Drohnen entwickeln sich mit kabellosen Ladelösungen weiter

Es gibt große Unternehmen, die große Pläne haben, Dienstleistungen auf der Grundlage von Drohnenflotten anzubieten, und sie alle sind bestrebt, eine bedeutende operative Herausforderung zu überwinden:Die Flugzeit kommerzieller Drohnen wird durch begrenzte Batteriekapazitäten eingeschränkt. Eine Möglichkeit, das Problem anzugehen, sind effizientere und flexiblere Ladelösungen. Und das erklärt das große Interesse an WiBotic, das Lösungen zum Laden von Drohnen- und Roboterbatterien entwickelt und herstellt. Das vier Jahre alte Startup hat sich 5,7 Millionen US-Dollar an Series-A-Finanzierung gesichert.

Zu den Investoren zählen unter anderem Junson Capital, SV Tech Ventures, Rolling Bay Ventures, Aves Capital, The W Fund und WRF Capital.

WiBotic bietet drahtlose Lade- und Leistungsoptimierungslösungen für den Markt für Antennen-, Mobil-, Schiffs- und Industrieroboter. Seine Adaptive Matching-Technologie bietet eine neue Methode zur induktiven Leistungsübertragung, die nach Angaben des Unternehmens die erforderliche Leistung für Drohnen und andere Fluggeräte liefert.

Solche Optimierungslösungen bieten eine detaillierte Überwachung der Batterieladeparameter durch Softwarebibliotheken. In Kombination mit dem strategischen Einsatz von drahtloser Ladehardware wurden diese Softwarefunktionen entwickelt, um die Betriebszeit von Drohnen zu optimieren.

Die kabellosen Ladelösungen von WiBotic übernehmen auch die Aufladeplanung; Sie sind so konzipiert, dass sie mehreren Robotern den Weg freimachen, um zu unterschiedlichen Zeiten vom selben Sender aufzuladen.

Wireless Power Transfer (WPT)

Die Verwendung elektromagnetischer Felder als Stromquelle geht auf das Ende des 19. Jahrhunderts zurück, als Nikola Tesla erstmals die Übertragung von Elektrizität ohne Kabel demonstrierte. Die drahtlose Methodik ist bekannt, aber das Design von Sendern, ihr Standort, die Maximierung der Effizienz und die Notwendigkeit eines validierten Verhaltens des gesamten Systems stellen eine komplexe Herausforderung dar, die spezifische Fähigkeiten und den Einsatz fortschrittlicher Werkzeuge wie der numerischen Simulation erfordert. Die von den gängigsten WPT-Systemen verwendeten Methoden sind induktive Kopplung oder MRT, von denen jede Stärken und Schwächen hat.

Die gebräuchlichste Methode ist die induktive – wie sie typischerweise in Verbrauchergeräten zu finden ist. Leider sind sie nur dann effizient, wenn die Antennen extrem nahe beieinander stehen. Roboter und Drohnen können sich nicht genau genug positionieren, um sicherzustellen, dass die induktiven Systeme zuverlässig laden.

Die Magnetresonanz-Technologie ist die neueste Technologie, die viel mehr Flexibilität bei der Positionierung bietet. Typische Resonanzsysteme haben jedoch einen speziellen Bereich, in dem die maximale Effizienz ausgeschöpft werden kann. Wenn der Roboter jedoch kurz anhält oder außermittig ist, verringert sich die Effizienz und die Ladezeiten verlängern sich.

Die WiBotic-Technologie basiert auf den Stärken sowohl induktiver als auch resonanter Systeme, da sie das Beste aus beiden vereint. „Unser patentiertes Adaptive Matching-System überwacht ständig die relative Antennenposition und passt sowohl Hardware- als auch Firmware-Parameter dynamisch an, um maximale Effizienz zu gewährleisten – und liefert zuverlässiges Aufladen bei hohen Leistungspegeln und über mehrere Zentimeter vertikale, horizontale und winkelige Versetzung“, sagte Ben Waters, CEO von WiBotic.

Abbildung 1:Effizienz verschiedener Technologien. Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern. (Quelle:Wibotic)

Softwarealgorithmus

Zu wissen, wann die Drohne bei schwachem Akku aufgeladen werden muss, ist ein wichtiges Merkmal, um Ausfallzeiten einzuschätzen. Verschiedene Roboter haben unterschiedliche Arten von Batteriechemie, Spannungen und Strömen. Die Energieoptimierungssoftware von WiBotic ist in der Lage, die zum Laden ankommenden Roboter zu bewerten und die beste Methode zum Laden zu bestimmen.

Mit der Wibotic-Firmware können Roboterbediener die gewünschten Ladeparameter überwachen und einstellen. Das Onboard-Gehirn ermöglicht es der Drohne, direkt auf das Onboard-Ladegerät zuzugreifen, um dieselben Funktionen auszuführen. Die Architektur des strukturierten drahtlosen Ladenetzwerks ermöglicht es Robotern, aufgeladen zu bleiben, Ausfallzeiten zu minimieren und die Gesamtkosten von Roboterflotten zu senken.

„Viele unserer Innovationen für die Robotik kommen am Ausgang des HF-Verstärkers auf dem Sender und dann auf der Empfängerseite, dem Eingang zum Gleichrichter, wo wir die Impedanz unseres Systems dynamisch abstimmen können, um sicherzustellen, dass wir Maximierung unserer Leistungsübertragung, indem die Quell- und Lastimpedanzen auf beiden Seiten des Luftkerntransformators aufeinander abgestimmt bleiben. Wir stimmen Dinge sehr schnell und in Echtzeit dynamisch ab und erfassen sie, um Bewegungen, Störungen oder Änderungen im System zu berücksichtigen“, sagte Waters.

Wibotic-Systemarchitektur

Die kabellose Ladestation für Drohnen ist eine quadratische Plattform (3 m x 3 Fuß für das Standardpad), die aus einer "intelligenten" Induktionsplatte besteht, die während der Landung der Drohne den Typ der an das Flugzeug gelieferten Batterien bestimmt und so feststellt die richtigen Ladeparameter.

Alle drahtlosen Ladesysteme von WiBotic bestehen aus vier primären Hardwarekomponenten:Sendeeinheit, Sendeantennenspule, On-Board-Ladeeinheit, Empfangsantennenspule.

Abbildung 2:Blockschaltbild der Wibotic-Architektur. Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern. (Quelle:Wibotic)

Die Sendeeinheit erzeugt über die Wechselstromquelle ein hochfrequentes drahtloses Stromsignal. Das Signal gelangt über ein SMA-Koaxialkabel zur Sendeantennenspule, wo es sowohl elektrische als auch magnetische Felder erzeugt. Die Spule kann in jeder Ausrichtung entsprechend der Landebahn der Drohne montiert werden.

Die Sendeeinheit erkennt jeden ankommenden Roboter, der mit einer integrierten Ladeeinheit und einer Empfängerantennenspule ausgestattet ist, und wird automatisch aktiviert, um die richtige Energiemenge bereitzustellen. Die Sammelspule speist Energie zum Onboard-Ladekreis. Das On-Board-Ladegerät wandelt das Signal zurück in Gleichspannung und steuert die Batterieladefunktionen, um eine Vielzahl von Batterien sicher aufzuladen.

„Der von uns verwendete Prozessor ist ein ARM-basierter STM32-Mikrocontroller. Wir verwenden eine komplexe Zustandsmaschine zusammen mit dynamischen Regelalgorithmen, die lokal auf dem Prozessor laufen. Zusammen bestimmen diese, wie Ausgänge als Reaktion auf eingehende Signale geändert werden sollen. Wenn Sie mehrere hundert Watt Leistung senden und den falschen Parameter ändern, können Sie das System sehr leicht stören, anstatt dem System zu nützen. In der Lage zu sein, in Echtzeit zu bestimmen, was zu tun ist, um auf sich ändernde Bedingungen zu reagieren, ist ein großer Teil unseres Systems. Und wenn Sie Dinge schnell erledigen müssen und nicht über große Rechenkapazitäten verfügen, muss die Software sowohl in Bezug auf die Software als auch auf die Hardware ziemlich gut optimiert sein. Die Verwendung eines Halbleiters mit GaN-Technologie in unserem HF-Verstärker war ein wesentlicher Faktor für die Optimierung der Hardwareleistung“, sagte Alex Huttunen, leitender Softwareingenieur des Unternehmens.

Die GaN-Technologie bietet das kabellose autonome Laden, das diese Bedingungen erfordern, indem sie mit einer hohen Schaltfrequenz mit maximaler Effizienz arbeitet. In Zusammenarbeit mit GaN Systems Inc. integriert WiBotic GaN-Geräte, um die Leistungspegel und die Antennenreichweite bereitzustellen, die sowohl Drohnen als auch Roboter benötigen. Darüber hinaus versorgt der Vicor 48V VI Chip PRM Regulator PRM den Sender an Bord der WiBotic TR-110 drahtlosen Ladestation, die den integrierten Roboter-/Drohnenempfänger drahtlos mit Strom versorgt. Das PRM akzeptiert 48 V von einer AC-DC-Stromversorgung und die Ausgangsspannung wird adaptiv gesteuert und von ca. 20 – 55 V abgeschnitten.

Abbildung 3:Ein Roboter mit kabellosem Laden. Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern. (Quelle:Wibotic)

„Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf Robotik, Automatisierung und Industriegeräte. Wir freuen uns jedoch sehr über das Wachstum des drahtlosen Ladens in vielen Branchen. Die Akzeptanz bei Mobiltelefonen nimmt zu und breitet sich auch auf viele andere Branchen aus, sagte Matt Carlson, VP of Business Development bei WiBotic. Er fuhr fort:„Wir entwickeln weitere Algorithmen, die sich an KI und maschinellem Lernen orientieren, basierend auf historischen Trends und wenden sie auf die zukünftige Leistung einer Analyse an, insbesondere rund um das Laden von Batterien.“

Mit dem kabellosen Drohnen-Aufladesystem kann der gesamte Aufladeprozess mithilfe von Cloud-basierter Software, APIs und Tools aus der Ferne überwacht und gesteuert werden, um sicherzustellen, dass Drohnen bei Bedarf so schnell wie möglich oder langsamer aufgeladen werden, wenn die Flugplanung nicht massiv ist.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times.