kenjihiranabe commented 2 weeks ago

drone_physics で、duty 比と電圧等から電流を求める関数を作る（平鍋）。
battery モデルを作成する（森さん）。
- 放電電荷(used_charge)は、電流の時間積算であり、Q で単位は電荷量（クーロン）[C]（ $Q = \int i(t) dt$ )
- 全電荷（フル充電時 full_charge）- 放電電荷 = 残電荷(remaining_charge)
- 放電電荷(used_charge)と電圧(voltage)の関係は、グラフで与えられる。(電流(i) と温度(temp)によって変わる）

モデル策定案：

定数として、

フル充電時の全電荷 $C_{full}$ = full charge [ $C$ ] or [ $mAh$ ]
バッテリー内抵抗 $R_{bat}$ （発熱の元） [ $\Omega$ ]
電圧モデル、以下の関数をバッテリー仕様として定義することができるようにする。（式やグラフプロットの内挿）

$$ V_{bat} = voltage(full_charge, used_charge, i, temp); $$

さらに将来的には、放電回数による「劣化」も視野に入れる（最後のグラフ）。

マクニカの資料例 https://www.macnica.co.jp/business/semiconductor/articles/renesas/145231/

kenjihiranabe commented 2 weeks ago

平鍋担当である、モーターの電流計算を作りました。これを積分して、上記の放電容量(used_charge)、の計算をしてください。> @tmori

https://github.com/toppers/hakoniwa-px4sim/blob/db433def7bb5a2faadc40a67600d0dadc0d9d83b/drone_physics/rotor_physics.cpp#L87

tmori commented 2 weeks ago

ありがとうございます！まずはバッテリモデルのクラス設計してみますね。

tmori commented 2 weeks ago

えいやで考えてみました。

kenjihiranabe commented 2 weeks ago

お互いの考えがあってるか、補足してみました。

tmori commented 2 weeks ago

ここは、下図のようなモデルでVbatを求める認識ですね。

tmori commented 2 weeks ago

ここは、ローターの電流計算結果を積分するという認識ですね。

tmori commented 2 weeks ago

ここは、Vbat × duty_rateなのかな？と思いましたが、どうでしょうか。

kenjihiranabe commented 2 weeks ago

あ、ですです、情報としての+で書きました、森さんの認識正しいです。

kenjihiranabe commented 2 weeks ago

電圧カーブは、C/C++ の関数としてコールバックを登録（もしくは Dependency Injection）するのがいい感じ。多分、《interface》がそういうことを言っている？

tmori commented 2 weeks ago

電圧カーブは、C/C++ の関数としてコールバックを登録（もしくは Dependency Injection）するのがいい感じ。多分、《interface》がそういうことを言っている？

はい、その通りです。電圧カーブの関数インタフェースだけ決めておいて、関数実装はローダブルモジュール化して動的にローディングするのかなーっと思っています。

kenjihiranabe commented 2 weeks ago

英語の用語を統一したい。参考 https://web.mit.edu/evt/summary_battery_specifications.pdf https://www.pveducation.org/pvcdrom/battery-characteristics/battery-capacity	英語	日本語	単位
Nominal Capacity	公称容量	Ah（アンペアアワー）	バッテリーが供給できる理論上の電気量
Actual Capacity	実容量	Ah（アンペアアワー）	実際に使用可能な電気容量
Energy Capacity	エネルギー容量	Wh（ワットアワー）	バッテリーが蓄えられる電力量
Specific Energy	エネルギー密度（重量）	Wh/kg	単位重量あたりのエネルギー容量
Energy Density	エネルギー密度（体積）	Wh/L	単位体積あたりのエネルギー容量
State of Charge (SoC)	充電状態	%	バッテリーの現在の充電レベル
State of Health (SoH)	劣化状態	%	バッテリーの健全性を示す指標
Depth of Discharge (DoD)	放電深度	%	完全充電状態からの放電量
C-Rate	C率	C（時間の逆数）	バッテリーの充放電速度を示す比率
Cycle Life	サイクル寿命	サイクル数	充放電可能な回数
Maximum Charge Current	最大充電電流	A（アンペア）	安全に充電できる最大電流値
Maximum Discharge Current	最大放電電流	A（アンペア）	安全に放電できる最大電流値
Rated Voltage	定格電圧	V（ボルト）	バッテリーの公称電圧
Nominal Voltage	公称電圧	V（ボルト）	バッテリーの標準的な動作電圧
Operating Voltage	動作電圧	V（ボルト）	実際の使用時の電圧範囲
Open Circuit Voltage	開回路電圧	V（ボルト）	無負荷時のバッテリー電圧
Cut-off Voltage	カットオフ電圧	V（ボルト）	放電を停止する最低電圧
Float Voltage	フロート電圧	V（ボルト）	満充電状態を維持する電圧
Internal Resistance	内部抵抗	Ω（オーム）	バッテリー内部の電気抵抗
Power Density	出力密度	W/kg	単位重量あたりの最大出力
Available Capacity	利用可能容量	Ah（アンペアアワー）	現在使用可能な容量
Remaining Capacity	残存容量	Ah（アンペアアワー）	使用後に残っている容量
Design Capacity	設計容量	Ah（アンペアアワー）	バッテリー設計時の目標容量
Usable Capacity	使用可能容量	Ah（アンペアアワー）	実際に使える容量範囲
Rated Capacity	定格容量	Ah（アンペアアワー）	メーカーが保証する容量
Capacity Retention	容量保持率	%	経時変化後の容量維持率
Loss of Capacity	容量低下	%/時間	時間経過による容量減少率
Discharge Rate	放電レート	A or C	単位時間当たりの放電量
Self-Discharge Rate	自己放電率	%/月	未使用時の自然な放電率
Discharge Efficiency	放電効率	%	放電時のエネルギー変換効率
Terminal Voltage	端子電圧	V（ボルト）	負荷接続時の実際の電圧
Voltage Drop	電圧降下	V（ボルト）	負荷による電圧の低下量
State of Function (SoF)	機能状態	%	バッテリーの性能状態指標

kenjihiranabe commented 2 weeks ago

実スペック例：（書きで、Specs のタブ） https://genstattu.com/gens-ace-2200mah-3s-60c-11-1v-g-tech-lipo-battery-pack-with-deans-plug/

今回のパラメータ(11.1V に使ったスペック、仕様のプルダウン） https://jp.robotshop.com/products/111v-3000mah-40c-3s-lipo-battery

tmori commented 1 week ago

バッテリーのコンフィグパラメータ、ひとまず、以下で実装進めます。まずは動くものを作ってみます。

      "battery": {
        "vendor": "None",
        "NominalCapacity": 11.1,
        "ActualCapacity": 11.1
      },

tmori commented 1 week ago

インタフェースは一旦、こうしました。

#ifndef _IDISCHARGE_DYNAMICS_HPP_
#define _IDISCHARGE_DYNAMICS_HPP_

namespace hako::assets::drone {

class IDischargeDynamics {
public:
    virtual ~IDischargeDynamics() {};
    virtual double get_discharged() = 0;
};
}

#endif /* _IDISCHARGE_DYNAMICS_HPP_ */

tmori commented 1 week ago

ローターのダイナミクスで継承して計算します。

class RotorDynamics : public hako::assets::drone::IRotorDynamics, public hako::assets::drone::IDischargeDynamics, public ICsvLog {
private:
    double param_rad_per_sec_max = 6000.0;
    double param_tr = 1.0;
    double param_kr = 1.0;
    bool battery_dynamics = false;
    RotorBatteryModelConstants constants;
    DroneRotorSpeedType speed;
    DroneRotorSpeedType next_speed;
    double delta_time_sec;
    double total_time_sec;
    double discharged_value;

    void run_discharge(double vbat, double omega, double duty_rate)
    {
        double current = drone_physics::rotor_current(
                            vbat, /* battery voltage in volt [V]*/
                            this->constants.R, /* resistance in ohm [V/A] */
                            this->constants.K, /* back electromotive force coeff in [N m/A] */
                            omega, /* angular velocity in [rad/sec] */
                            duty_rate /* 0.0-1.0 (ratio of PWM) */
                            );
        this->discharged_value += current * this->delta_time_sec;
    }
    void run(double control, double vbat) override
    {
        this->run_discharge(vbat, this->speed.data, control);
        this->next_speed.data =   (
                                    drone_physics::rotor_omega_acceleration(vbat, constants.R, constants.Cq, constants.J, constants.K, constants.D, speed.data, control)
                                  ) * this->delta_time_sec
                                + this->speed.data;
        // Cap the next speed at the maximum RPS if it exceeds it
        if (this->next_speed.data > this->param_rad_per_sec_max) {
            this->next_speed.data = this->param_rad_per_sec_max;
        }
        // Ensure the next speed does not fall below the minimum RPS (assuming 0 for this example)
        else if (this->next_speed.data < 0) {
            this->next_speed.data = 0;
        }
        this->speed.data = this->next_speed.data;
        this->total_time_sec += this->delta_time_sec;
    }

tmori commented 1 week ago

飛行させた時の、放電量をプロットしてみました。

tmori commented 1 week ago

ここまでの修正をコミット。

https://github.com/toppers/hakoniwa-px4sim/commit/cfa1fb2f7e8c021fc2306f830cacb33df4971dca

tmori commented 1 week ago

次はバッテリのダイナミクスを作ります。

tmori commented 1 week ago

この図の放電電流をどう決めるかは悩みどころですね。固定ではなくて、ドローンの負荷で変わるんですよね、きっと。ひとまず、最初は固定の放電電流であるとして実装してみます。あと、グラフは単純に、リニアに変化する形で。

tmori commented 1 week ago

バッテリ実装を追加しました。

https://github.com/toppers/hakoniwa-px4sim/commit/f3c6f7f305e4334ce7d3d997250d4806909823a8

tmori commented 1 week ago

バッテリーつけて動かしてみました。

多分、バッテリー電圧モデルがうまくいってないので、すぐに落ちちゃいますね。。どうも9.5V以下になると、推力が重力に勝てなくなるみたい。

高度

バッテリー電圧

kenjihiranabe commented 1 week ago

あってるように思います。確か、新しいphysics にした時に、11.1V でホバーの電圧、ようやく確保だった。フルduty でも、回転数を2倍にできる電圧はなかったと記憶していて、14.8 V の方がいいか迷った。

でも、バッテリーの減りが早すぎない？フル電圧はもっと長時間続かないといけない。

tmori commented 1 week ago

@kenjihiranabe バッテリーの減りが早い原因を調べ始めてます。

確認ですけれど、電流値はプラス/マイナスになるんですよね。

実際にシミュレーションして、ドローン飛行を色々とやってみた時のローターの電流値をグラフ化してみました。

マイナスの電流の場合も放電している状態であるので、電流は絶対値で積分して放電量を求めるべきなのですよね？

tmori commented 1 week ago

調査状況

パラメータ情報

 "R": 0.12,
"Cq": 3.0e-8,
"K": 3.28e-3,
"D": 0.0,
 "J": 8.12e-6
"HoveringRpm": 13827.38146

ホバリング時の Rad/Secは、約 1447 です。

バッテリ電圧のパラメータ

初期電圧：11.1V
終了電圧：3.0V
容量：3.0Ah

バッテリ電圧は、以下の式で計算しています。

Vbat = 初期電圧 - { (初期電圧 - 終了電圧) / 容量 } * 現在の放電量[Ah]

電流値計算式

 return (Vbat * duty_rate  - K * omega)/R;

シミュレーション結果

Duty

ローター回転数(Rad/Sec)

ローターの電流値[A]

Vbatの値

kenjihiranabe commented 1 week ago

確認ですが、容量：3.0Ah は、1時間=3600秒間、3.0A 流せる量。

tmori commented 1 week ago

確認ですが、容量：3.0Ah は、1時間=3600秒間、3.0A 流せる量。

ですよね。こちらの情報を参考にしました。

https://jp.robotshop.com/products/111v-3000mah-40c-3s-lipo-battery

kenjihiranabe commented 1 week ago

なので、上のグラフ、40秒間、ずっと電圧が下がり続けるのはなぜだろう。電圧モデルですが、容量尽きるまでずっとフラットにしてみては？

tmori commented 1 week ago

ローターの電流値[A]の検証

以下の計算式で求めた結果とシミュレーション結果が一致するかどうか

 return (Vbat * duty_rate  - K * omega)/R;

計算

シミュレーションが10秒時点でホバリングしており、安定しているので、この時点のデータをベースにして、机上計算結果とシミュレーション結果が一致しているかチェックする。

Vbat：10.8 V
duty_rate：0.65
omega：1448

なので、電流値は、18.9 A となるので、机上で計算した値とほぼ一致している。

(10.8 0.65 - (3.28e-3 1448)) / 0.12

tmori commented 1 week ago

なので、上のグラフ、40秒間、ずっと電圧が下がり続けるのはなぜだろう。

バッテリの電圧モデルを単純化して、以下のようにリニアに減る形にしているためですね。

電圧モデルですが、容量尽きるまでずっとフラットにしてみては？

放電容量が 3Ah に達する時間がどうなるかだと思うのですが、ホバリングしている場合、シミュレーション結果として、１個のローターの電流値は 20A でした。４個で80Aになります。

そうすると１秒あたり 80Asで、容量は3Ahだから、3600x3As となり、2.25分(=3x45秒)で容量尽きると思うのですが。。

tmori commented 1 week ago

ドローンの連続飛行時間は30分程度とよく聞くので、そうすると、3Ah の容量だと、ローター全部で 6Aで、１ローターあたり、1.5A くらいなのかなと思えてきました...。

うーむ。

kenjihiranabe commented 1 week ago

↑二つ上の計算だけど、

そうすると１秒あたり 80Asで、容量は3Ahだから、3600As となり、45秒で容量尽きると思うのですが。。

ちょっと違っていて、この3倍ですね。（容量の3 を掛ける）それでも、3分もたないか。

いま、3cellなので、4cell にして、14.8V, 容量を 4Ah にスペックアップしようか。そうすると、パワーアップして電流が減り、かつ容量も増えて、10分くらいもたないかな。

tmori commented 1 week ago

↑二つ上の計算だけど、

そうすると１秒あたり 80Asで、容量は3Ahだから、3600As となり、45秒で容量尽きると思うのですが。。

ちょっと違っていて、この3倍ですね。（容量の3 を掛ける）それでも、3分もたないか。

いま、3cellなので、4cell にして、14.8V, 容量を 4Ah にスペックアップしようか。そうすると、パワーアップして電流が減り、かつ容量も増えて、10分くらいもたないかな。

あ、セル数の考え方を入れてませんでした。並列で接続しているんですかね。

セル数をパラメータで入れられるようにしてみます。

kenjihiranabe commented 1 week ago

直列です。でも容量増えますよ。

tmori commented 1 week ago

なるほど、理解できてきました。１セル3.7 Vなんですね。

ここ見ると、直列もありですが、並列と直列を合わせたのもあるみたいですね。

https://drone-under500.com/drone/technology/drone-battery-lithium-polymer/

tmori commented 1 week ago

コンフィグのバリエーションが複雑になりそうなので、セル数はやめておきます。。

全体としての計算結果をパラメータに指定してもらうことにします。

tmori commented 1 week ago

いま、3cellなので、4cell にして、14.8V, 容量を 4Ah にスペックアップしようか。そうすると、パワーアップして電流が減り、かつ容量も増えて、10分くらいもたないかな。

ちょっとわからなくなりました。

1cell 3.7Vを4個直列接続したら、14.8V になりますが、Vbatは値を大きする方向に作用するので、電流値は減らないような気がしました。

実際に計測してみると、PID制御のせいか、20Aのままですね。

ただ、寿命は伸びました。

（微妙に下降しているな。。

tmori commented 1 week ago

任意の電圧モデル

定義方法：BatteryModelCsvFilePathに、CSVファイルパスを指定する。

      "battery": {
        "vendor": "None",
        "BatteryModelCsvFilePath": "./battery_model.csv",
        "VoltageLevelGreen": 11.1, 
        "VoltageLevelYellow": 9.5,
        "CapacityLevelYellow": 2.5, 
        "NominalVoltage": 14.8,
        "NominalCapacity": 5.0,
        "EODVoltage": 3.0
      },

定義例：コメントつけれます。

# Discharge Capacity (Ah), Voltage Level (V)
0.0, 14.8
0.1, 13.5
0.2, 13.0
0.3, 12.8
0.4, 12.7
0.5, 12.6
0.6, 12.5
0.8, 12.3
1.0, 12.1
1.5, 11.8
2.0, 11.5
2.5, 11.2
3.0, 11.0
3.1, 10.0
3.2, 8.0
3.3, 6.0
3.4, 4.5
3.5, 3.5
3.6, 3.0
3.7, 3.0
5.0, 3.0

グラフ化すると：

実験結果：うまくいったぽいよ。

toppers / hakoniwa-px4sim

バッテリーのモデル化 #413

高度

バッテリー電圧

調査状況

パラメータ情報

バッテリ電圧のパラメータ

電流値計算式

シミュレーション結果

Duty

ローター回転数(Rad/Sec)

ローターの電流値[A]

Vbatの値

ローターの電流値[A]の検証

計算

任意の電圧モデル