. 5575-5582. https://doi.org/10.1109/ICRA.2017.7989657.
3. Arkhipkin A., Komchenkov V., Korolkov D., Petrov V., Simonov, S., Terentev A. [Problems Of Group Control Of Robots In The Robotic Complex Of Fire Extinguishing]. Zadachi gruppovogo upravlenija robotami v robototehnicheskom komplekse pozharotushenija. [SPIIRAS Proceedings]. Trudy SPIIRAN. 2016; 2(45): 116-129. https://doi.org/10.15622/sp.45.7 (In Russ.).
4. Khaluf Y., Vanhee S., Simoens P. Local ant system for allocating robot swarms to time-constrained tasks. Journal of Computational Science. 2019; 31: 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, Studies in Systems, Decision and Control. 2020; 272: 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; 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; 63(3): 780-790. https://doi.org/10.1109/TMTT.2015.2398413.
8. Miskiewicz R., Moradewicz A. Contactless power interface for plug-in electric vehicles in V2G systems. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. 2011; 59(4): 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. 2008; pp. 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. Industrial Electronics. 2009; 56(5): 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, Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE-ASIA). 2014; pp. 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; 18(9): 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; 50(1): 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; 92(3): 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; 53(4): 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; 58(10): 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; 64(9): 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; 60(1): 310-317. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2174537.
19. Miura S., Nishijima K., Nabeshima T. Bi-directional wireless charging between portable devices. International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). 2013, pp. 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; 34(8): 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). 2019, pp. 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. IEEE Third International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET). 2012, pp. 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. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. 2009, pp. 396-401. https://doi.org/10.1109/VPPC.2009.5289820.
24. Cherskikh E. O., Erashov A. A., Bykov, A. N. [Analysis and classification of autonomous robotic systems by their energy consumption]. Analiz i klassifikacija avtonomnyh robototehnicheskih sistem po parametru jenergopotreblenija. [Proceedings of Voronezh State University. Series: Systems Analysis and Information Technologies]. Vestnik VGU. Serija: Sistemnyj analiz i informacionnye tehnologii. 2021; 2: 56-80. https://doi.org/10.17308/sait.2021.2/3505 (In Russ.).
25. Krestovnikov K., Cherskikh E., Smirnov P. Wireless Power Transmission System Based on Coreless Coils for Resource Reallocation Within Robot Group. In International Conference on Interactive Collaborative Robotics. 2019, pp. 193-203. Springer, Cham. 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. 2019, pp. 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; 26(6): 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. Krestovnikov K., Bykov A., Erashov A. [Structure and circuit solution of a wireless power transfer system for application in mobile robotic systems]. Struktura i shemotehnicheskoe reshenie sistemy besprovodnoj peredachi jenergii dlja primenenija v mobil'nyh RTK. [Robotics and Technical Cybernetics]. Robototehnika i tehnicheskaja kibernetika. 2021; 9(3): 196-206. https://doi.org/10.31776/RTCJ.9305 (In Russ.).
30. Lu Y., Mao F., Martins R.P. Bi-directional Battery-to-Battery Wireless Charging Enabled by Reconfigurable Wireless Power Transceivers. In 2018 IEEE International Conference on Electron Devices and Solid State Circuits (EDSSC). 2018; pp. 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. In 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC), 2018; pp. 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. In 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). 2016; pp. 378-380. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2016.7418065.
Review
For citations:
, , . Proceedings of the Southwest State University. 2021;25(4).
Email the author 
Post a Comment 
