Electrónica — Sensores y batería para el cuadrupedo minero

Resumen: este informe recoge la selección recomendada de sensores para detección de gases (CO, SO₂, O₂, CO₂ y otros), la clasificación por gamas (A/B/C), bloques de acondicionamiento, consideraciones de PCB/carcasa, integración con el procesamiento (Jetson Nano + MCU) y procedimientos operativos. Incluye además una sección dedicada a la elección de la batería.

Clasificación (Clase A / B / C)

Clase A — Máxima calidad, seguridad y confiabilidad. Recomendados para uso industrial/minero y versiones finales del robot.
Clase B — Buen balance costo/precisión. Idóneos para prototipos avanzados y pruebas de campo.
Clase C — Bajo costo. Solo para I+D, prototipado y mapeo no crítico.

Objetivo: garantizar detección fiable de gases peligrosos en galerías y asistir en búsqueda/evacuación.

1. Detección por gas

1.1 Monóxido de Carbono (CO)

Clase A — Alphasense CO-A4
Tipo: celda electroquímica industrial. Rango: 0–1000 ppm. Precisión: alta (≈±2%). Ventaja: estabilidad a largo plazo y bajo ruido.
Clase B — SPEC Sensors 3SP-CO-1000
Tipo: electroquímico compacto. Rango: 0–1000 ppm. t90 < 30 s. Fácil integración con MCU/IoT.
Clase C — MQ-7
Tipo: MOX (óxido metálico). Rango: 20–2000 ppm. Requiere calentador (más consumo). Uso: prototipos y mapeo.

1.2 Dióxido de Azufre (SO₂)

Clase A — Alphasense SO2-A4
Tipo: electroquímico de alta precisión. Rango: 0–50 ppm. Sensibilidad ≈ 320–500 nA/ppm. Recomendado para ambiente minero.
Clase B — SPEC Sensors 3SP-SO2-20
Tipo: electroquímico compacto. Rango: 0–20 ppm. t90 < 30 s. Buena opción económica para integración.
Clase C — No seleccionada por baja disponibilidad/confiabilidad para aplicaciones de seguridad.

1.3 Oxígeno (O₂)

Clase A — Alphasense O2-A2
Tipo: electroquímico industrial. Rango: 0–25% vol. Precisión: ±0.1% vol. Cumple normas de seguridad minera.
Clase B — Winsen ME2-O2
Tipo: electroquímico de costo medio. Rango: 0–25% vol. t90 < 15 s. Buen balance costo/precisión.
Clase C — No recomendada por la criticidad de medir O₂ correctamente.

1.4 Dióxido de Carbono (CO₂)

Clase A — Sensirion SCD41 (NDIR)
Tipo: NDIR de alta precisión. Rango: 400–5000 ppm. Precisión: ±(40 ppm + 5% lectura). Incluye compensación T/H. Recomendado como estándar; no se consideraron versiones B/C por seguridad/fiabilidad.

2. Sensores adicionales (NO₂, CH₄, H₂S)

NO₂

A — Alphasense NO₂-B43F (electroquímico). Salida en corriente → TIA necesaria. Precio estimado USD 80–200.
B — SPEC Sensors NO₂ (módulo OEM). USD 20–80.
C — MiCS-6814 (MOX multigas). USD 20–35. Solo prototipado.

CH₄ (gases inflamables / LEL)

A — Honeywell Sensepoint XCD (IR/NDIR): detector completo, salidas 4–20 mA / Modbus. Muy robusto; precio elevado.
B — Pellistor (Amphenol / SGX VQ): cabezal pellistor. Económico, necesita O₂ y puede «envenenarse».
C — Figaro TGS2611 (MOX): barato, solo para mapeo/no crítico.

H₂S

A — Alphasense H2S-AE (electroquímico). Alta fiabilidad industrial.
B — SPEC Sensors H2S (módulo OEM).
C — Breakout DFRobot / MEMS (prototipado).

3. Bloques de lectura y arquitectura recomendada

Arquitectura general recomendada

Sensor heads -> Front-end PCB (TIA / bridge / NDIR driver) -> MCU (ESP32/STM32) con ADC -> Jetson Nano (procesamiento, visión)

Separar adquisición y preprocesado en MCU intermedio (calibración, filtros, empaquetado).
Comunicación: UART/USB-serial, CAN (recomendado en entornos ruidosos), RS-485/Modbus para transmitters.

Electroquímicos (NO₂, H₂S, CO, SO₂)

Señal: corriente (nA–µA). Usar Transimpedance Amplifier (TIA).
Vref: Vcc/2 (ej. 1.65 V con 3.3 V) para permitir swings diferenciales.
ADC recomendados: ADS1115 (16-bit) para básicos; ADS1248/ADS1299 para mayor resolución.
Op-amps sugeridos (baja fuga/ruido): LMP7721, ADA4528, OPA376.

Pellistor (LEL)

Condicionamiento: puente Wheatstone -> amplificador diferencial (INA/AD8226) -> LPF -> ADC.
Alternativa: usar transmitter 4–20 mA y medir a través de shunt.

NDIR / IR (CO₂, CH₄)

Interfaz: UART/I²C/analógico según módulo. Considerar micropump para muestreo activo en baja convección.

MOX / MQ (prototoipos)

Señal: variación de resistencia. Driver del calefactor por MOSFET + PWM; warm-up necesario.

4. Diseño de PCB y consideraciones ambientales

Carcasa IP65–IP67; usar mallas sinterizadas o membranas hidrofóbicas en entradas de gas.
Protección contra vibración: pads antivibración; conectores M12.
Protección contra polvo/corrosión: conformal coating (evitar ventana óptica).
EMI: separación analog/digital GND, guard rings, ferrite beads, filtros LC y decoupling próximo a IC.
Protecciones: TVS, fusibles, PTC, protección contra inversión de polaridad.
Layout: rutas cortas desde sensor al TIA; guard ring para entradas de alta impedancia.
Integrar sensor T/H (ej. SHT3x) para compensación.

5. Integración con Jetson Nano (arquitectura y protocolos)

MCU intermedio (ESP32/STM32) hace adquisición, calibración y envía paquetes al Jetson.
Protocolos: UART/USB-serial, CAN (preferible en ruido), RS-485/Modbus si transmitters.
Formato: JSON simple con timestamp, pose y lecturas.
Frecuencia mínima recomendada: 1 Hz; en eventos críticos enviar mensajes inmediatos.

6. BOM orientativo (resumen)

Sensores NO₂, CH₄, H₂S: ver sección 2.
ADCs: ADS1115 (~USD 10), ADS1248 (~USD 30–60).
Op-amps: LMP7721 / ADA4528 (~USD 2–6).
MCU: ESP32 dev kit (USD 5–15) o STM32 dev kit (USD 7–20).
Otros: TVS, ferritas, fusibles, mallas sinterizadas, conectores M12, cajas IP (USD 50–200).

7. Procedimientos operativos mínimos (MOP)

Bump test antes de cada jornada o misión crítica.
Calibración formal cada 6–12 meses según sensor y condiciones.
Pruebas ambientales: polvo, humedad y vibración antes de galería.
Registro: almacenar lecturas con timestamps y pose.
Plan de repuestos: stock mínimo 2× celdas electroquímicas por gas crítico.
Acción ante alarma: robot detiene misión, marca posición y notifica operador.

8. Anexos técnicos (esquemas rápidos)

A) Esquema TIA (concepto)

Sensor EC (Iout) --> TIA (OpAmp LMP7721)

* Non-inv input = Vref (1.65 V)
* Inverting node = sensor current summing node
* Feedback Rf (ej. 50kΩ–200kΩ) -> Cf (10 nF)
  Vout = Vref + I\_sensor \* Rf -> RC anti-alias -> ADC (ADS1115) -> MCU

B) Pellistor bridge (concepto)

Pellistor activo + referencia -> Wheatstone Bridge -> INA differential amp -> LPF -> ADC
Alternativa: transmitter 4–20 mA -> leer shunt en MCU ADC

9. Referencias y enlaces útiles

Alphasense, SPEC Sensors, Honeywell Sensepoint, Amphenol/SGX, Figaro, Sensirion, Mouser, DigiKey, Analog Devices (app notes TIA/ADC).

Elección de la batería (sección dedicada)

1 — Resumen ejecutivo

Objetivo: 1 h de autonomía mínima real en el robot con 12 motores Unitree GO-M8010, Jetson Nano, LIDAR, cámaras, 7 sensores de gas, IMU y electrónica adicional.
Se estudiaron tres familias de packs: MaxAmps Li-ion 7S8P 25.2 V 40 Ah, MaxAmps 7S10P 25.2 V 50 Ah, y Power-Sonic LiFePO₄ 25.6 V 40 Ah (PSL-BT-24400-G24).
Balance de criterios: energía útil (Wh), capacidad de descarga (A cont./pico), peso/volumen, seguridad química (LiFePO₄ > Li-ion), ciclo de vida y facilidad de integración (BMS, telemetría).
Recomendación práctica inicial: pack 50 Ah Li-ion (25.2 V) si necesitas robustez ante picos y mayor margen de autonomía; LiFePO₄ 40 Ah si priorizas seguridad y ciclo de vida y estás dispuesto a añadir soluciones para picos (paralelo o buffer). Para pruebas en mina, preferir seguridad (LiFePO₄) a menos que el peso/pico sea crítico.

2 — Requisitos del proyecto y supuestos (inputs usados en cálculos)

Autonomía objetivo: 1 hora (mínimo).
Bus nominal objetivo: ≈25.2 V (Li-ion) o 25.6 V (LiFePO₄).
Consumos estimados (valores usados en cálculos):
- Electrónica (sensors, Jetson, LiDAR, cámaras, imu, periferia) ≈ 61 W.
- Motores: 12 × (escenarios)
  - Escenario Optimista (A): 30 W/motor → 360 W total.
  - Escenario Realista (B): 60 W/motor → 720 W total.
  - Escenario Conservador (C): 100 W/motor → 1200 W total.
- Total (B): Ptot ≈ 781 W (usado como caso representativo).
Tensión pack asumida para cálculos: 25.2 V (li-ion) o 25.6 V (LiFePO₄).
Margen de diseño recomendado: +20% Ah para envejecimiento/pérdidas.

3 — Packs analizados (resumen técnico)

Datos tomados de cotizaciones/SDS/datasheets que suministraste.

A) MaxAmps Li-ion 7S8P — 25.2 V / 40 Ah (1008 Wh)

Peso: ≈ 4.02 kg
Max continuous discharge: 200 A
Max peak discharge: 640 A (condición de pulso; confirmar duración)
Internal impedance (ej. datasheet): ~21 mΩ
Charge rate: 20–40 A (0.5–1C)

B) MaxAmps Li-ion 7S10P — 25.2 V / 50 Ah (1260 Wh)

Peso ≈ 5.02 kg
Max continuous discharge: 250 A
Mayor autonomía y margen de pico frente al 40 Ah.

C) Power-Sonic LiFePO₄ PSL-BT-24400-G24 — 25.6 V / 40 Ah (1024 Wh)

Peso: ≈ 9.3 kg (mucho mayor)
Max continuous discharge: 40 A
Química LiFePO₄ → mejor seguridad térmica y 2000 ciclos aprox.
Recomendado en entornos con altos requisitos de seguridad.

4 — Cálculos paso a paso

4.1 Energía del pack (Wh)

7S8P 40 Ah Li-ion: E = 25.2 V × 40 Ah = 1008 Wh
7S10P 50 Ah Li-ion: E = 25.2 V × 50 Ah = 1260 Wh
LiFePO₄ 25.6 V × 40 Ah: E = 25.6 × 40 = 1024 Wh

4.2 Autonomía estimada (h) = `Epack / Ptot`

Usando caso Realista (B) Ptot = 781 W:

40 Ah Li-ion: 1008 / 781 = 1.29 h (≈ 1 h 17 min)
50 Ah Li-ion: 1260 / 781 = 1.61 h (≈ 1 h 37 min)
40 Ah LiFePO₄: 1024 / 781 = 1.31 h (≈ 1 h 19 min)

4.3 Corriente promedio en el bus `Iavg = Ptot / Vnom`

Con Vnom ≈ 25.2 V:

Iavg (B) = 781 / 25.2 ≈ 31.0 A

4.4 Pérdidas por resistencia interna `Ploss = I² · Rint`

Ejemplo con Rint = 0.021 Ω (pack MaxAmps):

En operación promedio (I ≈ 31 A): Ploss ≈ 31² × 0.021 ≈ 20 W (moderado)
A 200 A: 200² × 0.021 = 840 W (elevado — requiere disipación)
A picos (480 A): 480² × 0.021 ≈ 4.8 kW (no sostenible)

Interpretación: packs con baja Rint son mejores para picos; aunque el pack declare picos altos, la caída de tensión y disipación térmica limitan duración del pulso. Diseñar buffers y limitar la duración de picos.

4.5 Ejemplo dimensionado de celdas (21700 5000 mAh)

Para Pack 25.2 V × 40 Ah (7s8p): 7 series × 8 parallel = 56 celdas. Corriente por celda si 31 A pack: 31 / 8 ≈ 3.9 A → C≈0.78C (aceptable si celda soporta >1C). Para picos, celdas en paralelo ayudan a repartir corriente.

5 — Comparativa técnica y decisión estratégica

Ventajas Li-ion MaxAmps (40 / 50 Ah)

Alta densidad energética → menor peso.
Alta corriente continua / pico (200–250 A cont.; picos declarados).
Packs “listos para montar” y upgrades (hard case, balance lead, DroneCAN).

Inconvenientes Li-ion MaxAmps

Química NMC / Li-ion → mayor riesgo térmico que LiFePO₄.
Requiere gestión térmica y plan de emergencia en trabajo de campo (SDS).
Si esperas picos simultáneos extremos puede necesitar buffer adicional o packs en paralelo.

Ventajas Power-Sonic LiFePO₄

Muy segura térmicamente (menor riesgo thermal runaway).
Ciclo de vida mayor (~2000 ciclos).
Menos requisitos de extinción crítica.

Inconvenientes LiFePO₄ (Power-Sonic)

Corriente continua baja (40 A) → potencia de salida limitada frente a demandas pico de motores; gran peso (~9.3 kg) y volumen.
Si se desea alta corriente hay que paralelizar packs (2×→80 A) o usar buffer.

Estrategia práctica

Si priorizas seguridad y durabilidad (pruebas en galerías, posibilidad de atmósferas hostiles): LiFePO₄ y añadir 1–2 medidas contra picos (paralelo o supercap + control).
Si priorizas rendimiento/pesos y picos (gait performance exigente, terrenos difíciles): Li-ion 50 Ah + buffer + buen BMS + contenedor reforzado + medidas de seguridad.
Modularidad: diseñar el pack en módulos intercambiables (ej. dos módulos 25.2 V × 20–40 Ah) facilita test y reemplazo.

6 — Requisitos de integración mínimos (BMS / PDB / protecciones)

BMS mínimo debe incluir:

Overcharge, overdischarge, overcurrent (continuous + peak logic), cell balancing, overtemp/undertemp protection, communication (CAN/DroneCAN/UART) preferible.

Protecciones eléctricas (hardware)

Fusible principal (fast blow) entre pack y PDB: rated ligeramente > corriente operativa máxima esperada.
Contactor / pre-charge resistor para conexión segura al PDB cuando existen capacitores.
Precharge resistor para limitar inrush a capacitores.
TVS / varistores y filtros EMI para proteger electrónica sensible.
DC-link capacitors (low-ESR): 2000–5000 μF @ 35–50 V cerca de motor drivers para amortiguar pulsos cortos.
Cableado y busbar dimensionado para corrientes pico (recomendado ≥ 50–70 mm² para >200 A).
Sección de cable/calc según norma (por confirmar con mecánica).

Monitorización y telemetría

Shunt + ADC o DroneCAN adapter para medir corriente real, SOC, voltaje celda a celda y temp.
Integrar telemetría al MCU/Jetson para alarmas y logging.

7 — Gestión de picos (opciones combinadas)

A) Buffer capacitivo (DC-link)

2 000–5 000 μF low-ESR a 35–50 V por banco, cerca del motor controller, reduce picos instantáneos.

B) Supercapacitor bank (opcional)

Para picos repetidos intensos, un banco de supercaps (módulos comerciales de varios F a voltajes bajos con convertidor) puede absorber picos y proteger pack. Costo/volumen altos — usar sólo si pruebas lo justifican.

C) Estrategia de control (software/hardware)

Stagger starts (no arrancar todas las patas simultáneamente).
Limitación de corriente en motor drivers (rampas de torque).
Gestión de gait que evite picos simultáneos.

D) Paralelizar packs

Dos packs iguales en paralelo → disminuye Rint efectiva (≈Rint/2) y duplica corriente continua disponible. Aumenta peso y volumen.

8 — Gestión térmica (aislamiento y control)

Objetivos térmicos

Mantener pack dentro de 15–35 °C ideal; no cargar bajo 0–5 °C.
Para ambientes fríos: pre-calentamiento/control. Para calientes: enfriamiento activo.

Recomendación constructiva

Caja hermética IP65/67 con aislamiento (PU foam, 20–30 mm).
Heater pads (silicone) controlados por MCU (PWM a MOSFET), potencia sugerida de referencia: 50 W para mantenimiento con buen aislamiento; ~150 W disponible para precalentamientos cortos.
Sensores de temperatura: 3–4 puntos (centro de pack, extremos, carcasa).
Cálculo rápido (ejemplo): pack 4 kg, cp ~900 J/kg·K, ΔT=20 K, tiempo 10 min → P ≈ 120 W para subir 20 K en 10 min. Para mantener con 20 mm aislamiento y A≈0.5 m², pérdida ≈15 W. (usar estas fórmulas para afinar).

Seguridad térmica

Interruptor hardware (thermal cutoff) a ~60–70 °C.
Ventilación con filtros o intercambio térmico a través de pared si fuera necesario. En minas: no introducir aire del túnel sin evaluación ATEX (use purga con aire limpio o intercambiador barrera).

9 — Seguridad, SDS y pruebas obligatorias

Implementar procedimientos de emergencia según SDS: extinción (agua para enfriar packs adyacentes), PPE, contención de electrolito.
Checklist antes de prueba en campo (ver sección 12).
Pruebas antes de galería:
- Charge / discharge test a Iavg y a picos (registrar voltaje, temp).
- Pulse test: aplicar pulso a corriente pico y medir caída de tensión y temp (controlar que pack no active BMS).
- Vibration test (en bancada con montaje antivibración).
- Thermal cycling (cámara climática si posible).
Verificar transporte (UN3480 etc.) y permisos de la mina.

10 — BOM mínima orientativa (componentes esenciales)

No son links, son especificaciones para pedir.

Batería pack (elegir 40 Ah LiFePO₄ o 40/50 Ah Li-ion MaxAmps) × 1
BMS (si no incluido o si upgrade requerido) — rating ≥ corriente nominal operativa, support regen.
Fusible principal (fast blow) — rating = Ioper * 1.1~1.5 (ej.: 250–300 A para pack 200 A cont.)
Contactor DC 600 V / 300–400 A con driver (coil 24 V) + precharge resistor (e.g., 10–50 Ω 50–100 W)
Capacitores DC-link: 2 × 2200–4700 μF low-ESR @ 35–50 V
Supercap module (opcional) — especificar F, V (consultar)
Shunt de medición o sensor de corriente Hall (capaz 200–500 A) + ADC (ADS1115 o mejor)
Sensor(es) de temperatura NTC/PT100 × 4
Heaters silicone 24 V 50–150 W + MOSFET driver (logic level)
TVS diodes / varistors para protección contra transitorios
Cables de potencia ≥ 50–70 mm² (kupper/busbar) y conectores (Anderson, XT150, M8 studs)
Case/hardcase (si no incluido) IP65/67 y pads antivibración
Extintor y detector de humo/CO para banco

11 — Plan de pruebas en banco (procedimiento resumido)

Inspección visual del pack y conexiones. Verificar BMS y balance lead.
Carga inicial: cargar pack a corriente recomendada y verificar temperatura y voltajes por celda.
Descarga a Iavg (31 A en caso realista) por 1 h, registrar volt/cur/temp/SOC. Confirmar autonomía cercana.
Pulse test: aplicar picos controlados (ej.: 5 s a 200 A, 10 s a 400 A si pack dice soportar pico) y medir Vdrop y Ploss. Registrar temperatura y comportamiento BMS. No repetir largos picos sin intervalos.
Test regeneración: simular regeneración eléctrica al pack (si el motor/driver lo permite) y observar si BMS soporta.
Vibration test: shaker o prueba manual de vibración con pack montado como en robot. Ver lecturas y conexión.
Thermal cycle: simular condiciones frías y calentar con heater para ver control.
Fail test: simular corte del BMS, fallo del contactor, reconexión y pruebas de emergencia (procedimiento de extinción).

Registrar todo en bitácora (tiempo, condiciones, gráfico).

10. Conclusiones generales

Clase A: usar en versión final y pruebas en galería (sensores industriales electroquímicos/NDIR).
Clase B: buen equilibrio para pruebas avanzadas y validación en campo.
Clase C: solo I+D y prototipado; no para seguridad.
Diseñar front-end (TIA, bridges) con cuidado de ruido y layout; implementar procedimientos de bump test y calibración.
Batería: dimensionarla a partir de consumos reales medidos en banco; preferir LFP para minería por estabilidad y seguridad si el peso lo permite.