Strategien zur Verwaltung der Stromversorgung elektrischer Systeme für mobile Roboter

Welche guten Strategien sollten beim Entwurf der Stromversorgung für elektrische Systeme auf mobilen Robotern verfolgt werden?

Solche Roboter umfassen typischerweise Systeme mit

• Mikroprozessor-, Mikrocontroller-, DSP- usw. Einheiten und Platinen sowie unmittelbare Peripheriegeräte
• Motorsteuerung
• Analoge Sensoren (Nähe, Audio, Spannung usw.)
• Digitale Sensoren (Vision, IMU und andere Exoten)
• Funkverbindungen (Wifi, Bluetooth, ZigBee usw.)
• Andere Dinge, die spezifischer für den Zweck des zu konstruierenden Roboters sind.

Gibt es einheitliche Ansätze / Architekturregeln für den Entwurf von Stromversorgungssystemen, mit denen eine saubere Stromversorgung für all diese verschiedenen Einheiten verwaltet werden kann, die ohne Probleme mit Störungen, Gemeinsamkeiten usw. auf mehrere Karten verteilt werden können? Darüber hinaus auch Aspekte der Redundanz, des Fehlermanagements und anderer solcher Funktionen zur Energieverwaltung / -überwachung?

Gut erläuterte Beispiele für solche vorhandenen Stromversorgungssysteme auf Robotern würden hervorragende Antworten liefern.

Ich kenne keine "Regeln", aber für komplexe Bots erstelle ich eine separate "Power" -Einheit. Es besteht im Wesentlichen aus der Batterie sowie einigen 7805s / 7809s. Die 78xx-Serie verwendet einen 12-V-Eingang und einen xx-V-Ausgang. Die meisten ICs arbeiten gut auf 5 V und ein Arduino 9V benötigt, so dass das , was ich am Ende mit (Anmerkung: die 5 V / 3 V Ausgangsstifte auf der Arduino sind nicht . Wirklich viel verwendet werden soll Sie liefern nicht viel Kraft, so Es ist am besten, eine separate 5-V-Leitung für Ihre Schaltung zu haben.

Danach schließe ich alle Komponenten parallel zu ihren jeweiligen Stromanschlüssen an. Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, den Motor mit einer separaten Quelle (gemeinsame Masse) anzutreiben. Der Motor zieht den meisten Strom, so dass das einfache Anhalten / Verlangsamen eines Motors Schwankungen im gesamten Stromkreis verursachen kann. Wenn Sie dies nicht tun wollen, zumindest Add Bypass - Kondensatoren an den Motor und die Stromeingänge (VCC / GND) von Logikschaltungen (siehe hier für mehr darüber , wie sie funktionieren). Diese lösen einige Interferenzprobleme.

Wenn Sie etwas anspruchsvoller sein möchten, können Sie den Leistungsausgängen Zenerdioden hinzufügen. Ich musste das nie selbst tun, aber es ist anscheinend eine gute Möglichkeit, die Macht zu "rationieren". Es gibt auch "Konstantstromdioden", die Sie verwenden können - obwohl ich noch nie eine davon gesehen habe.

Aus Gründen der Redundanz können Sie (für Gleichstrom) höchstens zwei Batterien parallel schalten und möglicherweise Komponenten auf unterschiedlichen physischen Wegen mit Strom versorgen. Beachten Sie das "physische" dort - die Platzierung der Drähte kann unterschiedlich sein (und sie können an verschiedenen Teilen der Platine angebracht werden), aber die Gesamtschaltung sollte unverändert bleiben. Der Grund dafür ist, dass ein Nichtbeachtung dazu führen kann, dass die Stromversorgungsstifte kurzgeschlossen werden. Zwei logisch getrennte 5-V-Ausgänge sollten nicht kurzgeschlossen werden. Sie sind nicht exakt gleich und es kommt wahrscheinlich zu einer Heizung / Leckage .

Dies sind die Regeln, die ich befolge, wenn ich Stromversorgungssysteme auf meinen (kleinen, mobilen) Robotern baue:

• Ich trenne die Stromversorgung der Motoren immer von anderen Schaltkreisen, um Störungen zu reduzieren (wie @Manishearth erwähnt ).
• Für den Rest meiner elektronischen Systeme stelle ich (unter Verwendung von Linearreglern) parallel von einer Batterie auf jede der erforderlichen Spannungen (normalerweise 5 V und 3,3 V in meinen Anwendungen) herunter.
• Ich schließe immer Standarddioden als erste Komponente nach dem Anschluss der Batterie an Leiterplatten ein, um sie vor Beschädigung durch Verpolung zu schützen. Der Spannungsabfall sollte hier bei der Betrachtung von Reglerausfällen berücksichtigt werden.

Die meisten meiner Roboter waren recht einfach und haben in Bezug auf Redundanz nicht viel verdient, aber eine übliche Methode, um bei einem Ausfall eines Netzteils eine grundlegende Redundanz hinzuzufügen, ist eine einfache relaisbasierte Schaltbox. Dies kann so konfiguriert werden, dass die Stromversorgung die Relaisspule parallel zum Durchgang über die normalerweise offenen Kontakte zum Roboter versorgt. Eine zweite Backup-Versorgung kann so verdrahtet werden, dass sie über die normalerweise geschlossenen Kontakte verläuft. Wenn die erste Versorgung ausfällt, schaltet das Relais auf die zweite Versorgung um. Cleverere Systeme können den Zustand der Stromversorgung überwachen und bei Bedarf manuell zwischen Primär- und Backup-Quellen wechseln.

Sie haben nach Beispielen für vorhandene Roboter gefragt. Ich habe einmal einen 6-Rad-Rover-Roboter mit den folgenden Komponenten gebaut: - 2 hausgemachte Büroklammer-Berührungssensoren - 2 Arduino Unos - ein digitaler 3,3-V-Kompass - ein 5-V-Funksender - 6 Vex Motor Controller 29 - 6 Gleichstrommotoren, Blockierstrom bei 2 Ampere 6V

Um die Verwendung komplizierter elektrischer Dinge zu vermeiden (kein Durcheinander mit Kondensatoren oder linearen Spannungsreglern), hatten wir 2 Batterien, 1 für das "Gehirn", 1 für den Körper.

Die 6 Gleichstrommotoren wurden von einer LIPO-Batterie mit 5000 mAh, 7,4 V, 20 ° C und 2 Zellen angetrieben. Die Vex Motor Controller 29 haben 3 Drähte, 1 für Daten und Vcc und Masse. Es wandelt den Motor grundsätzlich in ein Servo um. Wir ließen also die Datenkabel von den Motorsteuerungen zu den Arduino PWM-Ports (11, 10, 9, 6, 5, 3) und die Vccs zum positiven Anschluss des LIPO und die negativen zur gemeinsamen Masse führen.

Der Arduino Unos, der Kompass und der Funksender wurden mit 4 AA-Batterien betrieben. Die 4 AA-Batterien werden in den Master-Arduino eingespeist und dann über die 3,3-V-, 5-V- und Vin-Anschlüsse an alles andere verteilt (Arduino Uno verfügt über integrierte 3,3-V- und 5-V-Linearregler). Also gingen die 3,3 V zum Kompass, die 5 V zum Funkfeuer, der Vin zum Sklaven Arduino.

2 separate Batterien ist einfach. Sie müssen sich keine Gedanken über die Gegen-EMK von Motoren machen, keine Kondensatoren benötigen oder Spannungsregler hinzufügen.

Obwohl dies von der Fahrzeugmission abhängt, sollten diese auch über die Leistungsarchitektur (nicht über die Implementierung) nachgedacht werden:

1. Wenn Ihr Roboter eine Nutzlast hat (die nicht zum Bewegen oder Steuern des Roboters verwendet wird), versuchen Sie, eine separate Stromquelle für die Nutzlast zu haben.
2. Trennen Sie die Motoren bei Bedarf durch eine separate Batterie. Selbst wenn die Motoren ausfallen, können Ihre Kamera oder andere Systeme weiterhin funktionieren.
3. Wenn Sie den Roboter außer Sichtweite bringen, stellen Sie sicher, dass Sie mindestens ein Leuchtfeuer haben, um es später zu finden, wenn die Batterien leer sind. Heute habe ich gehört, dass ein RC-Modell verloren gegangen ist (Stromausfall oder ein anderer schwerwiegender Fehler). Wenn es ein Leuchtfeuer hätte, hätte es gerettet werden können.

Robotik ist normalerweise ein Geschäft mit verschiedenen Kompromissen, daher gibt es keine ultimative Lösung für das Power Management, da jeder Roboter anders ist. Beispielsweise kann eine separate Batterie für Motoren, die von anderen erwähnt wird, manchmal eine gute Lösung sein, kann jedoch manchmal aufgrund von Größen- / Gewichtsbeschränkungen nicht verwendet werden. Es gibt jedoch einige allgemeine Tipps, die in vielen Designs verwendet werden können:

• Verwenden Sie niemals dieselbe Stromquelle für Elektronik und Motoren / Servos. Selbst wenn Ihre Motoren 5 V haben, verwenden Sie einen separaten Spannungsregler für die Elektronik und eine separate Stromversorgung für Motoren.
• Verwenden Sie keine Linearregler zum Antreiben von Servos / Motoren. Verwenden Sie stattdessen DC / DC-Wandler. Motoren können sehr viel Strom ziehen. Linearregler haben normalerweise einen schlechten Wirkungsgrad, so dass ein Großteil der Energie in Form von Wärme, die an einem Regler abgegeben wird, in einen Abfall fließt.
• Halten Sie Hochstromkreise von anderen elektronischen Geräten fern, insbesondere von analogen.
• Erwägen Sie die Verwendung von Hardware- oder / und Softwarefiltern, wenn Sie zuverlässige und präzise ADC-Messwerte wünschen.
• Kondensatoren verwenden! Sie sind Ihre größten Freunde, wenn es darum geht, Störungen zu bekämpfen. Als Faustregel können Sie annehmen, dass jeder IC mindestens einen 100n-Kondensator zwischen jedem VCC- und GND-Pin-Paar haben sollte.
• Wenn Sie viele Karten rund um Ihren Roboter verteilt haben, sollten Sie für jede Karte einen separaten Spannungsregler hinzufügen. Durch Stromkabel verursachte Störungen werden vermieden.
• Überprüfen Sie die dedizierten Energieverwaltungs-ICs. Sie können sehr clever sein und Stromausfälle signalisieren, Ihre Schaltkreise vor Verpolung, Über- und Unterspannung und vielem mehr schützen.