Тепловизионное решение для дрона: модуль питания — анализ конструкции и запрос на распределение нагрузки

Я разрабатываю самодельное тепловизионное решение для своего дрона DJI Mavic Pro . Хотя полный дизайн был включен для справочной информации, этот пост относится к дизайну модуля источника питания. Соответствующие системные требования (модуль питания):

  • MH: Аккумулятор необходимо безопасно заряжать* от одного источника питания USB (5 В при 2,1 А).
  • MH: Батарейный блок должен питать два мощных ИК-светодиода на 1000 мА CC, Raspberry PI примерно на 800 мА и адаптер WiFi примерно на 1 час.
  • SH: Мощные ИК-светодиоды должны управляться дистанционно (регулировка яркости и включение/выключение)
  • SH: Должен поддерживать автоматическое двойное питание — зарядка во время использования.

Примечание. Имеется в виду зарядка CC/CV с балансировкой и защитой ячеек.

Я завершил свой первоначальный проект, но у меня все еще есть один нерешенный вопрос. Моя просьба к вам:

  • Экспертная оценка проекта модуля источника питания ( если у вас есть время )
  • Параметры запроса распределения нагрузки

Экспертная оценка конструкции модуля источника питания

Вот мой обзор дизайна:

Тепловизионный мод DJI Mavic Pro

USB-прорыв. Простой USB-разъем.

Аккумуляторная батарея. Я прикинул: 1 час x нагрузка около 2000 мА = необходимая емкость 2000 мАч, но с постоянно максимальным процессором RPI (обработка изображения) и адаптером Wi-Fi, постоянно передающим, я переоценил 3 x 1400 мАч LiPo аккумуляторов = 4200 мАч.

Усиленное зарядное устройство. Ссылка на продукт . Поскольку я хочу заряжать от простого источника питания USB 5 В, мне нужно повысить входное напряжение питания до плавающего напряжения аккумуляторной батареи (например, 12,6 В для батареи 3S), но при этом поддерживать контроль тока (максимальная скорость зарядки 1C). Выбранный продукт позволяет регулировать напряжение и ток и автоматически переключаться между ними, т.е. постоянный ток 1400 мА до тех пор, пока не будет достигнуто 4,2 В x 3 = 12,6 В, а затем постоянное напряжение, поддерживающее это плавающее напряжение. У него НЕТ автоматического отключения - мое обоснование здесь заключается в том, что зарядка будет контролироваться, и поддержание плавающего напряжения 4,2 В на элемент не должно повредить элементы.

Балансировочная доска. Ссылка на продукт. . Хотя три элемента были куплены вместе, я не могу предположить, что их химический состав будет идентичным, поэтому необходимо сбалансировать. Выбранный продукт представляет собой базовый байпасный балансировщик тока на полевых транзисторах.

Совет защиты. Они поставляются с элементами и защищают от обычной перезарядки, переразряда, короткого замыкания и т. д.

ХТ. (справочная информация) Все три ячейки соединены последовательно и через крошечную шину к разъему XT30. Таким образом, модуль питания от батареи выдает на модуль обработки номинальное напряжение 11,1 В.

Бак конвертер. ( справочная информация ) Ссылка на продукт . Для адаптера Raspberry PI и Wi-Fi требуется питание 5 В, но аккумулятор выдает 11,1 В (номинально, фактически 9,0–12,6 В в зависимости от уровня заряда). Выбранный продукт представляет собой простой понижающий преобразователь непрерывного действия на 2 А с КПД 94% для выходного напряжения 5 В.

ИК-светодиоды. ( справочная информация ) Ссылка на продукт . Чтобы свести к минимуму затраты, мой тепловизионный модуль (см. ниже) дешев, но недостатком является то, что у него относительно низкое разрешение (160 x 120 пикселей) — в основном горячие объекты выглядели бы просто как «капли» с точки зрения восприятия дрона. Для увеличения контраста я накладываю «край» от оптического облучателя, но в темноте видимого света явно недостаточно, поэтому я использую модуль камеры без обычного ИК-фильтра и заливаю сцену ИК-светом. Выбранный продукт — это самый мощный ИК-светодиод, который я смог найти по разумной цене. Для каждого из двух светодиодов требовался подходящий радиатор, прокладка для теплопередачи и, конечно же, что-то, на чем его можно было бы закрепить.

Модуль драйвера светодиодов. ( справочная информация ) Ссылка на продукт . Для каждого из ИК-светодиодов требуется напряжение прямого смещения не менее 3,2 В и номинальная выходная яркость при токе 1000 мА. Выбранный продукт представляет собой источник постоянного тока 1000 мА, для которого требуется не менее 6 В на входе (минимум 9 В от модуля питания) и который может выдавать до 30 В на выходе. Я выбрал его, потому что он эффективен (~ 95%) и легко диммируется (выход PWN от Raspberry Pi, дистанционно управляемый с земли по протоколу Mavlink).

Модуль тепловизионной камеры и коммутационная плата. ( справочная информация ) Ссылка на продукт . Безусловно, самый дорогой компонент, но, как уже упоминалось выше, с относительно низким разрешением. FLIR Lepton v3 выводит видео с частотой 9 Гц (соответствие стандартам экспорта) через SPI (VSPI).

Модуль оптической камеры. ( справочная информация ) Ссылка на продукт . Я использую этот модуль для создания оптического видеопотока, который будет обрабатываться с помощью OpenCV в качестве наложения с обнаружением краев для термопотока. Продукт выбран из-за низкой стоимости и простоты — подключается непосредственно к порту RPI Zero CSI.

( справочная информация) Подводя итог, можно сказать, что модуль камеры заливает землю ИК-подсветкой и обеспечивает передачу как теплового (LWIR), так и NIR-видео на модуль обработки. Модуль обработки принимает эти видеопотоки и выполняет различные задачи обработки изображений, такие как обнаружение краев, преобразование разрешения и, в будущем, я надеюсь использовать ИИ для обнаружения и выделения объектов. Он также транслирует два видеопотока на наземную станцию, используя диапазон Wi-Fi 5,8 ГГц (здесь не обсуждается — очень простая схема питания), а также принимает и обрабатывает инструкции MavLink от наземной станции, например, яркость заливающего ИК-излучения, тепловой цветовой профиль и т. д. модуль питания обеспечивает питание непосредственно для ИК-светодиодов и через понижающий преобразователь для адаптера Raspberry PI и WiFi и может заряжаться от любого источника питания USB.

Если вы можете потратить время на рассмотрение конструкции модуля питания, буду признателен за любые комментарии/отзывы, и, конечно же, если у вас есть какие-либо вопросы по конструкции, пожалуйста, обращайтесь.

Параметры для запроса распределения нагрузки

Вот где я борюсь.

Я хочу иметь возможность использовать систему во время зарядки, но я не думаю, что смогу в ее текущем состоянии. Я думаю, что если модули обработки и камеры действуют как переменная нагрузка на аккумуляторную батарею, схема зарядки CC / CV не будет знать, что происходит, и, что еще хуже, если я ограничу ток, я рискую отключения питания. Raspberry Pi.

Существует ли типовой шаблон проектирования для решения по распределению нагрузки, который позволял бы автоматически переключаться при появлении нагрузки на батарею? Или какой-то другой способ управления распределением нагрузки между зарядкой батареи и работой? Ищем варианты.

Спасибо за любую помощь и руководство :)

О, кстати, если кого-то интересуют подробности обо всем проекте, здесь есть ветка: mavicpilots.com/threads/thermal-imaging-on-the-mavic-pro.17116 , где я обсуждаю текущую разработку.
Если это будет летать на дроне, то почему бы не использовать аккумулятор дрона в качестве источника питания?
Хорошо, прежде чем это можно будет просмотреть, составьте список ожиданий производительности системы, определяющих очень входные и выходные данные (коэффициент ошибок в диапазоне xx, срок службы батареи, дрожание изображения, мощность, максимальный вес полезной нагрузки, ограничения по размеру, усиление луча антенны. I_charge может быть >>I_bat смысл
Здесь, на EE.SE, мы не рекомендуем широкие, открытые вопросы по обзору дизайна: ответы, как правило, представляют собой длинные строки несвязанных правок и/или комментариев. Хотя это может помочь вам с вашими насущными проблемами, это не имеет никакой ценности для сайта в целом. Мы ДЕЙСТВИТЕЛЬНО разрешаем вопросы проверки дизайна, в которых вы объясняете свой выбор, а затем фокусируетесь на нескольких моментах, в отношении которых у вас все еще есть сомнения. Чтобы лучше понять, что приемлемо, а что нет, выполните поиск по запросу «обзор дизайна» на мета-сайте.
@peufeu Спасибо за ваш комментарий. Я хотел, чтобы решение было полностью автономным, чтобы его можно было добавлять/удалять, не затрагивая дрон. Кроме того, питание от полетных батарей означает сокращение времени полета! ;)
@TonyStewartEEsince1975 Согласно моему следующему комментарию, я действительно не хотел, чтобы это был полный обзор системы, сосредоточенный только на решении для источника питания.
@DaveTweed Полностью согласен, возможно, «экспертная оценка дизайна» - неправильные слова, я на самом деле хотел только обзор решения для источника питания (модуль источника питания) и того, как этот аспект дизайна соответствует перечисленным требованиям (весь проект имеет много, много другие требования!). Но при повторном прочтении моего поста, возможно, это было недостаточно ясно, и ваша точка зрения очень принята.
@DaveTweed Я пересмотрел пост, чтобы прояснить это.

Ответы (1)

Так же, как в iPod, iPad и всех ноутбуках, зарядное устройство может одновременно заряжать микросхему управления батареями, в то время как периферийные устройства преобразовывают энергию батареи в регулируемые источники постоянного тока для управления нагрузками.

Конечно, общее время зарядки увеличивается и, возможно, удваивается, поэтому зарядное устройство и менеджер должны справляться с обоими. Это может привести к некоторым компромиссам, но вы должны выбрать потери коммутатора и повышение температуры, а также стоимость коммутаторов, чтобы достичь необходимой вам мощности.

Гипотетически, если батарея может выдерживать ток заряда 1C, равный x ампер , а нагрузка составляет y ампер , то зарядное устройство должно обеспечивать подачу x+y ампер, чтобы поддерживать тот же уровень заряда. Я думаю, что зарядные устройства USB-концентратора 2,4 А являются стандартными в наши дни, поэтому в конструкцию можно добавить хороший радиатор и / или ограничение тока с контролем температуры, а для зарядных устройств мощностью 10 Вт и 12 Вт, используемых на iPad во время работы, требуется более медленная скорость зарядного устройства.

Ваша самая большая нагрузка, вероятно, ИК-светодиоды. Вы можете получить гораздо большую эффективность и дальность действия, запустив светодиоды с более низкой частотой кадров и отключив их во время интервала гашения с более высоким импульсным током, но с тем же средним значением. например

Стюарт Большое спасибо за комментарий. Да, согласен с габаритным стоком на входе блока питания. На самом деле я даже не возражаю против прекращения зарядки при обнаружении нагрузки, я просто не хочу, чтобы подключение источника питания вызывало проблемы, например, потенциальную перезарядку аккумуляторной батареи (маловероятно из-за защиты), когда устройство работает. Да, сильноточные пульсации светодиодов, безусловно, являются вариантом, и вы действительно можете получить больше освещения, делая это (согласно техническому описанию), но сейчас я просто хочу, чтобы все было просто. Они будут пульсировать в любом случае, если они затемнены.
Хм, at-addressing выше не работала (извините, что обращаюсь к вам по фамилии!). Я думал, что ваш «например» был незаконченным постом, но на самом деле это была ссылка! Да, я понимаю тебя, и я не думал об этом. В зависимости от метки затемнения / пробела я могу получить «черные рамки». Я отметил это в своем журнале проблем. Спасибо, что указали на это и предложили потенциальное решение :)
Тепловизионное решение для дрона: модуль питания — анализ конструкции и запрос на распределение нагрузки
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v