ЛАРС

Аннотация:

Применение децентрализованных групп роботов позволяет решать широкий класс гражданских и военных задач. Эффективное перераспределение энергетических ресурсов внутри таких групп роботов является актуальной научно-технической задачей, поскольку современные средства обеспечения электроэнергией автономных мобильных единиц весьма несовершенны. 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.

Итоговый отчет за весь срок выполнения проекта:

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.