Как я могу наилучшим образом защитить чувствительные компоненты от повреждений в результате вибрации?

Обычно компоненты некоторых типов роботов испытывают большие нагрузки, связанные с окружающей средой, одним из которых является вибрация. Это то, что мне нужно беспокоиться о типичной электронике и других чувствительных компонентах, или нет? Если это так, то как мне защитить такие компоненты?

Я слышал о двух основных принципах, лежащих в основе этого, во-первых, вы должны использовать демпфирующую систему, например, с пружинами для поглощения удара. Во-вторых, вы должны держать все жестко на месте, чтобы оно не могло двигаться, и, следовательно, не могло ударить по чему-либо другому и сломаться.

Какой из них я должен следовать, или если ответ «зависит», что я должен использовать в качестве руководства для лучшей защиты чувствительных компонентов?

Отчасти это зависит от того, откуда исходит вибрация.

Хотя две описанные вами техники очень полезны, если вибрация исходит от ваших собственных исполнительных механизмов, вы можете значительно улучшить ситуацию, просто используя другой профиль скорости для своих движений.

Традиционные трапециевидные профили скорости - это постоянное ускорение до фиксированной максимальной скорости, сопровождаемое круизом с постоянной скоростью, за которым следует постоянное замедление до нулевой скорости. Это создает высокий мгновенный толчок (или рывок) - третью производную позиции во времени. Именно этот сильный толчок часто вызывает повреждение от вибрации.

Многие контроллеры движения имеют профиль скорости по S-кривой, который ограничен по толчку, что может значительно уменьшить эти импульсы с сильным толчком. Кроме того, поскольку вы ускоряете свое ускорение, вы часто можете более агрессивно настраивать свою ПИД-петлю и фактически увеличивать производительность от точки к точке. К сожалению, это связано с усложнением синхронизации перемещений и планирования.

Я также работал над системами, которые используют чистые кубические сплайны для всего движения. Эти созданные шелковистые гладкие профили движения, где смежные движения плавно слились друг с другом без заметного толчка. Однако эти системы еще сложнее синхронизировать с перемещениями, и математика на этапе планирования становится еще более сложной, чем с S-образными кривыми.

Компоненты должны иметь вибрации где-то. Почти все без движущихся частей будет хорошо. Это влияет на некоторые датчики, такие как акселерометры и гироскопы.

Например, квадроторы - это приложение, которое сильно подвержено вибрации. Четыре подпорки производят абсолютно смехотворное количество вибрации, а квадротор требует точных данных датчика от акселерометров / гироскопов. Если вы посмотрите на графики акселерометра, вы увидите невероятное количество шума.

Несмотря на это, очень немногие квадроциклы имеют какую-либо форму гашения вибрации, для получения хороших данных достаточно фильтра Калмана.

Существует много литературы о гашении вибрации и несколько возможных подходов (как активных, так и пассивных).

Я обнаружил, что пена с эффектом памяти идеально подходит для гашения вибрации для электроники и небольших датчиков, таких как акселерометр / гироскоп. Пена с эффектом памяти очень мягкая, но, что более важно, предназначена для очень хорошего увлажнения. В прошлом я уменьшил шум акселерометра на БПЛА на ~ 80%, используя пену памяти.

В системе Asguard , над которой мы работали, у нас много шоков из-за геометрии колеса. В этой системе мы также смогли уменьшить вибрации на стороне управления, как предложил Марк . Это было сделано путем синхронизации колес в оптимальных схемах.

Система также имеет некоторые механические конструктивные особенности, которые уменьшают вибрации. Гибкие колеса, эластичные муфты между шестернями и колесом и механизмы блокировки для большинства винтов.

Электроника не жестко связана со структурой, но использует комбинацию пены и каучуков, чтобы удерживать их на месте. Это хорошо сработало. Однако у нас было много проблем с разъемами, где мы часто получали микротрещины на разъемах платы, особенно на более тяжелых разъемах, таких как FireWire. В этих случаях нам приходилось создавать механические конструкции для удержания разъемов на месте или заменять разъемы на легкие альтернативы, где это возможно.

Чувствительные компоненты, такие как, например, IMU и камеры, которые мы жестко подключили к системе. Это правда, что это улучшает шум на акселерометрах, но у фильтра Калмана никогда не было больших проблем с оценкой ориентации. При использовании коротких выдержек на камере, вибрации также не являются большой проблемой. С сенсорной точки зрения мы действительно ожидали гораздо больше проблем, чем на самом деле.

Поэтому я думаю, что ответ на ваш вопрос заключается в том, что это действительно зависит от вашей системы, и, как мы видели в нашем случае, часто вам даже не нужно слишком сильно защищать свои компоненты от вибрации.

Снятие компонентов с печатной платы / платы потребует значительных усилий, поэтому по большей части это будет безопасно, если вы убедитесь, что монтаж выполнен правильно. Одна вещь, которую люди забывают, это то, что если есть вибрация, то также могут быть изгибы, и даже крошечные количества изгиба, передаваемые в PWB, могут быть вредными. FR4 жесткая и в неправильном месте выдержит много стрессовых нагрузок. Но это легко исправить с помощью правильной установки, которая не позволяет усилию передаваться через плату - закрепленной с одной стороны, полужесткой с другой стороны.