Теоретические основы двунаправленной беспроводной передачи энергии и алгоритмы построения автоматического перераспределения энергоресурсов в группе роботов

Учитывая тот факт, что время автономной работы аккумуляторов весьма ограничено, при использовании проводных средств зарядки робототехнические единицы, по сути, лишаются автономности. В связи с этим, актуальным представляется разработка беспроводных зарядных устройств и методов перераспределения энергетических ресурсов внутри группы.
Целью проекта является разработка теоретических основ беспроводной передачи энергии между агентами роевых систем. Для достижения поставленной цели осуществляется разработка технологических и схемотехнических решений беспроводной системы передачи энергии, направленных на повышение передаваемой мощности и эффективности передачи энергии.

В ходе первого этапа проекта был проведен анализ современного состояния проблемы беспроводной передачи энергии и перераспределения энергетических ресурсов между автономными робототехническими средствами. Существующие модели не учитывают особенности беспроводной передачи энергии между агентами роя и в большинстве случаев направленны на централизованное поддержание энергетического потенциала системы. Выявлены основные недостатки рассмотренных беспроводных систем передачи энергии (БСПЭ), в частности, существующие решения требуют динамической подстройки рабочей частоты, что снижает эффективность и требует использования отдельных систем. Основные исследования двунаправленных БСПЭ сосредоточены в направлении решений для электротранспорта и мобильной электроники, а системы средней мощности, подходящие для применения в робототехнике, мало освещены.

В ходе проекта разработана математическая модель, которая рассматривает роевую робототехническую систему и взаимодействия внутри нее со стороны энергетических параметров, а также учитывает особенности беспроводной передачи энергии между агентами. Модель позволяет вычислять необходимое количество роботов-рабочих, роботов-заряжающих и время выполнения целевой задачи. Также разработан ряд алгоритмов, которые учитывают особенности модели и позволяют распределять задачи между роботами-рабочими, а точки заряда между роботами заряжающими. Оптимальное распределение задач и точек заряда между роботами достигается за счет использования венгерского алгоритма, работающего с матрицей стоимости пути каждого робота до каждой задачи. За стоимость пути принимается длина траектории, проложенная с использованием модификации алгоритма LRLHD-A* (Local Roughness Local Height Difference A*).

Разработан метод позволяющий, оценить общее время передачи энергии между агентами роя, в зависимости от рельефа рабочего поля в месте обмена энергоресурсами. В точках заряда роботу-рабочему и роботу-заряжающему необходимо осуществить сближение для передачи энергии, решение этой задачи выполняется предложенным алгоритмом конечного позиционирования на основе системы технического зрения, который входит в состав метода оценки общего времени передачи энергии. Сближение роботов в окрестности точки конечного позиционирования осуществляется алгоритмом, использующим планирование траектории, а также алгоритмами обработки изображений для поиска ArUco-маркеров и получения их положения и ориентации относительно системы отсчета камеры технического зрения робота. Проводимые в рамках проекта исследования позволили разработать структуру и схемотехническое решение двунаправленной БСПЭ. Особенностями разработанной системы является интегрированная система управления режимом передачи энергии и силовая часть системы, не требующая специализированной системы управления, выполненная в виде резонансного автогенератора. Применение резонансного автогенератора и идентичных контуров в приемной и передающей частях позволяет системе работать в резонансном режиме и не требует подстройки рабочей частоты, независимо от расстояния и смещений между магнитосвязанными катушками, что позволяет повысить эффективность и передаваемую мощность системы. Данная особенность позволяет использовать систему при смещениях и расстояниях между приемной и передающей катушками, достигающими половины их диаметра, что актуально при использовании в автономной робототехнике. Одним из преимуществ разработанной структуры и схемотехнического решения БСПЭ является возможность получать значение напряжения на выходе системы, работающей в режиме приема энергии, равным или выше значения напряжения источника питания системы, работающей в режиме передачи энергии.

Поскольку правильный выбор параметров катушек резонансных контуров в индуктивных системах передачи энергии в значительной степени влияет на эффективность и передаваемую мощность данных систем, была разработана методика расчета геометрических и электрических параметров и подход к выбору оптимального количества витков плоских спиралевидных катушек, используемых в БСПЭ с параллельным резонансным контуром. На прототипе БСПЭ проведено исследование эксплуатационных ограничений, связанных с относительным расположением приемной и передающей частей системы. Последующая обработка экспериментальных результатов позволила вывести системы уравнений, которые связывают параметры передаваемой мощности и эффективности работы системы в зависимости от расстояния или осевого смещения между катушками. Представленные системы уравнений позволяют оценить актуальность передачи энергии между агентами при достигнутом взаимном положении агентов.

Результаты исследований представлены на 5 международных конференциях, труды которых индексируются в Scopus. Опубликовано 4 научные статьи в журналах, индексируемых в РИНЦ.