Aşırı Çevreler için Mechatronic Systems
Mechatronic sistemleri - mekanik yapıların sorunsuz bir şekilde füzyonu, elektronik, kontrol algoritmaları ve gerçek zamanlı hesaplama - araştırma, endüstriyel süreçlerin arka kemiği ve insan varlığının pahalı, tehlikeli veya imkansız olduğu yerlerdeki bilimsel keşif; bu sistemlerin normal karasal işletim sınırlarını aşan ortamlara dağıtıldığı zaman, her tasarım kararı magazin ısıtılması, aşındırıcı kimyasallar, yoğun radyasyon, baskılar ve titreşimler için, titreşimlerin azaltılması ve titreşimlerin azaltılmasına izin verebilir.
Extremes'i sınıflandırmak: Ortamlar Nasıl Tasarım
Aşırı ortamlar nadiren tek bir stresor. Derin bir deniz kenarındaki bir araç, binlerce dereceye kadar baskılarla mücadele eder ve tehlikeli bir test robotları kumar ve tam kontrol edici mikro kontroller ve embrittle ortak alaşımları ile birlikte koruma sağlarken, bir rüzgar türbini, rüzgar kırıcı elektronik devretme karşı çalışır ve her türlü yazılım, bir araya gelir.
Uzay ve Gezegensel Yüzeyler
Uzay ortamları vakuma dayanıklı, mikrogravity, aşırı termal gradients ve yüksek enerjili parçacık radyasyonu ile ısı geçişi, sadece radyasyon ve dolma ile gerçekleşir, ısı geçişi ilk sıralı bir tasarım kısıtlamasına dayanmalıdır. Elektronik, tamamen aşındırıcı ve tek kullanımlık etkilere ve yüzeylere dayanmalıdır, sağlam yağlayıcılar veya kurutucu filmler gerektirir, çünkü geleneksel polimer kaplamaları ve güneş ışığı ile daha fazla dondurma sağlar.
Deep-Sea ve High-Pressure Realms
Okyanusların alt kısmında, hidrostatik basınç hızla iç boşluklarla herhangi bir malzeme ortadan kaldırır. Elektronik konutlar büyük titanyum veya seramik baskı gemileri haline gelir; hatta petrol dolu kutuların hafife alınması, hidrotermin ve ilaçlardan gelen ısı şoku, yüksek basınçlı betonların ve su geçirmez sistemlerin yanı sıra, yüksek basınçlı kaplamaların yüzeylerin ısıtılması gerekir.
Endüstri Yüksek-Radiasyon ve Yüksek-Temperyatür Bölgesi
Nükleer enerji santralleri, parçacık hızlandırıcıları ve bazı kimyasal işleme tesisleri bana yumruklı sistemleri, camlı metaller ve radyasyon destekli alan programlanmış parçalar (FPGA) için yüksek seviyeli devreler için geçiş yapar.
Arctic ve Ağgen Çevreleri
Polar bölgeler ve buzojenik depolama tesisleri, ambrittles çelikleri, kalın yağlayıcıların yakın tutarlılığa yakınlaştırılması ve pil kapasitelerini %50 veya daha fazla azaltın.Sally-to-brittle geçişleri kritik bir öneme sahiptir: Sıcaklıkta flexler minimum basınç testi yapmadan önce ısıtılabilir - 40 °C. alüminyum alaşımlar ve bazı austenitik paslanmaz çelikler, onları tercih eder.
Anahtar Tasarım Piller: Malzemeler, Elektronik ve Yapısal Dürüstlük
Datasheet'in Ötesinde Malzeme Seçimi
Bir malzeme ortamı sıcaklık özellikleri nadiren aşırılık altında davranışını tahmin eder. Mühendisler yüksek sıcaklıktaki dükleyici direnci değerlendirmelidir, düşük sıcaklıkta sert geçiş yapar, 316L gibi dışlayıcı paslanmaz çelikler, ancak termal çelikler için sağlam bir şekilde sıkıştırılırlar.
Polimerler daha fazla scrutiny. Polyether ether ketone (PE Composite) 250°C'ye kadar mekanik güç tutar, gereksiz yere gazlar gösterir ve yüksek radyasyon dozlarına dayanmasına rağmen, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan yüzeylere sahip olan sert yüzeylere güvenirler.
Elektronik Sertleştirme ve Signal Integrity
Standart ticari sınıf entegre devreler hızla radyasyona bağlı olarak başarısız olur. Radyasyonun tasarımı (RHBD) işlemciler ve hafıza çipleri, koruyucu halkalar ve hata düzeltme kodlarını kullanarak, ancak tek katlı tek kullanımlık etkiler için sert hafızayı azaltır.Daha düşük bütçeli projeler için, silikonlu parçalara yerleştirilir veya daha yüksek ısıtılır.
Signal yolları eşit dikkat gerektirir. Twisted-mate, kalkanlar ve ayırıcı sinyalizasyon, endüstriyel bir bitkinin elektriksel olarak gürültülü sınırlarında elektromanyetik müdahale azaltır. Optik fiberler zemin-loop sorunları ortadan kaldırır ve elektromanyetik pulslara bağışıklık sağlar, ancak yüksek çözünürlükte ve ikincil kilitlenen mekanizmaların radyasyonu genellikle standart D-subuzal kaplama türleriyle daha yüksek tutma gücü sağlar.
Vakum veya yüksek basınçlı ortamlardaki elektronik ısı yönetimi eşsiz zorluklar sunar. Vakumda, konvektif soğutma yok, bu yüzden ısı battıları veya soğuk alana kadar yayılmalıdır. Derin deniz konutlarında, çevreleyen su, aşırı ortamlardaki güvenilirlik için kanıtlanmış bir strateji, ancak en yüksek ısı battaniyeleri veya petrol dolumları kullanarak iç baskıya sahip olan faktörler için en düşük ısı yolları için.
Termal Yönetim Mimarileri
Sıcaklık kontrolü, temel bir tasarım sürücüsüne destek bir rolden hareket eder, çünkü ortam sıcaklıkları tek bir yörüngede 200 °C'yi veya bir robotun iç ısısının aşılması gerektiği durumlarda, pompalanan sıvı döngüler, termoelektrik teknikleri – yüksek emissiviteli kaplamalar, çok katmanlı battaniyeler, ısı boruları ve faz değiştirme malzemeleri ile yüzeysel ısı geçişi gibi yüzeylerde ısı geçişi gerekir.
Baskılı bir devre kurulunda da termal bir strateji haline gelir: yüksek çözünürlükte parçalar ısıtılırken, ısıtıcılar minimum işletim eşleri ve düşük-termal-kondüktörleri tarafından izole edilir ve tüm montajlarda yer alan elektronik simülasyonlar, yüksek ısı değiştirici limitleri olmadan ısıtılır.
Çok katmanlı yalıtım (MLI) battaniyeleri kullanarak ısıtılması, uzay aracı ve krigen sistemleri için standart bir uygulamadır. MLI tipik olarak ince reflektif filmlerin değişken katmanlarından oluşur - Mylar veya Kapton - düşük ücretli metal radyasyon koruyucular tarafından şarj edilir, küçük tutma noktaları gibi ısıtılır. Proper venting ve MLI battaniyeleri, yüksek ısıtıcı makineleri sırasında elektrostatik deşarjları önler ve sıkışık gazları önler.
Mekanik Robustness ve Koruma
Şok ve titreşim - roket fırlatma, sualtı patlayıcı veya ağır makine hareketi - birçok riskin düşük olması ve betonlu kabloların kapatılması için kullanılan yüksek basınçlı yıkama makineleri ve yüksek basınçlı yıkama makineleri için gerekli olan yüksek basınçlı yıkama makineleri, yüksek basınçlı yıkama makineleri, betonlar için kullanılan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan yüzeylerde yüksek basınçlı yıkamak için gerekli olan ısıtılır.
Yapısal eklemler aşırı ortamlarda özel dikkat gerektirir. Kaynak veya brazed bağlantılar, çevrenin ısıtılması için en yüksek güç ve hismine sahiptir, ancak plastik eklemeler, iplik açma bileşikleri veya mekanik tehlikeler titreşimler altında kesintiye uğramalı yüzeyler için yüksek basınç sağlar.
Derin deniz ortamları için baskı gemisi tasarımı, işletim sıcaklığında kırılmak için sayısal yükleme ve korozyon tazminatı için değişikliklerle kurulmuş kodlar olarak belirlenmiştir. Yüksek verimli malzemeye sahip malzemeler, kalın duvarların kitlesel cezalarını azaltır, ancak cihazda sertliği için uygun bir şekilde seçilmelidir.
Kontrol ve Yazılım Resilience
Donanım sağlamlığı yalnızca yetersizdir. Kontrol algoritmaları, düşük sıcaklık nedeniyle ortak bir yatak, kontrol cihazı, bir anomaliye girişken güvenli sınırlar içinde artış gösterir. Model-predict kontrol sistemleri sürekli olarak plant parametrelerinin gerçek zamanlı olarak tanımlanmasına dayanan sistemler; eğer düşük sıcaklık nedeniyle ortak bir yatak sabitler varsa, kontrol noktaları, uzun süre gecikmeli gecikmeli gecikmeli gecikmeli gecikmeli veya gecikmeli gecikmeli sistemleri optimize eden uzun süreler ile çalışır.For systems operating with time-varying errors - like teleoperatifd water tools with long tether
Yüksek çözünürlüklü ortamlardaki yazılım güvenilirliği, tüm sistemden yapılan üç boyutlu gecikmeli bağlantılara dayanır ve gecikmeli ağlama (DTN) ile sabit bir şekilde yapılan protokoller, güvenli olmayan tüm sistemler için belirlenen bir yazılım modülünün otomatikleştirilmesi için tasarlanmıştır.
Sensör füzyon algoritmaları çeşitli kaynaklardan verileri birleştirir - hızlayıcılar, gyroskoplar, magnetometreler, baskı sensörleri ve vizyon sistemleri - bireysel sensörler başarısız olduğunda veya oturmaz. Kalman filtreleri ve parçacık filtreleri, gelecekteki hataları kullanarak, GPS'in olmayan havalimanları ve haritalamalar için standart bir yaklaşım haline geldiği ortamlar için matematiksel çerçeve sağlar.Ingörüntüler genellikle bilgisayar gözlemleri ile sabit olmayan araziler arasında sabitleme ve haritalama (SLAM) algoritmaları, sistemdeki konumdaki konumdaki konumdaki sabit ölçümler ile birlikte çalışır.
Power management yazılımı, batarya yedeklerinin imkansız olduğu uzaktan operasyonlarda kritik bir alt sistem haline gelir. Enerji-aware scheduling algoritmaları mevcut güç ve görev kritikliği temelinde görevleri önceliklendirir, düşük enerji süreleri boyunca sensör örnekleme oranları azaltır ve düşük enerjili sistemler için uygun olmayan sistemler için sistem, yörünge veya mevsimsel aydınlatma tahminleri, batarya kimyasına dayanan derin deşarjları önlemeyi planlamayı sağlar. Devlet-şarıcak tahminleri kullanarak birlikte hesaplamaları tutarlı bir şekilde doğru şekilde düzeltir.
Tasarım Stratejileri ve Sistem Mimarileri
Aşırılar için etkili mechatronic tasarımı, haritaların tüm araçta kompresyona neden olan bir sistem seviyesindeki bir ayrıştırma ile başlar.Uygunluk sistemi, hangi sensör pods, hareketleyici modüller ve işleme düğümleri, analog ortamlardaki standartlaştırılmış veya izole edilmiş, bakım ve kullanım kolaylığı sağlar - bir bölme için bir bölmeyi engelleyen standart kontrol sistemleri, standart kontrol sistemleri ve otomatikleştirilmiş USB uygulamaları için kullanılan USB bellekler için standart kontrol sistemleri (C) gibi standartlaştırılmış USB uygulamaları otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak kontrol edilir.
Red dışılık birçok form alır. Fonksiyonel redüpsiyon (örneğin, her iki stereo görme ve engel algılama için kapak) bir tüm teknoloji sınıfı etkileyen başarısızlık modlarına karşı koruma sağlar.Kapasızlığı tamamen bir bilgisayar soğuk-sparedi bir kalp sinyali başarısız olana kadar, bazı derin çıkış kanalları ve büyük güvenlik fonksiyonlarını karşılaştırır, aynı zamanda aracın tüm güçlere geri dönmesi için gerekli olan aşırı derecede yüksek oranda tasarruf sağlar.
Manufacturability ve servisability için tasarım, kontrol edilen bir aşırı-environment sistemlerinde bile önemli kalmaktadır. Yumuşak malzemelerde, modüler taksiler ile kırılmış delikler yerine, standart bağlantı ve onarım işlemleri için, kontrol edilen bağlantılarda belgelenmiş ve test doğrulama adımları, uygulama öncesi test edilen hataların risklerini uzaktan test etme gibi, Mars'tan gelen hataların veya derin denizlerin yanı sıra, yazılımları güncelleme yeteneği ve düzeltme yeteneğinin, sınırlı bant genişliği bağlantılarının üzerindeki hataların düzeltilmesi ve test edilmesi gerekir.
S Sentetik Extremes'te Test ve Geçerlilik
Hiçbir analiz miktarı fiziksel test yerini alır. Çevre test odaları, 10 metre ötesindeki sıcaklık, nem, yüksek çözünürlük ve toz; güneş simülatörü ile yaklaşık uzay koşulları.ETHFLT:0)Woods Hole Oceanografik Kurum[Döneticileri 1), konutlarda yorgunluk ve hızlanan ısıtıcı yüzeylere geçiş yapan sıcaklık test gemilerinde gecikmeli basınç testleri ve şok makineleri ile ilgili soruları, genellikle yeniden ortaya çıkarır.
Yüksek hızlandırılmış yaşam testleri (HALT) kasıtlı olarak prototipleri nihai marjları anlamayı zorlar; veri, tasarım iyileştirmelerine geri döner. Dijital ikizler - fiziksel varlıktan gelen sensör verileri ile beslenir - son derece yüksek değerli varlıklar için testlere izin verir.
Kazanılan test genellikle "doğduğun gibi" bir felsefe takip eder, en ciddi beklenen çevresel koşulları kombinasyon halinde uygular, çünkü stresörler nadiren bağımsız olarak hareket ederler. Örneğin, derin deniz bağlantısı, kök kaynaklı yüksek basınç, termal bisiklet ve mekanik titreşimin tamlığı ve elektrik sürekliliği onaylanması için test edilebilir. test marjı uygulama tarafından değişir: uzay sistemleri genellikle en kötü tahminlerin ötesinde 5-10°C'ye kadar çalışır.
Gerçek Dünya Vaka Çalışmaları
Mars Rovers: Perbat ve Ötesinde
NASA tüpünün uzunluğu: 0,2.Dörtücükler, yüksek çözünürlükte bir çatıdaki bir çatı parçasına sahip olan ve yarı iletken bir şekilde sabitlenmiş olan ısıtıcılar için, yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan bir sistemli bir şekilde, yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir optik diskole birlikte, yüksek çözünürlükte bulunan bir çatıdaki ısıtılır.
Mars helikopteri Ingenuity, Dünya’nın her uçuştan önce hafif karbon fiber rotorları ile sınırlı olduğu için sadece% 1'i kontrol eden bir atmosferde gösterdi.Ingenuity, gelecekteki Mars misyonlarının tasarımı konusunda doğrudan bilgi sahibi olmak üzere, yüksek çözünürlükte olan hava araçlarının yüksek hızda geri çekilmesini sağlıyor.
Deep-Sea Uzaktan Kontrollü Araçlar
Mekanik yüklere sahip olan ve betonarme sistemleri, yüksek çözünürlükte sabit disklerin sabitlenmesini sağlayan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte sabit disklerin sabitlenmesini sağlar.
HGIN serisi gibi Özerk sualtı araçları, dayanıklılık ve özerklik sınırlarını zorlar, bağlantı olmadan günlerce çalışır. Basınçlı elektronikler - petrol dolu bölmeler olmadan parçalar yağ dolu bölmeler - tam olarak yüzeye çıkarlarken - sabit ve hacimler. Navigation, Doppler hız logları ve akustik konumları tarafından yardımcı olmak için gerekli olan enerji yoğunluklarını sağlamak için uzun süre boyunca gerekli olan yüksek çözünürlükte.
Nükleer Dekommisyon
Fukushima Daiichi nükleer bitkisinde, geniş tasarım marjları ile basitleştirilmiş devreler, kırışıklık ve tozlular gibi robotlar, kontrol mimarisinin çok radyoaktif birincil kaynak kodlu gemiler arasında geçiş yapmasına izin verildiğinde, elektronikleri radyasyona bağlı olarak yüksek çözünürlükte, optik tetherüller ve betona dönük olarak optimize edilmiş bir devreler için daha iyileştirici bir şekilde optimize edilmiş hale getirildi.
Birleşik Krallık'ta, Satafield nükleer sitesi, radyasyonun bozulmasına karşı yeniden kullanılabilir hale gelen eklem ve mineral yağ yağ yağ yağ yağ yağ yağ yağlarının atık retrieval'ye monte edilmiş robot kolları kullanıyor. Tüm elektrik konektörleri, sınırlı görünürlükle donatılmış yüksek hacimli ortamlarda çalışır ve navigasyona bağlı yazılımlar ve kontrol yazılımları, otomatik olarak kol ve güçlendiricileri otomatik olarak devre dışı bırakırsa, elektrik kabloları ve elektriksel kablolar da operatörün kaybolduğu takdirde iletişim seviyelerinden tasarruf edilir.
Gelişen Sınırlar ve Future Developments
Ek olarak, yüksek çözünürlük veya yerel regolith baskılarından oluşan yedek parçalara dönüştürülür. Direkt metal lazer sintering, karmaşık konfor kanallarını makineye çıkarmak için imkansız hale getirir[DDDD) Metal tozlarının yapısal bileşenleri üretmek için mikrogravity üzerinde nasıl işlenebilir ve test edilebilir bir dizi test için mikrogravitys.
Malzeme bilimi, gezegendeki kayaları veya atomik saatlerini ve mikro-elektromekanik sistemi (MEMS) etkisiz hale getirerek, yüksek kapasiteli karbon fiberleri kendi ölçeklendirmek için birleştirir.
Yapay zeka ve kenar hesaplaması daha da özerkliğe yol açıyor. Vizyon tabanlı simultasyon ve haritalama (SLAM) algoritmaları düşük güçli GPU'larda çalışan algoritmaların, GPS olmadan yapılandırılan ortamlardaki iletişim gecikmeleri, küçük mechatronic birimlerinin çiftliği kontrollerini sınıflandırmasını sağlar, anomalileri tespit eder ve temel olarak veri aktarımını sağlar.
Çevreden enerji üretimi – sıcak borulardamoelektrik jeneratörleri, mevcut depolama makinelerinde veya küçük radyoizotope güç kaynaklarına dayanan nano-düşük noktaların elektrikleşimsel olarak sabitlenmesi ve iletim hatlarının oluşturulması için gerekli olan mikro-güvenli enerji kaynakları, uzun süredir operasyonel enerji verimliliğin arttırılmasına dayanan uzun süre boyunca, radyoaktif enerji verimliliğin arttırılmasına ve organik maddeye dönüşen mikro-kanıraktın depolanmasına ihtiyacı olan mikro-kanıtma cihazlarının oluşturulmasına ihtiyaç duyar.
Derslerin Uygulamaya Bütünleştirilmesi
Aşırılar için bir mechatronic sistemi tasarlamak bir kontrol listesi egzersiz değildir, ancak rekabet kısıtlamaları arasındaki sürekli bir müzakeredir.Malzeme seçimi tüm tasarım yoluyla dalgalanmalar, hızlı ortamlar ve geri bildirim döngülerine maruz kalan temel bilgileri etkiler. Elektronik zorlama, yazılım ve güç bütçesini etkiler. Mekanik kararlar, aşırı ortamlar için uyarlanabilirlik için en başarılı projeler en erken aşamadan çok disiplinli ko-tasarım, prototipleri ortaya çıkarmak için ortaya çıkan sert ortamlara ve geri bildirim döngülerine maruz kalır.
Projedeki bilgi yönetimi, hataların derslerini yakalamak için tasarım incelemelerini hızlandırıyor - Hubble Uzay Teleskobunun ayna aberasyon veya Mars Polar Lander'in erken motoru kapanmasına izin veriyor - yüksek enerjili proseslerin tekrarlanması, bu sistemler, gözlerimiz, eller ve zihinler gibi - daha küçük yapıların araştırmalarına katkıda bulunmalarına izin veren tasarımları ve izin veren mühendislere erişimi demokratikleştirmek.