Como posso proteger melhor os componentes sensíveis contra danos causados ​​por vibração?

É comum os componentes de alguns tipos de robôs sofrerem grandes estresses ambientais, sendo um deles a vibração. É algo com que eu preciso me preocupar com eletrônicos típicos e outros componentes sensíveis, ou não realmente? Se for, então como faço para proteger esses componentes?

Ouvi falar de duas filosofias principais por trás disso, a primeira é que você deve usar um sistema de amortecimento como as molas para absorver o choque. A segunda é que você deve manter tudo rigidamente no lugar para que não possa se mover e, portanto, não possa bater contra qualquer outra coisa e quebrar.

Qual deles devo seguir ou se a resposta for "depende", o que devo usar como guia para proteger melhor os componentes sensíveis?

Em parte, isso depende de onde a vibração está vindo.

Embora as duas técnicas que você descreve sejam muito valiosas, se a vibração for de seus próprios atuadores, você poderá melhorar significativamente as coisas simplesmente usando um perfil de velocidade diferente para seus movimentos.

Os perfis de velocidade trapezoidal tradicionais são uma aceleração constante até uma velocidade máxima fixa seguida de um cruzeiro de velocidade constante, seguido de uma desaceleração constante de volta à velocidade zero. Isso cria um alto choque instantâneo (ou empurrão) - a terceira derivada da posição ao longo do tempo. É esse choque alto que geralmente causa danos por vibração.

Muitos controladores de movimento oferecem um perfil de velocidade na curva S que é restrito a choques, o que pode reduzir significativamente esses impulsos de alto choque. Além disso, como você está acelerando sua aceleração, geralmente pode ajustar o loop PID de forma mais agressiva e obter ganhos de desempenho ponto a ponto. Infelizmente, isso custa acrescentar complexidade à sincronização e ao planejamento da sua movimentação.

Também trabalhei em sistemas que usam splines cúbicos puros para toda a movimentação. Eles criaram perfis de movimento suave e sedoso, onde movimentos adjacentes se fundiam perfeitamente entre si, sem nenhum choque perceptível. No entanto, esses sistemas são ainda mais difíceis de sincronizar os movimentos e a matemática na etapa de planejamento fica ainda mais complexa do que com as curvas em S.

Os componentes devem ter classificações de vibração em algum lugar. Praticamente qualquer coisa sem partes móveis ficará bem. Alguns sensores, como acelerômetros e giroscópios, são afetados.

Como exemplo, os quadrotores são um aplicativo que é dramaticamente afetado pela vibração. Os quatro adereços produzem uma quantidade absolutamente ridícula de vibração e um quadrotor requer dados precisos do sensor dos acelerômetros / giroscópios. Se você olhar para as plotagens do acelerômetro, verá uma quantidade inacreditável de ruído.

Apesar disso, pouquíssimos quads têm alguma forma de amortecimento de vibrações, um filtro kalman é suficiente para obter bons dados.

Há muita literatura sobre amortecimento de vibrações e várias abordagens possíveis (ativas e passivas).

Descobri que a espuma da memória é ideal para amortecer vibrações nos componentes eletrônicos e pequenos sensores, como o acelerador / giroscópio. A espuma da memória é muito macia, mas o mais importante foi projetada para amortecer extremamente bem. Eu reduzi o ruído do acelerômetro nos UAVs em ~ 80% usando espuma de memória no passado.

No sistema Asguard em que estamos trabalhando, temos muitos choques devido à geometria da roda. Nesse sistema, também conseguimos reduzir as vibrações no lado do controle, como sugeriu Mark . Isso foi feito através da sincronização das rodas em padrões ideais.

O sistema também possui alguns recursos de design mecânico que reduzem as vibrações. Rodas flexíveis, acoplamentos magnéticos entre as engrenagens e a roda e mecanismos de travamento para a maioria dos parafusos.

Os eletrônicos não estão rigidamente conectados à estrutura, mas usam uma combinação de espuma e borrachas para mantê-los no lugar. Isso funcionou bem até agora. No entanto, tivemos muitos problemas com os conectores, onde frequentemente havia micro-fraturas nos conectores da placa, especialmente nos conectores mais pesados, como o firewire. Nesses casos, tivemos que criar estruturas mecânicas para manter os conectores no lugar ou substituí-los por alternativas leves sempre que possível.

Componentes sensíveis, como por exemplo, a IMU e as câmeras que conectamos rigidamente ao sistema. É verdade que isso melhora o ruído nos acelerômetros, mas o Filtro Kalman nunca teve um grande problema para estimar a orientação. Ao usar curtos tempos de exposição na câmera, as vibrações também não são um grande problema. Do ponto de vista do sensor, esperávamos muito mais problemas do que realmente tínhamos.

Portanto, acho que a resposta para sua pergunta é que realmente depende do seu sistema e, como vimos no nosso caso, muitas vezes você nem precisa proteger demais os componentes da vibração.

Demorará muito para sacudir os componentes de uma PCB / PWB; portanto, na maioria das vezes, deve ser seguro se você garantir que a montagem esteja correta. Uma coisa que as pessoas esquecem é que, se houver vibração, também poderá haver flexão, e mesmo pequenas quantidades de flexão transmitidas a um PWB podem ser prejudiciais. O FR4 é rígido e, no local errado, será necessário muito esforço. Mas isso é facilmente consertado com o tipo certo de montagem que não permite que a força seja transferida pela placa - ancorada em um lado, semi-rígida no outro lado.