Estratégias para gerenciar energia em sistemas elétricos para robôs móveis

Quais são algumas boas estratégias a serem seguidas ao projetar fontes de alimentação para sistemas elétricos em robôs móveis?

Esses robôs geralmente compreendem sistemas com

• unidades e placas de microprocessador, microcontrolador, DSP, etc, juntamente com periféricos imediatos
• Controle motor
• Sensores analógicos (proximidade, áudio, tensão, etc)
• Sensores digitais (visão, IMU e outros exóticos)
• Circuitos de comunicação de rádio (Wifi, Bluetooth, Zigbee, etc.)
• Outras coisas mais específicas ao objetivo do robô que está sendo projetado.

Existem abordagens / regras arquiteturais unificadas para projetar sistemas de energia que possam gerenciar o fornecimento de energia limpa para todas essas várias unidades que podem ser distribuídas entre placas, sem problemas de interferência, terreno comum, etc.? Além disso, incluindo também aspectos de redundância, gerenciamento de falhas e outros recursos de 'gerenciamento / monitoramento de energia'?

exemplos bem explicados de alguns desses sistemas de energia existentes nos robôs dariam excelentes respostas.

Não conheço nenhuma "regra", mas para bots complexos, crio uma unidade "de energia" separada. Consiste basicamente na bateria, bem como em alguns 7805s / 7809s. A série 78xx usa uma entrada de 12V e fornece uma saída xx V. A maioria dos CIs funciona bem em 5V, e um Arduino precisa de 9V, e é isso que acabo usando (Nota: os pinos de saída de 5V / 3V no Arduino não são para serem usados ​​muito. Eles não fornecem muita energia, então é melhor ter uma linha de 5V separada para o seu circuito).

Depois disso, conecto todos os componentes em paralelo aos respectivos pinos de energia. Geralmente é benéfico alimentar o motor com uma fonte separada (terra comum). O motor consome a maior corrente, de modo que o simples ato de parar / desacelerar um motor pode enviar flutuações por todo o circuito. Se você não quiser fazer isso, adicione ao menos capacitores de bypass ao motor e às entradas de energia (Vcc / Gnd) dos circuitos lógicos (veja aqui para mais informações sobre como eles funcionam). Isso resolve alguns problemas de interferência.

Se você quer ser um pouco mais sofisticado, pode adicionar diodos zener às saídas de energia. Eu nunca tive que fazer isso sozinho, mas aparentemente é uma boa maneira de "racionar" o poder. Também existem "diodos de corrente constante" que você pode usar - embora eu nunca tenha visto um deles.

Para redundância, o máximo que você pode fazer (para DC) é colocar duas baterias em paralelo e talvez enviar energia aos componentes por diferentes rotas físicas. Anote o "físico" lá - a colocação dos fios pode ser diferente (e eles podem ser conectados a partes diferentes da placa), mas o circuito geral deve permanecer inalterado. A razão por trás disso é que não fazer isso corretamente pode causar curto-circuito nos pinos de alimentação - duas saídas de 5V logicamente separadas não devem ser colocadas em curto, elas não serão exatamente as mesmas e você provavelmente terá algum aquecimento / vazamento .

Estas são as regras que sigo quando estou construindo sistemas de fonte de alimentação nos meus robôs (pequenos, móveis):

• Sempre separo a fonte de alimentação dos motores de qualquer outro circuito, para reduzir a interferência (como o @Manishearth menciona ).
• Nos demais sistemas eletrônicos, desço (usando reguladores lineares) de uma bateria para cada uma das tensões necessárias (geralmente 5V e 3,3V em minhas aplicações) em paralelo.
• Eu sempre incluo diodos padrão como o primeiro componente após a conexão da bateria a qualquer placa de circuito, para proteger contra danos por polaridade reversa. A queda de tensão aqui deve ser levada em consideração ao observar as falhas do regulador.

A maioria dos meus robôs tem sido bastante simples e não merece muita redundância, mas uma maneira comum de adicionar redundância básica no caso de uma fonte de alimentação falhar é através de uma simples caixa de comutação baseada em relé. Isso pode ser configurado de forma que a fonte de alimentação ligue a bobina do relé em paralelo à passagem pelos contatos Normalmente Abertos para o robô. Um segundo suprimento de backup pode ser conectado para passar pelos contatos Normalmente Fechados. Se o primeiro suprimento falhar, o relé alternará para o segundo suprimento. Sistemas mais inteligentes podem monitorar a integridade da fonte de alimentação e alternar manualmente entre as fontes primária e de backup, conforme necessário.

Você pediu exemplos de robôs existentes. Certa vez, construí um robô rover de 6 rodas com os seguintes componentes: - 2 sensores de toque de clipe de papel caseiros - 2 Arduino Unos - uma bússola digital de 3,3V - um transmissor de rádio de 5V - 6 Vex Motor Controller 29's - 6 motores DC, corrente de reserva @ 2 ampères , 6V

Para evitar o uso de coisas elétricas complicadas (sem mexer com capacitores ou reguladores de tensão lineares), tínhamos duas baterias, uma para o "cérebro" e uma para o corpo.

Os 6 motores CC foram alimentados por uma bateria LIPO, 5000mAh 7.4V 20C 2cell. Os controladores 29 do Vex Motor têm 3 fios, 1 para dados, e Vcc e terra. Basicamente, converte o motor em um servo. Portanto, tivemos que os fios de dados dos controladores do motor fossem para as portas PWM do Arduino (11, 10, 9, 6, 5, 3), e os Vcc para o terminal positivo do LIPO e os negativos para o terreno comum.

O Arduino Unos, a bússola e o transmissor de rádio foram alimentados por 4 pilhas AA. As 4 baterias AA alimentadas no mestre Arduino, depois distribuídas para todo o resto pelas portas de 3.3V, 5V e Vin (o Arduino Uno possui reguladores lineares de 3.3V e 5V). Então o 3.3V foi para a bússola, o 5V foi para o rádio, o Vin foi para o escravo Arduino.

2 baterias separadas são simples. Não há necessidade de se preocupar com EMF de volta dos motores, sem necessidade de capacitores ou adição de reguladores de tensão.

Embora dependa da missão do veículo, também vale a pena pensar em arquitetura de energia (não implementação):

1. Se o seu robô tiver uma carga útil (que não é usada para mover ou controlar o robô), tente ter uma fonte de energia separada para a carga útil.
2. Isole os motores através de uma bateria separada, se necessário. Assim, mesmo que os motores morram, sua câmera ou outros sistemas ainda poderão funcionar.
3. Se você tirar o robô da vista, verifique se possui pelo menos algum farol para encontrá-lo mais tarde quando as baterias se esgotarem. Hoje, ouvi dizer que um modelo de RC se perdeu (falta de energia ou outro erro fatal). Se tivesse um farol, poderia ter sido salvo.

A robótica é geralmente um negócio de várias compensações, portanto não há solução definitiva para gerenciamento de energia, pois cada robô é diferente. Por exemplo, bateria separada para motores mencionados por outras pessoas às vezes pode ser uma boa solução, mas às vezes não pode ser usada devido a restrições de tamanho / peso. No entanto, existem algumas dicas gerais que podem ser utilizadas em muitos modelos:

• Nunca use a mesma fonte de energia para eletrônicos e motores / servos. Mesmo que seus motores sejam de 5V, use um regulador de tensão separado para eletrônicos e energia separada para motores.
• Não use reguladores lineares para acionar servos / motores. Use conversores DC / DC. Os motores podem consumir grandes quantidades de corrente. Os reguladores lineares geralmente têm baixa eficiência, e uma grande quantidade de energia será gasta em forma de calor dissipado em um regulador.
• Mantenha os circuitos de alta corrente afastados de outros eletrônicos, principalmente os analógicos.
• Considere usar filtros de hardware ou / e software, se desejar leituras ADC confiáveis ​​e precisas.
• Use capacitores! Eles são seus maiores amigos quando se trata de combater interferências. Como regra geral, você pode assumir que cada IC deve ter pelo menos um capacitor de 100n entre cada par de pinos VCC e GND.
• Se você possui muitas placas distribuídas em todo o seu robô, considere adicionar um regulador de tensão separado para cada placa. Isso eliminará qualquer interferência adquirida pelos cabos de energia.
• Confira CIs de gerenciamento de energia dedicados. Eles podem ser realmente inteligentes, sinalizando falhas de energia, protegendo seus circuitos da polaridade reversa, acima e abaixo da tensão e muito, muito mais.