Solución de imágenes térmicas de drones: módulo de fuente de alimentación: revisión de diseño y consulta de carga compartida

Estoy diseñando una solución de imágenes térmicas de bricolaje para mi dron DJI Mavic Pro . Si bien se ha incluido el diseño completo como información general, esta publicación se refiere al diseño del módulo de fuente de alimentación. Los requisitos del sistema pertinentes (módulo de fuente de alimentación) son:

• MH: El paquete de baterías debe cargarse de forma segura* desde un único suministro USB (5 V a 2,1 A).
• MH: el paquete de baterías debe suministrar dos LED IR de alimentación a 1000 mA CC, una Raspberry PI a aproximadamente 800 mA y un adaptador WiFi durante aproximadamente 1 hora.
• SH: Los LED IR de alimentación deben ser controlables de forma remota (atenuables y encendido/apagado)
• SH: debe ser compatible con el suministro dual automático: carga mientras está en uso

Nota: Significa carga CC/CV con equilibrio y protección de celdas.

He completado mi diseño inicial, pero todavía tengo una consulta pendiente. Mi pedido para ti:

• Revisión por pares del diseño del módulo de fuente de alimentación ( si tiene tiempo )
• Opciones para la consulta de carga compartida

Revisión por pares del diseño del módulo de fuente de alimentación

Aquí está mi descripción general del diseño:

Desconexión USB. Solo una simple ruptura de USB.

Paquete de baterías. Calculé: 1 hora x alrededor de 2000 mA de carga = 2000 mAh de capacidad necesaria, pero con la CPU RPI permanentemente al máximo (procesamiento de imágenes) y el adaptador WiFi transmitiendo constantemente, superé las 3 celdas LiPo de 1400 mAh = 4200 mAH.

Cargador de impulso. Enlace de producto . Como quiero cargar desde un suministro USB simple de 5 V, necesito aumentar el voltaje de suministro de entrada al voltaje de flotación del paquete de baterías (es decir, 12,6 V para un paquete 3S) pero aún así mantener el control actual (tasa de carga máxima de 1C). El producto seleccionado permite un control ajustable de voltaje y corriente y cambia automáticamente entre los dos, es decir, corriente constante a 1400 mA hasta que se alcanza 4,2 V x 3 = 12,6 V, luego se mantiene el voltaje constante. NO TIENE un corte automático; mi razón aquí es que la carga será supervisada y mantener un voltaje de flotación de 4.2 V por celda no debería dañar las celdas.

Tablero de Equilibrio. Enlace de producto. . Si bien las tres celdas se compraron juntas, no puedo suponer que su química sea idéntica, de ahí la necesidad de equilibrarlas. El producto seleccionado es un balanceador de derivación de corriente FET básico.

Junta de Protección. Estos vienen con las celdas y protegen de la sobrecarga habitual, sobredescarga, cortocircuito, etc.

XT. (información de fondo) Las tres celdas están conectadas en serie y, a través de una pequeña barra colectora, a un conector XT30. Por lo tanto, el módulo de suministro de batería envía una salida nominal de 11,1 V al módulo de procesamiento.

Convertidor de moneda. ( información general ) Enlace del producto . Tanto la Raspberry PI como el adaptador WiFi necesitan un suministro de 5 V, pero la batería genera 11,1 V (nominal, en realidad 9,0 V - 12,6 V según el estado de carga). El producto seleccionado es un simple convertidor reductor continuo de 2 A con una eficiencia nominal del 94 % para una salida de 5 V.

LED IR. ( información general ) Enlace del producto . Para minimizar el costo, mi módulo de imágenes térmicas (ver más abajo) es económico, pero el inconveniente es que tiene una resolución relativamente baja (160 x 120 píxeles); básicamente, los objetos calientes se verían como "manchas" desde la perspectiva de un dron. Para aumentar el contraste, estoy superponiendo un 'borde' de una fuente óptica, pero en la oscuridad obviamente no hay suficiente luz visible, por lo que estoy usando un módulo de cámara sin el filtro IR habitual e iluminando la escena con luz IR. El producto seleccionado es el LED IR de mayor potencia que pude encontrar por un costo razonable. Cada uno de los dos LED requería un disipador de calor adecuado, una almohadilla de transición de calor y, por supuesto, algo para montarlo.

Módulo controlador LED. ( información general ) Enlace del producto . Cada uno de los LED IR requiere al menos un voltaje de polarización directa de 3,2 V y una iluminación nominal de salida cuando se alimenta con 1000 mA. El producto seleccionado es una fuente de corriente constante de 1000 mA que requiere al menos una entrada de 6 V (tiene un mínimo de 9 V desde el módulo de fuente de alimentación) y puede generar hasta 30 V. Elegí esto porque es eficiente (~95%) y fácilmente regulable (salida PWN de Raspberry Pi, controlada de forma remota desde el suelo a través del protocolo Mavlink).

Módulo de cámara térmica y placa de conexión. ( información general ) Enlace del producto . Con mucho, el componente más caro pero, como se mencionó, por encima de una resolución relativamente baja. El FLIR Lepton v3 emite un video de 9 Hz (conformidad de exportación) sobre video SPI (VSPI).

Módulo de cámara óptica. ( información general ) Enlace del producto . Estoy usando este módulo para crear una fuente de video óptica que se procesará usando OpenCV como una superposición detectada en el borde para la fuente térmica. Producto elegido por su bajo costo y simplicidad: se conecta directamente al puerto RPI Zero CSI.

( información de fondo) Entonces, para resumir, el módulo de la cámara ilumina el suelo con iluminación IR y proporciona señales de video tanto térmicas (LWIR) como NIR al módulo de procesamiento. El módulo de procesamiento acepta estas transmisiones de video y lleva a cabo varias tareas de procesamiento de imágenes, como detección de bordes, transformación de resolución y, en el futuro, espero usar IA para detectar y resaltar objetos. También transmite las dos transmisiones de video a la estación terrestre utilizando la banda WiFi de 5,8 GHz (no discutida aquí, arreglos de energía muy simples) y acepta y procesa las instrucciones de MavLink desde la estación terrestre, por ejemplo, brillo de iluminación de inundación IR, perfil de color térmico, etc. El módulo de fuente de alimentación proporciona energía directamente para los LED IR y a través de un convertidor reductor para el adaptador WiFi y Raspberry PI y se puede cargar desde cualquier fuente de alimentación USB.

Si puede dedicar tiempo a revisar el diseño del módulo de la fuente de alimentación, le agradecería cualquier comentario/retroalimentación y, por supuesto, si tiene alguna pregunta sobre el diseño, comuníquese con nosotros.

Opciones para la consulta de carga compartida

Aquí es donde estoy luchando.

Quiero poder usar el sistema mientras se está cargando, pero no creo que pueda en su estado de diseño actual. Estoy pensando que si los módulos de procesamiento y de la cámara actúan como una carga variable en el paquete de baterías, el circuito de carga CC/CV no sabrá lo que está pasando y, peor aún, si limito la corriente, me arriesgo a apagones en el Frambuesa Pi.

¿Existe un patrón de diseño típico para una solución de carga compartida que permitiría el cambio automático si aparece una carga en la batería? ¿O alguna otra forma de administrar la carga compartida entre la carga de la batería y el funcionamiento? Buscando opciones.

Gracias por cualquier ayuda y orientación :)