Источник: https://www.grepow.com/blog/what-are-the-drone-smart-battery-protocols.html
Что такое «умная» батарея для дрона?
Интеллектуальная батарея для дрона - это тип батареи со встроенным интеллектом (через систему управления батареей, или BMS), который позволяет ей предоставлять подробную информацию в режиме реального времени о своем состоянии, здоровье и производительности. Сюда входят данные о напряжении, токе, температуре, состоянии заряда (SoC), состоянии здоровья (SoH) и сроке службы. Умные батареи также могут поддерживать такие функции безопасности, как защита от перегрузки по току, защита от перезаряда/переразряда и регулировка температуры, чтобы предотвратить повреждение батареи или дрона.
В отличие от этого, обычная не «умная» батарея просто обеспечивает питание, не предлагая никаких дополнительных функций управления данными или безопасностью. Для отслеживания уровня заряда таких батарей обычно используются внешние устройства (например, внешнее зарядное устройство или монитор), и в них отсутствуют встроенные датчики и коммуникационные интерфейсы, которые есть в «умных» батареях.
Общие протоколы интеллектуальных батарей дронов
Протоколы интеллектуальных батарей дронов предназначены для мониторинга и управления здоровьем, состоянием и производительностью батарей дронов в режиме реального времени. Эти протоколы позволяют BMS передавать важную информацию, такую как напряжение, ток, температура, SoC и SoH, полетному контроллеру дрона, обеспечивая безопасную и эффективную работу. Выбор протокола зависит от конкретного применения, требований к производительности и конструкции дрона.
1. I2C (Inter-Integrated Circuit)
●Описание: Последовательный протокол связи, часто используемый для низкоскоростной связи на коротких расстояниях между устройствами на одной плате или внутри системы.
Применение: Обычно используется для контроля состояния батареи, особенно в потребительских и небольших беспилотных летательных аппаратах. Он позволяет системе управления батареей (BMS) передавать данные полетному контроллеру.
●Преимущества:
1. Простота и экономичность
2. Низкое энергопотребление
3. Позволяет нескольким устройствам использовать одну и ту же коммуникационную шину
Недостатки:
1. Малая дальность связи (ограничена устройствами на одной печатной плате или близко расположенными друг к другу)
2. Низкая скорость передачи данных по сравнению с другими протоколами
2. Шина CAN (сеть контроллеров - (Controller Area Network)
●Описание: Надежный и высокоскоростной протокол связи, разработанный для распределенных систем, позволяющий различным устройствам (например, двигателям, датчикам и системам управления аккумуляторами) эффективно взаимодействовать друг с другом.
Применение: Используется для более продвинутых беспилотников, особенно в промышленных, коммерческих и высокопроизводительных приложениях, где требуется быстрая и надежная связь. Особенно подходит для тяжелых дронов или дронов, требующих связи между несколькими системами.
Преимущества:
1. Высокоскоростная связь с низкой задержкой
2. Поддерживает связь на большие расстояния
3. Высокая надежность в шумной среде
4. Возможность работы с несколькими устройствами на одной шине без снижения производительности
Недостатки:
1. Требует более сложной разводки и аппаратного обеспечения, чем I2C
2. Более высокая стоимость реализации и компонентов
3. SMBus (шина управления системой)
●Описание: Подмножество I2C, предназначенное для управления питанием в компьютерах и встраиваемых системах. Часто используется для мониторинга состояния батареи и связи с такими устройствами, как зарядные устройства, датчики и BMS.
Применение: Обычно используется в небольших беспилотниках или приложениях, не требующих высокоскоростной работы шины CAN. Обычно встречается в беспилотниках потребительского класса.
●Преимущества:
1. Относительно простая реализация
2. Использует те же принципы, что и I2C, поэтому может быть совместим с системами на базе I2C.
●Недостатки:
1. Медленнее, чем шина CAN
2. Связь на коротких расстояниях
4. UART (универсальный асинхронный приемник-передатчик - Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)
●Описание: Протокол последовательной связи, обеспечивающий асинхронный обмен данными между устройствами.
Применение: Часто используется для мониторинга состояния батареи и связи с полетными контроллерами. Некоторые потребительские дроны используют UART для базового обмена данными о состоянии батареи.
●Преимущества:
1. Простота реализации и использования
2. Низкая стоимость
3. Возможность работы на более высоких скоростях по сравнению с I2C и SMBus
Недостатки:
1. Менее надежны для связи между несколькими устройствами, чем I2C и CAN Bus
2. Дальность связи обычно ограничена
5. Bluetooth Low Energy (BLE)
●Описание: Протокол беспроводной связи, предназначенный для передачи данных на короткие расстояния с низким энергопотреблением.
Применение: Часто используется для мониторинга состояния батареи и связи с мобильными приложениями или наземными станциями управления. BLE может использоваться для мониторинга состояния батареи в режиме реального времени через смартфоны или планшеты, предоставляя данные о состоянии и здоровье батареи.
●Преимущества:
1. Беспроводная связь обеспечивает гибкость и удобство
2. Низкое энергопотребление, идеально подходит для устройств с питанием от батареи
●Недостатки:
1. Небольшая дальность связи (обычно 10-100 метров)
2. Ограниченная пропускная способность, поэтому он не подходит для высокоскоростных приложений с большим объемом данных.
6. Modbus
●Описание: Последовательный протокол связи, используемый в промышленных системах управления. Он обычно используется для интеграции таких устройств, как датчики и системы управления батареями.
Применение: Промышленные беспилотники или целые парки беспилотников могут использовать Modbus для передачи данных о батарее между различными устройствами или сетевыми системами.
●Преимущества:
1. Надежность и широкое применение в промышленных приложениях
2. Поддерживает множество устройств и большие расстояния связи
●Недостатки:
1. Более сложная реализация по сравнению с такими простыми протоколами, как I2C или UART
2. Более низкая скорость передачи данных по сравнению с шиной CAN
7. Wi-Fi
●Описание: Wi-Fi используется для высокоскоростной и дальней беспроводной связи между дронами и наземными станциями управления, а также может применяться для мониторинга состояния батареи в некоторых современных системах.
Применение: Высокотехнологичные потребительские или коммерческие беспилотники могут использовать Wi-Fi для передачи данных о состоянии батареи, а также телеметрии и видео.
●Преимущества:
1. Высокоскоростная передача данных (может обрабатывать видео и телеметрические данные наряду с мониторингом батареи).
2. Дальняя связь (может работать на расстоянии от нескольких сотен метров до километров, в зависимости от установки).
Недостатки:
1. Потребляет больше энергии, чем BLE или другие маломощные беспроводные протоколы
2. Может быть подвержен помехам в переполненном Wi-Fi окружении.
В чем разница между использованием различных протоколов?
1. Скорость и задержка
●CAN Bus - самый быстрый и надежный протокол для связи в реальном времени с минимальной задержкой, что очень важно для дронов, требующих быстрого обмена данными между батареей и полетным контроллером, особенно во время высокопроизводительных полетов.
●I2C и SMBus работают медленнее, но их вполне достаточно для потребительских дронов, где высокоскоростная связь не так важна.
●UART обеспечивает более высокую скорость, чем I2C, но не так часто используется для управления батареей в беспилотниках.
●BLE и Wi-Fi подходят для менее скоростных и менее критичных приложений, таких как мониторинг состояния батареи через мобильное устройство.
2. Дальность и надежность
Шина CAN поддерживает большие расстояния (несколько метров) и отличается высокой надежностью в шумной среде, что делает ее идеальной для больших беспилотников и коммерческих приложений.
●I2C ограничивается связью на коротких расстояниях (обычно на одной печатной плате или внутри устройства) и поэтому больше подходит для небольших дронов.
●BLE имеет ограниченный радиус действия (около 100 метров), что делает его подходящим для локального мониторинга, но не для критически важной связи в полете.
●Wi-Fi обладает потенциалом для дальней связи, но может страдать от помех в переполненном беспроводном окружении.
3. Потребление энергии
Протокол ●BLE специально разработан для приложений с низким энергопотреблением, что делает его идеальным для систем с батарейным питанием, где минимальный расход энергии является критически важным.
●I2C, SMBus и UART также являются маломощными протоколами, но они могут быть не столь эффективными, как BLE, с точки зрения энергопотребления.
●CAN-шина и Wi-Fi потребляют больше энергии из-за более высокой скорости и большего радиуса действия.
4. Сложность и стоимость
●I2C и UART относительно просты в реализации и недороги, что делает их подходящими для потребительских беспилотников и базовых систем управления батареями.
Шина CAN более сложна и требует дополнительного оборудования, но она необходима для высокопроизводительных и промышленных дронов, где требуются надежность и скорость.
●Wi-Fi и BLE обеспечивают удобство и гибкость, но требуют беспроводных модулей, которые увеличивают стоимость и энергопотребление.
5. Пропускная способность передачи данных
Шина CAN поддерживает высокую пропускную способность и способна передавать больше данных в режиме реального времени без особых задержек, что делает ее идеальной для приложений с большим объемом данных, таких как промышленные дроны или дроны, используемые для подъема тяжестей.
●Wi-Fi также поддерживает высокую передачу данных, особенно для потокового видео, телеметрии и данных о состоянии батареи.
●I2C и SMBus обеспечивают более низкую скорость передачи данных, что может ограничить их использование в более сложных приложениях.
Какой протокол выбрать?
Выбор протокола для интеллектуальных батарей дронов зависит от сферы применения дрона, требований к производительности и стоимости:
● Для потребительских дронов для базового управления и мониторинга батареи может быть достаточно I2C, SMBus или UART.
● Для промышленных, коммерческих или тяжелых беспилотников часто предпочитают использовать шину CAN благодаря ее высокой скорости, надежности и большему радиусу действия.
●Wi-Fi и BLE обеспечивают гибкость беспроводной связи, но обычно используются для более некритичных задач, таких как обновление состояния батареи через мобильные устройства.
Выбор протокола также влияет на энергопотребление, скорость передачи данных и надежность, поэтому при проектировании беспилотной системы необходимо учитывать все компромиссы.
В чем разница между протоколом батареи и протоколом дрона?
Протоколы связи, используемые интеллектуальными батареями дронов и самими дронами, часто связаны между собой, но выполняют разные функции в системе дронов. Несмотря на некоторое дублирование, протоколы, используемые дронами и их батареями, предназначены для решения различных аспектов работы дрона, от мониторинга батареи до полного управления дроном и телеметрии. Ниже приведены различия между протоколами, используемыми для «умных» батарей, и протоколами, используемыми для дронов в целом:
1. Назначение протоколов
Умные батареи для дронов:
Протоколы связи, используемые умными батареями, направлены на мониторинг состояния, статуса и производительности батареи. Эти протоколы предоставляют данные о напряжении, токе, температуре, состоянии заряда (SoC), состоянии здоровья (SoH), количестве циклов и других важных параметрах, которые помогают обеспечить безопасную и эффективную работу батареи. Система связи батареи часто взаимодействует с системой управления батареей (BMS), которая управляет зарядкой, разрядкой и защитой.
Беспилотники:
Протоколы связи, используемые в беспилотниках, охватывают более широкий спектр систем, включая полетный контроллер, навигацию, связь с дистанционным управлением, телеметрию и системы полезной нагрузки (например, камеры, датчики). Эти протоколы обеспечивают управление дроном в режиме реального времени, а также обмен данными о полете между дроном и оператором или между дроном и его бортовыми системами.
Протоколы для беспилотников включают в себя управление полетом, телеметрию, удаленную связь (например, передачу видеосигнала), а иногда и диагностику системы.
2. Общие протоколы для умных батарей и дронов
Протоколы для аккумуляторов:
Эти протоколы в основном используются для мониторинга параметров конкретной батареи. Примеры включают:
I2C (Inter-Integrated Circuit), CAN Bus (Controller Area Network), SMBus (System Management Bus), UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) и Bluetooth Low Energy (BLE).
Modbus
Протоколы дрона:
Эти протоколы управляют общим управлением и телеметрией дрона, обеспечивая связь между дроном и его контроллером, бортовыми и внешними системами. К распространенным протоколам связи дронов относятся:
◆MAVLink (Micro Air Vehicle Link) - протокол для управления полетом дрона и телеметрии (используется в системах автопилота с открытым исходным кодом, таких как ArduPilot и PX4).
◆Wi-Fi - используется для передачи видео, телеметрии, а иногда и команд управления.
◆Радиочастотные (RF) протоколы - включают Wi-Fi, 2,4 ГГц/5,8 ГГц, а также проприетарные RF-системы, используемые коммерческими дронами для управления и телеметрии (например, DJI Lightbridge).
◆Bluetooth - часто используется для локального управления и передачи данных на короткие расстояния (например, для взаимодействия с мобильными приложениями).
◆Ethernet - в некоторых продвинутых дронах используется для быстрой проводной связи, особенно в промышленных или высокопроизводительных дронах.
◆GPS/ГЛОНАСС - протоколы навигационных и позиционных данных для отслеживания местоположения в режиме реального времени.
3. Различия в типах данных
● Связь с аккумулятором:
Данные, передаваемые по протоколам аккумуляторов, в основном касаются напряжения, тока, температуры и других параметров, влияющих на состояние и использование аккумулятора.
Протоколы, используемые батареями, могут передавать такие данные, как уровень заряда, скорость разряда, температурные пределы, состояние заряда (SoC) и состояние здоровья (SoH).
● Связь с дронами:
Беспилотники используют различные протоколы для передачи телеметрии, команд управления, навигации и управления полезной нагрузкой.
Сюда входят протоколы для полетных данных (например, высота, скорость, ориентация), сигналов дистанционного управления, данных GPS, видеосигнала и планирования миссии.
4. Data Transmission Range and Speed
● Протоколы аккумуляторов:
Многие протоколы аккумуляторов (например, I2C, SMBus, CAN Bus) предназначены для связи на коротких расстояниях между компонентами внутри дрона или с наземной станцией.
CAN Bus, например, обеспечивает быструю и надежную связь между батареей и полетным контроллером, но не требует дальнего радиуса действия.
BLE также используется для связи на короткие расстояния с низким энергопотреблением, обычно между батареей и мобильным устройством для обновления статуса.
Протоколы для дронов:
Протоколы связи с дронами (например, MAVLink, Wi-Fi, радиочастотная связь) часто должны покрывать большие расстояния и поддерживать более высокую скорость передачи данных, особенно для дистанционного управления и телеметрии, а также для передачи видео.
Протоколы Wi-Fi и RF используются для связи на больших расстояниях между дроном и его оператором или системой управления.
5. Взаимодействие с другими системами дронов
● Протоколы батареи:
Связь с батареей в основном обеспечивает взаимодействие с системой управления батареей (BMS) для мониторинга и контроля состояния батареи.
Обычно BMS напрямую взаимодействует с полетным контроллером, чтобы предотвратить чрезмерный разряд батареи, обеспечить надлежащую зарядку и сообщить оператору о состоянии батареи.
Протоколы беспилотников:
У дронов более сложная система связи, в которой взаимодействуют несколько протоколов:
Протоколы полетного контроллера обеспечивают связь с двигателями, GPS и гироскопами для обеспечения стабильного полета.
Телекоммуникационные протоколы (например, Wi-Fi, RF) обеспечивают передачу данных между дроном и пультом управления оператора или позволяют управлять полезной нагрузкой (например, камерой, сенсорными системами).
Навигационные протоколы, такие как GPS, позволяют дрону знать свое местоположение и следовать путевым точкам или дистанционно управляться.
6. Сложность связи
Протоколы для аккумуляторов:
Протоколы связи с батареей часто более просты, поскольку роль батареи ограничивается управлением питанием, а не всей системой.
Протоколы беспилотников:
Протоколы связи с дронами обычно более сложны, поскольку они управляют множеством подсистем, от управления полетом до телеметрии и управления полезной нагрузкой.
Должны ли протоколы Smart Battery и Drone быть одинаковыми?
Нет, они не обязательно должны использовать один и тот же протокол, но они должны быть совместимы. Они выполняют разные функции и предназначены для обработки разных типов данных. Протокол аккумулятора ориентирован на управление состоянием и питанием батареи, а протокол дрона - на управление и телеметрию для всего дрона. Полетный контроллер дрона и система управления батареей (BMS) могут использовать разные протоколы, если только полетный контроллер может считывать и интерпретировать данные с батареи и использовать их для эффективного управления полетом и питанием. Протоколы должны быть совместимыми, либо должен быть предусмотрен способ взаимодействия систем с помощью механизмов преобразования.
Каковы проблемы совместимости между протоколом батареи и протоколом дрона?
Совместимость между этими протоколами необходима для бесперебойной работы. Вот как работает совместимость и как могут возникнуть потенциальные проблемы:
1.Несовпадение протоколов
Если батарея использует протокол, который не поддерживает полетный контроллер дрона, могут возникнуть проблемы с обменом данными. Например, если дрон ожидает связи по протоколу I2C, а батарея поддерживает только шину CAN, то данные от батареи будут недоступны для полетного контроллера, а состояние батареи может быть недоступно.
Однако большинство современных полетных контроллеров дронов разработаны с учетом поддержки нескольких протоколов связи. Если батарея использует такой протокол, как CAN Bus, а дрон рассчитан на его поддержку, проблем с совместимостью не возникнет. В некоторых случаях дрон может быть совместим с несколькими протоколами, то есть он может принимать I2C для батареи и использовать MAVLink или Wi-Fi для телеметрии дрона.
2. Разные протоколы для разных функций
Системы дронов часто проектируются таким образом, чтобы поддерживать различные протоколы для разных подсистем. Например:
● Данные о батарее могут передаваться по шинам I2C или CAN, поскольку они предназначены для контроля питания и состояния.
Для управления полетом и телеметрии могут использоваться MAVLink, Wi-Fi или RF, в зависимости от расстояния и скорости передачи данных, необходимых для связи.
Такое разделение задач гарантирует, что каждый протокол служит правильной цели: протоколы для аккумуляторов сосредоточены на безопасном управлении питанием, а протоколы для дронов - на контроле полета и общем управлении системой.
3. Коммуникационные шлюзы или преобразователи
Если протоколы батареи и дрона не совпадают, можно использовать коммуникационный шлюз или конвертер протоколов. Это устройство может переводить данные между различными протоколами (например, преобразовывать данные шины CAN в I2C или UART), позволяя аккумулятору взаимодействовать с полетным контроллером, даже если они используют разные протоколы связи.
4. Дублирующие протоколы (например, шина CAN)
Некоторые высокотехнологичные беспилотные системы используют шину CAN как для аккумулятора, так и для управления полетом. В таких случаях полетный контроллер и BMS находятся на одной шине, а данные от батареи напрямую интегрируются в систему управления дроном. Такой подход снижает вероятность возникновения проблем с совместимостью.
MAVLink, используемый для телеметрии, также может быть частью той же сети, передавая данные о состоянии батареи и полета по единой системе связи.
5. Беспроводная связь (например, BLE, Wi-Fi)
Для дронов, использующих Bluetooth Low Energy (BLE) или Wi-Fi для связи с батареей, беспроводная связь может быть более гибкой. Приложение для дрона или наземная система управления могут получать данные о батарее через BLE или Wi-Fi и интегрировать их с информацией об управлении полетом, если обе системы поддерживают одни и те же стандарты беспроводной связи.
Заключение
Выбор правильного протокола интеллектуальной батареи имеет решающее значение для обеспечения максимальной производительности и долговечности дрона. Понимание различий между протоколами батарей и системами связи для беспилотников позволяет производителям и операторам принимать взвешенные решения с учетом их потребностей. С дальнейшим развитием беспилотных технологий интеграция передовых протоколов будет играть ключевую роль в формировании будущего воздушной робототехники, обеспечивая повышение безопасности, эффективности и возможностей в широком спектре отраслей. Компания Grepow, мировой лидер в производстве и разработке батарей для БПЛА, предлагает самые современные интеллектуальные батареи для дронов с поддержкой протокола CAN. Независимо от того, летаете ли вы на промышленных дронах, коммерческих самолетах или тяжелых грузовиках, наши батареи обеспечат вам надежную работу.
