CC BY
5УДК 62-523.2 + 007.524 Михеев Д.А., Китаев Д.Н.
Михеев Д.А.
студент магистратуры кафедры Робототехнические системы и мехатроника Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана (г. Москва, Россия)
Китаев Д.Н.
студент магистратуры кафедры Робототехнические системы и мехатроника Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана (г. Москва, Россия)
СИСТЕМА ОТКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Аннотация: в данной работе проведена разработка системы безопасности для робототехнической системы, описание функционала каждого из основных элементов и системы в целом, произведена первичная оценка работоспособности системы Shutdown Circuit, обзор применяемости в мобильной робототехнике.
Ключевые слова: система отключения, напряжение, критическая система, система безопасности, беспилотник, питание платформы, робототехника.
Введение.
Система автоматического отключения является важнейшим компонентом в обеспечении безопасной эксплуатации робототехнических систем. Эта система предназначена для автоматического отключения оборудования в случае аварийной ситуации или неисправности, предотвращая тем самым возможные несчастные случаи или повреждения. Быстро отключая питание оборудования,
1572
система автоматического отключения помогает снизить риски и защитить как операторов, окружающих людей и дорогостоящую робототехническую систему.
Одной из особенностей системы управления безопасностью должно быть то, что требуемая функция безопасности гарантированно срабатывает при возникновении любых неисправностей. Робототехнические системы должны практически мгновенно переводиться из опасного состояния в безопасное. Меры контроля безопасности, необходимые для достижения этого, включают следующие цели безопасности:
• Неисправность в системе управления безопасностью не может привести к переходу в опасное состояние,
• Неисправность в системе управления безопасностью должна быть идентифицирована (немедленно или через определенные промежутки времени),
• После обнаружения неисправности система отключает питание и переходит в «безопасный» режим.
Постановка задачи.
Для робототехнической системы необходимо разработать систему отключения и безопасности. Система должна быть непрограммируемая, работать автоматически, должна иметь устройства физического отключения, перед началом работы производить проверку всей системы, должна проходить через критические устройства робототехнической системы.
Электрическая схема всей системы должна быть спроектирована таким образом, чтобы в случае выхода из строя одного элемента, либо некорректной работы вся система обесточивалась, и дальнейшая работа была возможна только в ручном режиме, либо после перезагрузки системы.
Состав основных систем робототехнической системы.
Схема отключения является критически важным компонентом робототехнической системы, который отвечает за безопасность системы и отключение питания в случае потенциальной опасности или неисправности.
Выбор данного принципа в системе безопасности робота имеет следующие преимущества:
1573
• Благодаря немедленному отключению системы в случае аварийной ситуации или неисправности схема отключения помогает свести к минимуму риск получения травм или материального ущерба,
• Схема отключения обеспечивает защиту компонентов системы от потенциальных повреждений, вызванных перегрузкой, перегревом, короткими замыканиями или другими электрическими неисправностями. Это помогает предотвратить работу системы за пределами безопасных пределов и продлевает срок службы оборудования,
• Предотвращение возникновения пожара. Отключая питание системы в случае неисправности, схема помогает снизить риск возникновения электрических пожаров.
Любая робототехническая система имеет следующие основные системы:
• Система питания: Данная система представлена автоматами отключения, преобразователями, реле, а также в мобильных роботах аккумулятором. При применении литий-ионных аккумуляторов сложной конфигурации также ячейки аккумулятора должны оснащаться BMS (Battery Management System). Данной устройство измеряет температуру ячейки, проводит балансировку между ячейками, измеряет сопротивление, учувствует в зарядке, контролирует напряжение.
• Устройство контроля изоляции при применении высоковольтного напряжения.
• Тормозная система: в мобильных роботах тормозная система должна иметь устройства проверки основных узлов тормозной системы и работоспособность системы в целом перед началом движения.
• Кнопки аварийного отключения.
• Система управления робототехнической системы.
На рисунке 1 представлен пример функциональной схемы системы отключения. В данном примере рассмотрены два аккумулятора: высоковольтный тяговый и низковольтный на обслуживание системы.
1574
Рисунок 1. Функциональная схема примера системы отключения.
LVMS - Low Voltage Master Switch (Главный выключатель низкого напряжения),
VCU - Vehicle Control Unit (блок управления транспортным средством), BSPD - Brake System Pausibility device (Устройство для проверки надежности тормозной системы),
SDC Right/Left - ShutDown Circuit (Система отключения), реализовано физически в кнопке экстренного отключения,
Inertial Switch - Инерционный переключатель,
1575
TS Activation - Tractive System Activation (Активация тяговой системы), реализовано физически кнопкой,
ShutDown Latched - Реле системы отключения, физически реализовано
реле,
BOTS - Экстренный выключатель в районе ног,
IMD - Insulation monitoring device (Устройство для контроля изоляции), AMS HV Master - Accumulator Management System Hight-Voltage Master (Главное устройство системы управления аккумулятором высокого напряжения),
AMS LV - Accumulator Management System Low-Voltage (Система управления аккумулятором низкого напряжения),
VCDU - Vehicle Control Dynamic Unit (блок управления движением транспортного средства),
EBS Logic - Emergency Brake System Logic (Логическое устройство системы аварийного торможения),
RES - Remote Emergency System (Дистанционная аварийная система), HVD - High Voltage Disconnect (Отключение высокого напряжения), TSMS - Tractive System Master Switch (Главный выключатель тяговой системы),
Interlock Accum-Car LV - Размыкание коннектора от аккумулятора к машине низкого напряжения,
PreCharge board - Устройство контроля предварительной зарядки аккумулятора,
Discharge Relay - Реле разрядки аккумулятора,
EBS Relay - Emergency Brake System Relay (Реле аварийной тормозной системы),
AIR - Accumulator Isolation Relay (Реле изоляции аккумулятора), PreCharge Relay - Реле предварительной зарядки аккумулятора,
1576
Принцип работы системы ShutDown Circuit.
Напряжение системы ShutDown Circuit проходит через все устройства, кнопки, выключатели и реле. Каждое устройство внутри имеет реле, которое замыкается только при корректной работе устройства, либо узла, который опрашивает и контролирует данное устройство.
Устройства системы расположены таким образом, что наиболее опасные системы находятся в порядке возрастания: самое опасное находится в конце -это высоковольтная тяговая система.
При первом прохождении напряжения по цепи ShutDown Circuit цепь замыкается нажатием кнопки TS Activation, после в случае корректной работы последующих устройств замыкается реле ShutDown Latched. После этого система отключения замкнута и робототехническая система готова к работе. В случае некорректной работы, получение некорректных данных каким-либо устройством цепь размыкается, и робототехническая система переходит в безопасный режим, напряжение на робототехническую систему не подается.
Действие открытия AIR может быть задержано на <250 мс, чтобы сигнализировать об этом действии тяговому двигателю.
Каждое устройство, которое требуется или может открывать SDC, должна иметь свой собственный, непрограммируемую логику для размыкания. Разводки устройств должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать ток SDC, например. пусковые токи AIR и такие, что отказ не может привести к тому, чтобы ток подавался обратно в SDC.
Перед вводом в эксплуатацию робототехнической системы рекомендуется также проверить каждое устройство на возможность размыкания SDC. Для этого при замкнутом SDC можно произвести физическое отключение устройства и после размыкания цепи должны разомкнутся AIRbi и подать соответствующий световой/звуковой сигнал.
Для удобства отлаживания каждое устройство необходимо оснастить светодиодом, который будет загораться при прохождении напряжения. Таким
1577
образом можно оперативно найти устройство, которое работает некорректно и уже точечно проводить его проверку.
В некоторых случаях схема отключения может быть интегрирована с системами удаленного мониторинга и управления, позволяя удаленно отключать систему в случае аварийной ситуации или неисправности. Эта возможность повышает безопасность и эффективность работы системы.
Выбор устройств.
При выборе устройств для системы автоматического отключения важно учитывать конкретные требования вашей робототехнической системы, критические узлы и необходимый уровень защиты.
• При выборе реле для системы автоматического отключения необходимо делать упор на долговечность и способность выдерживать требуемую нагрузку. Нужно учитывать такие факторы, как номинальные значения напряжения и тока, а также коммутационную способность реле.
• Определить конкретные события отключения, от которых необходимо защититься, такие как скачки напряжения, сверхтоки или перегрузки. Устройства должны эффективно обнаруживать эти события и реагировать на них.
• Необходимо учесть сложность робототехнической системы, а также сценарии отключения и выбирать устройства, совместимые с существующим оборудованием. Устройства БЭС должны быть легко интегрированы.
В целом, ключом к выбору устройств для системы автоматического отключения является тщательная оценка требований, выбор надежных и совместимых.
1578
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. FSG: Formula Student Germany [Электронный ресурс] URL: https://www. formulastudent.de/fsg/;
2. Проектирование аналоговых схем: учебное руководство по приложениям и решениям, Bob Dobkin, Jim Williams 2011
Mikheev D.A., Kitaev D.N.
Mikheev D.A.
Bauman Moscow State Technical University (Moscow, Russia)
Kitaev D.N.
Bauman Moscow State Technical University (Moscow, Russia)
POWER CUT-OFF SYSTEM ROBOTIC SYSTEM
Abstract: in this work, a security system for a robotic system was developed, a description of the functionality of each of the main elements and the system as a whole was carried out, an initial assessment of the performance of the Shutdown Circuit system was carried out, and a review of its applicability in mobile robotics.
Keywords: shutdown system, system, safety system, mobile supply, Shutdown Circuit, AIR,
safety.
1579
