Zasilanie platform robotycznych - wyzwania i ograniczenia

Branża robotyki przechodzi obecnie znaczącą transformację, napędzaną postępem w dziedzinie sztucznej inteligencji (AI), uczenia maszynowego i przetwarzania danych w czasie rzeczywistym. Roboty oparte na AI zmieniają przyszłość robotyki, czyniąc systemy inteligentniejszymi, bardziej adaptacyjnymi i autonomicznymi. Roboty autonomiczne, które kiedyś były tematem futurystycznych publikacji, dziś zmierzają do masowej produkcji.

Dodaj do ulubionych źródeł w Google
Posłuchaj
00:00

Roboty humanoidalne szybko przechodzą transformację od prototypów koncepcyjnych do praktycznych narzędzi w różnych branżach, napędzane postępem w dziedzinie AI, robotyki i znacznymi inwestycjami dużych firm technologicznych. Ta ewolucja zmienia sektory takie jak opieka zdrowotna, produkcja i pomoc osobista, pozycjonując roboty humanoidalne jako integralny element przyszłej siły roboczej.

Rewolucja sprzętowa AI

Platformy sprzętowe AI, takie jak Nvidia Jetson, procesory Dragonwing serii IQ9 Qualcomm i Synaptics SL1680, zapewniają wydajność i energooszczędność obliczeniową niezbędną do percepcji w czasie rzeczywistym, realizowania ruchu i podejmowania decyzji w robotach humanoidalnych.

Dragonwing serii IQ9 to nowo wprowadzona, wydajna platforma SoC do zastosowań w robotyce i przemyśle o długiej dostępności, zapewniająca małe zużycie energii w przetwarzaniu brzegowym, a jednocześnie oferująca wydajność do 100 TOPS. Zawiera ona również specjalizowane rdzenie przetwarzania czasu rzeczywistego, zarządzające procedurami krytycznymi dla bezpieczeństwa, niezbędnymi do bezpiecznego działania robotów w pobliżu ludzi, a wbudowany blok ISP, umożliwia jednoczesne podłączenie do 16 kamer o wysokiej rozdzielczości.

Rys. 1. Tradycyjne rozwiązanie zasilania dla platformy SoC

Ten SoC może wykorzystywać sygnały z kamer i czujników do wykrywania i rozpoznawania obiektów, planowania ścieżki ruchu i innych zadań nawigacyjnych i decyzyjnych robota, a jednostka NPU jest wystarczająco wydajna, aby obsługiwać modele językowe, takie jak Llama2, umożliwiając ludziom naturalną interakcję z robotami.

Z kolei platforma SL1680 firmy Synaptics oparta jest na czterordzeniowym, 64-bitowym rdzeniu ARM Cortex-A73. Zawiera jednostkę NPU o wydajności 7,9 (TOPS), zaawansowany procesor graficzny (GPU) oraz akcelerator multimediów. Idealnie nadaje się do sterowania w domu i przemyśle, urządzeń inteligentnych, bramek bezpieczeństwa, systemów digital signage, wyświetlaczy, systemów POS i skanerów.

Rys. 2. Wielofazowy konwerter z cyfrowym kontrolerem i z przełącznikami DrMOS

Te architektury wymagają zaawansowanych rozwiązań zasilania rdzeni, aby móc zapewnić wydajność obliczeniową i przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym. Systemy te wymagają wielofazowej regulacji napięcia, dynamicznego skalowania mocy oraz niskoszumowego i wysokosprawnego konwertera, aby utrzymać stabilność wydajności. Wraz ze wzrostem intensywności przetwarzania, systemy zasilania muszą zapewniać wydajność termiczną, szybką reakcję na zmiany obciążenia i bezproblemową integrację z akceleratorami AI, aby uniknąć wąskich gardeł lub przegrzania.

Tradycyjne rozwiązania zasilania platform SoC wykorzystują analogowe kontrolery PWM, dyskretne MOSFET-y oraz obwody pomiaru prądu i temperatury (rys. 1). Wymagają one wielu komponentów zewnętrznych, co podnosi koszty, obniża niezawodność w niektórych zastosowaniach i wymaga większej płytki PCB. Może to powodować brak elastyczności projektowej i skalowalności, co jest kluczowym wymogiem dla układów SoC stosowanych w aplikacjach HPC (High Performance Computing). Rysunek 2 przedstawia nowoczesne rozwiązanie zasilania rdzenia SoC wykorzystujące cyfrowe kontrolery wielofazowe i monolityczne stopnie mocy DrMOS integrujące sterownik bramki, obwód pomiaru prądu i temperatury. Daje to prostsze rozwiązanie poprzez wyeliminowanie kilku komponentów zewnętrznych.

W ramach serii DrMOS firmy MPS dostępne są tranzystory mocy z obwodami pomiaru prądu i temperatury przeznaczone do konwerterów jedno- i dwustopniowych o napięciu 22 V (MPQ86960) i 6 V (MPQ86760).

Rys. 3. Przykładowy system zasilania w robocie

Rysunek 3 przedstawia przykładowy wielofazowy kontroler PWM z DrMOS, dostarczający do szyn zasilających prądu o natężeniu od 30 A do 80 A przy jednocześnie kompaktowej konstrukcji i dużej sprawności. Jest to rozwiązanie elastyczne i skalowalne, ponieważ liczbę faz można skonfigurować w zależności od wymaganego natężenia prądu znamionowego danej szyny rdzenia SoC. Cyfrowe sterowniki nie wymagają zewnętrznej kompensacji pętli sprzężenia zwrotnego, co upraszcza prace projektowe i skraca czas rozwoju. Wyposażone są również w pamięć nieulotną (NVM) umożliwiającą konfigurację i rekonfigurację ustawień rejestrów. Dodatkowo, sterownik i przełączniki DrMOS oferują różnorodne funkcje monitorowania i ochrony, które można wykorzystać do implementacji systemowej telemetrii.

Zasilanie robotów humanoidalnych

Nowoczesne platformy robotyczne wykorzystują akumulatory litowo-jonowe o napięciu 48 V lub rzadziej 22 V. Zarówno napięcie 48 V, jak i 22 V, wymaga obniżenia, aby zapewnić niezbędne napięcie dla systemów elektronicznych.

Rysunek 3 przedstawia schemat blokowy wysokosprawnego układu zasilania w takim zastosowaniu. Akumulator dostarcza energię przez obwody zabezpieczające na wejściu do dwóch kontrolerów MPQ2967 i czterech stopni DrMOS MPQ86960 w konfiguracji wielofazowej. Umożliwia to podanie do czterech szyn zasilania prądu o wartości od 30 do 80 A. Praca wielofazowa poprawia sprawność konwersji, umożliwia podział prądu na części i daje lepszą wydajność termiczną. Kontrolery mogą komunikować się z układem SoC za pośrednictwem interfejsu I2C lub innego podobnego standardu. Ta konfiguracja idealnie nadaje się do wysokowydajnej robotyki, która wymaga kompaktowego i niezawodnego zasilania.

CODICO GmbH
www.codico.com
tel. 12 417 10 83 20

Chcesz częściej widzieć nasze artykuły w Google? Dodaj ElektronikaB2B do ulubionych źródeł
Zobacz więcej w kategorii: Technika
Produkcja elektroniki
Ochrona antystatyczna fundamentem nowoczesnej produkcji
Komponenty
Niewielka uszczelka, ogromne znaczenie. Jak uszczelnienia FOF decydują o skuteczności ekranowania EMC obudów?
Komponenty
Folie termoprzewodzące elektroizolujące – jak jednocześnie odprowadzać ciepło i izolować elektrycznie?
Mikrokontrolery i IoT
Watchdog - przegląd konfiguracji
Zasilanie
Filtry przeciwzakłóceniowe: przegląd rynku, technologii i zastosowań
Projektowanie i badania
Drony zmieniają oblicze pola walki
Zobacz więcej z tagiem: Zasilanie
Technika
Filtry przeciwzakłóceniowe: przegląd rynku, technologii i zastosowań
Gospodarka
Pylontech uruchamia seryjną produkcję ogniw LFP 588 Ah i 601 Ah
Prezentacje firmowe
Magazyn energii jest tak niezawodny, jak jego najsłabsze połączenie

Zobaczyć obiekt oczami radaru, czyli dlaczego potrzebujemy laboratorium do pomiarów RCS?

Radar postrzega świat inaczej niż człowiek. Zamiast obrazu tworzonego przez światło widzialne rejestruje echo wysłanej fali elektromagnetycznej. Na odpowiedź radarową obiektu wpływają nie tylko jego rozmiary, lecz także kształt, zastosowane materiały, częstotliwość oraz kierunek obserwacji. Dlatego dwa przedmioty o podobnych wymiarach mogą być dla radaru widoczne zupełnie inaczej. Jak zatem sprawdzić, co radar rzeczywiście "widzi"? Służą temu pomiary RCS, prowadzone między innymi w specjalistycznych laboratoriach, które zapewniają kontrolowane i powtarzalne warunki oraz umożliwiają uzyskanie dokładności wymaganej w danym zastosowaniu.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów