Jak najlepiej chronić wrażliwe elementy przed uszkodzeniem przez wibracje?

Często w niektórych typach robotów występują duże obciążenia środowiskowe, z których jednym jest wibracja. Czy muszę się tym martwić typową elektroniką i innymi wrażliwymi komponentami, czy nie? Jeśli tak, to jak zabezpieczyć takie elementy?

Słyszałem o dwóch głównych filozofiach, z których pierwsza polega na tym, że powinieneś używać systemu tłumienia, takiego jak sprężyny, aby pochłonąć wstrząs. Drugim jest to, że powinieneś trzymać wszystko sztywno na miejscu, aby nie mogło się poruszyć, a zatem nie mogło uderzyć w nic innego i się złamać.

Który powinienem zastosować, a jeśli odpowiedź brzmi „to zależy”, co powinienem zastosować jako przewodnik, aby najlepiej chronić wrażliwe elementy?

Częściowo zależy to od źródła wibracji.

Chociaż dwie techniki, które opisujesz, są bardzo cenne, jeśli wibracja pochodzi od twoich własnych siłowników, możesz być w stanie znacznie poprawić rzeczy, po prostu używając innego profilu prędkości dla twoich ruchów.

Tradycyjne profile prędkości trapezoidalnych to stałe przyspieszenie do ustalonej prędkości maksymalnej, po której następuje rejs ze stałą prędkością, a następnie stałe spowolnienie z powrotem do prędkości zerowej. To powoduje wysoki natychmiastowy wstrząs (szarpnięcie) - trzecią pochodną pozycji w czasie. To właśnie ten wysoki wstrząs często powoduje uszkodzenia wibracyjne.

Wiele kontrolerów ruchu oferuje profil prędkości krzywej S, który jest ograniczony wstrząsami, co może znacznie zmniejszyć te impulsy wysokich wstrząsów. Ponadto, ponieważ zwiększasz przyspieszenie, często możesz bardziej agresywnie dostroić pętlę PID i faktycznie zyskać wzrost wydajności punkt-punkt. Niestety jest to kosztem zwiększenia złożoności synchronizacji i planowania ruchu.

Pracowałem także nad systemami, które używają czystych sześciennych splajnów dla całego ruchu. Stworzyły one jedwabiście gładkie profile ruchów, w których sąsiednie ruchy płynnie się ze sobą łączyły bez zauważalnego wstrząsu. Systemy te są jednak jeszcze trudniejsze do synchronizacji ruchów, a matematyka na etapie planowania staje się jeszcze bardziej złożona niż w przypadku krzywych S.

Komponenty powinny mieć gdzieś wartości drgań. Prawie wszystko bez ruchomych części będzie w porządku. Ma to wpływ na niektóre czujniki, takie jak akcelerometry i żyroskopy.

Na przykład quadrotors to aplikacja, na którą wibracje mają ogromny wpływ. Cztery rekwizyty wytwarzają absolutnie absurdalną ilość wibracji, a quadrotor wymaga dokładnych danych z czujników z akcelerometrów / żyroskopów. Jeśli spojrzysz na wykresy akcelerometru, zobaczysz niewiarygodną ilość hałasu.

Mimo to bardzo niewiele quadów ma jakąkolwiek formę tłumienia drgań, wystarczy filtr Kalmana, aby uzyskać dobre dane.

Istnieje wiele literatury na temat tłumienia drgań i kilku możliwych podejść (zarówno aktywnych, jak i pasywnych).

Przekonałem się, że pianka z pamięcią jest idealna do tłumienia wibracji elektroniki i małych czujników, takich jak accel / żyroskop. Pianka pamięci jest bardzo miękka, ale co ważniejsze, została zaprojektowana tak, aby wyjątkowo dobrze tłumić. W przeszłości zmniejszyłem hałas akcelerometru na UAV o ~ 80%, stosując piankę pamięciową.

W systemie Asguard , nad którym pracowaliśmy, mamy wiele wstrząsów z powodu geometrii koła. W tym systemie mogliśmy również zredukować wibracje po stronie sterowania, jak sugerował Mark . Dokonano tego poprzez zsynchronizowanie kół w optymalne wzory.

System ma również pewne mechaniczne cechy konstrukcyjne, które redukują wibracje. Elastyczne koła, sprzęgła elektryczne między kołami zębatymi a kołem oraz mechanizmy blokujące dla większości śrub.

Elektronika nie jest sztywno połączona z konstrukcją, ale używa kombinacji pianki i gumy, aby utrzymać je na miejscu. Do tej pory działało to dobrze. Mieliśmy jednak wiele problemów ze złączami, w których często dochodziło do mikropęknięć na złączach płytki, szczególnie na cięższych złączach, takich jak firewire. W takich przypadkach musieliśmy stworzyć konstrukcje mechaniczne, aby utrzymać złącza na miejscu, lub zastąpić złącza lekkimi alternatywami, jeśli to możliwe.

Wrażliwe komponenty, takie jak na przykład IMU i kamery, które sztywno połączono z systemem. To prawda, że ​​poprawia to hałas na akcelerometrach, ale filtr Kalmana nigdy nie miał z tym dużego problemu z oszacowaniem orientacji. Podczas korzystania z krótkich czasów ekspozycji w aparacie wibracje również nie stanowią większego problemu. Z punktu widzenia czujnika naprawdę spodziewaliśmy się znacznie więcej problemów niż w rzeczywistości.

Sądzę więc, że odpowiedź na twoje pytanie jest taka, że ​​tak naprawdę zależy od twojego systemu, a jak widzieliśmy w naszym przypadku, często nie musisz nawet zbytnio chronić swoich elementów przed wibracjami.

Potrzeba dużo czasu, aby wytrząsnąć komponenty z PCB / PWB, więc w większości przypadków powinno być bezpiecznie, jeśli upewnisz się, że montaż jest prawidłowy. Jedną rzeczą, o której ludzie zapominają, jest to, że jeśli występuje wibracja, może również występować flex, a nawet niewielkie ilości flexu przekazywane do PWB mogą być szkodliwe. FR4 jest sztywny i w złym miejscu wytrzyma duże obciążenia obciążeniowe. Ale można to łatwo naprawić za pomocą odpowiedniego rodzaju mocowania, które nie pozwala na przeniesienie siły przez deskę - zakotwiczone z jednej strony, półsztywne z drugiej.