Estrategias para administrar la energía en sistemas eléctricos para robots móviles

¿Cuáles son algunas buenas estrategias a seguir al diseñar la fuente de alimentación para sistemas eléctricos en robots móviles?

Tales robots típicamente comprenden sistemas con

• Unidades y placas de microprocesador, microcontrolador, DSP, etc. junto con periféricos inmediatos
• Control del motor
• Sensores analógicos (proximidad, audio, voltaje, etc.)
• Sensores digitales (visión, IMU y otros elementos exóticos)
• Circuitos de comunicación por radio (Wifi, Bluetooth, Zigbee, etc.)
• Otras cosas más específicas para el propósito del robot que se está diseñando.

¿Existen enfoques unificados / reglas arquitectónicas para diseñar sistemas de energía que puedan administrar el suministro de energía limpia a todas estas unidades que pueden distribuirse a través de tableros, sin problemas de interferencia, terreno común, etc.? Además, ¿también incluye aspectos de redundancia, administración de fallas y otras características de 'administración / monitoreo de energía'?

ejemplos bien explicados de algunos de estos sistemas de energía existentes en robots serían excelentes respuestas.

No conozco ninguna "regla", pero para bots complejos, creo una unidad de "poder" separada. Básicamente consiste en la batería, así como algunos 7805s / 7809s. La serie 78xx toma una entrada de 12V y proporciona una salida xx V. La mayoría de los circuitos integrados funcionan bien con 5V, y un Arduino necesita 9V, así que eso es lo que termino usando (Nota: los pines de salida de 5V / 3V en el Arduino realmente no están destinados a ser utilizados mucho. No suministran mucha potencia, por lo que es mejor tener una línea de 5V separada para sus circuitos).

Después de esto, conecto todos los componentes en paralelo a sus respectivos pines de alimentación. En general, es beneficioso alimentar el motor con una fuente separada (tierra común). El motor consume la mayor cantidad de corriente, por lo que el simple acto de detener / desacelerar un motor puede enviar fluctuaciones en todo el circuito. Si no desea hacer esto, al menos agregue condensadores de derivación al motor y las entradas de potencia (Vcc / Gnd) de los circuitos lógicos (consulte aquí para obtener más información sobre cómo funcionan). Estos resuelven bastantes problemas de interferencia.

Si desea ser un poco más sofisticado, puede agregar diodos zener a las salidas de potencia. Nunca tuve que hacer esto yo mismo, pero aparentemente es una buena forma de "racionar" el poder. También hay "diodos de corriente constante" que puede usar, aunque nunca he visto uno de esos.

Para la redundancia, lo máximo que puede hacer (para CC) es poner dos baterías en paralelo y quizás enviar energía a los componentes por diferentes rutas físicas. Tome nota de lo "físico" allí: la ubicación de los cables puede ser diferente (y se pueden unir en diferentes partes de la placa), pero el circuito general debe permanecer sin cambios. La razón detrás de hacer esto es que no hacerlo correctamente puede provocar un cortocircuito en los pines de alimentación: dos salidas de 5 V lógicamente separadas no deben estar en cortocircuito, no serán exactamente lo mismo y probablemente tenga un poco de calentamiento / fuga .

Estas son las reglas que sigo cuando construyo sistemas de suministro de energía en mis robots (pequeños, móviles):

• Siempre separo la fuente de alimentación de los motores de cualquier otro circuito, para reducir la interferencia (como menciona @Manishearth ).
• Para el resto de mis sistemas electrónicos, renuncio (usando reguladores lineales) de una batería a cada uno de los voltajes requeridos (generalmente 5V y 3.3V en mis aplicaciones) en paralelo.
• Siempre incluyo diodos estándar como primer componente después de la conexión de la batería a cualquier placa de circuito, para proteger contra daños por polaridad inversa. La caída de voltaje aquí debe tenerse en cuenta al mirar las interrupciones del regulador.

La mayoría de mis robots han sido bastante simples y no merecen mucha redundancia, pero una forma común de agregar redundancia básica en caso de falla de una fuente de alimentación es a través de una simple caja de interruptores basada en relés. Esto se puede configurar de modo que la fuente de alimentación alimente la bobina del relé en paralelo para pasar a través de los contactos normalmente abiertos al robot. Se puede conectar un segundo suministro de respaldo para pasar a través de los contactos normalmente cerrados. Si falla el primer suministro, el relé cambiará al segundo suministro. Los sistemas más inteligentes pueden monitorear el estado de la fuente de alimentación y cambiar manualmente entre fuentes primarias y de respaldo según sea necesario.

Solicitó ejemplos de robots existentes. Una vez construí un robot rover de 6 ruedas con los siguientes componentes: - 2 sensores táctiles caseros de clip - 2 Arduino Unos - una brújula digital de 3.3V - un transmisor de radio de 5V - 6 Controladores de motor Vex 29 - 6 motores de CC, corriente de parada a 2 amperios , 6V

Para evitar el uso de cosas eléctricas complicadas (sin jugar con condensadores o reguladores de voltaje lineales), teníamos 2 baterías, 1 para el "cerebro", 1 para el cuerpo.

Los 6 motores de CC estaban alimentados por una batería LIPO, 5000mAh 7.4V 20C 2cell. Los Controladores de motor Vex 29 tienen 3 cables, 1 para datos y Vcc y tierra. Básicamente convierte el motor en un servo. Entonces, los cables de datos de los controladores del motor iban a los puertos PWM de Arduino (11, 10, 9, 6, 5, 3), y los Vcc iban al terminal positivo del LIPO, y los negativos a la tierra común.

El Arduino Unos, la brújula y el transmisor de radio funcionaban con 4 baterías AA. Las 4 baterías AA se alimentaron al Arduino maestro, luego se distribuyeron a todo lo demás a través de los puertos de 3.3V, 5V y Vin (Arduino Uno ha incorporado reguladores lineales de 3.3V y 5V). Entonces el 3.3V fue a la brújula, el 5V fue a la radiobaliza, el Vin fue al esclavo Arduino.

2 baterías separadas es simple. No hay necesidad de preocuparse por la EMF posterior de los motores, no se necesitan condensadores o agregar reguladores de voltaje.

Aunque depende de la misión del vehículo, también vale la pena pensar en la arquitectura de potencia (no en la implementación):

1. Si su robot tiene una carga útil (que no se usa para mover o controlar el robot), intente tener una fuente de energía separada para la carga útil.
2. Aísle los motores, a través de una batería separada si es necesario. De modo que incluso si los motores mueren, su cámara u otros sistemas aún podrían funcionar.
3. Si va a enviar el robot fuera de la vista, asegúrese de tener al menos algo de baliza para luego encontrarlo cuando se agoten las baterías. Hoy, escuché que se perdió un modelo RC (corte de energía u otro error fatal). Si tuviera una baliza, podría haberse salvado.

La robótica suele ser un negocio de varias compensaciones, por lo que no existe una solución definitiva para la administración de energía, ya que cada robot es diferente. Por ejemplo, una batería separada para motores mencionados por otros a veces puede ser una buena solución, pero a veces no se puede usar debido a restricciones de tamaño / peso. Sin embargo, hay algunos consejos generales que pueden utilizarse en muchos diseños:

• Nunca use la misma fuente de alimentación para electrónica y motores / servos. Incluso si sus motores son de 5V, use un regulador de voltaje separado para la electrónica y una potencia separada para los motores.
• No utilice reguladores lineales para conducir servos / motores. Utilice convertidores DC / DC en su lugar. Los motores pueden extraer grandes cantidades de corriente. Los reguladores lineales generalmente tienen poca eficiencia, por lo que gran parte de la energía se desperdiciará en forma de calor disipado en un regulador.
• Mantenga los circuitos de alta corriente lejos de otros dispositivos electrónicos, especialmente de los analógicos.
• Considere usar filtros de hardware y / o software si desea lecturas de ADC confiables y precisas.
• ¡Usa condensadores! Son tus mejores amigos cuando se trata de luchar contra la interferencia. Como regla general, puede suponer que cada IC debe tener al menos un condensador de 100n entre cada par de pines VCC y GND.
• Si tiene muchas placas distribuidas alrededor de su robot, considere agregar un regulador de voltaje separado para cada placa. Cortará cualquier interferencia adquirida por los cables de alimentación.
• Echa un vistazo a los circuitos integrados de administración de energía. Pueden ser realmente inteligentes, señalando fallas de energía, protegiendo sus circuitos de polaridad inversa, sobre y bajo voltaje y muchos, muchos más.