Chiến lược quản lý năng lượng trên hệ thống điện cho robot di động

Một số chiến lược tốt để làm theo trong khi thiết kế cung cấp năng lượng cho hệ thống điện trên robot di động là gì?

Những robot như vậy thường bao gồm các hệ thống với

• bộ vi xử lý, bộ vi điều khiển, bộ DSP, vv cùng với các thiết bị ngoại vi ngay lập tức
• Điều khiển động cơ
• Cảm biến analog (độ gần, âm thanh, điện áp, v.v.)
• Cảm biến kỹ thuật số (Tầm nhìn, IMU và exotica khác)
• Mạch comm radio (Wifi, Bluetooth, Zigbee, v.v.)
• Những thứ khác cụ thể hơn cho mục đích của robot được thiết kế.

Có các cách tiếp cận thống nhất / quy tắc kiến ​​trúc để thiết kế hệ thống điện có thể quản lý việc cung cấp năng lượng sạch cho tất cả các đơn vị khác nhau có thể được phân phối trên các bảng, mà không có vấn đề can thiệp, điểm chung, v.v.? Hơn nữa, cũng bao gồm các khía cạnh của dự phòng, quản lý thất bại và các tính năng 'quản lý / giám sát năng lượng' khác như vậy?

giải thích rõ ràng các ví dụ về một số hệ thống năng lượng hiện có như vậy trên robot sẽ đưa ra câu trả lời xuất sắc.

Tôi không biết bất kỳ "quy tắc" nào, nhưng đối với các bot phức tạp, tôi tạo đơn vị "sức mạnh" riêng biệt. Về cơ bản nó bao gồm pin, cũng như một số 7805s / 7809. Sê-ri 78xx có đầu vào 12V và cho đầu ra xx V. Hầu hết các IC hoạt động tốt trên 5V và Arduino cần 9V, vì vậy đó là những gì tôi kết thúc bằng cách sử dụng (Lưu ý: các chân đầu ra 5V / 3V trên Arduino không thực sự được sử dụng nhiều. Chúng không cung cấp nhiều năng lượng, vì vậy tốt nhất là có một dòng 5V riêng cho mạch của bạn).

Sau này, tôi kết nối tất cả các thành phần song song với các chân nguồn tương ứng của chúng. Nó thường có lợi để cung cấp năng lượng cho động cơ với một nguồn riêng (mặt bằng chung). Động cơ rút ra nhiều dòng điện nhất, vì vậy hành động đơn giản dừng / làm chậm động cơ có thể gửi dao động trong toàn mạch. Nếu bạn không muốn làm điều này, ít nhất hãy thêm tụ điện bỏ qua cho động cơ và đầu vào nguồn (Vcc / Gnd) của các mạch logic (xem tại đây để biết thêm về cách chúng hoạt động). Chúng giải quyết khá nhiều vấn đề can thiệp.

Nếu bạn muốn phức tạp hơn một chút, bạn có thể thêm điốt zener vào đầu ra nguồn. Không bao giờ phải tự làm điều này, nhưng rõ ràng đó là một cách tốt để "phân phối" sức mạnh. Ngoài ra còn có "điốt hiện tại không đổi" mà bạn có thể sử dụng - mặc dù tôi chưa bao giờ nhìn thấy một trong số đó.

Để dự phòng, hầu hết những gì bạn có thể làm (đối với DC) là đặt hai pin song song và có thể gửi năng lượng cho các thành phần theo các tuyến vật lý khác nhau. Lưu ý đến "vật lý" ở đó - vị trí của các dây có thể khác nhau (và chúng có thể gắn vào làm các phần khác nhau của bảng), nhưng mạch chung sẽ không thay đổi. Lý do đằng sau việc này là vì không làm đúng điều này có thể dẫn đến các chân nguồn bị chập - hai đầu ra 5V riêng biệt không nên được nối ngắn với nhau, chúng sẽ không giống nhau và có thể bạn sẽ bị nóng / rò rỉ .

Đây là những quy tắc tôi tuân theo khi tôi xây dựng hệ thống cung cấp năng lượng cho robot (nhỏ, di động) của mình:

• Tôi luôn tách nguồn cung cấp năng lượng của động cơ khỏi bất kỳ mạch điện nào khác, để giảm nhiễu (như @M Biếnearth đề cập ).
• Đối với phần còn lại của hệ thống điện tử của tôi, tôi bước xuống (sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính) từ pin đến từng điện áp cần thiết (thường là 5V và 3.3V trong các ứng dụng của tôi) song song.
• Tôi luôn bao gồm các điốt tiêu chuẩn là thành phần đầu tiên sau khi kết nối pin với bất kỳ bảng mạch nào, để bảo vệ chống lại thiệt hại bởi sự phân cực ngược. Việc giảm điện áp ở đây nên được tính đến khi xem xét sự sụt giảm của bộ điều chỉnh.

Hầu hết các robot của tôi khá đơn giản và không có nhiều lợi ích trong cách dự phòng, nhưng một cách phổ biến để thêm dự phòng cơ bản trong trường hợp một nguồn cung cấp điện bị hỏng là thông qua hộp chuyển đổi dựa trên rơle đơn giản. Điều này có thể được cấu hình sao cho nguồn cung cấp năng lượng cho cuộn dây rơle song song với việc đi qua các tiếp điểm Thường mở cho robot. Một nguồn cung cấp dự phòng thứ hai có thể được nối dây để đi qua các tiếp điểm Thường đóng. Nếu nguồn cung cấp đầu tiên thất bại, rơle sẽ chuyển sang nguồn cung cấp thứ hai. Các hệ thống thông minh có thể theo dõi sức khỏe cung cấp điện và chuyển đổi thủ công giữa các nguồn chính và dự phòng theo yêu cầu.

Bạn đã hỏi ví dụ về các robot hiện có. Tôi đã từng chế tạo một robot rover 6 bánh với các thành phần sau: - 2 cảm biến cảm ứng kẹp giấy tự chế - 2 Arduino Unos - la bàn kỹ thuật số 3,3V - một máy phát vô tuyến 5V - 6 Vex Motor điều khiển 29 - 6 động cơ DC, dòng điện ổn định @ 2 amps , 6V

Để tránh sử dụng những thứ điện phức tạp (không gây rối với tụ điện hoặc bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính), chúng tôi đã có 2 pin, 1 cho "bộ não", 1 cho cơ thể.

6 động cơ DC được cung cấp năng lượng bởi pin LIPO, 5000mAh 7.4V 20C 2cell. Bộ điều khiển động cơ Vex 29 có 3 dây, 1 cho dữ liệu và Vcc và Ground. Về cơ bản, nó chuyển đổi động cơ thành một servo. Vì vậy, chúng tôi đã có các dây dữ liệu từ các bộ điều khiển động cơ đi đến các cổng Arduino PWM (11, 10, 9, 6, 5, 3) và Vcc đi đến cực dương của LIPO và các âm bản đến mặt bằng chung.

Arduino Unos, la bàn và máy phát vô tuyến được cung cấp bởi 4 pin AA. 4 pin AA được đưa vào Arduino chính, sau đó phân phối ra mọi thứ khác thông qua các cổng 3,3V, 5V và Vin (Arduino Uno đã tích hợp sẵn bộ điều chỉnh tuyến tính 3,3V và 5V). Vì vậy, 3.3V đã đi đến la bàn, 5V đi đến đèn hiệu vô tuyến, Vin đi đến Arduino nô lệ.

2 pin riêng biệt đơn giản. Không cần phải lo lắng về EMF trở lại từ động cơ, không cần tụ điện hoặc thêm bộ điều chỉnh điện áp.

Mặc dù nó phụ thuộc vào nhiệm vụ xe cộ, nhưng đây cũng là những điều đáng suy nghĩ về kiến ​​trúc điện (không thực hiện):

1. Nếu robot của bạn có tải trọng (không được sử dụng để di chuyển hoặc điều khiển robot), hãy thử có một nguồn năng lượng riêng cho tải trọng.
2. Cô lập các động cơ, thông qua một pin riêng nếu cần. Vì vậy, ngay cả khi động cơ chết, máy ảnh của bạn hoặc các hệ thống khác vẫn có thể hoạt động.
3. Nếu bạn sẽ đưa robot ra khỏi tầm mắt, hãy chắc chắn rằng bạn có ít nhất một số đèn hiệu để sau đó tìm thấy nó khi hết pin. Hôm nay, tôi nghe nói rằng một mô hình RC đã bị mất (mất điện hoặc một số lỗi nghiêm trọng khác). Nếu nó có đèn hiệu, nó có thể đã được cứu.

Robotics thường là một doanh nghiệp của nhiều sự đánh đổi khác nhau, vì vậy không có giải pháp tối ưu nào cho việc quản lý năng lượng, vì mỗi robot đều khác nhau. Ví dụ, pin riêng cho động cơ được đề cập bởi người khác đôi khi có thể là một giải pháp tốt, nhưng đôi khi không thể được sử dụng do hạn chế kích thước / trọng lượng. Tuy nhiên, có một số lời khuyên chung có thể được sử dụng trong nhiều thiết kế:

• Không bao giờ sử dụng cùng một nguồn năng lượng cho thiết bị điện tử và động cơ / động cơ. Ngay cả khi động cơ của bạn là 5V, hãy sử dụng bộ điều chỉnh điện áp riêng cho thiết bị điện tử và nguồn riêng cho động cơ.
• Không sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính để lái động cơ / động cơ. Sử dụng bộ chuyển đổi DC / DC thay thế. Động cơ có thể rút ra một lượng lớn hiện tại. Các bộ điều chỉnh tuyến tính thường có hiệu quả kém, do đó, rất nhiều năng lượng sẽ bị lãng phí dưới dạng nhiệt tản ra trên bộ điều chỉnh.
• Giữ các mạch điện cao cách xa các thiết bị điện tử khác, đặc biệt là từ các thiết bị tương tự.
• Cân nhắc sử dụng các bộ lọc phần cứng hoặc / và phần mềm nếu bạn muốn đọc ADC chính xác và đáng tin cậy.
• Sử dụng tụ điện! Họ là những người bạn lớn nhất của bạn khi nói đến việc chống lại sự can thiệp. Theo nguyên tắc thông thường, bạn có thể giả sử rằng mỗi IC nên có ít nhất một tụ điện 100n giữa mỗi cặp chân VCC và GND.
• Nếu bạn có nhiều bảng phân phối xung quanh robot của bạn, hãy xem xét thêm một bộ điều chỉnh điện áp riêng cho mỗi bảng. Nó sẽ cắt bỏ mọi nhiễu có được từ dây cáp điện.
• Kiểm tra IC quản lý năng lượng chuyên dụng. Chúng có thể thực sự thông minh, báo hiệu sự cố mất điện, bảo vệ các mạch điện của bạn khỏi sự phân cực ngược, trên và dưới điện áp và nhiều, nhiều hơn nữa.