Подводная зарядка для роботов

Чтобы роботы эффективно выполняли свои функции, необходимо простое в применении и надежное устройство для восполнения их энергетических ресурсов. Именно такое решение и предложили ученые СПб ФИЦ РАН. Система беспроводной передачи энергии, созданная специалистами исследовательского центра, позволяет повысить уровень автоматизации и безопасности процесса заряда аккумуляторов.

Более того, система является двунаправленной, то есть роботы могут заряжаться не только на зарядной станции, но и обмениваться энергией друг с другом. Исходя из потребностей индустриальных партнеров ее конструкцию и программное обеспечение можно адаптировать под разные типы автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА). Например, на ее основе можно создать подводную автоматизированную зарядную станцию для группы роботов, и тогда не придется поднимать их на поверхность для замены батареи.

Прототипы принимающей (слева) и передающей (справа) частей беспроводной системы передачи энергии, разработанной специалистами СПб ФИЦ РАН

СПб ФИЦ РАН

Заряжайся на расстоянии

Система, которую предложили ученые СПб ФИЦ РАН, состоит из передающей и приемной частей. Беспроводная передача энергии осуществляется с помощью метода электромагнитной индукции, то есть посредством переменного магнитного поля. Кроме того, разработка имеет модуль контроля передачи энергии, который, исходя из специфики конкретного робота, может быть интегрирован в его систему управления.

Благодаря используемым принципам не требуется обеспечивать высокоточное позиционирование или плотный контакт между роботом и зарядной станцией, как в случае с существующими аналогами. Приемнику и передатчику в одном из разработанных прототипов достаточно находиться на расстоянии менее 6‒7 см друг от друга. Эффективность передачи энергии, измеренная на прототипе системы с выходной мощностью 400 Вт, составляет около 85%.

За рубежом системы беспроводного заряда существуют, но в основном они ориентированы на мобильную электронику или транспорт. В этой области проводится множество исследований, в результате экспериментов достигнуты хорошие результаты. Однако, как правило, рассматривается только силовая часть системы без управления, защит, предложений по интеграции в блок управления конечного устройства. Большее внимание уделяется однонаправленным системам. В США существует стартап по разработке беспроводной зарядной станции для электробусов.

Младший научный сотрудник Лаборатории автономных робототехнических систем СПб ФИЦ РАН Константин Крестовников

СПб ФИЦ РАН

Резонансное решение

Подробнее о принципе работы системы, разработанной специалистами СПб ФИЦ РАН, «Стимулу» рассказал один из авторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории автономных робототехнических систем этого исследовательского центра Константин Крестовников.

«Опираясь на предыдущие исследования однонаправленных систем, мы разработали структуру двунаправленной беспроводной системы передачи энергии (БСПЭ). Двунаправленная БСПЭ состоит из двух функциональных частей, имеющих идентичную принципиальную схему», — пояснил эксперт.

По словам Константина Крестовникова, каждая функциональная часть имеет электрическое подключение к источнику питания или потребителю энергии в конечном устройстве, в которое она установлена. Беспроводная передача энергии осуществляется между двумя конечными устройствами, в которые установлена функциональная часть предлагаемой системы.

Обе функциональные части состоят из следующих структурных блоков: резонансный LC-контур, соединенный с выходом резонансного автогенератора, повышающий DC‒DC (постоянное напряжение в постоянное напряжение) преобразователь, цепи управления режимом работы, позволяющие управлять работой DC‒DC преобразователя и электрически соединять источник энергии конечного устройства со входом резонансного автогенератора. Основа системы — резонансный автогенератор. Именно эта часть схемотехнического решения создает незатухающие колебания в параллельном резонансном контуре, катушка индуктивности которого является одновременно передающей. Энергия передается методом электромагнитной индукции через индуктивно связанные параллельные резонансные LC-контуры передающей и приемной частей системы. Благодаря электромагнитной индукции электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает магнитное поле, оно действует на вторичную обмотку и индуцирует в ней электрический ток.

«Передающий LC-контур двунаправленной БСПЭ задает частоту работы резонансного автогенератора, что позволяет поддерживать резонанс в нем при изменении индуктивности катушки без использования дополнительных систем подстройки частоты. Резонанс в передающем контуре позволяет передавать максимальную мощность в приемную часть», — пояснил Константин Крестовников.

Приемная и передающая части двунаправленной БСПЭ имеют идентичные резонансные контуры, это позволяет избавиться от дополнительных систем подстройки частоты приемного контура для поддержания в нем резонанса при изменении взаимного расположения катушек. Так как взаимное расположение приемной и передающей частей устройства в одинаковой мере влияют на индуктивность и добротность резонансных контуров, а передающий контур является частотозадающим, то оба контура системы передатчик — приемник находятся в резонансе.

По словам Константина Крестовникова, перечисленные особенности помогают достичь высокой эффективности и передаваемой мощности при значительных смещениях между приемной и передающей частями системы.

Разработкой уже заинтересовались несколько организаций. В дальнейших планах — разработать встраиваемую БСПЭ для конкретного заказчика с учетом его требований к электрическим и габаритным характеристикам, а также требованиям к интеграции в существующую систему управления конечного устройства. Дальше — подготовка решения к производству малыми сериями. Предстоит и научная работа — повышать эффективность передачи энергии, совершенствовать схемотехническое решение, проводить эксперименты с интеграцией системы в АНПА.