Современные беспилотные летательные аппараты все чаще применяются в условиях, где прямое вмешательство человека невозможно или крайне затруднено. Это могут быть удаленные территории, зоны природных катастроф или районы с неблагоприятными климатическими условиями. В таких ситуациях способность БПЛА к автономной работе становится критически важной.
Основным ограничением продолжительности миссии дронов остается емкость их аккумуляторных батарей. Традиционный подход с ручной заменой или подключением зарядного устройства не подходит для полностью автономных систем. Именно поэтому разработка эффективных методов автоматической зарядки превращается в ключевую задачу для инженеров и конструкторов.
Какие есть способы зарядки?
На сегодняшний день инженерное сообщество разработало несколько принципиально разных подходов к организации автоматической подзарядки беспилотников. Каждый из них имеет свои преимущества и ограничения, определяющие область применения.
Методы автоматической подзарядки БПЛА:
-
Механическое подключение – робот вставляет разъем или меняет аккумулятор.
-
Контактная зарядка – дрон садится на площадку с открытыми контактами (аналогично технологии Open Dots).
-
Беспроводная передача энергии – через лазерный луч, СВЧ-излучение или индукцию (воздушный трансформатор).
Механическое подключение предполагает использование роботизированных систем, которые либо соединяют зарядный разъем, либо полностью заменяют аккумуляторный блок. Этот метод обеспечивает высокую эффективность передачи энергии, но требует сложных механических компонентов.
Контактные системы зарядки используют специальные площадки с открытыми токопроводящими элементами. При посадке дрон устанавливает электрический контакт с зарядной станцией. Главным недостатком такой системы является чувствительность к загрязнению и окислению контактных поверхностей.
Беспроводные технологии передачи энергии открывают новые возможности, устраняя необходимость физического контакта. Среди них выделяют методы с использованием лазерного излучения, СВЧ-волн и электромагнитной индукции. Последний вариант на основе воздушного трансформатора демонстрирует наибольшую практическую применимость.
Воздушный трансформатор — это трансформатор без ферромагнитного сердечника, использующий воздух в качестве изоляционной и охлаждающей среды, обладающий линейными характеристиками и применяемый в специальных областях электротехники.
Беспроводная зарядка с воздушным трансформатором широко используется для зарядки мобильных телефонов, планшетов, электробритв, а также в более мощных системах, например, для электромобилей и дронов.
Воздушный трансформатор в беспроводной зарядке — это индукционная катушка с воздушным зазором, обеспечивающая передачу энергии без проводов по принципу трансформатора, но с особенностями, связанными с расстоянием и эффективностью передачи.
Почему воздушный трансформатор — лучший выбор?
Принцип работы индукционной системы зарядки напоминает технологию беспроводных зарядных устройств для бытовой электроники, но с существенно увеличенной мощностью и дальностью действия. Физическая основа этого метода - явление электромагнитной индукции, открытое еще Фарадеем в XIX веке.
Главное преимущество такой системы заключается в ее исключительной надежности. Отсутствие механических компонентов и открытых электрических контактов делает ее невосприимчивой к внешним воздействиям. Даже при наличии слоя пыли, снега или тонкой водяной пленки процесс зарядки продолжается без перебоев.
Важным фактором является и устойчивость к неточности позиционирования. Беспилотнику не требуется идеально точная посадка - достаточно оказаться в зоне действия передающей катушки. Это существенно упрощает конструкцию как самого дрона, так и зарядной инфраструктуры.
Как это работает?
Сердцем системы являются две резонансные катушки - передатчик, расположенный на зарядной станции, и приемник, установленный на корпусе БПЛА. При совпадении их резонансных частот между ними возникает сильная электромагнитная связь, позволяющая эффективно передавать энергию на расстояние.
Частота работы современных систем обычно находится в диапазоне единиц мегагерц. Такой выбор позволяет минимизировать габариты катушек при сохранении высокой эффективности передачи. Для компенсации реактивных потерь применяются специальные схемные решения, чаще всего - последовательно-последовательная компенсация.
Силовая часть системы беспроводной передачи энергии
Передающая часть системы включает мостовой инвертор (VT1–VT4), подключённый к резонансному контуру (C_TX, L_TX). В инверторе рекомендуется использовать MOSFET-транзисторы с минимальным сопротивлением канала в открытом состоянии — это снижает требования к теплоотводу и повышает КПД системы.
Приёмная часть системы содержит последовательный резонансный контур (L_RX, C_RX), подключённый к мостовому выпрямителю (VD1–VD4). Для уменьшения потерь мощности вместо диодов целесообразно применять микросборки синхронного выпрямления, такие как DK5V45R10.
Эти микросборки включают синхронный MOSFET с сопротивлением канала 10 мОм и встроенный контроллер управления затвором. При токах до 10–15 А падение напряжения на них оказывается ниже, чем на диодах Шоттки с аналогичными параметрами.
Схема силовой части приемника системы беспроводной передачи энергии (СУ – система управления)
Система управления непрерывно контролирует напряжение аккумуляторной батареи. При достижении напряжения окончания заряда происходит открытие транзистора VT1. В результате этого диод VD3 оказывается закороченным через низкое сопротивление открытого транзистора, а диод VD1 запирается под действием напряжения аккумулятора. Данное переключение переводит выпрямительную цепь C1-VD2-VD4 в режим удвоения напряжения, что приводит к двукратному снижению среднего зарядного тока.
Такое переключение также вызывает двукратное уменьшение ЭДС E2 в эквивалентной схеме замещения из-за эффекта удвоения напряжения, что влечет изменение параметров всей схемы замещения. Система управления осуществляет модуляцию величины E2, применяя алгоритм BMC (Biphase Mark Coding) - разновидность дифференциального манчестерского кодирования для передачи цифровых данных.
Микроконтроллер передающего устройства отслеживает резкие изменения параметров тока в передающей катушке, включая колебания амплитуды и фазы. Особенностью системы является наличие режимов, при которых изменение E2 не влияет на величину тока I1, но вызывает сдвиг его фазы. На основе анализа этих изменений производится декодирование передаваемых данных.
После достижения напряжения окончания заряда система переводит аккумулятор в режим поддержания заряда с постоянным напряжением и постепенно снижающимся током. Полное отключение передатчика происходит только после получения подтверждения о достижении аккумулятором максимального уровня заряда.
Что дальше?
Развитие технологий беспроводной зарядки открывает путь к созданию полностью автономных систем мониторинга и доставки. Уже сегодня ведутся разработки мобильных зарядных станций, способных развертываться в полевых условиях.
Перспективным направлением является интеграция зарядных систем с альтернативными источниками энергии. Комбинация индукционной зарядки с солнечными панелями или ветрогенераторами позволит создавать полностью самодостаточные инфраструктурные решения.
Особый интерес представляет возможность организации зарядки в процессе полета. Теоретические разработки в этой области ведутся уже сегодня, и первые практические реализации могут появиться в ближайшие годы.
В частности, за рубежом, например в США, активно исследуются методы направленной передачи энергии с помощью фазированных антенных решеток, что позволит заряжать дроны на значительном расстоянии и обеспечивать непрерывность выполнения критически важных миссий.
Дальнейшее развитие беспроводных зарядных технологий, их интеграция с возобновляемыми источниками энергии и внедрение решений для подзарядки в движении открывают новые горизонты для автономных роботизированных систем, расширяя их возможности и сферы применения.
Обучение
Здесь можно научиться программированию мобильных роботов и беспилотных летательных аппаратов. Вы освоите работу с различными платформами: от квадрокоптеров с системами компьютерного зрения до автономных роботов-курьеров и промышленных автоматизированных систем: Профессия Программист дронов и роботов
Вывод
Технология беспроводной индукционной зарядки представляет собой важный шаг в эволюции беспилотных систем. Она устраняет последнее существенное ограничение автономности БПЛА - зависимость от человеческого вмешательства для подзарядки.
По мере совершенствования компонентов и схемных решений мы увидим все более эффективные и компактные системы. Это откроет новые возможности для применения дронов в самых разных сферах - от логистики до мониторинга окружающей среды. Будущее автономных систем уже наступает, и беспроводная передача энергии играет в этом процессе ключевую роль.
Смотрите также: Зачем нужна математика для робототехники
Реклама. ЧОУ ЧАСТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СКИЛБОКС (КОРОБКА НАВЫКОВ), ИНН 9704088880, erid: 2VfnxxcSezk