Stratégies de gestion de l'alimentation des systèmes électriques pour robots mobiles

Quelles sont les bonnes stratégies à suivre lors de la conception de l'alimentation électrique des systèmes électriques des robots mobiles?

Ces robots comprennent généralement des systèmes avec

• microprocesseur, microcontrôleur, DSP, etc. unités et cartes avec périphériques immédiats
• Contrôle moteur
• Capteurs analogiques (proximité, audio, tension, etc.)
• Capteurs numériques (Vision, IMU et autres exotiques)
• Circuits de communication radio (Wifi, Bluetooth, Zigbee, etc.)
• D'autres choses plus spécifiques au but du robot en cours de conception.

Existe-t-il des approches / règles architecturales unifiées pour la conception de systèmes d'alimentation qui peuvent gérer une alimentation électrique propre à toutes ces différentes unités qui peuvent être réparties sur des cartes, sans problèmes d'interférence, de terrain commun, etc.? En outre, y compris les aspects de redondance, de gestion des pannes et d'autres fonctionnalités de gestion / surveillance de l'alimentation de ce type?

des exemples bien expliqués de certains de ces systèmes d'alimentation existants sur des robots fourniraient d'excellentes réponses.

Je ne connais pas de "règles", mais pour les bots complexes, je crée une unité de "puissance" séparée. Il se compose essentiellement de la batterie, ainsi que de certains 7805/7809. La série 78xx prend une entrée 12V et donne une sortie xx V. La plupart des circuits intégrés fonctionnent bien sur 5V, et un Arduino a besoin de 9V, c'est donc ce que je finis par utiliser (Remarque: les broches de sortie 5V / 3V sur l'Arduino ne sont pas vraiment destinées à être beaucoup utilisées. Elles ne fournissent pas beaucoup d'énergie, donc il est préférable d'avoir une ligne 5V séparée pour vos circuits).

Après cela, je connecte tous les composants en parallèle à leurs broches d'alimentation respectives. Il est généralement avantageux d'alimenter le moteur avec une source distincte (masse commune). Le moteur consomme le plus de courant, de sorte que le simple fait d'arrêter / de ralentir un moteur peut envoyer des fluctuations dans tout le circuit. Si vous ne voulez pas faire cela, ajoutez au moins des condensateurs de dérivation au moteur et aux entrées d'alimentation (Vcc / Gnd) des circuits logiques (voir ici pour en savoir plus sur leur fonctionnement). Ceux-ci résolvent un certain nombre de problèmes d'interférence.

Si vous voulez être un peu plus sophistiqué, vous pouvez ajouter des diodes zener aux sorties de puissance. Je n'ai jamais eu à le faire moi-même, mais c'est apparemment un bon moyen de "rationner" le pouvoir. Il existe également des "diodes à courant constant" que vous pouvez utiliser - même si je n'en ai jamais vu une.

Pour la redondance, le plus que vous pouvez faire (pour DC) est de mettre deux batteries en parallèle et peut-être d'envoyer de l'énergie aux composants par différentes voies physiques. Prenez note du "physique" là-bas - l'emplacement des fils peut être différent (et ils peuvent être attachés à différentes parties de la carte), mais le circuit global doit rester inchangé. La raison derrière cela est que le fait de ne pas faire cela correctement peut entraîner un court-circuit des broches d'alimentation - deux sorties 5 V logiquement séparées ne devraient pas être court-circuitées ensemble, elles ne seront pas exactement les mêmes et vous aurez probablement un peu de chauffage / fuite .

Voici les règles que je respecte lorsque je construis des systèmes d'alimentation électrique sur mes (petits, mobiles) robots:

• Je sépare toujours l'alimentation des moteurs de tout autre circuit, pour réduire les interférences (comme le mentionne @Manishearth ).
• Pour le reste de mes systèmes électroniques, je descends (en utilisant des régulateurs linéaires) d'une batterie à chacune des tensions requises (généralement 5V et 3,3V dans mes applications) en parallèle.
• J'inclus toujours des diodes standard comme premier composant après la connexion de la batterie à toutes les cartes de circuits imprimés, pour protéger contre les dommages par polarité inversée. La chute de tension ici doit être prise en compte lors de l'examen des pannes du régulateur.

La plupart de mes robots ont été assez simples et n'ont pas beaucoup mérité en termes de redondance, mais un moyen commun d'ajouter une redondance de base en cas de panne d'une alimentation est d'utiliser un simple boîtier de commutation à relais. Ceci peut être configuré de telle sorte que l'alimentation électrique alimente la bobine de relais en parallèle au passage des contacts normalement ouverts au robot. Une deuxième alimentation de secours peut être câblée pour passer à travers les contacts normalement fermés. Si la première alimentation tombe en panne, le relais bascule vers la deuxième alimentation. Des systèmes plus intelligents peuvent surveiller la santé de l'alimentation et basculer manuellement entre les sources primaires et de secours selon les besoins.

Vous avez demandé des exemples de robots existants. Une fois, j'ai construit un robot rover à 6 roues avec les composants suivants: - 2 capteurs tactiles de trombone faits maison - 2 Arduino Unos - une boussole numérique de 3,3 V - un émetteur radio 5 V - 6 Vex Motor Controller 29's - 6 moteurs CC, courant de décrochage @ 2 ampères , 6V

Pour éviter d'utiliser des choses électriques compliquées (pas de problème avec les condensateurs ou les régulateurs de tension linéaires), nous avions 2 batteries, 1 pour le "cerveau", 1 pour le corps.

Les 6 moteurs DC étaient alimentés par une batterie LIPO, 5000mAh 7.4V 20C 2cell. Les contrôleurs de moteur Vex 29 ont 3 fils, 1 pour les données, et Vcc et masse. Il convertit fondamentalement le moteur en servo. Nous avons donc fait passer les câbles de données des contrôleurs de moteur aux ports Arduino PWM (11, 10, 9, 6, 5, 3), et les Vcc à la borne positive du LIPO, et les négatifs à la masse commune.

L'Arduino Unos, la boussole et l'émetteur radio étaient alimentés par 4 piles AA. Les 4 piles AA sont entrées dans le Arduino maître, puis distribuées à tout le reste via les ports 3,3 V, 5 V et Vin (Arduino Uno a intégré des régulateurs linéaires 3,3 V et 5 V). Donc, le 3,3V est allé à la boussole, le 5V est allé à la balise radio, le Vin est allé à l'esclave Arduino.

2 batteries séparées est simple. Il n'y a pas besoin de s'inquiéter du retour d'EMF des moteurs, pas besoin de condensateurs ou d'ajout de régulateurs de tension.

Bien que cela dépende de la mission du véhicule, cela vaut également la peine de penser à l'architecture de puissance (pas à la mise en œuvre):

1. Si votre robot a une charge utile (qui n'est pas utilisée pour déplacer ou contrôler le robot), essayez d'avoir une source d'alimentation distincte pour la charge utile.
2. Isolez les moteurs, à travers une batterie séparée si nécessaire. De sorte que même si les moteurs meurent, votre appareil photo ou d'autres systèmes pourraient toujours fonctionner.
3. Si vous voulez envoyer le robot hors de vue, assurez-vous d'avoir au moins une balise pour le retrouver plus tard lorsque les piles seront épuisées. Aujourd'hui, j'ai entendu qu'un modèle RC s'est perdu (panne de courant ou autre erreur fatale). S'il avait une balise, il aurait pu être sauvé.

La robotique est généralement une affaire de compromis, il n'y a donc pas de solution ultime pour la gestion de l'énergie, car chaque robot est différent. Par exemple, une batterie séparée pour les moteurs mentionnés par d'autres peut parfois être une bonne solution, mais parfois ne peut pas être utilisée en raison de contraintes de taille / poids. Il existe cependant quelques conseils généraux qui peuvent être utilisés dans de nombreuses conceptions:

• N'utilisez jamais la même source d'alimentation pour l'électronique et les moteurs / servos. Même si vos moteurs sont de 5 V, utilisez un régulateur de tension séparé pour l'électronique et une alimentation séparée pour les moteurs.
• N'utilisez pas de régulateurs linéaires pour entraîner des servos / moteurs. Utilisez plutôt des convertisseurs DC / DC. Les moteurs peuvent tirer d'énormes quantités de courant. Les régulateurs linéaires ont généralement une faible efficacité, donc une grande partie de l'énergie ira aux déchets sous forme de chaleur dissipée sur un régulateur.
• Gardez les circuits à courant élevé éloignés des autres appareils électroniques, en particulier des circuits analogiques.
• Pensez à utiliser des filtres matériels ou / et logiciels si vous souhaitez des lectures ADC fiables et précises.
• Utilisez des condensateurs! Ce sont vos plus grands amis lorsqu'il s'agit de lutter contre les interférences. En règle générale, vous pouvez supposer que chaque circuit intégré doit avoir au moins un condensateur de 100 n entre chaque paire de broches VCC et GND.
• Si vous avez de nombreuses cartes réparties tout autour de votre robot, envisagez d'ajouter un régulateur de tension séparé pour chaque carte. Il supprimera toute interférence acquise par les câbles d'alimentation.
• Découvrez les circuits intégrés de gestion de l'alimentation dédiés. Ils peuvent être très intelligents, signalant des pannes de courant, protégeant vos circuits contre les inversions de polarité, les surtensions et les sous-tensions et bien d'autres.