Akumulator(y) dla robota sprzątającego - dobór V i mAh

Witam serdecznie!

Konstruuję robota sprzątającego a'la Rumba na bazie wentylatora komputerowego i Raspberry Pi.

Ustaliłem wstępnie zestaw komponentów które wymagają zasilania:

Raspberry Pi 4	5V	250mA? (do 500mA)
Wentylator komputerowy	12V	2.5A
Napęd 2x DG01D, DRV8835 driver	4.5V	250mA
Drobne (czujniki odległości, kamera, mikrofon itd.)	3.3V - 5V	max. 500mA (duży zapas na przyszłość)

I powstaje pytanie - jak to zoptymalizować i czym najlepiej zasilić?

Pierwszym problemem wydaje mi się fakt, że większość wentylatorów które przeglądałem pracuje na 12V (dużo więcej niż inne elementy które sięgają do 5V może 7.4V). Wymiana wentylatora na 5V lub użycie 5V zamiast 12V pewnie znacznie osłabi mój odkurzarz (zasada pracy do wciąganie kurzu wentylatorem i zatrzymywanie go na filtrze przed nim)?

Myślałem o akumulatorze Li-Pol, np takim:
Redox 2200mAh 20C 3S 11,1V

I czy teraz dobrze rozumiem że po zamontowaniu takiego akumulatora powinienem dać przetwornicę napięcia na wszystkie używane napięcia (np. na 3.3V, 5V i 7.4V)? Jak rozumiem najlepiej byłoby znaleźć układy korzystające z możliwie jak najmniejszej ilości różnych kombinacji napięć?

Czy jest to senswony rozmiar na kilka godzin pracy? Potem robota ładowałbym od nowa (początkowo "ręcznie" docelowo budując stację dokującą).

Po co RasPi4 ? Nie szkoda energii na w sumie bezproduktywne robienie niczego a przynajmniej niewiele? Nawet jak będą różne czujniki to Arduino powinno wystarczyć.
Druga sprawa to wentylator. Nie powiedziałbym, że ma on wystarczające możliwości ssące by podołać wciąganiu brudu. Dojdzie do szybkiego zatkania filtra przed nim a tym samym znacznego spadku skuteczności. Do zamiatania będzie za słaby.
Stosując przetwornice impulsowe obniżające o sprawnościach > 85% możesz mieć kilka napięć a akumulator powinien być na wyższe od najwyższego koniecznego. Wentylator powinien być na napięcie akumulatora. Różnica +/-10% względem wartości nominalnej napięcia pracy nie spowoduje uszkodzenia wentylatora. Nie ma sensu tego stabilizować.
Zrób pierwsze przybliżenie projektu. Coś co działa. Może nie najlepiej ale działa. Wtedy będzie łatwiej dodawać nowe funkcjonalności.

No nareszcie trafiłem na coś śmiesznego, 200mA na silnik "odkurzacza" i 10x więcej na sterownik do niego

Zrób jakieś testy jak ten wentylator "odkurza", 200mA to blisko dolnej granicy najsłabszych wentylatorów na 12V. Ale nawet te mocniejsze mogły by nie podołać.

Najwięcej sensu maiła by dmuchawa, wymontowana z małego niskonapieciowego odkurzacza*, albo napęd do szczotek.

*rozbierałem coś takiego podobnie jak w dużych odkurzaczach był to wentylator odśrodkowy, w odśrodkowych łatwiej uzyskać ciśnienie/podciśnienie.

jarek_lnx wrote:

Najwięcej sensu maiła by dmuchawa, wymontowana z podobnego odkurzacza.

Akumulatorowy odkurzacz jest całkiem niezłą bazą. Ma w środku silnik z gotową, ssącą turbiną odśrodkową i odpowiednio dobrane akumulatory.Wada jest taka, że to rozwiązanie jest skuteczne ale ma dosyć mocno ograniczony czas działania. Nie chodzi tutaj tyle o pojemność akumulatorów a o ograniczony czas działania temperaturą silnika. To urządzenia do pracy dorywczej. Nie będzie też cicho co w przypadku klona Rumby jest niekwestionowaną zaletą.
Z drugiej strony Rumba także nie pracuje na okrągło a dorywczo w cyklach.

Oczywiście mój błąd - wentylator 2.5A nie 250mA (!!!) Zamieniłem niechcący w tabeli natężenia dla RasPi4 oraz wentylatora (już poprawione).

RitterX wrote:

Po co RasPi4 ? Nie szkoda energii na w sumie bezproduktywne robienie niczego a przynajmniej niewiele? Nawet jak będą różne czujniki to Arduino powinno wystarczyć.

RasPi4 ponieważ to będzie robot wielofunkcyjny, z obsługą komend głosowych (co działa mi już sprawnie z RasPi4 + mikrofon ze starego PsEye) i innych (ogólnie przetwarzanie obrazu, wykrywanie obiektów Tensorflow'em i rozpoznawanie mowy potrafi pochłonąć trochę mocy w moim programie nawet już obecnie). Buduję go połowicznie żeby działał połowicznie jako poligon testowy różnych pomysłów. Natomiast obecnie skupiam się na roli odkurzacza, stąd zawęziłem temat do tej roli - żeby nie mieszać wszystkiego na raz. Oczywiście zgadzam się że gdyby miałby to być tylko prosty odkurzacz obijający się od ściany do ściano losujący nowy kierunek to RasPi to "overkill".

RitterX wrote:

Druga sprawa to wentylator. Nie powiedziałbym, że ma on wystarczające możliwości ssące by podołać wciąganiu brudu. Dojdzie do szybkiego zatkania filtra przed nim a tym samym znacznego spadku skuteczności. Do zamiatania będzie za słaby.

Jak napisałem na początku, czeski błąd - wentylator około 2.5A - czy taki też będzie za słaby, a jeżeli tak to czego poszukać zamiast?
Głównie będzie to wciąganie sierści psa z kafelek. No i w tego typu rozwiązaniach nie ma dyszy a więc sam wentylator jest bardzo blisko powierzchni z której "zasysa". Strzelałem pierwotnie w komputerowy bazując na różnych DIYach np. (ten akurat ma też dyszę ale skłoniła mnie prostota rozwiązania):

RitterX wrote:

Stosując przetwornice impulsowe obniżające o sprawnościach > 85% możesz mieć kilka napięć a akumulator powinien być na wyższe od najwyższego koniecznego. Wentylator powinien być na napięcie akumulatora. Różnica +/-10% względem wartości nominalnej napięcia pracy nie spowoduje uszkodzenia wentylatora. Nie ma sensu tego stabilizować.

Super! Dzięki, świetne rozwiązanie.

RitterX wrote:

Zrób pierwsze przybliżenie projektu. Coś co działa. Może nie najlepiej ale działa. Wtedy będzie łatwiej dodawać nowe funkcjonalności.

Tak mniej więcej staram się działać - na razie osobno testuję podzespoły - czujniki, rozpoznawanie obiektów z kamery, sterowanie głosowe, motorykę.
Zostaje jeszcze cały moduł odkurzacza (wciąganie i filtr), a potem właśnie składanie tego razem... do czego przyda się przemyśleć docelowe zasilanie (obecnie ciągnę je sobie po kablu).

PolGraphic wrote:

Głównie będzie to wciąganie sierści psa z kafelek. No i w tego typu rozwiązaniach nie ma dyszy a więc sam wentylator jest bardzo blisko powierzchni z której "zasysa". Strzelałem pierwotnie w komputerowy bazując na różnych DIYach np. (ten akurat ma też dyszę ale skłoniła mnie prostota rozwiązania):

Skoro to ma odkurzać, wypadało by zrobić trochę testów (realistycznych) żeby podstawowa funkcjonalność była realizowana przynajmniej na poziome "kiepsko ale działa".

Kup wentylator i zrób próby na jakimś uproszczonym modelu.
Ten film nie jest zbyt realistycznym testem, ani nie oddaje twojego pomysłu. Dysza zwiększa prędkość przepływu, u ciebie ma jej nie być, na odkurzane kulki działa większa siła niż na typowy kurz, który przylega do powierzchni.
Jeśli pojemnik na kurz/kłaki ma być za wentylatorem to wentylator będzie się nimi zapychał, taki problem obserwowałem w turobszczotce, która współpracowała ze zwykłym odkurzaczem, więc ciąg był niezły i działała też nieźle, w krótkim czasie pomiędzy czyszczeniami.

Dziwię się, że ostatnio, coraz częściej pojawiają się projekty, co gorsza nie tylko amatorskie, w których "ficzery" tak pochłaniają konstruktorów/pomysłodawców, że podstawowa funkcjonalność zostaje zaniedbana.

Zrób robota, który będzie jeździł, bez żadnego praktycznego celu, wtedy nie będę narzekał

Oj, żeby ta sierść nie dostała się w mechanizm wentylatora, bo wtedy szybko przestanie działać. I dobrze byłoby na początek sprawdzić, czy wystarczająco ciągnie - może będzie potrzebny mocniejszy. Ważnym parametrem jest różnica ciśnień, jaką wentylator potrafi wytworzyć - mały przepływ to pół biedy, dasz mniejszy koniec rury, będzie wolniej zbierał, ale zbierze - a jak podciśnienie będzie za małe, to będzie zbierał tylko co lżejsze, a resztę zostawi.

Najlepiej kup uszkodzonego robota sprzątajacego
.
Za 50zł już mozna kupić.

jarek_lnx wrote:

Dziwię się, że ostatnio, coraz częściej pojawiają się projekty, co gorsza nie tylko amatorskie, w których "ficzery" tak pochłaniają konstruktorów/pomysłodawców, że podstawowa funkcjonalność zostaje zaniedbana.

Zrób robota, który będzie jeździł, bez żadnego praktycznego celu, wtedy nie będę narzekał

Jak ludzie mogą się dobrze bawić i za własne pieniądze testując różne "ficzery"! A bardziej na poważnie - zgadzam się, gdyby chodziło o zrobienie odkurzacza dla klienta (wtedy nawet zaproponowałbym kupno gotowca bo wyjdzie taniej niż komponenty i robocizna). Ale tutaj klientem jestem ja - i dla mnie np. "ficzerem" może być odkurzanie, a funkcjonalnością poruszanie głosowe. Gdy np. programuję za pieniądzę idę prosto do celu bo tego oczekuje klient. Gdy odprężam się w domu (tak, przy elektronice również), wyznaczam sobie takie projekty jakie mi "wpadną w oko" (bo klientem jestem ja, a produktem jest satysfakcja i dobra zabawa).

Co innego gdy jest jasny cel nie-amatorskiego projektu i też widzę tę tendencję zaniedbywania głównych wymogów funkcjonalnych - ale mój jest jak najbardziej hobbystycznie-amatorski i ze swej natury "włóczykijski"

jarek_lnx wrote:

Skoro to ma odkurzać, wypadało by zrobić trochę testów (realistycznych) żeby podstawowa funkcjonalność była realizowana przynajmniej na poziome "kiepsko ale działa".

Pytam przede wszystkim o akumulator, bo na razie testuję każdy komponent osobno na zasilaczach - motoryka, mikrofon i pare innych już przetestowane, został wentylator (oczywiście że będę go testował przed złożeniem całości) i potem kilka mniejszych czujników. A więc warto zacząć myśleć jak ja to będę potem wszystko razem łączył i jak zapewnić stabilne zasilanie bez "kabelka".

A co do wentylatora, jeśli dorwę to sprawdzę też różnicę na wspomnianym przez Ciebie odśrodkowym - nie miałem z takim dotąd doczynienia. Dlaczego daje lepsze ciśnienie? I jakie ma w takim razie wady? Hałas?

_jta_ wrote:

Oj, żeby ta sierść nie dostała się w mechanizm wentylatora, bo wtedy szybko przestanie działać. I dobrze byłoby na początek sprawdzić, czy wystarczająco ciągnie - może będzie potrzebny mocniejszy.

Sierść w mechaniźmie - prawda. Dlatego zastanawiam się nad wyborem filtra (okaże się w praniu który pomysł/materiał wypali najlepiej w moim wypadku - pewnie rodzaj sierści też ma tutaj znaczenie) - poza nim chyba nic magicznego nie wymyślę. Do tego dobra izolacja reszty elektroniki od wentylatora (bo tych bardziej szkoda w razie wypadku z filtrem).

_jta_ wrote:

Ważnym parametrem jest różnica ciśnień, jaką wentylator potrafi wytworzyć - mały przepływ to pół biedy, dasz mniejszy koniec rury, będzie wolniej zbierał, ale zbierze - a jak podciśnienie będzie za małe, to będzie zbierał tylko co lżejsze, a resztę zostawi.

Słusznie. Wyszedłem póki co od kształtu "dyszy" (niewiele tam tego, kilka cm od wentylatora) jednego z modeli na thingsverse, wydrukuję i sprawdzę kilka wariantów. Na tę chwilę główne płaszczyzny warte regulacji które widzę:
- moc wentylatora,
- kształt/powierzchnia wyjściowa tuleji/końcówki wciągającej (podciśnienie, jak trafnie wskazałeś),
- odległość do ziemii (minimalizacja).
Coś jeszcze powinno wyraźnie wpływać/być uwzględnione?

Zbigniew 400 wrote:

Najlepiej kup uszkodzonego robota sprzątajacego. Za 50zł już mozna kupić.

Chciałbym jak najwięcej złożyć samodzielnie. Np. podwozie też mógłbym w podobnej cenie zakupić gotowe - ale złożenie silniczków i podpięcie drivera (w granicy rozsądku, ten już mam w całości) było ciekawsze / bardziej uniwersalne w zastosowaniu.

Ale oczywiście planem zapasowym zawsze może być użycie części z uszkodzonego robota komercyjnego - jak piszesz, nie są zbyt drogie (gdy przeglądałem dla inspiracji natknąłem się chyba nawet poniżej tych 50zł na jakiegoś starego Samsunga).

Co do wentylatora, to jednym z parametrów, które zwykle są podawane, jest maksymalna różnica ciśnień, jaką może wytworzyć.

PolGraphic wrote:

Pytam przede wszystkim o akumulator, bo na razie testuję każdy komponent osobno na zasilaczach - motoryka, mikrofon i pare innych już przetestowane, został wentylator (oczywiście że będę go testował przed złożeniem całości) i potem kilka mniejszych czujników. A więc warto zacząć myśleć jak ja to będę potem wszystko razem łączył i jak zapewnić stabilne zasilanie bez "kabelka".

Wentylator będzie głównym obciążeniem akumulatora, decydującym o wyborze akumulatora i czasie pracy, dlatego poruszyłem ten temat zamiast odpowiedzieć na temat - jak dobrać akumulator do założeń określonych na oko.
Jak będziesz miał określony pobór mocy całego zestawu, pomnożysz przez zakładany czas pracy w godzinach, dostaniesz dostaniesz energię w Wh. Podzielisz przez napięcie uzyskasz pojemność w Ah.
Przy urządzeniach zasilanych przez przetwornice warto doliczyć ~20% na straty w przetwornicach.

PolGraphic wrote:

A co do wentylatora, jeśli dorwę to sprawdzę też różnicę na wspomnianym przez Ciebie odśrodkowym - nie miałem z takim dotąd doczynienia. Dlaczego daje lepsze ciśnienie? I jakie ma w takim razie wady? Hałas?

Fakt że bardziej hałasują, dlaczego dają wyższe ciśnienia, pewnie to bardziej sprawa typowych parametrów, niż ograniczeń fizycznych. Modelarskie turbiny (napędy tunelowe) też dają znaczące ciśnienia, mimo że są to wentylatory promieniowe, tylko że kręcą się do kikudziesieciu tys RPM - to oczywiście też nie jest ciche.

Rozumiem.

A takie być może głupie pytanie. Czy każdy tego typu wentylator odśrodkowy/dmuchawkę która "dmucha" zamiast "zasysać" można przestawić z jednego na drugie (np. zamieniając + i -), czy to nie jest tak proste / nie zadziała?

Myślałem np. o takim, 12V 2.7A lub podobny do przetestowania. Problem że prawie wszystkie przeglądane domyślnie wydmuchują zamiast wciągać.

PolGraphic wrote:

Czy każdy tego typu wentylator odśrodkowy/dmuchawkę która "dmucha" zamiast "zasysać" można przestawić z jednego na drugie (np. zamieniając + i -), czy to nie jest tak proste / nie zadziała?

Nie da się zmienić kierunku bo to silnik BLDC z elektroniką, uszkodzić się da, a w odśrodkowym zmiana kierunku obrotów też nie dała by zamierzonego rezultatu, siła odśrodkowa będzie odśrodkową, nadal będzie dmuchał, tylko wydajność spadnie.

W wentylatorze osiowym, gdyby nie był zintegrowanym BLDC, kierunek dmuchania dało by się zmienić ale wydajność by drastycznie spadła - profil łopatek o tym decyduje.

PolGraphic wrote:

Problem że prawie wszystkie przeglądane domyślnie wydmuchują zamiast wciągać.

Wciągają od strony wirnika.

Też racja, skoro gdzieś wychodzi, gdzieś musi wchodzić

Czyli podłączę pojemnik z filtrem od strony wirnika. Wypróbuję w takim razie jeden z tych podanych.

Właśnie zastanawiałem się czy profil łopatek ma tutaj znaczenie czy może są symetryczne.

Profil ma znaczenie - wyjaśnił to profesor A.H.Piekara w książce "Ciekawe historie o powietrzu". Łopatki mają się poruszać wklęsłym do przodu.