Energia i systemy zasilania

Systemy zasilania robota maj� kluczowe znaczenie dla jego zdrowia, niezawodno�ci i skuteczno�ci. Systemy zasilania obejmuj� wszystkie elementy robota, kt�re wsp�pracuj� w celu generowania, u�ywania i oszcz�dzania energii. Bardzo trudno kontrolowa� profil mocy robota. Wa�ne jest, aby zesp� projektowy wcze�nie rozpocz�� plan kontroli mocy. Co wi�cej, bardzo wa�ne jest, aby jeden in�ynier by� odpowiedzialny za ten wysi�ek. Idealnie, je�li komputer jest zaanga�owany, daj zadanie in�ynierowi, kt�ry mo�e kontrolowa� funkcje oszcz�dzania energii samego procesora komputera. Ka�dy element robota, a� do ostatniej nakr�tki i �ruby, wp�ywa na zu�ycie energii. Dowiemy si�, dlaczego tak jest p�niej. W tej chwili zr�bmy du�y krok w ty� i wykonujmy �wiczenia umys�owe. Wyobra� sobie robota, kt�ry chcemy zbudowa�. Wizualizuj jego form�, kszta�t i mas�. Teraz zdejmijmy nasze kolektywne okulary i zobaczmy robota jako du��, rozmyt� bry�� metalu i plastiku. To tylko masa materia�u, kt�rego porcje mog� przemieszcza� si� z miejsca na miejsce. Czy b�dzie mia� wystarczaj�c� ilo�� paliwa, aby dotrze� tam, gdzie idzie i wykona� swoje zadanie? W przypadku robota zasilanego bateryjnie jest to bardzo wa�ne pytanie. Ogl�danie robota jako pojedynczej masy u�atwia zrozumienie wst�pnych oblicze� energetycznych.

Energia

Kiedy pierwsi naukowcy zajmuj�cy si� rakietami zacz�li budowa� rakiety, natychmiast stawili czo�a bardzo podstawowym prawom fizyki. Jak na przyk�ad mogliby umie�ci� satelit� na orbicie? Jak mogli umie�ci� dw�ch astronaut�w na Ksi�ycu i odzyska� ich? Ostatecznie wszystko sprowadza�o si� do jednej kwestii: energii. Kontrola energii w robocie to �wietny spos�b na zbli�enie si� do projektowania system�w zasilania. Energia, od kt�rej naukowcy musieli zacz��, by�a paliwem rakietowym. Problem l�dowania Ksi�yca Apolla polega� na tym, �e dw�ch astronaut�w i Lunar Excursion Module (LEM) . Ile paliwa by�oby potrzebne i jak by to zrobi�? Pewnie usiedli z jednym kawa�kiem papieru podczas lunchu i wyko�czyli go w 10 minut. Obiad prawdopodobnie poszed� co� takiego. Ustalili mas� LEM i astronaut�w na oko�o 48 000 kg. Po tej wadze mogli zorientowa� si�, ile paliwa potrzeba by przenie�� LEM z ziemskiej orbity na ksi�yc. Co wi�cej, mogliby oszacowa� energi� potrzebn� do podniesienia statku LEM i statku kosmicznego Apollo (129 000 kg) na orbit� ziemsk� w pierwszej kolejno�ci. Potrzebowali skutecznego sposobu na wykonanie zadania i opracowali trzyetapow� koncepcj� rakiety Saturn. Zrzucenie stopni rakiet Saturna na orbicie nie pozwoli�o na przeniesienie ci�aru ca�ej rakiety na orbit�. Jestem pewien, �e w ci�gu kilku minut zako�czyli obliczenia energii surowej. Wymy�lili trzyetapow� rakiet� Saturna i g�sienic� stoj�c� na wysoko�ci 111 metr�w i mas� 6 milion�w kilogram�w (oko�o 6000 ton). Jestem pewien, �e usiedli i zam�wili kolejn� rund� margarit! Chodzi o to, �e obliczenia nie s� trudne i nie trwaj� zbyt d�ugo. Powinni�my by� w stanie do�� szybko okre�li� wymagania energetyczne robota. Ale od czego zacz��? Pierwsz� rzecz� do zrobienia, podobnie jak w przypadku projektu rakietowego, jest przewidzenie energii, kt�ra b�dzie potrzebna. Znamy przybli�ony rozmiar robota, kt�ry chcemy zbudowa�. Wiemy te� z grubsza, jakie rodzaje ruch�w i dzia�a� musi wykona� robot. Mo�emy przewidzie� ilo�� energii, kt�r� robot u�yje do ruchu, gdy zostanie zaprojektowany na dwa r�ne sposoby: za pomoc� oblicze� lub za pomoc� pomiar�w empirycznych.

OBLICZENIA

Patrz�c na mas� robota i wiedz�c, jakie dzia�ania musi wykona� robot, cz�sto potrafimy obliczy� energi�, kt�ra b�dzie potrzebna. Na przyk�ad, je�li wiemy ,�e robot wa�y 50 kg (w zestawie baterie) i musi wspina� si� po 6-metrowej drabinie 10 razy dziennie, mo�emy okre�li� energi� potrzebn� do wspi�cia si� po drabinie za pomoc� formu�y PE = m x g x h:

PE = 50 kg x 9,8 m/s² x 6 m = 2 940 d�uli Poniewa� 1 d�ul wynosi 0,000278 watogodzin, 2940 d�uli to 0,817 wat�w. Z pewno�ci� dost�pnych jest wiele innych technologii akumulatorowych, ale wst�pne obliczenia pokazuj�, �e tylko jedna bateria AA NMH powinna mie� wystarczaj�c� energi�, aby jeden robot wspi�� si� po drabinie. Wymagamy 0,817 watogodzin energii, a bateria mo�e zawiera� 1,8 wata. Mamy margines oko�o 2 do 1. Nie jest tak �le, ci�gn�c robota wielko�ci 12-letniego ch�opca na d�ugiej drabinie z jedn� bateri�. Oczywi�cie, aby zrobi� to 10 razy, potrzebujemy 10? 0,817 watogodzin, czyli 8? watogodziny. Wi�c potrzebujemy kilku baterii NMH typu D, aby dostarczy� 15? watogodziny. Zobaczymy troch�, �e margines od 2 do 1 mo�e nie wystarczy. Wnikliwy obserwator zauwa�y, �e dodanie wi�kszej ilo�ci baterii do robota zmienia mas�! To prawda. Wystarczy doda� wag� baterii do ci�aru robota i ponownie wykona� obliczenia

POMIARY EMPIRYCZNE

Innym sposobem oszacowania mocy, jakiej potrzebuje robot, jest zbudowanie modelu robota i wypr�bowanie go. Praktycznie m�wi�c, nie musimy budowa� ca�ego robota; raczej mo�emy to zasymulowa� po�piesznie zbudowan� makiet�. Wystarczy�oby zbudowa� mechanizmy nap�dowe i obci��y� symulowane podwozie z odpowiedni� mas� (by� mo�e z ceg�ami). Nast�pnie symulowany robot mo�e zosta� poddany testom, a spust mocy mo�na zmierzy� bezpo�rednio. To oka�e si� do�� dok�adnym sposobem oceny ilo�ci energii, kt�ra b�dzie potrzebna. Bierze pod uwag� prawie wszystkie nieefektywno�ci, kt�re mog� zrzuci� prognoz� energii, kt�ra mo�e by� tylko obliczona

POR�WNANIA

Czasami mo�emy znale�� systemy, kt�re musz� wykonywa� zadania podobne do tego, co musi wykona� nasz robot. Na przyk�ad, je�li robot musi wa�y� 3000 kg. i poprowadzi� 4 osoby g�rsk� drog�, mo�emy po prostu spojrze� na samoch�d o podobnej wielko�ci i spr�bowa� na�ladowa� jego silnik i przebieg. Je�li robot musi strz�pi� seler w ma�e jadalne uk�szenia, mo�emy rozebra� nasz Cuisinart i zobaczy�, jaki ma silnik. Je�li por�wnania s� bardzo bliskie, by� mo�e uda nam si� wyci�� volkswagena lub Cuisinarta, zbudowa� go na naszym robocie i sko�czy� z tym! Nie zapominaj, �e obliczamy i mierzymy energi� potrzebn� do poruszenia robota. Musimy r�wnie� zapewni� energi� do zasilania system�w komputerowych, czujnik�w, tylnych �wiate� i wszystkich innych obwod�w na robocie. Gdy mamy oszacowanie wymaganej energii, musimy odrobin� si� wycofa� i doda� robotowi troch� marginesu projektu. Z praktycznego punktu widzenia teoretyczne obliczenia pracy s� bardzo trudne. Nieefektywno�� silnika, tarcie i wiele innych nieefektywno�ci zu�ywa energi� z akumulatora w bezu�ytecznej pracy. Lepiej jest mie� stosunek energii 4: 1 (lub wy�szy) do wymaganej energii. Przet�umaczone na wydajno��, oczekujemy, �e nasz robot b�dzie 25 procent skuteczny. Je�li robot wejdzie w kosmos, projektanci b�d� chcieli lepiej. Je�li robot przechodzi przez pok�j, istnieje wi�kszy margines b��du, poniewa� mo�na go serwisowa� lub przeprojektowa�. Rysunek 6-1 pokazuje typowy 20-watowy silnik pr�du sta�ego pracuj�cy z wydajno�ci� oko�o 25 do 50%. Nale�y pami�ta�, �e wydajno�� zale�y od momentu obrotowego, kt�ry silnik musi wywiera�. Ponadto maksymalna wydajno�� nie wyst�puje przy maksymalnej mechanicznej mocy wyj�ciowej.

�r�d�a energii

Energia mo�e by� pozyskiwana i magazynowana na wiele sposob�w, ale nie przejdziemy do r�nych rodzaje technologii akumulatorowej tu i teraz.
Zamiast bezpo�rednio m�wi� o �r�d�ach zasilania, wymie�my cechy, kt�re powinni�my zwraca� uwag� na poszukiwanie mocy:

• Waga a energia Waga �r�d�a zasilania jest g��wnym problemem w satelitach, systemach mobilnych i systemach przeno�nych, takich jak laptopy. Niekt�re baterie i ogniwa paliwowe b�d� l�ejsze na watogodzin� ni� inne. Z pewno�ci� ka�dy mobilny robot powinien by� tak lekki, jak to tylko mo�liwe, aby unikn�� wydawania niepotrzebnej energii.
Pojemno�� Ile baterii mo�e by� przechowywanych w watach? Jak ko�czy si� jego przydatno�� mierzonego �ycia?
• Pr�dy szczytowe Niekt�re akumulatory s� lepsze od innych przy dostarczaniu du�ych pr�d�w szczytowych. Poza sprawdzaniem wielko�ci pr�du szczytowego, okre�l, jak d�ugo bateria wytrzyma taki pr�d. Mo�e nie by� w stanie tego zrobi� przez bardzo d�ugi czas.
• Czas �ycia Jakie mechanizmy mog� spowodowa� awari� baterii w miar� jej starzenia si�?
• Temperatura Czy bateria dzia�a na wystarczaj�cym poziomie w wymaganym zakresie temperatur?
• Do�adowanie Jak si� �aduje? Czy s� jakie� specjalne wymagania?
• Koszt Jak droga jest bateria i czy mo�na j� �atwo wymieni�?
• Bezpiecze�stwo Om�wili�my wiele niebezpiecze�stw, jakie mog� stwarza� baterie. Czy zosta�y podj�te odpowiednie zabezpieczenia?
• Rozgrzewka Czy bateria b�dzie wymaga� odpowiedniego czasu rozgrzewania?
• Pomiar Czy bateria jest na tyle inteligentna, aby komunikowa� si� z komputerem? W przeciwnym razie bateria jest stosunkowo przewidywalna pod wzgl�dem charakterystyki �adowania/ roz�adowania? By� mo�e b�dziemy musieli zasymulowa� stan baterii w oprogramowaniu robota.
• Dost�pno�� Jak wyj�tkowa jest bateria? Czy b�dzie wspierana przez bran�� za kilka lat? Czy zamienniki b�d� dost�pne na wolnym rynku?
Podobnie jak ludzie, roboty b�d� dzia�a�y dobrze tylko wtedy, gdy b�d� wystarczaj�co nakarmione i �wiczone w ich wn�trzu mo�liwo�ci. Zrozumienie energii, mocy i ruchu jest kluczem do zbudowania udanego robota.

Anatomia RobotaRobotyka

Energia i systemy zasilania