Strategi untuk mengelola daya pada sistem listrik untuk robot seluler

Apa sajakah strategi yang baik untuk diikuti saat merancang catu daya untuk sistem kelistrikan pada robot seluler?

Robot seperti itu biasanya terdiri dari sistem dengan

• mikroprosesor, mikrokontroler, DSP, unit dll dan papan bersama dengan periferal langsung
• Kontrol motor
• Sensor Analog (kedekatan, audio, tegangan, dll)
• Sensor Digital (Visi, IMU, dan eksotika lainnya)
• Sirkuit comm radio (Wifi, Bluetooth, Zigbee, dll)
• Hal-hal lain yang lebih spesifik untuk keperluan robot yang sedang dirancang.

Apakah ada pendekatan terpadu / aturan arsitektural untuk merancang sistem tenaga yang dapat mengatur pasokan daya bersih ke semua unit yang berbeda ini yang dapat didistribusikan di seluruh papan, tanpa masalah gangguan, kesamaan, dll? Selain itu, juga termasuk aspek redundansi, manajemen kegagalan, dan fitur 'manajemen daya / pemantauan' lainnya?

contoh yang dijelaskan dengan baik dari beberapa sistem tenaga yang ada pada robot akan membuat jawaban yang sangat baik.

Saya tidak tahu "aturan", tetapi untuk bot yang rumit, saya membuat unit "kekuatan" yang terpisah. Ini pada dasarnya terdiri dari baterai, serta beberapa 7805s / 7809s. Seri 78xx mengambil input 12V dan memberikan output xx V. Kebanyakan IC bekerja dengan baik pada 5V, dan Arduino membutuhkan 9V, jadi itulah yang akhirnya saya gunakan (Catatan: pin output 5V / 3V pada Arduino tidak benar - benar dimaksudkan untuk digunakan banyak. Mereka tidak memasok banyak daya, jadi yang terbaik adalah memiliki jalur 5V terpisah untuk sirkuit Anda).

Setelah ini, saya menghubungkan semua komponen secara paralel ke pin daya masing-masing. Umumnya bermanfaat untuk memberi daya motor dengan sumber terpisah (kesamaan). Motor menarik arus paling banyak, sehingga tindakan sederhana menghentikan / memperlambat motor dapat mengirim fluktuasi ke seluruh rangkaian. Jika Anda tidak ingin melakukan ini, setidaknya tambahkan kapasitor bypass ke motor dan input daya (Vcc / Gnd) dari rangkaian logika (lihat di sini untuk informasi lebih lanjut tentang cara kerjanya). Ini memecahkan beberapa masalah interferensi.

Jika Anda ingin menjadi sedikit lebih canggih, Anda dapat menambahkan dioda zener ke output daya. Tidak pernah harus melakukan ini sendiri, tetapi tampaknya cara yang baik untuk "menjatah" kekuasaan. Ada juga "dioda arus konstan" yang dapat Anda gunakan - meskipun saya belum pernah melihatnya.

Untuk redundansi, yang paling dapat Anda lakukan (untuk DC) adalah meletakkan dua baterai secara paralel dan mungkin mengirim daya ke komponen dengan rute fisik yang berbeda. Perhatikan "fisik" di sana - penempatan kabel mungkin berbeda (dan mereka mungkin memasang bagian papan yang berbeda), tetapi rangkaian keseluruhan harus tetap tidak berubah. Alasan di balik melakukan ini adalah bahwa tidak melakukan hal ini dapat menyebabkan pin power menjadi korsleting - dua output 5V yang terpisah secara logis tidak boleh disingkat bersamaan, mereka tidak akan persis sama dan Anda mungkin akan mengalami beberapa pemanasan / kebocoran .

Ini adalah aturan yang saya ikuti ketika saya membangun sistem catu daya pada robot (kecil, seluler) saya:

• Saya selalu memisahkan catu daya motor dari sirkuit lain, untuk mengurangi gangguan (seperti @Manishearth menyebutkan ).
• Untuk sisa sistem elektronik saya, saya mundur (menggunakan regulator linier) dari baterai ke masing-masing tegangan yang diperlukan (biasanya 5V dan 3,3V dalam aplikasi saya) secara paralel.
• Saya selalu menyertakan dioda standar sebagai komponen pertama setelah sambungan baterai ke papan sirkuit apa pun, untuk melindungi dari kerusakan dengan polaritas terbalik. Penurunan voltase di sini harus diperhitungkan saat melihat drop-out regulator.

Sebagian besar robot saya cukup sederhana dan belum banyak mendapat manfaat dalam hal redundansi, tetapi cara umum untuk menambah redundansi dasar jika salah satu catu daya gagal adalah melalui kotak sakelar berbasis relai sederhana. Ini dapat dikonfigurasi sedemikian rupa sehingga catu daya menggerakkan koil relay secara paralel untuk melewati kontak Normally-Open ke robot. Pasokan cadangan kedua dapat ditransfer melalui kontak Normal-Closed. Jika persediaan pertama gagal, relai akan beralih ke persediaan kedua. Sistem pintar dapat memantau kesehatan catu daya dan beralih secara manual antara sumber primer dan cadangan sesuai kebutuhan.

Anda meminta contoh robot yang ada. Saya pernah membuat robot rover 6 roda dengan komponen berikut: - 2 sensor sentuhan penjepit kertas buatan sendiri - 2 Arduino Unos - kompas digital 3.3V - pemancar radio 5V - 6 Vex Motor Controller 29's - 6 motor DC, Stall current @ 2 amps , 6V

Untuk menghindari penggunaan peralatan listrik yang rumit (tidak menggunakan kapasitor atau pengatur tegangan linier), kami memiliki 2 baterai, 1 untuk "otak", 1 untuk tubuh.

6 motor DC ditenagai oleh baterai LIPO, 5000mAh 7.4V 20C 2cell. Vex Motor Controller 29's memiliki 3 kabel, 1 untuk data, dan Vcc dan Ground. Ini pada dasarnya mengubah motor menjadi servo. Jadi kami memiliki kabel data dari pengontrol motor ke port PWM Arduino (11, 10, 9, 6, 5, 3), dan Vcc pergi ke terminal positif LIPO, dan negatif ke titik temu.

Arduino Unos, kompas, dan pemancar radio ditenagai oleh 4 baterai AA. 4 baterai AA dimasukkan ke dalam master Arduino, kemudian didistribusikan ke yang lain melalui port 3.3V, 5V, dan Vin (Arduino Uno telah membangun regulator linier 3.3V dan 5V). Jadi 3.3V pergi ke kompas, 5V pergi ke suar radio, Vin pergi ke budak Arduino.

2 baterai terpisah sederhana. Tidak perlu khawatir tentang EMF kembali dari motor, tidak perlu kapasitor atau menambah regulator tegangan.

Meskipun tergantung pada misi kendaraan, ini juga layak untuk dipikirkan tentang arsitektur daya (bukan implementasi):

1. Jika robot Anda memiliki muatan (yang tidak digunakan untuk memindahkan atau mengendalikan robot), cobalah untuk memiliki sumber daya terpisah untuk muatan tersebut.
2. Isolasi motor, melalui baterai terpisah jika diperlukan. Sehingga bahkan jika motor mati, kamera Anda atau sistem lain masih bisa berfungsi.
3. Jika Anda akan mengirim robot keluar dari pandangan mata pastikan Anda memiliki setidaknya beberapa suar untuk nanti menemukannya ketika baterai mati. Hari ini, saya mendengar bahwa model RC hilang (pemadaman listrik atau kesalahan fatal lainnya). Jika memiliki suar, itu bisa diselamatkan.

Robotika biasanya merupakan bisnis berbagai pertukaran, jadi tidak ada solusi akhir untuk manajemen daya, karena setiap robot berbeda. Misalnya, baterai terpisah untuk motor yang disebutkan oleh orang lain kadang-kadang mungkin merupakan solusi yang baik, tetapi kadang-kadang tidak dapat digunakan karena kendala ukuran / berat. Namun ada beberapa tips umum yang dapat digunakan dalam banyak desain:

• Jangan pernah menggunakan sumber daya yang sama untuk elektronik dan motor / servo. Bahkan jika motor Anda 5V, gunakan pengatur tegangan terpisah untuk elektronik, dan pisahkan daya untuk motor.
• Jangan gunakan regulator linier untuk mengendarai servos / motor. Gunakan konverter DC / DC sebagai gantinya. Motor dapat menarik arus yang sangat besar. Regulator linier biasanya memiliki efisiensi yang buruk, sehingga sebagian besar daya akan terbuang sia-sia dalam bentuk panas yang dihamburkan pada regulator.
• Jauhkan sirkuit arus tinggi dari elektronik lainnya, terutama dari analog.
• Pertimbangkan untuk menggunakan filter perangkat keras atau / dan perangkat lunak jika Anda ingin pembacaan ADC yang andal dan tepat.
• Gunakan kapasitor! Mereka adalah teman terbesar Anda dalam hal melawan gangguan. Sebagai patokan, Anda dapat mengasumsikan bahwa setiap IC harus memiliki setidaknya satu kapasitor 100n antara masing-masing pasangan pin VCC dan GND.
• Jika Anda banyak papan yang didistribusikan di sekitar robot Anda, pertimbangkan untuk menambahkan pengatur tegangan terpisah untuk setiap papan. Ini akan memotong semua gangguan yang diperoleh oleh kabel daya.
• Lihat IC manajemen daya khusus. Mereka dapat benar-benar pintar, menandakan kegagalan daya, melindungi sirkuit Anda dari polaritas terbalik, tegangan berlebih dan di bawah dan banyak lagi.