¿Cómo calculo cuánto tiempo durará la batería de mi robot?

Question

Estoy construyendo un robot con varios tipos de sensores, 2 motores para locomoción y 2 motores para controlar un brazo robótico. Estoy utilizando una variedad de sensores de color, infrarrojos, de inclinación y otros.

¿Cómo podría tener en cuenta todos estos componentes para determinar cuánto tiempo durará mi batería?

Digamos que estoy utilizando una batería de 7,2 V/1600 mAh. ¿Cómo podría determinar su duración utilizando el voltaje y la corriente de cada componente? ¿Qué cálculos debo hacer?

Answer 1

¿Has leído las especificaciones de duración de la batería de tu teléfono inteligente? ¿Les has creído? Calcular la duración de la batería para un teléfono inteligente es más fácil que hacerlo para un robot. Hay muchas formas de calcular esto, y @geometrikal dio un resumen razonable al respecto. Pero hay un problema con este enfoque. La precisión de tus cálculos será solo tan precisa como tus datos, y tus datos son terribles. Afirmo que aunque puedas hacer estos cálculos, los resultados serán tan insignificantes que será mejor que no lo intentes (con tanto esfuerzo).

Solo echemos un vistazo a tus motores principales de tracción. Algunas cosas que pueden afectar el consumo de corriente de estos motores son: velocidad, peso, suciedad/azulejo/alfombra/suelo, aceleración, frenado, etc. ¿Puedes predecir con precisión el uso de tu robot y averiguar cuánta potencia requerirá tu motor? Probablemente no.

Ahora mira los motores del brazo. Lo mismo se aplica aquí. ¿Puedes predecir cómo se usará el brazo? ¿Cuánta corriente requerirá el brazo al levantar algo pesado vs. algo ligero?

¿Qué tal tu CPU? El consumo de energía de la CPU depende de lo que esté haciendo el software. Hacer muchos cálculos complejos con accesos masivos a la memoria consumirá mucha corriente, pero cuando está inactiva el consumo de energía de la CPU será menor. Muchas CPU también tienen formas de lograr modos de baja potencia reduciendo la velocidad del reloj, entrando en un modo de reposo y apagando varios periféricos. ¿Has mapeado cómo funcionará tu software? ¿Tu sistema operativo soporta varios modos de apagado, y de ser así, cuáles?

Luego está tu sistema de energía. ¿Cuál es la eficiencia de tus fuentes de alimentación en diferentes cargas? La eficiencia típica de un SMPS puede variar del 60% al 95% dependiendo del diseño y la carga a la que esté. Si la carga es constante, entonces la eficiencia de la fuente de alimentación y el cableado serán diferentes que si la carga es pulsada (también conocida como PWM-ing de los motores). ¿Has trabajado todo esto?

La precisión de estos datos afectará directamente la precisión de tus estimaciones de duración de batería. El problema es que tu precisión será terrible. Podría haber una diferencia de 2x a 20x entre tus estimaciones bajas y altas.

Esto es lo que recomiendo hacer:

1. Realiza el ejercicio con los números de peor caso y razonables. No te preocupes por ser súper preciso (ya que de todos modos no lo será). Básicamente lo único que estás haciendo es ver si el tamaño de la batería es "aproximadamente correcto". ¡Entonces, si es posible, elige el siguiente tamaño de batería más grande!

2. Una vez que el robot esté construido, construye algo así como un curso de robot. Este es un conjunto básico de operaciones/movimientos/etc que el robot puede hacer una y otra vez, exactamente de la misma manera cada vez. Con suerte, este curso aproximará lo que crees que será un uso típico para el robot. Este curso hace dos cosas: te dice qué puedes esperar, pero más importante aún, ¡te da una forma de juzgar si las mejoras de potencia que hiciste realmente funcionaron!

Nota: Las cifras de duración de la batería que obtienes del paso 2 son solo estimaciones. Incluso esas serán solo tan precisas como tu curso de prueba. No será súper preciso para usos del mundo real, pero será mucho más preciso que lo que hiciste en el paso #1 y más preciso de lo que podrías haber obtenido si pasaste semanas calculándolo todo.

Answer 2

Para estimar la vida útil de la batería a partir de los componentes, prueba lo siguiente:

1. Corriente de funcionamiento del componente

Descarga la hoja de datos de todos los componentes que estás usando.

• Para los CI, encuentra la corriente de funcionamiento típica.
• Para los LEDs, encuentra el voltaje directo, Vf. La corriente de funcionamiento es entonces (Vcc - Vf) / R donde R es el valor del resistor del LED.
• Para los servos, estima la corriente cuando se mueven y cuando mantienen la posición.

2. Estimar ciclo de trabajo

Para cada componente, estima el tiempo que estará en operación y multiplica esto por la corriente de funcionamiento. Por ejemplo, si tu LED utiliza 20mA cuando está encendido, y estará encendido el 80% del tiempo, obtienes 0.8 x 20mA = 16mA.

3. Vida útil de la batería

Suma todos estos valores para obtener un consumo total de corriente para tu robot. Descarga la hoja de datos de la batería que estás usando. Habrá diferentes gráficos de voltaje / vida útil de la batería para diferentes escenarios de corriente. A partir de los escenarios, estima dónde se encuentra tu robot. O para un valor más aproximado, divide los mAh de la batería entre el consumo total de corriente.

Ejemplo

Registrador:

ATmega328P      4mA        100%         4mA
Power LED       2mA        100%         2mA
Tarjeta SD      20mA          5%         1mA
LDO             1mA        100%         1mA
Sensor de temperatura    10mA         20%         2mA
TOTAL                                  10mA

Batería:

Varta pila AA x 3 = 4.5V / 2930mAh

La vida útil de la batería es así 2930mAh / 10mA = 293 horas