Drones continuam avançando em soluções de carregamento sem fio

Existem grandes empresas com grandes planos de oferecer serviços baseados em frotas de drones e todas estão ansiosas para superar um desafio operacional significativo:o tempo de voo dos drones comerciais é limitado pela capacidade limitada da bateria. Uma maneira de resolver o problema é com soluções de recarga mais eficientes e flexíveis. E isso explica o grande interesse pela WiBotic, que projeta e fabrica soluções para carregar baterias de drones e robôs. A startup de 4 anos garantiu US $ 5,7 milhões em financiamento da Série A.

Os investidores incluem Junson Capital, SV Tech Ventures, Rolling Bay Ventures, Aves Capital, The W Fund e WRF Capital, entre outros.

A WiBotic oferece carregamento sem fio e soluções de otimização de energia para o mercado de robôs aéreos, móveis, marinhos e industriais. Sua tecnologia Adaptive Matching oferece um novo método para transferência de energia indutiva que, segundo a empresa, fornece os níveis de energia necessários para drones e outros dispositivos voadores.

Essas soluções de otimização fornecem monitoramento detalhado dos parâmetros de carga da bateria por meio de bibliotecas de software. Combinado com a implantação estratégica de hardware de carregamento sem fio, esses recursos de software são projetados para otimizar o tempo de atividade dos drones.

As soluções de carregamento sem fio WiBotic também controlam o agendamento de recarga; eles são projetados para abrir caminho para que vários robôs sejam carregados a partir do mesmo transmissor em momentos diferentes.

Transferência de energia sem fio (WPT)

O uso de campos eletromagnéticos como fonte de eletricidade remonta ao final do século XIX, quando Nikola Tesla demonstrou pela primeira vez a transmissão de eletricidade sem fios. A metodologia wireless é bem conhecida, mas o projeto dos transmissores, sua localização, maximização da eficiência e a necessidade de um comportamento validado de todo o sistema representam um desafio complexo que requer habilidades específicas e o uso de ferramentas avançadas como a simulação numérica. Os métodos usados ​​pelos sistemas WPT mais comuns são o acoplamento indutivo ou ressonância magnética, cada um com seus pontos fortes e fracos.

O mais comum dos métodos é o indutivo - normalmente encontrado em dispositivos de consumo. Infelizmente, eles só são eficientes quando as antenas estão extremamente próximas umas das outras. Robôs e drones não podem se posicionar com precisão suficiente para garantir que os sistemas indutivos forneçam uma carga confiável.

A tecnologia de ressonância magnética é a tecnologia mais recente que oferece muito mais flexibilidade no posicionamento. No entanto, os sistemas de ressonância típicos têm uma área especial onde a eficiência máxima pode ser explorada. Porém, se o robô parar brevemente ou ficar fora do centro, a eficiência será reduzida e o tempo de carregamento aumentará.

A tecnologia WiBotic é baseada na força dos sistemas indutivos e ressonantes, pois incorpora o melhor de ambos. “Nosso sistema patenteado Adaptive Matching monitora constantemente a posição relativa da antena e ajusta dinamicamente os parâmetros de hardware e firmware para manter a eficiência máxima - fornecendo carregamento confiável, em altos níveis de energia e em vários centímetros de deslocamento vertical, horizontal e angular”, disse Ben Waters, CEO da WiBotic.

Figura 1:Eficiência de várias tecnologias. Clique na imagem para ampliar. (Fonte:Wibotic)

Algoritmo de software

Saber quando recarregar o drone quando a bateria estiver fraca é um recurso importante para avaliar o tempo de inatividade. Diferentes robôs terão diferentes tipos de química, voltagem e corrente de bateria. O software de otimização de energia da WiBotic é capaz de avaliar os robôs que recebem uma carga e determinar a melhor maneira de carregá-los.

O firmware Wibotic permite que os operadores do robô monitorem e definam os parâmetros de carregamento desejados. O cérebro integrado permite que o drone acesse diretamente o carregador integrado para realizar as mesmas funções. A arquitetura da rede de carregamento sem fio estruturada permite que os robôs permaneçam carregados, minimizando o tempo de inatividade e reduzindo o custo geral das frotas de robôs.

“Muitas das nossas inovações para a robótica vêm da saída do amplificador RF no transmissor e, em seguida, do lado do receptor, a entrada do retificador, é onde somos capazes de ajustar dinamicamente a impedância de nossos sistemas para ter certeza de que estamos maximizando nossa transferência de potência, mantendo a fonte e impedâncias de carga em ambos os lados do transformador de núcleo de ar combinadas. Estamos ajustando e sentindo coisas dinamicamente muito rapidamente em tempo real para acomodar movimentos ou interrupções ou mudanças conforme acontecem no sistema ”, disse Waters.

Arquitetura do sistema Wibotic

A estação de carregamento sem fio para drones é uma plataforma quadrada (3 pés por 3 pés para o pad padrão) composta por uma placa de indução "inteligente" que, durante a aterrissagem do drone, determina o tipo de baterias fornecidas para a aeronave, estabelecendo assim os parâmetros de carregamento corretos.

Todos os sistemas de carregamento sem fio WiBotic consistem em quatro componentes de hardware primários:unidade transmissora, bobina da antena transmissora, unidade de carregamento on-board, bobina da antena receptora.

Figura 2:diagrama de blocos da arquitetura Wibotic. Clique na imagem para ampliar. (Fonte:Wibotic)

A unidade de transmissão gera um sinal de energia sem fio de alta frequência por meio da fonte CA. O sinal viaja através de um cabo coaxial SMA para a bobina da antena de transmissão, onde gera campos elétricos e magnéticos. A bobina pode ser montada em qualquer orientação de acordo com a pista do drone.

A unidade transmissora reconhece qualquer robô que chega, equipado com uma unidade de carga a bordo e uma bobina de antena receptora, e é automaticamente ativada para fornecer a quantidade certa de energia. A bobina de coleta fornece energia para o circuito do carregador integrado. O carregador integrado converte o sinal de volta em tensão CC e controla as funções de carregamento da bateria para carregar com segurança uma ampla variedade de baterias.

“O processador que usamos é um microcontrolador STM32 baseado em ARM. Usamos uma máquina de estado complexa junto com algoritmos de controle dinâmico executados localmente no processador. Juntos, eles determinam como as saídas devem ser alteradas em resposta aos sinais de entrada. Se você estiver enviando várias centenas de watts de potência e alterar o parâmetro errado, poderá facilmente interromper o sistema em vez de beneficiá-lo. Portanto, ser capaz de determinar o que fazer para reagir às mudanças nas condições em tempo real é uma grande parte do nosso sistema. E quando você precisa fazer as coisas rapidamente e não tem muitos recursos de computação, ele precisa ser bastante otimizado tanto em software quanto em hardware. Utilizar um semicondutor de tecnologia GaN em nosso amplificador de RF foi fundamental para otimizar o desempenho do hardware ”, disse Alex Huttunen, engenheiro de software chefe da empresa.

A tecnologia GaN oferece o carregamento autônomo sem fio que essas condições exigem, operando em uma alta frequência de chaveamento com eficiência máxima. Em colaboração com GaN Systems Inc., WiBotic integra dispositivos GaN para fornecer os níveis de potência e requisitos de alcance da antena que os drones e robôs exigem. Além disso, o Regulador PRM Vicor 48V VI Chip PRM alimenta o transmissor a bordo da estação de carregamento sem fio WiBotic TR-110, que alimenta sem fio o receptor de bordo do robô / drone. O PRM aceita 48 V de uma fonte de alimentação AC-DC e a tensão de saída é controlada de forma adaptativa e cortada em cerca de 20 - 55V.

Figura 3:Um robô com carregamento sem fio. Clique na imagem para ampliar. (Fonte:Wibotic)

“Nosso foco principal é robótica, automação e dispositivos industriais. Mas, estamos muito entusiasmados com o crescimento do carregamento sem fio em muitos setores; sua adoção está aumentando em telefones móveis e se expandindo para muitos outros setores também, disse Matt Carlson, vice-presidente de desenvolvimento de negócios da WiBotic. Ele continuou “estamos desenvolvendo mais algoritmos que se alinham com IA e aprendizado de máquina com base em tendências históricas e os aplicando para o desempenho futuro de uma análise, especificamente em relação ao carregamento da bateria”.

Com o sistema de recarga de drones sem fio, todo o processo de recarga pode ser monitorado e controlado remotamente usando software baseado em nuvem, APIs e ferramentas para garantir que os drones recarreguem o mais rápido possível quando necessário ou mais lentamente quando o planejamento de voo não for massivo.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times.