Технология беспроводной зарядки БПЛА от WiBotic

Технология беспроводной зарядки БПЛА от WiBotic

Выпуск 15 (6714) от 06 августа 2020 г.
РУБРИКА: РОБОТОТЕХНИКА

Многие крупные компании планируют предлагать услуги с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Однако, на пути реализации этих планов есть препятствие: время полета коммерческих БПЛА ограничено малой емкостью батареи. Одним из способов решения этой проблемы представляется использование более эффективных и гибких решений зарядки. Это объясняет большой интерес к работам стартапа WiBotic, предлагающего решения для зарядки аккумуляторов БПЛА и робототехники.

WiBotic предлагает решения по беспроводной зарядке и оптимизации энергопотребления для рынка авиационных, мобильных, морских и промышленных роботов. Его технология Adaptive Matching – это новый метод индуктивной передачи энергии, который, по словам представителей компании, обеспечивает уровни мощности, необходимые для БПЛА и других летательных аппаратов. Решения по оптимизации обеспечивают подробный мониторинг параметров заряда батареи посредством библиотек программного обеспечения. В сочетании со стратегическим развертыванием оборудования для беспроводной зарядки эти программные функции предназначены для максимизации времени бесперебойной работы БПЛА. Решения по беспроводной зарядке WiBotic также поддерживают планирование пополнения энергетического баланса; они предназначены для установления очередности зарядки нескольких роботов от одного и того же передатчика.


Беспроводная передача энергии (БПЭ)

Использование электромагнитных полей в качестве источника электричества восходит к концу XIX в., когда Никола Тесла впервые продемонстрировал передачу электричества без проводов. Методология беспроводной связи хорошо известна, но конструкция передатчиков, их расположение, максимальная эффективность и необходимость отлаженного поведения всей системы представляют собой сложную задачу, требующую специальных навыков и передовых инструментов, таких как численное моделирование. Наиболее распространенные системы БПЭ используют индуктивную связь или магнитно-резонансную технологию, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны (рис. 1).



Источник: WiBotic

Рисунок 1. Сопоставление эффективности различных технологий беспроводной зарядки


Наиболее распространенный метод – индуктивный, он широко применяется в потребительских приборах. К сожалению, он эффективен только тогда, когда антенны расположены очень близко друг к другу. Роботы и БПЛА не могут позиционироваться достаточно точно, чтобы обеспечить себе надежную зарядку при помощи индуктивных систем. Новейшая магнитно-резонансная технология предлагает гораздо большую гибкость в позиционировании. Однако типичные резонансные системы отличаются наличием области, где достигается максимальная эффективность. Если робот ненадолго останавливается или находится не в центре этой области, эффективность снижается, а время зарядки увеличивается.

Технология WiBotic сочетает в себе сильные стороны как индуктивных, так и резонансных систем. Новая запатентованная система адаптивного согласования постоянно контролирует относительное положение антенны и динамически регулирует как аппаратные, так и программно-аппаратные параметры, чтобы поддерживать максимальную эффективность – обеспечивая надежную зарядку на высоких уровнях мощности даже вертикальном, горизонтальном и угловом смещении заряжаемого объекта на несколько сантиметров.


Программный алгоритм

Важная функция оценки времени простоя – знание того, когда нужно заряжать БПЛА при разрядке батареи. У разных роботов батареи отличаются по типу химического состава, значениям напряжения и тока. Микропрограммное обеспечение фирмы WiBotic позволяет оценивать роботов, поступающих на зарядку, и устанавливать необходимые параметры зарядки для оптимизации энергопотребления. Бортовой блок компьютерного управления дает возможность БПЛА получать прямой доступ к встроенному зарядному устройству для выполнения тех же функций. Благодаря архитектуре структурированной беспроводной сети роботы могут оставаться постоянно заряженными, что минимизирует время простоя и снижает общую стоимость эксплуатации парка роботов.

Многие инновации в области робототехники появляются на выходе РЧ-усилителя передатчика, а затем на приемнике – на входе в выпрямитель. Именно здесь можно динамически настраивать импеданс новых систем. Таким образом появляется возможность убедиться, что, максимизируя передачу мощности, поддерживая согласованные сопротивление источника и нагрузки на обеих сторонах трансформатора с воздушным сердечником, можно очень быстро динамически настраивать оборудование в реальном масштабе времени. Это обеспечивает приспосабливаемость к движениям, сбоям или изменениям, происходящим в системе.


Архитектура системы WiBotic

Беспроводная зарядная станция для беспилотных летательных аппаратов – это квадратная платформа (91×91 см для стандартной площадки), которая представляет собой «интеллектуальную» индукционную пластину, при посадке БПЛА определяющую тип бортовых батарей и устанавливающую правильные параметры зарядки.

Все беспроводные зарядные системы WiBotic состоят из четырех основных аппаратных компонентов: передатчик, антенна передатчика, бортовое зарядное устройство, приемная антенна (рис. 2).



Источник: WiBotic

Рисунок 2. Блок-схема архитектуры WiBotic


Передающий блок генерирует высокочастотный беспроводной сигнал мощности через источник переменного тока. Сигнал проходит через SMA коаксиальный кабель к катушке передающей антенны, где генерирует как электрические, так и магнитные поля. Катушка может быть установлена в любой ориентации в соответствии с взлетно-посадочной полосой БПЛА.

Передающее устройство распознает любого поступающего робота, оснащенного встроенным зарядным устройством и катушкой приемной антенны, и автоматически активируется для обеспечения нужного количества энергии. Коллекторная катушка подает энергию на бортовую цепь зарядного устройства. Бортовое зарядное устройство преобразует сигнал обратно в постоянное напряжение и управляет функциями зарядки аккумулятора для безопасной зарядки широкого спектра таких приборов.

Используемый процессор представляет собой микроконтроллер STM32 на базе процессорного ядра ARM. Используется сложный конечный автомат наряду с алгоритмами динамического управления, работающими локально на процессоре. Вместе они определяют, как следует изменить выходные параметры в соответствии с входящими сигналами. При неправильной задаче параметров работа системы может быть нарушена, поэтому способность определять правильную реакцию на изменяющиеся условия в реальном масштабе времени – важная функция системы WiBotic. Неотъемлемой частью оптимизации работы оборудования стало использование в новом РЧ-усилителе GaN полупроводниковых приборов.

Технология GaN обеспечивает высокую частоту переключения с максимальной эффективностью, что позволяет достаточно быстро осуществлять беспроводную автономную зарядку. Для обеспечения уровней мощности и требований к диапазону антенн, необходимых как БПЛА, так и роботам, WiBotic интегрирует в свои зарядные устройства GaN-приборы – в сотрудничестве с корпорацией GaN Systems. Питание передатчика беспроводной зарядной станции WiBotic TR-110, обеспечивающей беспроводное питание бортового приемника робота или БПЛА, осуществляется с использованием 48-В регулятора частотно-импульсной модуляции Vicor 48V VI Chip. На регулятор подается питание 48 В от источника переменного и постоянного тока, а выходное напряжение адаптивно регулируется и отключается в диапазоне от 20 до 55 В (рис. 3).



Источник: WiBotic

Рисунок 3. Робот возле установки беспроводной зарядки


Разработчики из WiBotic в первую очередь сосредоточены на робототехнике, автоматизации и промышленных устройствах. Они разрабатывают все больше алгоритмов, способных согласовываться с искусственным интеллектом и машинным обучением. Цель – повышение производительности анализа, особенно в отношении зарядки батареи.

Беспроводная система подзарядки БПЛА от WiBotic дает возможность дистанционного контроля и управления всем процессом с помощью облачного ПО, интерфейсов прикладного программирования (API) и инструментальных средств, которые гарантируют, что БПЛА заряжаются настолько быстро, насколько это возможно, когда это необходимо, или медленнее, когда время зарядки не критично.

Сообщается, что стартап WiBotic получил на начальном этапе венчурного финансирования 5,7 млн долл. Среди инвесторов – Junson Capital, SV Tech Ventures, Rolling Bay Ventures, Aves Capital, The W Fund и WRF Capital.


Di Paolo Emilio Maurizio. Wireless Charging Keeps Drones Flying. EE Times magazine, July 10, 2020: https://www.eetimes.com/wireless-charging-keeps-drones-flying/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ