Strategie per la gestione dell'alimentazione di sistemi elettrici per robot mobili

Quali sono alcune buone strategie da seguire durante la progettazione di alimentatori per sistemi elettrici su robot mobili?

Tali robot in genere comprendono sistemi con

• microprocessore, microcontrollore, unità DSP, ecc. e schede con periferiche immediate
• Controllo del motore
• Sensori analogici (prossimità, audio, tensione, ecc.)
• Sensori digitali (Vision, IMU e altri exotica)
• Circuiti di radiocomunicazione (Wifi, Bluetooth, Zigbee, ecc.)
• Altre cose più specifiche dello scopo del robot progettato.

Esistono approcci unificati / regole architetturali per la progettazione di sistemi di alimentazione in grado di gestire un'alimentazione pulita a tutte queste varie unità che possono essere distribuite su schede, senza problemi di interferenza, terreno comune, ecc.? Inoltre, includendo anche aspetti di ridondanza, gestione degli errori e altre funzioni di "gestione dell'alimentazione / monitoraggio"?

esempi ben spiegati di alcuni di questi sistemi di alimentazione esistenti sui robot fornirebbero risposte eccellenti.

Non conosco alcuna "regola", ma per i robot complessi, creo un'unità "di potenza" separata. Consiste sostanzialmente nella batteria e in alcuni 7805s / 7809s. La serie 78xx accetta un ingresso a 12V e fornisce un'uscita xx V. La maggior parte dei circuiti integrati funziona bene su 5 V e un Arduino ha bisogno di 9 V, quindi è quello che finisco per usare (Nota: i pin di uscita 5 V / 3 V su Arduino non sono pensati per essere utilizzati molto. Non forniscono molta energia, quindi è meglio avere una linea a 5 V separata per i circuiti).

Successivamente, collego tutti i componenti in parallelo ai rispettivi pin di alimentazione. È generalmente vantaggioso alimentare il motore con una fonte separata (terra comune). Il motore assorbe la massima corrente, quindi il semplice atto di arrestare / rallentare un motore può inviare fluttuazioni in tutto il circuito. Se non si desidera farlo, aggiungere almeno condensatori di bypass al motore e agli ingressi di potenza (Vcc / Gnd) dei circuiti logici (vedere qui per ulteriori informazioni su come funzionano). Questi risolvono alcuni problemi di interferenza.

Se vuoi essere un po 'più sofisticato, puoi aggiungere diodi zener alle uscite di potenza. Non ho mai dovuto farlo da solo, ma a quanto pare è un buon modo per "razionare" il potere. Ci sono anche "diodi a corrente costante" che puoi usare, anche se non ne ho mai visto uno.

Per ridondanza, il massimo che puoi fare (per DC) è mettere due batterie in parallelo e forse inviare energia ai componenti attraverso percorsi fisici diversi. Prendi nota del "fisico" lì - il posizionamento dei fili può essere diverso (e possono essere collegati in parti diverse della scheda), ma il circuito generale dovrebbe rimanere invariato. Il motivo alla base di ciò è che non farlo correttamente può portare a cortocircuiti dei pin di alimentazione: due uscite da 5 V logicamente separate non devono essere messe in cortocircuito insieme, non saranno esattamente le stesse e probabilmente avrai qualche riscaldamento / perdita .

Queste sono le regole che seguo quando costruisco sistemi di alimentazione sui miei robot (piccoli, mobili):

• Separo sempre l'alimentazione dei motori da qualsiasi altro circuito, per ridurre le interferenze (come menziona @Manishearth ).
• Per il resto dei miei sistemi elettronici, passo in rassegna (usando regolatori lineari) da una batteria a ciascuna delle tensioni richieste (di solito 5 V e 3,3 V nelle mie applicazioni) in parallelo.
• Includo sempre diodi standard come primo componente dopo il collegamento della batteria a qualsiasi circuito stampato, per proteggere da danni da inversione di polarità. La caduta di tensione qui dovrebbe essere presa in considerazione quando si osservano le cadute del regolatore.

La maggior parte dei miei robot è stata abbastanza semplice e non ha meritato molto in termini di ridondanza, ma un modo comune per aggiungere ridondanza di base in caso di interruzione di un alimentatore è attraverso una semplice scatola di commutazione basata su relè. Questo può essere configurato in modo tale che l'alimentatore alimenti la bobina del relè in parallelo al passaggio attraverso i contatti normalmente aperti al robot. Un secondo alimentatore di backup può essere cablato per passare attraverso i contatti normalmente chiusi. Se la prima alimentazione non funziona, il relè passa alla seconda alimentazione. I sistemi più intelligenti possono monitorare lo stato dell'alimentatore e passare manualmente tra le fonti primarie e di backup secondo necessità.

Hai chiesto esempi di robot esistenti. Una volta ho costruito un robot rover a 6 ruote con i seguenti componenti: - 2 sensori touch paperclip fatti in casa - 2 Arduino Unos - una bussola digitale 3.3V - un trasmettitore radio 5V - 6 Vex Motor Controller 29's - 6 motori DC, corrente di stallo @ 2 amp , 6 V.

Per evitare l'uso di cose elettriche complicate (nessun pasticcio con condensatori o regolatori di tensione lineari), avevamo 2 batterie, 1 per il "cervello", 1 per il corpo.

I 6 motori DC erano alimentati da una batteria LIPO, 5000mAh 7.4V 20C 2cell. I controller del motore Vex 29 hanno 3 fili, 1 per i dati e Vcc e terra. Fondamentalmente converte il motore in un servo. Quindi abbiamo fatto in modo che i fili dei dati dei controllori motore andassero alle porte PWM di Arduino (11, 10, 9, 6, 5, 3) e i Vcc passassero al terminale positivo del LIPO e gli negativi alla terra comune.

Arduino Unos, bussola e trasmettitore radio erano alimentati da 4 batterie AA. Le 4 batterie AA sono state alimentate nel master Arduino, quindi distribuite a tutto il resto tramite le porte 3.3V, 5V e Vin (Arduino Uno ha incorporato regolatori lineari da 3.3V e 5V). Quindi il 3,3 V è andato alla bussola, il 5 V è andato al radiofaro, il Vin è andato allo schiavo Arduino.

2 batterie separate sono semplici. Non è necessario preoccuparsi del ritorno di EMF dai motori, non è necessario utilizzare condensatori o aggiungere regolatori di tensione.

Anche se dipende dalla missione del veicolo, vale anche la pena di pensare all'architettura del potere (non all'implementazione):

1. Se il robot ha un carico utile (che non viene utilizzato per spostare o controllare il robot), provare ad avere una fonte di alimentazione separata per il carico utile.
2. Isolare i motori, se necessario con una batteria separata. In modo che anche se i motori muoiono, la tua fotocamera o altri sistemi sarebbero ancora in grado di funzionare.
3. Se manderai il robot fuori dalla vista, assicurati di avere almeno un faro per trovarlo in seguito quando le batterie si esauriscono. Oggi, ho sentito che un modello RC si è perso (interruzione di corrente o qualche altro errore fatale). Se avesse avuto un faro, avrebbe potuto essere salvato.

La robotica di solito è un affare di vari compromessi, quindi non esiste una soluzione definitiva per la gestione dell'alimentazione, poiché ogni robot è diverso. Ad esempio, una batteria separata per i motori citati da altri a volte può essere una buona soluzione, ma a volte non può essere utilizzata a causa di vincoli di dimensioni / peso. Vi sono tuttavia alcuni suggerimenti generali che possono essere utilizzati in molti progetti:

• Non utilizzare mai la stessa fonte di alimentazione per elettronica e motori / servi. Anche se i motori sono a 5 V, utilizzare un regolatore di tensione separato per l'elettronica e un'alimentazione separata per i motori.
• Non utilizzare regolatori lineari per guidare servi / motori. Utilizzare invece convertitori CC / CC. I motori possono assorbire enormi quantità di corrente. I regolatori lineari di solito hanno una scarsa efficienza, quindi molta potenza andrà a spreco sotto forma di calore dissipato su un regolatore.
• Tenere i circuiti ad alta corrente lontano da altri dispositivi elettronici, in particolare da quelli analogici.
• Prendi in considerazione l'utilizzo di filtri hardware o / e software se desideri letture ADC affidabili e precise.
• Usa i condensatori! Sono i tuoi più grandi amici quando si tratta di combattere le interferenze. Come regola generale, si può presumere che ogni IC dovrebbe avere almeno un condensatore da 100n tra ciascuna coppia di pin VCC e GND.
• Se molte schede sono distribuite intorno al robot, prendere in considerazione l'aggiunta di un regolatore di tensione separato per ciascuna scheda. Eliminerà qualsiasi interferenza acquisita dai cavi di alimentazione.
• Dai un'occhiata ai circuiti integrati dedicati alla gestione dell'alimentazione. Possono essere davvero intelligenti, segnalando interruzioni di corrente, proteggendo i circuiti da inversione di polarità, sovratensione e sottotensione e molti, molti altri.