Алгоритмы управления двунаправленной беспроводной системой передачи энергии при перераспределении энергоресурсов в группе наземных роботов

Возможность перераспределения энергетических ресурсов в группе наземных роботов позволяет увеличить площадь достижимого рабочего пространства и расширить функциональные возможности группы. Применение беспроводной системы передачи энергии (БСПЭ) для обмена энергетическими ресурсами между наземными роботами позволяет снизить требования к точности позиционирования и повысить надежность робототехнической системы. В данной работе рассматриваются алгоритмы мониторинга и управления двунаправленной БСПЭ при эксплуатации в составе наземного робота. Предложена структурная схема модуля двунаправленной БСПЭ для интеграции в систему управления робота, построенную по распределенным принципам. Разработанные алгоритмы учитывают специфику схемотехнических решений двунаправленной БСПЭ, реализованной с применением неуправляемого резонансного автогенератора. Апробация предложенных решений проведена на базе робототехнической платформы. В экспериментах рассматривается процесс пополнения энергетических ресурсов одного из роботов другим роботом. Энергия передается между роботами с одинаковыми Li-ion аккумуляторными батареями, имеющими номинальное напряжение 7,4 В и емкость 5 А•ч. Выполняется заряд батареи робота с уровня 50 % до уровня 90 % при различной точности позиционирования. При смещении 4 мм и расстоянии между приемной и передающей катушками 4 мм время заряда составило 48 мин, что на 5 % больше, чем при заряде проводным способом. Максимальное время заряда составило 57 мин при расстоянии между роботами 15 мм. Применение БСПЭ для энергетического обмена между наземными роботами или для заряда роботов на зарядной станции позволяет повысить автономность функционирования группы, так как даже при низкой точности позиционирования передача энергетических ресурсов выполнятся успешно. Предлагаемые решения могут быть использованы для заряда батарей и реализации процессов перераспределения ресурсов в группах наземных и подводных роботов. 

1. Даринцев О. В., Мигранов А. Б. Аналитический обзор подходов к распределению задач в группах мобильных роботов на основе технологий мягких вычислений // Информатика и автоматизация. 2022. № 4 (21). C. 729—757. DOI:10.15622/ia.21.4.4

2. Зенкевич С. Л., Назарова А. В., Хуа Ч. Моделирование и анализ движения группы мобильных роботов всреде ROS // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. № 18(5). С. 317—320. https://doi.org/10.17587/mau.18.317-320

3. Zakiev A., Tsoy T., Magid E. Swarm Robotics: Remarks on Terminology and Classification // Lecture Notes in Computer Science (incl. subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). 2018. Vol. 11097. P. 291—300.

4. Черских Е. О., Ерашов А. А., Быков А. Н. Анализ и классификация автономных робототехнических систем по параметру энергопотребления // Вестник ВГУ. Серия: Системный анализ и информационные технологии. 2021. № . 2. С. 56—80. https://doi.org/10.17308/sait.2021.2/3505

5. Krestovnikov, K., Cherskikh, E., Saveliev A. Structure and Circuit Solution of a Bidirectional Wireless Power Transmission System in Applied Robotics // Radioengineering. 2021. Vol. 30, N. 1. P. 142—149. https://doi.org/10.13164/re.2021.0142

6. Krestovnikov K. D., Cherskikh E. O. Development of the structure and circuit solution of a bidirectional wireless energy transmission system for swarm robots // Serbian Journal of Electrical Engineering. 2021. Vol. 18, N. 2. P. 171—192. https:// doi.org/10.2298/SJEE2102171K

7. Крестовников К. Д., Ерашов А. А., Савельев А. И. Подход к беспроводному заряду аккумуляторной батареи автономных необитаемых подводных аппаратов // Морские интеллектуальные технологии. 2022. № 4. Часть 1. С. 144—155. https://doi.org/10.37220/MIT.2022.58.4.036

8. Zhang M., Tan L., Li J., Huang X. The Charging Control and Efficiency Optimization Strategy for WPT System Based on Secondary Side Controllable Rectifier // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 127993—128004. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3007444

9. Liu Y., Feng H. Maximum efficiency tracking control method for WPT system based on dynamic coupling coefficient identification and impedance matching network // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2019. Vol. 8, N. 4. P. 3633—3643. DOI: 10.1109/JESTPE.2019.2935219

10. Ishihara H. et al. A voltage ratio-based efficiency control method for 3 kW wireless power transmission // 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC 2014. 2014. P. 1312—1316. doi: 10.1109/APEC.2014.6803476

11. Miller J. M., Onar O. C., Chinthavali M. Primary-side power flow control of wireless power transfer for electric vehicle charging // IEEE journal of Emerging and selected topics in power electronics. 2014. Vol. 3, N. 1. P. 147—162. DOI: 10.1109/JESTPE.2014.2382569

12. Chao Y. H., Shieh J. J., Pan C. T., Shen W. C., Chen M. P. A primary-side control strategy for series-parallel loosely coupled inductive power transfer systems // 2007 2nd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Harbin, China. 2007. P. 2322—2327. DOI: 10.1109/ICIEA.2007.4318825

13. Li H. L., Hu A. P., Covic G. A., ChunSen Tang. A new primary power regulation method for contactless power transfer // 2009 IEEE International Conference on Industrial Technology. Churchill, VIC, Australia. 2009. P. 1—5. DOI: 10.1109/ICIT.2009.4939680

14. Kim S. M., Cho I. K., Moon J. I., Yoon J. H., Byun W. J., Choi H. D. System level power control algorithm in wireless power transmission for reducing EMF. // 2014 IEEE Wireless Power Transfer Conference, Jeju, Korea (South). 2014. P. 193—196. DOI: 10.1109/WPT.2014.6839580

15. Li Y. et al. Improved ant colony algorithm for adaptive frequency-tracking control in WPT system // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2018. Vol. 12, N. 1. P. 23—28.

16. Крестовников К. Д., Ерашов А. А. Разработка архитектуры и обобщенной структуры модулей распределенной системы управления робототехническими комплексами различного назначения // Робототехника и техническая кибернетика. 2022. Т. 10, № 3. С. 201—212. DOI: 10.31776/RTCJ.10305

17. Zakiev A., Shabalina K., Tsoy T., Magid E. Pilot Virtual Experiments on ArUco and ArTag Systems Comparison for Fiducial Marker Rotation Resistance // Smart Innovation, Systems and Technologies. 2019. N. 154. P. 455—464. DOI:10.1007/978- 981-13-9267-2_37

18. EEMB Co., Ltd. LIR18650 Lithium-ion Battery Datasheet. URL: https://www.ineltro.ch/media/downloads/ SAAItem/45/45958/36e3e7f3-2049-4adb-a2a7-79c654d92915.pdf, 2010 (дата обращения: 5 мая 2023 г.)