Anonim

Quadrotor UAVer brukes til å levere strøm på en trådløs måte

Drones

David Szondy

5. juni 2012

2 bilder

NIMBUS Labs quadrotor bruker sterkt koblet magnetisk resonans for å lade enheter eksternt

Ikke bare er quadrotors morsomme, de er nyttige for applikasjoner som overvåkning og viser til og med løfte om byggekonstruksjon. Her er en praktisk bruk som vi ikke hadde tenkt på - fjern trådløs ladning. Folk fra NIMBUS-laboratoriet ved University of Nebraska-Lincoln utvikler en quadrotor utstyrt med et system som bruker sterkt koblede magnetiske resonanser for å overføre strøm fra batteriene til mottaksenheten uten å trenge fysisk kontakt. Robotikerne ser dette som en løsning for powering enheter som ellers er utilgjengelige for konvensjonelle elektriske kilder.

Søken etter trådløs lading

Kvadrotoren som flygebyrpunkt er den siste i en over hundre år gammel drøm om å gjøre unna med ledninger og batterier for strømforsyning av elektriske enheter. At denes av skolen fysikk lab, er Tesla spolen et tidlig eksempel på dette som det lyser fluorescerende rør over rommet ved det som virker som magi, men er faktisk grunnleggende fysikk. Sin oppfinner, Nikola Tesla tilbrakte tiår på slutten av 1800-tallet og tidlig på 20-tallet, og søkte etter praktiske måter å sende elektrisk kraft gjennom luften, men uten stor suksess. I 1920- og 30-tallet fylte en av Teslas største beundrere, den amerikanske utgiveren Hugo Gernsback, sin science fiction og populære vitenskapsmagasiner med alle slags visjoner av en fremtidig tid i når kraftledninger har gitt vei til store antenner strålende kraft til alt fra skrivemaskiner til havet liners.

Ikke overraskende, ikke noe av dette skjedde fordi den opprinnelige ideen var å i utgangspunktet sende kraft som høyspennings radiobølger. Dette var ikke bare utrolig ineffektivt, og medførte at det ble spredt ut millioner av watt over hele landet, mens den tilgjengelige kraften droppet av alarmerende i svært kort avstand, men det var også ekstremt farlig. Omtrent alt laget av metall ville fungere som en mottakende antenne, så det var sannsynligvis en god ting at den aldri kom forbi spekulasjonstrinnet, eller mange ville ha lidd den ubehagelige skjebnen for å bli elektrokutt av deres broarbeid.

Den alternative planen var å forkaste kringkastingskraft til fordel for stråling i form av mikrobølger eller lasere. Dette var absolutt et mer effektivt alternativ, men fortsatt farlig, siden en laser eller mikrobølgeovn som er kraftig nok til å kjøre en enhet, også kan være farlig for alt som kommer i veien.

Kanskje den eneste praktiske form for kringkastingskraft for øyeblikket er induksjon - en modus for kraftoverføring som vanligvis brukes i trådløse elektriske tannbørster og utvikles for elektriske biler. Induksjon fungerer på samme prinsipp som en elektrisk transformator - to elektriske spoler plasseres i nærheten av hverandre, en vekselstrøm passeres gjennom en spole og det kontinuerlig sammenbruddende elektromagnetiske feltet forårsaket av vekslingen setter opp en strøm i den andre spolen. Brukes i kraftoverføring, en spole er senderen og den andre er installert i enheten som er ladet. Det er et system som fungerer, men bare over svært korte områder.

NIMBUS Lab quadrotor

NIMBUS quadrotor fungerer på et helt annet prinsipp som kalles "sterkt koblede magnetiske resonanser." Det høres skremmende, men koblede resonanser er egentlig et universelt fenomen som ikke bare finnes i elektromagnetisme, men også mekanikk, ingeniørvitenskap, akustikk og mange andre. Det er basert på ideen om at mange ting har det som kalles en naturlig resonansfrekvens. Det vil si når de blir vibrasert til en bestemt hastighet, lagrer de energien ved å gjøre vibrasjonens amplitude sterkere og sterkere. Hvis energi fortsetter å bli matet inn i en gjenstand ved den resonansfrekvensen lenge nok, vil objektet vibrere så voldsomt at det ødelegger seg selv.

Dette er sett i festetrykket av å ha en utdannet operasangeren som treffer nøyaktig riktig notat som lager et vinklas ved sin resonansfrekvens. Glasset vibrerer, lydenergien lagres i form av større og større vibrasjoner til glasset knuses. Men det er mer enn et festtrick. I 1940 ble kraften til resonansfrekvenser demonstrert for skremmende effekt når Tacoma Narrows Bridge i Washington State ble buffet av vind på akkurat den rette (feil) frekvensen og broen bokstavelig talt rystet seg i stykker.

Det viktige ved resonans er imidlertid ikke at det kan knuse et vinglass. Det som er viktig er at andre vinglas med en annen resonansfrekvens ikke ødelegger. Med andre ord påvirkes kun det aktuelle glasset.

Sterk koblet magnetisk resonans

Det samme gjelder for magnetiske resonatorer. Dette er hva NIMBUS quadrotor bruker, men i stedet for sangere og vinglass, bruker det et par magnetiske felt som er "koblet" eller utformet slik at man resonanserer som svar på den andre. Hvordan det virker er at quadrotoren har en kobbertråd viklet rundt den. Dette er konfigurert til å fungere som strømsender. Målet har en lignende trådring, som er konfigurert til å motta. Begge disse, når de slås på, genererer magnetfelt. Når disse to feltene kommer i kontakt med hverandre, parrer de og resonerer sterkt (derved navnet "sterkt koblede magnetiske resonanser") og kraft overføres fra kvadrotoren til målet.

Nå er det den smarte delen. Inntil disse to feltene kommer sammen, blir ingen kraft overført. Når kvadrotoren og målet er fra hverandre, blir deres felt enkle, inerte magnetfelt som om en kompassnål. Dette er svært forskjellig fra for eksempel en Tesla-spole, som alltid pumper ut energi når den er på og som vil lade alt innenfor rekkevidde som kan virke som en antenne. Med en sterkt koblet magnetisk resonans, vil feltene bare sende eller motta strøm når de er i kontakt. Hva er mer, bare målet vil motta strøm. Alt annet i nærheten forblir stort sett upåvirket.

Fordi resonansfeltene samhandler svært dårlig med alt de ikke har resonans med, andre enheter, mennesker, dyr, vegger eller andre hindringer, er mer eller mindre gjennomsiktige så langt som feltet er bekymret. Alt dette legger til er at et sterkt koblet magnetisk resonansfelt er mer effektivt for overføring av strøm, opererer over et lengre område og kan heller ikke elektrolyse noen, for eksempel som bærer en stålpinne i nærheten.

Eksperimenter med sterkt koblet magnetisk resonans har allerede blitt utført på steder som MIT, men disse har vært med stasjonært utstyr mens NIMBUS jobber med et mobilsystem. Tanken er å bringe strømkilden til enheten i stedet for enheten til strømkilden. Så langt har det vært et mål for suksess, med 5, 5 watt kraft overført over 20 cm (8 tommer) med 35 prosent effektivitet.

Formålet med quadrotor er å lade opp enheter som fjernsensorer, begravd utstyr eller utstyr som er utilgjengelige, som de som er installert på broer eller på radio-mast eller som ikke kan bruke solcellepaneler av estetiske grunner. En variasjon på quadrotoren kan jevnlig besøke enheten og gi strøm til den uten å måtte komme i kontakt.

Den nåværende designen er fortsatt veldig mye i eksperimentelle scener, og NIMBUS planlegger å gjøre forbedringer for å håndtere større kraft, så vel som å gjøre quadrotoren operere autonomt, slik at den kan oppsøke og sveve i nærheten av målet uten å flirte om som den gjeldende versjonen gjør.

Det er fortsatt en vei å gå, men det kan være at en dag kan du se at noen blir fulgt nedover veien av en quadrotor, og du må bestemme om han blir spionert på eller 'rotoren er bare lading tavlen for ham.

Videoen nedenfor viser at NIMBUS Labs quadrotor fjerner et eksperimentelt mål.

Kilder: NIMBUS Lab, IEEE Spectrum

NIMBUS Labs quadrotor bruker sterkt koblet magnetisk resonans for å lade enheter eksternt

Quadrotoren trenger ikke å få fysisk kontakt med enheten den lades

Anbefalt Redaksjonens