⚡ Энергия и питание роботов

1Проверяем подключения: ✅ Все в порядке
2Проверяем программу: ✅ Без ошибок
3Проверяем моторы: ✅ Работают
4Проверяем батарею: ❌ 0% заряда!

1Мощность: 20-40 Вт
2Время работы: 60-120 минут
3Тип питания: Li-ion аккумулятор 14.4В
4Емкость: 2600-5200 мАч
5Время зарядки: 3-5 часов

1Мощность: 5-15 Вт  
2Время работы: 15-30 минут
3Тип питания: Li-Po аккумулятор 7.4В
4Емкость: 1000-2000 мАч
5Время зарядки: 1-2 часа

1Мощность: 2-5 Вт
2Время работы: 2-4 часа
3Тип питания: AA батарейки 6В
4Емкость: 2000-3000 мАч
5Замена: мгновенно

1Мощность: 50-200 Вт
2Время работы: 10-30 минут  
3Тип питания: Li-Po 3S/4S
4Емкость: 1000-6000 мАч
5Время зарядки: 30-60 минут

1Что это: Движение электрических зарядов
2Единица измерения: Ампер (А), миллиампер (мА)
3Аналогия: Количество воды, текущей по трубе
4
5Примеры:
6- Светодиод: 20 мА = 0.02 А
7- Мотор LEGO: 100-300 мА = 0.1-0.3 А
8- Смартфон: 500-2000 мА = 0.5-2 А
9- Автомобильная лампа: 5 А

1Что это: "Давление" электричества
2Единица измерения: Вольт (В)
3Аналогия: Давление воды в трубе
4
5Стандартные напряжения:
6- 1 пальчиковая батарейка: 1.5 В
7- 4 батарейки AA: 6 В
8- Автомобильный аккумулятор: 12 В
9- Домашняя розетка: 220 В

1Что это: Скорость потребления энергии
2Единица измерения: Ватт (Вт)
3Формула: P = U × I
4
5Расчет мощности:
6P = 6 В × 0.2 А = 1.2 Вт (мотор робота)
7P = 220 В × 0.1 А = 22 Вт (светодиодная лампа)

 1U = I × R
 2
 3где:
 4U - напряжение (В)
 5I - ток (А)  
 6R - сопротивление (Ом)
 7
 8Или в других видах:
 9I = U / R
10R = U / I

 1Дано:
 2Напряжение питания: 5 В
 3Напряжение светодиода: 2 В
 4Ток светодиода: 20 мА = 0.02 А
 5
 6Найти: Сопротивление ограничивающего резистора
 7
 8Решение:
 9Напряжение на резисторе: 5 - 2 = 3 В
10R = U / I = 3 / 0.02 = 150 Ом

1Дано:
2Напряжение: 6 В
3Сопротивление мотора: 20 Ом
4
5Найти: Ток потребления
6
7Решение:
8I = U / R = 6 / 20 = 0.3 А = 300 мА

1Что это: Способность совершать работу
2Единицы измерения: 
3- Джоуль (Дж) - в физике
4- Ватт-час (Вт⋅ч) - для батарей
5- Киловатт-час (кВт⋅ч) - для дома
6
7Формула: E = P × t
8где t - время работы

1Что это: Количество заряда, которое может накопить
2Единица измерения: Ампер-час (А⋅ч), миллиампер-час (мА⋅ч)
3
4Примеры емкости:
5- AA батарейка: 2000-3000 мА⋅ч
6- Телефон: 3000-5000 мА⋅ч  
7- Ноутбук: 50-100 Вт⋅ч
8- Автомобиль: 60-100 А⋅ч
9- Tesla Model S: 100 кВт⋅ч

1Формула: t = Емкость / Ток потребления
2
3Пример:
4Емкость батареи: 2000 мА⋅ч
5Ток робота: 200 мА
6Время работы: 2000 / 200 = 10 часов
7
8Но в реальности нужно учесть КПД ~80%:
9Реальное время: 10 × 0.8 = 8 часов

 1Типы размеров:
 2- AAA (мизинчиковые): 1.5В, 1000-1200 мА⋅ч
 3- AA (пальчиковые): 1.5В, 2000-3000 мА⋅ч  
 4- C (средние): 1.5В, 6000-8000 мА⋅ч
 5- D (большие): 1.5В, 15000-20000 мА⋅ч
 6- 9В (Крона): 9В, 400-600 мА⋅ч
 7
 8Преимущества:
 9+ Дешевые и доступные
10+ Долго хранятся (5-10 лет)
11+ Стабильное напряжение
12+ Не требуют зарядки
13
14Недостатки:
15- Одноразовые (неэкологично)
16- Высокое внутреннее сопротивление
17- Плохо работают при больших токах
18- Дорогие в долгосрочной перспективе

 1Характеристики:
 2- Напряжение: 1.2 В (вместо 1.5 В у батареек)
 3- Емкость AA: 1800-2700 мА⋅ч
 4- Циклы заряд/разряд: 500-1000
 5- Саморазряд: 20-30% в месяц
 6
 7Преимущества:
 8+ Перезаряжаемые (экономия + экология)
 9+ Большой ток разряда
10+ Безопасные
11+ Работают при низких температурах
12
13Недостатки:
14- Нужно заряжать
15- Саморазряд (теряют заряд без работы)
16- Чуть меньше напряжение
17- Эффект памяти (слабый)

 1Характеристики:
 2- Напряжение: 3.6-3.7 В за элемент
 3- Высокая энергоплотность
 4- Циклы: 300-500 (телефоны), 1000+ (качественные)
 5- Почти нет саморазряда
 6
 7Преимущества:
 8+ Высокая емкость при малом весе
 9+ Нет эффекта памяти
10+ Низкий саморазряд
11+ Стабильное напряжение
12
13Недостатки:
14- Дорогие
15- Требуют специальную зарядку
16- Опасны при повреждении
17- Деградируют со временем

 1Технические параметры:
 2- Напряжение: 3.7В за элемент
 3- Конфигурации: 1S, 2S, 3S, 4S...
 4  (1S = 3.7В, 2S = 7.4В, 3S = 11.1В, 4S = 14.8В)
 5- Высокий ток разряда (10-50С)
 6- Различные формы (плоские, цилиндрические)
 7
 8C-рейтинг (скорость разряда):
 9- 1С = разряд за 1 час
10- 10С = разряд за 6 минут  
11- 25С = разряд за 2.4 минуты
12
13Пример: Аккумулятор 1000 мА⋅ч, 25С
14Максимальный ток: 1000 × 25 = 25000 мА = 25 А

1Радиоуправляемые модели:
2- Самолеты: 2S-6S Li-Po
3- Машины: 2S-3S Li-Po  
4- Квадрокоптеры: 3S-6S Li-Po
5
6Роботы:
7- Маленькие роботы: 1S-2S Li-Po
8- Средние роботы: 3S Li-Po
9- Большие роботы: 4S-6S Li-Po

1Для обучения: NiMH AA (безопасно, экономично)
2Для проектов: Li-ion 18650 (баланс параметров)
3Для соревнований: Li-Po (максимальная мощность)
4Для демонстраций: Щелочные AA (всегда работают)

 1Мультиметр = Универсальный измерительный прибор
 2
 3Может измерять:
 4- Напряжение (вольтметр)
 5- Ток (амперметр)
 6- Сопротивление (омметр)
 7- Частоту, емкость (продвинутые модели)
 8
 9Типы:
10- Аналоговые (стрелочные) - старые
11- Цифровые - современные и точные

 1Подключение: ПАРАЛЛЕЛЬНО источнику
 21. Красный щуп → "+" батареи
 32. Черный щуп → "-" батареи
 43. Переключатель → V (постоянное напряжение)
 54. Читаем показания на дисплее
 6
 7Результат: 
 8- Новая батарейка AA: ~1.6 В
 9- Разряженная батарейка: <1.2 В
10- Аккумулятор NiMH: ~1.3 В

 1ВАЖНО: Ток измеряется ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО!
 2
 3Схема подключения:
 4Батарея(+) → Мультиметр → Нагрузка → Батарея(-)
 5
 6Пошагово:
 71. Отключить питание робота
 82. Переключить мультиметр в режим "А" (амперметр)
 93. Красный щуп в гнездо "А" или "mA"
104. Включить мультиметр в цепь последовательно
115. Включить робота и снять показания
12
13⚠️ ВНИМАНИЕ: 
14- Не подключать амперметр параллельно!
15- Может сгореть предохранитель мультиметра

11. Подключить мотор через мультиметр
22. Измерить ток без нагрузки (холостой ход)
33. Постепенно увеличивать нагрузку на мотор
44. Записать изменения тока
55. Построить график зависимости

1Время работы = Емкость батареи / Средний ток потребления
2
3t = C / I_ср
4
5где:
6t - время работы (часы)
7C - емкость (мА⋅ч)  
8I_ср - средний ток потребления (мА)

 1Компоненты и их потребление:
 2- Микроконтроллер: 30 мА
 3- 2 мотора (движение): 2 × 200 = 400 мА
 4- Ультразвуковой датчик: 15 мА
 5- Светодиоды: 2 × 20 = 40 мА
 6
 7Общий ток: 30 + 400 + 15 + 40 = 485 мА
 8
 9Батареи: 4×AA NiMH по 2200 мА⋅ч
10Время работы: 2200 / 485 ≈ 4.5 часа
11
12С учетом КПД 80%: 4.5 × 0.8 ≈ 3.6 часа

1Режимы работы:
2- Ожидание (50% времени): 50 мА
3- Движение базы (20% времени): 300 мА  
4- Работа манипулятора (30% времени): 600 мА
5
6Средний ток:
7I_ср = 0.5×50 + 0.2×300 + 0.3×600 = 25 + 60 + 180 = 265 мА
8
9Время работы: 2200 / 265 ≈ 8.3 часа

 11. Выбор эффективных компонентов:
 2   - Светодиоды вместо ламп накаливания
 3   - Энергоэффективные моторы
 4   - Микроконтроллеры с низким потреблением
 5   - Датчики с малым током покоя
 6
 72. Правильное питание:
 8   - Стабилизированное напряжение
 9   - Фильтрация помех
10   - Защита от переполюсовки
11   - Контроль заряда аккумуляторов

 11. Режимы сна:
 2   - Отключение неиспользуемых модулей
 3   - Снижение частоты процессора
 4   - Периодическое пробуждение для проверок
 5
 62. Умные алгоритмы:
 7   - Планирование оптимальных маршрутов
 8   - Прогнозирование и предвычисления
 9   - Адаптивное изменение скорости
10   - Отключение ненужных функций

 1Когда использовать: Робот не выполняет задач
 2Потребление: 1-10 мА (вместо 50-200 мА)
 3Время пробуждения: 1-100 мс
 4Экономия: 80-95%
 5
 6Что отключается:
 7- Большинство периферии
 8- Высокочастотный тактовый генератор  
 9- Неиспользуемые модули процессора
10- Подсветка дисплеев
11
12Что остается активным:
13- Внутренний таймер пробуждения
14- Некоторые внешние прерывания
15- Оперативная память

1Когда использовать: Кратковременные паузы
2Потребление: 20-50 мА
3Время пробуждения: мгновенно
4Экономия: 50-70%
5
6Пример использования:
7- Ожидание команды с пульта
8- Пауза между измерениями датчиков
9- Ожидание завершения механических операций

 1Алгоритм контроля заряда:
 2
 31. Измерение напряжения батареи
 4   - 100% заряд: 6.4-6.6 В (4×NiMH)
 5   - 50% заряд: 5.6-5.8 В
 6   - 20% заряд: 5.0-5.2 В (критический уровень)
 7   - 0% заряд: <4.8 В (немедленное отключение)
 8
 92. Адаптивное поведение:
10   - При 100-80%: полная функциональность
11   - При 80-50%: снижение яркости светодиодов
12   - При 50-20%: отключение некритичных функций
13   - При <20%: аварийный режим (только базовые функции)

 1Прогнозирование энергопотребления:
 2
 31. Анализ предстоящих задач:
 4   - Сколько времени займет выполнение?
 5   - Какие компоненты будут использоваться?
 6   - Можно ли отложить энергозатратные операции?
 7
 82. Планирование маршрута:
 9   - Кратчайший путь = меньше энергии
10   - Избегание препятствий заранее
11   - Использование инерции (накат)
12
133. Распределение нагрузки:
14   - Выполнение тяжелых вычислений при полном заряде
15   - Отложенная обработка данных
16   - Сжатие данных перед передачей

1Компоненты:
2- Микроконтроллер: 40 мА
3- 2 мотора (постоянно): 400 мА
4- 5 светодиодов: 100 мА  
5- Датчик расстояния: 15 мА
6- Звуковой модуль: 50 мА
7
8Общее потребление: 605 мА
9Время работы: 2200/605 = 3.6 часа

 1Улучшения:
 2- Микроконтроллер в спящем режиме: 5 мА (экономия 35 мА)
 3- Моторы только при движении (50% времени): 200 мА (экономия 200 мА)
 4- Светодиоды по необходимости (20% времени): 20 мА (экономия 80 мА)
 5- Датчик только при измерении (10% времени): 1.5 мА (экономия 13.5 мА)
 6- Звук только при событиях (5% времени): 2.5 мА (экономия 47.5 мА)
 7
 8Новое потребление: 229 мА
 9Время работы: 2200/229 = 9.6 часа
10
11УЛУЧШЕНИЕ: В 2.7 раза больше времени работы!

 1Принцип работы:
 2Солнечный свет → Фотовольтаические элементы → Электричество
 3
 4Характеристики:
 5- Напряжение: 3-12 В (в зависимости от количества элементов)
 6- Мощность: 0.5-20 Вт (для мобильных роботов)
 7- КПД: 15-22% (современные панели)
 8- Срок службы: 20-25 лет
 9
10Зависимость от освещенности:
11- Яркое солнце: 100% мощности (1000 Вт/м²)
12- Облачно: 10-25% мощности
13- Искусственное освещение: 1-5% мощности
14- Ночь: 0% мощности

 1Марсоходы NASA:
 2- Spirit и Opportunity: солнечные панели + аккумуляторы
 3- Рабочий день: 4-6 часов при солнце
 4- Время миссии: планировалось 90 дней, работали годы!
 5
 6Роботы-газонокосилки:
 7- Солнечная панель заряжает аккумулятор
 8- Работа в облачную погоду за счет накопленной энергии
 9- Полная автономность в солнечных регионах
10
11Беспилотные автомобили:
12- Солнечные панели на крыше как дополнительный источник
13- Увеличение дальности поездки на 10-20%

 1Для роботов: Микро ветрогенераторы
 2Мощность: 1-50 Вт
 3Применение: 
 4- Стационарные роботы-метеостанции
 5- Роботы на открытых пространствах
 6- Подзарядка при движении (встречный ветер)
 7
 8Проблемы:
 9- Непостоянство ветра
10- Вибрации и шум
11- Сложность конструкции

 1Принцип: Водород + Кислород → Электричество + Вода
 2
 3Преимущества:
 4+ Высокая энергоплотность
 5+ Только вода как побочный продукт
 6+ Быстрая "заправка" водородом
 7+ Работа при любой погоде
 8
 9Недостатки:
10- Очень дорогие
11- Нужна инфраструктура для водорода
12- Сложность и опасность хранения водорода
13- Пока только для крупных роботов

 1Принципы:
 2- Рекуперация при торможении
 3- Использование вибраций
 4- Энергия от движений человека
 5
 6Применение:
 7- Электромобили (рекуперативное торможение)
 8- Роботы-спутники человека (энергия от ходьбы)
 9- Вибрационные генераторы в промышленности
10
11Мощность: обычно небольшая (милливатты-ватты)

 1Технологии:
 21. Индуктивная передача (ближнее поле)
 3   - Расстояние: 1-10 см
 4   - КПД: 70-90%
 5   - Применение: зарядные платформы для роботов
 6
 72. Резонансная передача (среднее поле)  
 8   - Расстояние: 10-200 см
 9   - КПД: 40-80%
10   - Применение: зарядка в рабочей зоне
11
123. Микроволновая передача (дальнее поле)
13   - Расстояние: метры-километры
14   - КПД: 10-40%
15   - Применение: космические роботы, дроны

 1Биотопливные элементы:
 2- Используют органические вещества
 3- Бактерии производят электричество
 4- Очень малая мощность, но долговечность
 5
 6Имитация фотосинтеза:
 7- Искусственные листья
 8- Прямое превращение CO₂ и света в электричество
 9- Пока на стадии исследований
10
11Термоэлектрические генераторы:
12- Используют разность температур
13- Применение: роботы в экстремальных условиях
14- Низкий КПД, но надежность

 1Проблемы:
 2- Токсичные материалы (свинец, кадмий, литий)
 3- Загрязнение почвы и воды
 4- Накопление в природе
 5
 6Решения:
 7- Специальные пункты приема батарей
 8- Переработка ценных металлов
 9- Разработка биоразлагаемых батарей
10- Увеличение срока службы аккумуляторов

 1Принципы:
 21. Возобновляемые источники энергии
 32. Максимальная энергоэффективность
 43. Долговечность и ремонтопригодность
 54. Правильная утилизация в конце срока службы
 6
 7Будущее:
 8- Роботы на 100% возобновляемой энергии
 9- Энергетическая автономность
10- Симбиоз с природными экосистемами
11- Роботы как часть "зеленой" экономики