移動ロボットの電気システムの電源を管理するための戦略

移動ロボットの電気システム用の電源を設計する際に従うべきいくつかの良い戦略は何ですか？

このようなロボットは通常、

• マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、DSPなどのユニットとボード、および周辺機器
• モーター制御
• アナログセンサー（近接、オーディオ、電圧など）
• デジタルセンサー（ビジョン、IMU、その他のエキゾチカ）
• 無線通信回路（Wifi、Bluetooth、Zigbeeなど）
• 設計されているロボットの目的に固有のその他のもの。

干渉や共通グラウンドなどの問題なしに、ボード全体に分散される可能性のあるこれらすべてのさまざまなユニットへのクリーンな電力供給を管理できる電力システムを設計するための統一されたアプローチ/アーキテクチャルールはありますか？さらに、冗長性、障害管理などの「電源管理/監視」機能も含まれていますか？

ロボットのそのような既存の動力システムのいくつかのよく説明された例は、優れた答えになるでしょう。

「ルール」は知りませんが、複雑なボットの場合は、別の「パワー」ユニットを作成します。それは基本的にバッテリーといくつかの7805s / 7809sで構成されています。78xxシリーズは12V入力を取り、xx V出力を提供します。ほとんどのICは5Vでうまく動作し、Arduinoのは、私が（注使用して終了するもののように、9Vを必要とします：5V / 3V出力ピンArduinoの上がされていない。本当に多くを使用するためのもの彼らは多くの電力を供給しませんので、回路用に別の5Vラインを用意するのが最適です）。

この後、すべてのコンポーネントをそれぞれの電源ピンに並列に接続します。一般に、別の電源（共通グラウンド）を使用してモーターに電力を供給すると効果的です。モーターは最も多くの電流を引き込むので、モーターを停止/スローするという単純な動作で、回路全体に変動を送ることができます。これを実行したくない場合は、少なくともモーターとロジック回路の電源入力（Vcc / Gnd）にバイパスコンデンサを追加します（それらの動作の詳細については、ここを参照してください）。これらはかなりの数の干渉問題を解決します。

もう少し高度になりたい場合は、電源出力にツェナーダイオードを追加できます。自分でこれを行う必要はありませんでしたが、それは明らかに「電力を配給」するための良い方法です。あなたが使用できる「定電流ダイオード」もあります-私はそれらの1つを見たことはありませんが。

冗長性を確保するためにできること（DCの場合）は、2つのバッテリーを並列に配置し、異なる物理ルートでコンポーネントに電力を送ることです。そこの「物理的」に注意してください。ワイヤの配置は異なる場合があります（また、ボードの異なる部分に接続される場合があります）が、回路全体は変更されないままにする必要があります。これを行う理由は、これを正しく行わないと、電源ピンが短絡する可能性があるためです。2つの論理的に分離した5V出力を一緒に短絡させないでください。これらは完全に同じではなく、おそらく多少の加熱/漏れがあります。 。

これらは、（小型のモバイル）ロボットに電源システムを構築するときに従うルールです。

• 干渉を減らすために、モーターの電源は常に他の回路から分離しています（@Manishearthが言及しているように）。
• 私の残りの電子システムでは、バッテリーから必要な各電圧（私のアプリケーションでは通常5Vと3.3V）に並行して（リニアレギュレーターを使用して）降圧します。
• 逆極性による損傷から保護するために、バッテリーを回路基板に接続した後の最初のコンポーネントとして、常に標準ダイオードを含めています。レギュレータのドロップアウトを見るときは、ここでの電圧降下を考慮する必要があります。

私のロボットのほとんどはかなりシンプルで冗長性の点であまりメリットがありませんが、1つの電源が故障した場合に基本的な冗長性を追加する一般的な方法は、シンプルなリレーベースのスイッチボックスを使用することです。これは、電源がリレーコイルに電力を供給し、ロボットへの通常開接点を通過するのと並行して構成できます。2番目のバックアップ電源は、通常閉接点を通過するように配線できます。最初の電源が故障すると、リレーは2番目の電源に切り替わります。巧妙なシステムは、電源の状態を監視し、必要に応じてプライマリソースとバックアップソースを手動で切り替えることができます。

あなたは既存のロボットの例を求めました。私はかつて、次のコンポーネントを備えた6輪のローバーロボットを構築しました。 、6V

複雑な電気機器（コンデンサーやリニア電圧レギュレーターをいじる必要はありません）の使用を避けるために、2つのバッテリー（1つは「脳」用、もう1つは身体用）を用意しました。

6つのDCモーターは、LIPOバッテリー、5000mAh 7.4V 20C 2cellで駆動されていました。Vexモーターコントローラー29には、データ用に1本、Vccとグラウンド用に3本のワイヤーがあります。基本的にはモーターをサーボに変換します。したがって、モーターコントローラーからのデータワイヤーをArduinoのPWMポート（11、10、9、6、5、3）に接続し、VccをLIPOの正端子に接続し、負を共通接地に接続しました。

Arduino Unos、コンパス、および無線送信機は、4本の単三電池で駆動されていました。マスターArduinoに供給された4つの単三電池は、3.3V、5V、およびVinポートを介して他のすべてに分配されます（Arduino Unoには3.3Vおよび5Vリニアレギュレーターが組み込まれています）。つまり、3.3Vはコンパス、5Vは無線ビーコン、VinはスレーブのArduinoに行きました。

2つの別々の電池は簡単です。モーターからの逆起電力について心配する必要はありません。コンデンサーや電圧レギュレーターを追加する必要はありません。

車両のミッションに依存しますが、これらはパワーアーキテクチャ（実装ではない）についても検討する価値があります。

1. ロボットにペイロードがある（ロボットの移動や制御に使用されない）場合は、ペイロード用に別の電源を用意してください。
2. 必要に応じて、別のバッテリーを介してモーターを分離します。そのため、モーターが停止しても、カメラや他のシステムは機能することができます。
3. ロボットを視界の外に送る場合は、バッテリーが切れたときにロボットを見つけるために、少なくともいくつかのビーコンがあることを確認してください。今日、RCモデルが失われたと聞きました（停電またはその他の致命的なエラー）。ビーコンがあれば、保存されている可能性があります。

ロボット工学は通常、さまざまなトレードオフのビジネスであり、すべてのロボットが異なるため、電力管理のための究極のソリューションはありません。たとえば、他の人が言及しているモーター用の別のバッテリーが良い解決策である場合もありますが、サイズ/重量の制約のために使用できない場合があります。ただし、多くの設計で利用できるいくつかの一般的なヒントがあります。

• 電子機器とモーター/サーボに同じ電源を使用しないでください。モーターが5Vの場合でも、電子機器には別の電圧レギュレーターを使用し、モーターには別の電源を使用してください。
• サーボ/モーターの駆動にリニアレギュレーターを使用しないでください。代わりにDC / DCコンバーターを使用してください。モーターは大量の電流を引き出すことができます。リニアレギュレータは通常効率が悪いため、レギュレータで消費される熱の形で電力の多くが無駄になります。
• 大電流回路を他の電子機器、特にアナログ回路から離してください。
• 信頼性が高く正確なADC読み取り値が必要な場合は、ハードウェアまたはソフトウェアフィルターの使用を検討してください。
• コンデンサを使用してください！彼らはそれが干渉と戦うことになるとあなたの最大の友達です。経験則として、各ICには各VCCピンとGNDピンのペアの間に少なくとも1つの100nコンデンサが必要であると想定できます。
• ロボット全体に多数のボードが分散している場合は、ボードごとに個別の電圧レギュレータを追加することを検討してください。それは、電源ケーブルによって得られるあらゆる干渉をカットします。
• 専用の電源管理ICを確認してください。それらは非常に賢く、電源障害を通知し、回路を逆極性、過電圧および過電圧などから保護します。