Стратегии управления питанием электрических систем для мобильных роботов

Какими хорошими стратегиями следует руководствоваться при разработке блоков питания для электрических систем мобильных роботов?

Такие роботы обычно состоят из систем с

• микропроцессор, микроконтроллер, DSP и т. д. блоки и платы, а также периферийные устройства
• Управление двигателем
• Аналоговые датчики (приближения, аудио, напряжения и т. Д.)
• Цифровые датчики (Vision, IMU и другая экзотика)
• Радиосвязь (Wifi, Bluetooth, Zigbee и т. Д.)
• Другие вещи, более специфичные для предназначения робота.

Существуют ли унифицированные подходы / архитектурные правила к проектированию систем электропитания, которые могут управлять чистым энергоснабжением для всех этих различных блоков, которые могут быть распределены по платам, без проблем помех, общего заземления и т. Д.? Кроме того, включая также аспекты резервирования, управления отказами и другие подобные функции управления питанием / мониторинга?

хорошо объясненные примеры некоторых таких существующих систем питания на роботах позволили бы получить отличные ответы.

Я не знаю никаких «правил», но для сложных ботов я создаю отдельный «силовой» блок. Он в основном состоит из батареи, а также около 7805 с / 7809 с. Серия 78xx принимает вход 12 В и дает выход xx V. Большинство микросхем работают хорошо на 5 В, а Arduino требуется 9 В, поэтому я в итоге и использую (Примечание: выходные контакты 5 В / 3 В на Arduino на самом деле не предназначены для частого использования. Они не обеспечивают большой мощности, поэтому Лучше всего иметь отдельную линию 5 В для вашей схемы).

После этого я подключаю все компоненты параллельно к соответствующим контактам питания. Как правило, для питания двигателя используется отдельный источник (общее заземление). Двигатель потребляет большую часть тока, поэтому простой акт остановки / замедления двигателя может вызвать колебания по всей цепи. Если вы не хотите этого делать, по крайней мере, добавьте байпасные конденсаторы к двигателю и силовые входы (Vcc / Gnd) логических схем ( подробнее о том, как они работают, см. Здесь ). Это решает немало проблем с помехами.

Если вы хотите быть немного более изощренным, вы можете добавить стабилитроны к выходам питания. Никогда не приходилось делать это самому, но это, по-видимому, хороший способ «вычеркнуть» власть. Есть также «диоды постоянного тока», которые вы можете использовать - хотя я никогда не видел ни одного из них.

Для резервирования самое большее, что вы можете сделать (для постоянного тока) - это поставить две батареи параллельно и, возможно, направить питание на компоненты различными физическими маршрутами. Обратите внимание на «физическое» там - расположение проводов может быть разным (и их можно прикрепить к разным частям платы), но общая схема должна остаться неизменной. Причиной этого является то, что неправильное выполнение этого может привести к закорачиванию выводов питания - два логически отдельных выхода 5 В не должны быть закорочены вместе, они не будут точно такими же, и у вас, вероятно, будут некоторые нагрев / утечка ,

Вот правила, которым я следую, когда строю системы электропитания на своих (маленьких, мобильных) роботах:

• Я всегда отделяю питание двигателей от любых других схем, чтобы уменьшить помехи (как упоминает @Manishearth ).
• Для остальных моих электронных систем я параллельно понижаю (используя линейные регуляторы) от батареи до каждого из требуемых напряжений (обычно 5 В и 3,3 В в моих приложениях).
• Я всегда включаю стандартные диоды в качестве первого компонента после подключения батареи к любым платам, чтобы защитить от повреждения обратной полярностью. Здесь следует учитывать падение напряжения при рассмотрении падений регулятора.

Большинство моих роботов были довольно просты и не имели особых преимуществ в отношении избыточности, но общий способ добавить базовую избыточность в случае сбоя одного блока питания - через простой релейный коммутатор. Это можно настроить так, чтобы источник питания питал катушку реле параллельно с прохождением через нормально разомкнутые контакты к роботу. Второй резервный источник питания можно подключить для прохождения через нормально замкнутые контакты. В случае сбоя первого источника реле переключится на второй источник. Более умные системы могут отслеживать работоспособность блока питания и вручную переключаться между основным и резервным источниками по мере необходимости.

Вы просили примеры существующих роботов. Однажды я построил 6-колесный ровер со следующими компонентами: - 2 самодельных сенсорных скрепки - 2 Arduino Unos - цифровой компас на 3,3 В - радиопередатчик на 5 В - 6 Vex Motor Controller 29 - 6 двигателей постоянного тока, ток сваливания при 2 амперах , 6В

Чтобы избежать использования сложных электрических вещей (не мешая с конденсаторами или линейными регуляторами напряжения), у нас было 2 батареи, 1 для «мозга», 1 для тела.

6 двигателей постоянного тока питались от батареи LIPO, 5000 мАч, 7,4 В, 20C 2cell. Контроллер Vex Motor Controller 29 имеет 3 провода, 1 для данных, Vcc и заземление. Это в основном превращает двигатель в сервопривод. Таким образом, у нас были провода данных от контроллеров двигателя, идущие к портам ШИМ Arduino (11, 10, 9, 6, 5, 3), а Vcc - к положительному выводу LIPO, а отрицательные - к общей земле.

Arduino Unos, компас и радиопередатчик питались от 4 батареек типа АА. 4 батарейки АА подаются в основной Arduino, а затем распределяются на все остальное через порты 3,3 В, 5 В и Vin (Arduino Uno имеет встроенные линейные регуляторы 3,3 В и 5 В). Итак, 3,3 В ушло на компас, 5 В ушло на радиомаяк, Вин пошел на раба Ардуино.

2 отдельные батареи просто. Нет необходимости беспокоиться об обратной ЭДС от двигателей, нет необходимости в конденсаторах или добавлении регуляторов напряжения.

Хотя это зависит от миссии транспортного средства, стоит также подумать о мощной архитектуре (не реализации):

1. Если у вашего робота есть полезная нагрузка (которая не используется для перемещения или управления роботом), попробуйте использовать отдельный источник питания для полезной нагрузки.
2. При необходимости отключите двигатели от отдельной батареи. Так что, даже если моторы умирают, ваша камера или другие системы все равно будут работать.
3. Если вы отправите робота из поля зрения, убедитесь, что у вас есть хоть какой-то маяк, чтобы потом найти его, когда батарейки разрядятся. Сегодня я услышал, что модель RC потерялась (отключение питания или какая-то другая фатальная ошибка). Если бы у него был маяк, его можно было бы спасти.

Робототехника - это, как правило, бизнес с различными компромиссами, поэтому нет единого решения для управления питанием, поскольку каждый робот индивидуален. Например, отдельная батарея для двигателей, упомянутых другими, иногда может быть хорошим решением, но иногда не может использоваться из-за ограничений размера / веса. Однако есть несколько общих советов, которые можно использовать во многих проектах:

• Никогда не используйте один и тот же источник питания для электроники и двигателей / сервоприводов. Даже если ваши двигатели 5 В, используйте отдельный регулятор напряжения для электроники и отдельный источник питания для двигателей.
• Не используйте линейные регуляторы для управления сервоприводами / двигателями. Вместо этого используйте DC / DC преобразователи. Моторы могут тянуть огромное количество тока. Линейные регуляторы обычно имеют низкую эффективность, поэтому большая часть энергии уходит в отходы в виде тепла, рассеиваемого на регуляторе.
• Держите сильноточные цепи вдали от других электронных устройств, особенно от аналоговых.
• Подумайте об использовании аппаратных и / или программных фильтров, если вам нужны надежные и точные показания АЦП.
• Используйте конденсаторы! Они ваши самые большие друзья, когда дело доходит до борьбы с вмешательством. Как правило, вы можете предположить, что каждая микросхема должна иметь по крайней мере один 100n конденсатор между каждой парой VCC и GND.
• Если вокруг вашего робота распределено много плат, рассмотрите возможность добавления отдельного регулятора напряжения для каждой платы. Это исключит любые помехи, приобретенные силовыми кабелями.
• Проверьте выделенные ИС управления питанием. Они могут быть очень умными, сигнализируя о сбоях питания, защищая ваши цепи от обратной полярности, повышенного и пониженного напряжения и многое, многое другое.