Comment protéger au mieux les composants sensibles contre les dommages dus aux vibrations?

Il est courant que les composants de certains types de robots subissent de fortes contraintes environnementales, dont l'une est la vibration. Est-ce quelque chose dont je dois m'inquiéter avec l'électronique typique et d'autres composants sensibles, ou pas vraiment? Si c'est le cas, comment puis-je sécuriser ces composants?

J'ai entendu parler de deux philosophies principales derrière cela, la première étant que vous devriez utiliser un système d'amortissement tel que des ressorts pour absorber le choc. La seconde est que vous devez garder tout en place de manière rigide afin qu'il ne puisse pas bouger et ne puisse donc pas heurter quoi que ce soit d'autre et casser.

Laquelle dois-je suivre, ou si la réponse est "cela dépend", que dois-je utiliser comme guide pour protéger au mieux les composants sensibles?

Cela dépend en partie de la provenance des vibrations.

Bien que les deux techniques que vous décrivez soient très précieuses, si la vibration provient de vos propres actionneurs, vous pourrez peut-être améliorer considérablement les choses en utilisant simplement un profil de vitesse différent pour vos mouvements.

Les profils de vitesse trapézoïdale traditionnels sont une accélération constante jusqu'à une vitesse maximale fixe suivie d'une croisière à vitesse constante, suivie d'une décélération constante jusqu'à une vitesse nulle. Cela crée une secousse instantanée élevée (ou secousse) - la troisième dérivée de la position au fil du temps. C'est cette secousse élevée qui cause souvent des dommages par vibration.

De nombreux contrôleurs de mouvement offrent un profil de vitesse de courbe en S qui est contraint aux secousses, ce qui peut réduire considérablement ces impulsions de secousses élevées. De plus, étant donné que vous accélérez votre accélération, vous pouvez souvent régler votre boucle PID de manière plus agressive et augmenter les performances point à point. Malheureusement, cela coûte de la complexité à la synchronisation et à la planification de vos déplacements.

J'ai également travaillé sur des systèmes qui utilisent des splines cubiques pures pour tout le mouvement. Ils ont créé des profils de mouvement doux et soyeux où les mouvements adjacents ont fusionné de manière transparente les uns avec les autres sans secousse perceptible. Cependant, ces systèmes sont encore plus difficiles à synchroniser avec les mouvements et les calculs à l'étape de la planification deviennent encore plus complexes qu'avec les courbes en S.

Les composants doivent avoir un indice de vibration quelque part. À peu près tout sans pièces mobiles ira bien. Certains capteurs tels que les accéléromètres et les gyroscopes sont affectés.

À titre d'exemple, les quadrotors sont une application qui est considérablement affectée par les vibrations. Les quatre accessoires produisent une quantité de vibrations absolument ridicule et un quadrirotor nécessite des données de capteur précises des accéléromètres / gyroscopes. Si vous regardez les tracés de l'accéléromètre, vous verrez une quantité incroyable de bruit.

Malgré cela, très peu de quads ont une forme d'amortissement des vibrations, un filtre kalman suffit pour obtenir de bonnes données.

Il existe de nombreuses publications sur l'amortissement des vibrations et plusieurs approches possibles (actives et passives).

J'ai trouvé que la mousse à mémoire est idéale pour amortir les vibrations de l'électronique et des petits capteurs tels que l'accél / gyroscope. La mousse à mémoire de forme est très douce, mais elle est surtout conçue pour amortir extrêmement bien. J'ai réduit le bruit de l'accéléromètre sur les UAV d'environ 80% en utilisant de la mousse à mémoire dans le passé.

Sur le système Asguard sur lequel nous travaillons, nous avons beaucoup de chocs dus à la géométrie de la roue. Sur ce système, nous avons également pu réduire les vibrations côté commande, comme l'a suggéré Mark . Cela a été fait en synchronisant les roues dans des modèles optimaux.

Le système possède également des caractéristiques de conception mécanique qui réduisent les vibrations. Roues flexibles, accouplements élastiques entre les engrenages et la roue et mécanismes de verrouillage pour la plupart des vis.

L'électronique n'est pas connectée de manière rigide à la structure, mais utilise une combinaison de mousse et de caoutchoucs pour les maintenir en place. Cela a bien fonctionné jusqu'à présent. Cependant, nous avons eu beaucoup de problèmes avec les connecteurs, où nous obtenions fréquemment des micro-fractures sur les connecteurs de la carte, en particulier sur les connecteurs plus lourds comme le FireWire. Dans ces cas, nous avons dû créer des structures mécaniques pour maintenir les connecteurs en place, ou remplacer les connecteurs par des alternatives légères lorsque cela était possible.

Les composants sensibles, comme par exemple l'IMU et les caméras que nous avons connectées de manière rigide au système. Il est vrai que cela améliore le bruit sur les accéléromètres, mais le filtre de Kalman n'a jamais eu de gros problème pour estimer l'orientation. Lorsque vous utilisez des temps d'exposition courts sur l'appareil photo, les vibrations ne sont pas non plus un gros problème. Du point de vue du capteur, nous nous attendions vraiment à bien plus de problèmes que nous n'en avions réellement.

Je suppose donc que la réponse à votre question est que cela dépend vraiment de votre système, et comme nous l'avons vu dans notre cas, vous n'avez souvent même pas besoin de trop protéger vos composants contre les vibrations.

Il faudra beaucoup de temps pour secouer les composants d'un PCB / PWB donc pour la plupart, cela devrait être sûr si vous vous assurez que le montage est correct. Une chose que les gens oublient est que s'il y a des vibrations, il peut y avoir aussi du flex, et même de minuscules quantités de flex transmises dans un PWB peuvent être dommageables. Le FR4 est rigide et au mauvais endroit, il supportera une grande partie des charges de contrainte. Mais cela se fixe facilement avec le bon type de montage qui ne permet pas à la force de se transférer à travers la planche - ancrée d'un côté, semi-rigide de l'autre côté.