izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУizvestswsu-905Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentСтруктура и схемотехническое решение двунаправленной беспроводной системы передачи энергии для роевых роботовhttps://orcid.org/0000-0001-6303-0344КрестовниковКонстантин Дмитриевич

младший научный сотрудник лаборатории автономных робототехнических систем

k.krestovnikov@iias.spb.suСеменовАлександр Валерьевич

магистр кафедры электромеханики и робототехники

azarov211@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8003-3643ЕрашовАлексей Алексеевич

младший научный сотрудник лаборатории технологий больших данных социокиберфизических систем

erashov.a@iias.spb.suСанкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук, Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наукRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург, Российская ФедерацияRussian Federation202127022024254905Copyright © Крестовников К.Д., Семенов А.В., Ерашов А.А., 20222022Крестовников К.Д., Семенов А.В., Ерашов А.А.Крестовников К.Д., Семенов А.В., Ерашов А.А.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/905Цель исследования

Цель исследования. Развитие роевых робототехнических систем и подходов к одновременному решению задачи группой роботов делает актуальным направление исследований, связанное с распределением энергетических ресурсов между агентами роя. Практическая реализация данных задач требует разработки систем, позволяющих осуществлять передачу энергии между агентами роя. Целью исследования является разработка структуры и схемотехнического решения двунаправленной беспроводной системы передачи энергии на основе резонансного автогенератора.

Методы

Методы. Проведен анализ существующих исследований и разработок двунаправленных систем передачи энергии индуктивным методом. Были рассмотрены такие параметры, как передаваемая мощность, эффективность, расстояние передачи энергии.

Результаты

Результаты. Описан принцип работы разработанного схемотехнического решения в режиме приема и передачи энергии, приведена принципиальная электрическая схема и расчетные соотношения. Получены зависимости эффективности работы системы от передаваемой мощности и от расстояния передачи энергии. Наибольшее значение передаваемой мощности 15,4 Вт достигается при минимальном расстоянии между приемной и передающей частями системы. Наибольшая величина эффективности 59,91% достигается при передаваемой мощности 10,09 Вт.

Заключение

Заключение. Разработанная структура и схемотехническое решение являются базой для реализации двунаправленной беспроводной системы передачи энергии. Предложенная структура, в составе которой используется повышающий DC-DC преобразователь, позволяет получать напряжение на выходе системы, работающей в режиме приема энергии, равное и выше напряжения источника питания системы, работающей в режиме передачи энергии. Применение представленного решения актуально для передачи энергии между автономными роботами, передачи энергии от источника питания к роботу и в обратном направлении.

двунаправленная беспроводная система передачи энергиироевая робототехникараспределение энергетических ресурсоврезонансный автогенераторпередача энергииРФФИ 19-08-01215_АReferencesПшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Групповое управление движением мобильных роботов в неопределенной среде с использованием неустойчивых режимов // Информатика и автоматизация. – 2018. – Т. 5. – №. 60. – С. 39-63. https://doi.org/10.15622/sp.60.2.Pshikhopov V.KH., Medvedev M.YU. [Group control of the movement of mobile robots in an uncertain environment using unstable modes]. Gruppovoe upravlenie dvizheniem mobil'nyh robotov v neopredelennoj srede s ispol'zovaniem neustojchivyh rezhimov. [SPIIRAS Proceedings]. Trudy SPIIRAN. 2018; 5: 39–63. https://doi.org/10.15622/sp.60.2 (In Russ.).Araki B., Strang J., Pohorecky S., Qiu C., Naegeli T., Rus D. Multi-robot path planning for a swarm of robots that can both fly and drive // 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). – IEEE, 2017. – С. 5575-5582. https://doi.org/10.1109/ICRA.2017.7989657.Araki B., Strang J., Pohorecky S., Qiu C., Naegeli T., Rus D. Multi-robot path planning for a swarm of robots that can both fly and drive. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2017; pp. 5575-5582. https://doi.org/10.1109/ICRA.2017.7989657.Архипкин А.В., Комченков В.И., Корольков Д.Н., Петров В.Ф., Симонов С.Б., Терентьев А.И. Задачи группового управления роботами в робототехническом комплексе пожаротушения // Труды СПИИРАН. – 2016. – Т. 2. – №. 45 – С. 116-129. https://doi.org/10.15622/sp.45.7.Arkhipkin A., Komchenkov V., Korolkov D., Petrov V., Simonov, S., Terentev A. [Problems Of Group Control Of Robots In The Robotic Complex Of Fire Extinguishing]. Zadachi gruppovogo upravlenija robotami v robototehnicheskom komplekse pozharotushenija. [SPIIRAS Proceedings]. Trudy SPIIRAN. 2016; 2(45): 116-129. https://doi.org/10.15622/sp.45.7 (In Russ.).Khaluf Y., Vanhee S., Simoens P. Local ant system for allocating robot swarms to time-constrained tasks // Journal of Computational Science. – 2019. – Т. 31. – С. 33-44. https://doi.org/10.1016/j.jocs.2018.12.012.Khaluf Y., Vanhee S., Simoens P. Local ant system for allocating robot swarms to time-constrained tasks. Journal of Computational Science. 2019; 31: 33-44. https://doi.org/10.1016/j.jocs.2018.12.012.Krestovnikov K., Cherskikh E., Ronzhin A. Mathematical model of a swarm robotic system with wireless bi-directional energy transfer // Robotics: Industry 4.0 Issues & New Intelligent Control Paradigms. – Springer, Cham, 2020. – С. 13-23. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37841-7_2.Krestovnikov K., Cherskikh E., Ronzhin A. Mathematical model of a swarm robotic system with wireless bi-directional energy transfer. Robotics: Industry 4.0 Issues & New Intelligent Control Paradigms, Studies in Systems, Decision and Control. 2020; 272: 13-23. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37841-7_2.Melhuish C., Kubo M. Collective energy distribution: Maintaining the energy balance in distributed autonomous robots using trophallaxis // Distributed Autonomous Robotic Systems 6. – Springer, Tokyo, 2007. – С. 275-284. https://doi.org/10.1007/978-4-431-35873-2_27.Melhuish C., Kubo M. Collective energy distribution: Maintaining the energy balance in distributed autonomous robots using trophallaxis. Distributed Autonomous Robotic Systems 6. Springer, Tokyo. 2007; 275-284. https://doi.org/10.1007/978-4-431-35873-2_27.Riehl P.S., Satyamoorthy A., Akram H., Yen Y.-C., Yang J.-C., Juan B., Lee C., Lin F., Muratov V., Plumb W., Tustin P.F. Wireless power systems for mobile devices supporting inductive and resonant operating modes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2015. – Т. 63. – №. 3. – С. 780-790. https://doi.org/10.1109/TMTT.2015.2398413.Riehl P.S., Satyamoorthy A., Akram H., Yen Y.-C., Yang J.-C., Juan B., Lee C., Lin F., Muratov V., Plumb W., Tustin P.F. Wireless Power Systems for Mobile Devices Supporting Inductive and Resonant Operating Modes. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2015; 63(3): 780-790. https://doi.org/10.1109/TMTT.2015.2398413.Miśkiewicz R., Moradewicz A. Contactless power interface for plug-in electric vehicles in V2G systems // Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences. – 2011. – Т. 59. – №. 4. – С. 561-568.Miskiewicz R., Moradewicz A. Contactless power interface for plug-in electric vehicles in V2G systems. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. 2011; 59(4): 561-568.Deyle T., Reynolds M. Surface based wireless power transmission and bidirectional communication for autonomous robot swarms // 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. – IEEE, 2008. – С. 1036-1041. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2008.4543341.Deyle T., Reynolds M. Surface based wireless power transmission and bidirectional communication for autonomous robot swarms. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2008; pp. 1036-1041. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2008.4543341.Low Z.N., Chinga R.A., Tseng R., Lin J. Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system // IEEE transactions on industrial electronics. – 2008. – Т. 56. – №. 5. – С. 1801-1812. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2010110.Low Z.N., Chinga R.A., Tseng R., Lin J. Design and Test of a High-Power High-Efficiency Loosely Coupled Planar Wireless Power Transfer System. Industrial Electronics. 2009; 56(5): 1801-1812. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2010110.Itoh J.-I., Noguchi K., Orikawa K. System design of electric assisted bicycle using EDLCs and wireless charger // 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014-ECCE ASIA). – IEEE, 2014. – С. 2277-2284. https://doi.org/10.1109/IPEC.2014.6869907.Itoh J.-I., Noguchi K., Orikawa K. System design of electric assisted bicycle using EDLCs and wireless charger, Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE-ASIA). 2014; pp. 2277-2284. https://doi.org/10.1109/IPEC.2014.6869907.Shaw T., Mitra D. Wireless power transfer system based on magnetic dipole coupling with high permittivity metamaterials // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2019. – Т. 18. – №. 9. – С. 1823-1827. https://doi.org/10.1109/LAWP.2019.2930769.Shaw T., Mitra D. Wireless power transfer system based on magnetic dipole coupling with high permittivity metamaterials. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2019; 18(9): 1823-1827. https://doi.org/10.1109/LAWP.2019.2930769.Park C., Lee S., Cho G.H., Choi S.Y., Rim C.T. Two-dimensional inductive power transfer system for mobile robots using evenly displaced multiple pickups // IEEE Transactions on Industry Applications. – 2013. – Т. 50. – №. 1. – С. 558-565. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2271604.Park C., Lee S., Cho G.H., Choi S.Y., Rim C.T. Two-dimensional inductive power transfer system for mobile robots using evenly displaced multiple pickups. IEEE Transactions on Industry Applications. 2013; 50(1): 558-565. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2271604.Arvin F., Watson S., Turgut A.E., Espinosa J., Krajník T., Lennox B. Perpetual robot swarm: long-term autonomy of mobile robots using on-the-fly inductive charging // Journal of Intelligent & Robotic Systems. – 2018. – Т. 92. – №. 3. – С. 395-412. https://doi.org/10.1007/s10846-017-0673-8.Arvin F., Watson S., Turgut A.E., Espinosa J., Krajník T., Lennox B. Perpetual robot swarm: long-term autonomy of mobile robots using on-the-fly inductive charging. Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2018; 92(3): 395-412. https://doi.org/10.1007/s10846-017-0673-8.Samanta S., Rathore A.K., Thrimawithana D.J. Bidirectional current-fed half-bridge (C)(LC)–(LC) configuration for inductive wireless power transfer system // IEEE Transactions on Industry Applications. – 2017. – Т. 53. – №. 4. – С. 4053-4062. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2682793.Samanta S., Rathore A.K., Thrimawithana D.J. Bidirectional current-fed half-bridge (C)(LC)–(LC) configuration for inductive wireless power transfer system. IEEE Transactions on Industry Applications. 2017; 53(4): 4053-4062. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2682793.Madawala U.K., Thrimawithana D.J. A bidirectional inductive power interface for electric vehicles in V2G systems // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2011. – Т. 58. – №. 10. – С. 4789-4796. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2114312.Madawala U.K., Thrimawithana D.J. A bidirectional inductive power interface for electric vehicles in V2G systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011; 58(10): 4789-4796. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2114312.Zhao L., Thrimawithana D.J., Madawala U.K. Hybrid bidirectional wireless EV charging system tolerant to pad misalignment // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2017. – Т. 64. – №. 9. – С. 7079-7086. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2686301.Zhao L., Thrimawithana D.J., Madawala U.K. Hybrid bidirectional wireless EV charging system tolerant to pad misalignment. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2017; 64(9): 7079-7086. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2686301.Madawala U.K., Neath M., Thrimawithana D.J. A power–frequency controller for bidirectional inductive power transfer systems // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2011. – Т. 60. – №. 1. – С. 310-317. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2174537.Madawala U.K., Neath M., Thrimawithana D.J. A power–frequency controller for bidirectional inductive power transfer systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011; 60(1): 310-317. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2174537.Miura S., Nishijima K., Nabeshima T. Bi-directional wireless charging between portable devices // 2013 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). – IEEE, 2013. – С. 775-778. https://doi.org/10.1109/ICRERA.2013.6749857.Miura S., Nishijima K., Nabeshima T. Bi-directional wireless charging between portable devices. International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). 2013, pp. 775-778. https://doi.org/10.1109/ICRERA.2013.6749857.Huang M., Lu Y., Martins R.P. A reconfigurable bidirectional wireless power transceiver for battery-to-battery wireless charging // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2018. – Т. 34. – №. 8. – С. 7745-7753. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2881285.Huang M., Lu Y., Martins R.P. A reconfigurable bidirectional wireless power transceiver for battery-to-battery wireless charging. IEEE Transactions on Power Electronics. 2018; 34(8): 7745-7753. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2881285.Wu H., Gu B., Wang X., Pickert V., Ji B. Design and control of a bidirectional wireless charging system using GaN devices // 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). – IEEE, 2019. – С. 864-869. https://doi.org/10.1109/APEC.2019.8721909.Wu H., Gu B., Wang X., Pickert V., Ji B. Design and control of a bidirectional wireless charging system using GaN devices. 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). 2019, pp. 864-869. https://doi.org/10.1109/APEC.2019.8721909.Neath M.J., Swain A.K., Madawala U.K., Thrimawithana D.J., Vilathgamuwa D.M. Controller synthesis of a bidirectional inductive power interface for electric vehicles // 2012 IEEE Third International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET). – IEEE, 2012. – С. 60-65. https://doi.org/10.1109/ICSET.2012.6357376.Neath M.J., Swain A.K., Madawala U.K., Thrimawithana D.J., Vilathgamuwa D.M. Controller synthesis of a bidirectional inductive power interface for electric vehicles. IEEE Third International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET). 2012, pp. 60-65. https://doi.org/10.1109/ICSET.2012.6357376.Thrimawithana D.J., Madawala U. K. A contactless bi-directional power interface for plug-in hybrid vehicles // 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. – IEEE, 2009. – С. 396-401. https://doi.org/10.1109/VPPC.2009.5289820.Thrimawithana D.J., Madawala U. K. A contactless bi-directional power interface for plug-in hybrid vehicles. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. 2009, pp. 396-401. https://doi.org/10.1109/VPPC.2009.5289820.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.Cherskikh E. O., Erashov A. A., Bykov, A. N. [Analysis and classification of autonomous robotic systems by their energy consumption]. Analiz i klassifikacija avtonomnyh robototehnicheskih sistem po parametru jenergopotreblenija. [Proceedings of Voronezh State University. Series: Systems Analysis and Information Technologies]. Vestnik VGU. Serija: Sistemnyj analiz i informacionnye tehnologii. 2021; 2: 56-80. https://doi.org/10.17308/sait.2021.2/3505 (In Russ.).Krestovnikov K., Cherskikh E., Smirnov P. Wireless Power Transmission System Based on Coreless Coils for Resource Reallocation Within Robot Group //International Conference on Interactive Collaborative Robotics. – Springer, Cham, 2019. – С. 193-203. https://doi.org/10.1007/978-3-030-26118-4_19.Krestovnikov K., Cherskikh E., Smirnov P. Wireless Power Transmission System Based on Coreless Coils for Resource Reallocation Within Robot Group. In International Conference on Interactive Collaborative Robotics. 2019, pp. 193-203. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-26118-4_19.Krestovnikov K., Cherskikh E., Pavliuk N. Concept of a synchronous rectifier for wireless power transfer system // IEEE EUROCON 2019-18th International Conference on Smart Technologies. – IEEE, 2019. – С. 1-5. https://doi.org/10.1109/EUROCON.2019.8861856.Krestovnikov K., Cherskikh E., Pavliuk N. Concept of a synchronous rectifier for wireless power transfer system. IEEE EUROCON 2019-18th International Conference on Smart Technologies. 2019, pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/EUROCON.2019.8861856.Krestovnikov K., Cherskikh E., Bykov А. Approach to Choose of Optimal Number of Turns in Planar Spiral Coils for Systems of Wireless Power Transmission // Elektronika ir Elektrotechnika. – 2020. – Т. 26. – №. 6. – С. 17-24. https://doi.org/10.5755/j01.eie.26.6.26181.Krestovnikov K., Cherskikh E., Bykov А. Approach to Choose of Optimal Number of Turns in Planar Spiral Coils for Systems of Wireless Power Transmission. Elektronika ir Elektrotechnika. 2020; 26(6): 17-24. https://doi.org/10.5755/j01.eie.26.6.26181.Meinke H., Gundlach F.W. Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer: Verlag – 1986. part B13-B15. https://doi.org/10.1007/978-3-642-96894-5.Meinke H., Gundlach F.W. Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer: Verlag; 1986. part B13-B15. https://doi.org/10.1007/978-3-642-96894-5.Крестовников К.Д., Быков А.Н., Ерашов А.А. Структура и схемотехническое решение системы беспроводной передачи энергии для применения в мобильных РТК // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 9. - №3. – Санкт-Петербург: ЦНИИ РТК. – 2021. – С. 196-206. https://doi.org/10.31776/RTCJ.9305.Krestovnikov K., Bykov A., Erashov A. [Structure and circuit solution of a wireless power transfer system for application in mobile robotic systems]. Struktura i shemotehnicheskoe reshenie sistemy besprovodnoj peredachi jenergii dlja primenenija v mobil'nyh RTK. [Robotics and Technical Cybernetics]. Robototehnika i tehnicheskaja kibernetika. 2021; 9(3): 196-206. https://doi.org/10.31776/RTCJ.9305 (In Russ.).Lu Y., Mao F., Martins R.P. Bi-directional Battery-to-Battery Wireless Charging Enabled by Reconfigurable Wireless Power Transceivers // 2018 IEEE International Conference on Electron Devices and Solid State Circuits (EDSSC). – IEEE, 2018. – С. 1-2. https://doi.org/10.1109/EDSSC.2018.8487127.Lu Y., Mao F., Martins R.P. Bi-directional Battery-to-Battery Wireless Charging Enabled by Reconfigurable Wireless Power Transceivers. In 2018 IEEE International Conference on Electron Devices and Solid State Circuits (EDSSC). 2018; pp. 1-2. https://doi.org/10.1109/EDSSC.2018.8487127.Mao F., Lu Y., Seng-Pan U., Martins R.P. A reconfigurable cross-connected wireless-power transceiver for bidirectional device-to-device charging with 78.1% total efficiency // 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC). – IEEE, 2018. – С. 140-142. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2018.8310223.Mao F., Lu Y., Seng-Pan U., Martins R.P. A reconfigurable cross-connected wireless-power transceiver for bidirectional device-to-device charging with 78.1% total efficiency. In 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference-(ISSCC), 2018; pp. 140-142. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2018.8310223.Hwang J.T., Lee D.S., Lee J.H. et al. 21.8 An all-in-one (Qi, PMA and A4WP) 2.5 W fully integrated wireless battery charger IC for wearable applications // 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). – IEEE, 2016. – С. 378-380. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2016.7418065.Hwang J.T., Lee D.S., Lee J.H. et al. 21.8 An all-in-one (Qi, PMA and A4WP) 2.5 W fully integrated wireless battery charger IC for wearable applications. In 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). 2016; pp. 378-380. https://doi.org/10.1109/ISSCC.2016.7418065.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.