Беспроводная зарядка будущего: AI-система для IoT

Ученые из Института науки Токио представили первую в мире автоматическую и адаптивную систему оптической беспроводной передачи энергии (OWPT) на основе светодиодов (LED). Эта инновационная разработка функционирует стабильно как при ярком освещении, так и в полной темноте, и способна питать несколько IoT-устройств одновременно без перебоев, используя для навигации искусственный интеллект.

Система построена на базе LED-технологии, что делает ее экономичным и безопасным решением для создания устойчивой инфраструктуры Интернета вещей (IoT) внутри помещений.

Стремительное развитие IoT порождает растущую потребность в эффективных и гибких решениях для электропитания. Традиционные методы, такие как батареи и кабельные соединения, имеют существенные недостатки. Батареи требуют частой подзарядки и замены, а кабели ограничивают мобильность устройств.

Оптическая беспроводная передача энергии (OWPT) представляет собой перспективную технологию, способную преодолеть эти ограничения. В OWPT энергия передается через пространство путем преобразования электричества в свет, его передачи и последующего преобразования обратно в электричество с помощью фотовольтаических (PV) приемников.

Большинство современных исследований в области OWPT сосредоточено на лазерных системах. Однако для применения в условиях помещений системы OWPT должны соответствовать строгим нормам безопасности, чтобы предотвратить вред для глаз и кожи. Это делает лазерные системы непригодными без разработки специальных технологий защиты.

В отличие от них, системы OWPT на основе светодиодов (LED) являются более безопасными, обеспечивают надежную передачу энергии, легко управляемы, экономичны и долговечны. Тем не менее, они сталкиваются с проблемами потери мощности на больших расстояниях и нестабильной работы при изменяющихся условиях освещения.

Для решения этих проблем профессор Томоюки Миямото и аспирант Минчжи Чжао разработали новаторскую систему OWPT на базе LED. "Мы создали адаптивную OWPT-систему двойного режима, которая автоматически приспосабливается к ярким и темным условиям в помещении, обеспечивая безопасную и эффективную подачу энергии нескольким IoT-устройствам", — поясняет Миямото.

Для преодоления потерь мощности при передаче на большие расстояния система использует адаптивную линзовую систему с двухслойной конфигурацией: жидкостную линзу с настраиваемым фокусным расстоянием и изображениеобразующую линзу. Эта конструкция автоматически регулирует размер пятна луча в зависимости от расстояния и размера приемника, обеспечивая оптимальную передачу энергии.

Для точного наведения светового луча система оснащена регулируемым отражателем, который может поворачиваться независимо в горизонтальном и вертикальном направлениях с помощью двух последовательно соединенных шаговых двигателей. Для точного наведения на PV-приемники исследователи использовали камеру глубины, включающую RGB-сенсор и инфракрасный (IR) сенсор. RGB-сенсор определяет положение PV-приемника, а IR-сенсор идентифицирует пятно облучения луча. Это позволяет системе управления корректировать ориентацию отражателя в сторону целевого приемника.

Для обеспечения непрерывной работы как при освещении, так и в темноте PV-приемники оснащены ретрорефлективными (RF) листами по краям. Эти листы отражают инфракрасное излучение от IR-проектора камеры глубины, создавая четкий контур для каждого PV-приемника. Это позволяет системе точно определять формы и положения приемников, выделять целевую PV-область и минимизировать помехи от окружающих объектов. Для дальнейшего повышения точности исследователи интегрировали сверточную нейронную сеть на основе алгоритма Single Shot MultiBox Detector (SSD).

Благодаря этим инновациям, предложенная система auto-OWPT способна последовательно нацеливаться на несколько PV-приемников различных размеров и на разных расстояниях, быстро переключаясь между ними без прерываний. В ходе экспериментов система стабильно работала как при освещении, так и в темноте, обеспечивая эффективную и стабильную передачу энергии на расстояние до пяти метров.

"Наша система auto-OWPT предлагает стабильное и универсальное решение для беспроводной передачи энергии", — отмечает Миямото. "Она сыграет ключевую роль в построении устойчивой IoT-инфраструктуры, особенно на умных фабриках, в домах и внутренних помещениях, где требуется безопасная, беспроводная, динамичная и масштабируемая подача энергии".