Autonomber Roboter - selbstständiges Laden von Kontrolleinheit und Motoren

[rhino25782]

Hallo zusammen,

in einem anderen Thread beschreibe ich mein Projekt ausführlich. Ich würde gerne eine Frage hier herausgelöst noch einmal stellen:

Der Roboter besteht im Prinzip aus einer Kontrolleinheit (Raspberry PI + Sensoren) und drei Motoren. Der RPi wird über einen USV-Modul namens "PiJuice" betrieben. PiJuice wird von einem 12.000 mAh Li-Ion Akku (eine Zelle, 3.7 V Nennspannnung) betrieben. Der PiJuice ermöglicht es, dass bei vorhandender, externer Stromversorgung entweder über den RPi USB-C Anschluss oder den PiJuice MicroUSB Anschluss a) der RPi weiterbetrieben wird und b) der verbundene Akku aufgeladen wird.

Diev drei Motoren werden vom RPi über ein Motor-Controller-HAT gesteuert. Der Motor Controller hat einen eigenen Eingang für die Stromversorgung der Motoren. Diese laufen mit 9-12 Volt. Aktuell werden diese von einem separaten Batterieblock betrieben. Kürzlich habe ich von Alkaline hier auf NiMH umgeschaltet, aktuell erfolgt der Betrieb mit 8 x 1.2 V NiMH AA-Zellen mit 2850 mAh.

Ziel ist es künftig, dass der Roboter autonom bei Bedarf zu seiner Ladestation fährt. Für den ersten Teil, die Kontrolleinheit, habe ich da eine Lösung bereits im Kopf bzw. die Teile schon beschafft. Es wird ein induktives (wireless) Lademodul mit einer Homing-Funktion über ein Infrarot-Beacon werden. Der Roboter wird unterhalb seiner Chassis die "empfangende" Spule montiert bekommen, der so empfangene Strom (5V, 1.3 A) wird an den PiJuice geleitet, der damit den Li-Ion Akku lädt.

Damit wird die Energierversorgung der Motoren aber nicht geladen. Hier wäre also weiterhin die Entnahme der Akkus und Laden in einem externen Ladegerät erforderlich. Wenig "autonom".

Was könnten nun geschickte Strategien sein, die Motoren ebenfalls autonom zu laden? Generell denke ich in zwei Richtungen, bin aber in diesem Thema halt Laie:

1. Änderung des Konzepts, so dass Kontrolleinheit und Motoren von der gleichen Stromversorgung aus betrieben werden. Davor habe ich etwas Berührungsängste, m. E. ist es stabiler und klüger, den Raspberry separat mit Energie zu versorgen. Weiterhin gibt es dann natürlich das Problem der unterschiedlichen Spannungen (3.7 V vs. 9-12 V).
2. Ein "Abzapfen" eines Teils des Stroms vom Ladevorgang Kontrolleinheit für die Motoren. Der PiJuice kann über einen weiteren Ausgang bis zu 2100 mA liefern mit der jeweils vorhandenen Spannung (also m. E. im Bereich von 3.3 - 4.2 Volt des Li-Ion Akkus bei Akkubetrieb oder 5 V bei vorhandener externer Stromversorgung).

Bei der Variante 2 käme zugute, dass die Kontrolleinheit zwar kontinuierlich laufen sollte (der Roboter ist immer "da"), die Motoren aber nur sehr gelegentlich benutzt werden. Es ist auch in Ordnung, wenn das Laden der Motoren sehr lange dauert. Allerdings: Ist das überhaupt realisierbar und wenn ja, wie? Die NiMH Zellen sind ja im Betrieb in Reihe geschaltet. Eigentlich sollte man sie m. E. besser parallel laden, aber dazu müsste ich sie ja doch eher von Hand aus dem Gerät nehmen. Ich hänge aber auch nicht zwingend an den einzelnen NiMH-Zellen, bin da für Alternativen offen. Auch habe ich hier natürlich auch wieder das Problem, nur 3-5 V zur Verfügung zu haben.

[Holomino]

Wenn ich z.B. einmal Haushaltsstaubsauger betrachte, finde ich keinen separaten Akku für die Steuereinheit. 3,3 oder 5V werden in der Regel über einen Stepdown aus den 3 oder 4 in Reihe geschalteten Zellen generiert. Natürlich handelt man sich damit den Mehraufwand des Balancing und der Einzelzellmessungen ein, aber ich fürchte fast:
Auch wenn es kompliziert/umfangreich erscheint, einfacher gehts kaum.

[jmoors]

Im Modellbau haben viele separate Akkus für die Steuerelektronik und Motoren. Das resultiert oftmals aus den teilweise schlechten oder nicht leistungsfähigen BEC, die in den Reglern eingebaut sind.

[Rabenauge]

Nö.
Separate Akkus hat man eigentlich sogar recht selten, da moderne Fahrtregler meist ausreichende BEC haben.
Falls nicht, kann man ein separates BEC-Modul benutzen, was aber idR. auch an den Fahrakku kommt.
Ich hab in meiner Sammlung (Flug-Schiffs-und Automodelle) kein einziges, was mehr als einen Akku braucht.

Und: NiMh-Akkus werden seit jeher im Modellbau (wo sie da überhaupt noch verwendet werden...) als Packs benutzt und auch so geladen.
Diese Packs haben gar keine Einzel-Abgriffe.
Funktioniert prächtig.

Ich hab hier ne Powerbank, die gleichzeitig ge- und entladen werden kann. Mit so einer Schaltung liesse sich ein "immer an" auch realisieren.
Die meisten E-Zigaretten können das auch...
In ner separaten Stromversorgung des Pi sehe ich nicht wirklich Vorteile, ehrlich gesagt. Man muss sich halt drum kümmern, dass Spannungseinbrüche (wenn die Motoren anlaufen, z.B.) ausreichend gepuffert werden.

Auf meinem Freddie II hab ich nen Raspi (wahlweise, als Aufsteck-Modul, da kann auch ein Arduino drauf oder so), nen Arduino Nano (der erledigt die Fahrwerks-Geschichten, überwacht aber auch den Akku, zählt die Odo-Ticks usw., der ist fest verbaut ) und zwei Motoren. Das läuft alles komplett über nen einzigen Akku...problemlos.
Man muss halt den Akku überwachen, und ggf. das Fahren einstellen, ehe die Spannung zu niedrig wird.
Freddie III (in Planung) wird das genauso handhaben, nur dass der dann hochstromfähige LiIo-Zellen bekommen wird, statt dem (zu kleinen) LiPo.

[oberallgeier]

. . Man muss halt den Akku überwachen, und ggf. das Fahren einstellen, ehe die Spannung zu niedrig wird . .

Stimmt. Wobei mir beim MiniD0 ein kleiner Auf-/Abwärts-Wandler (SEPIC-Wandler = Kombination aus Abwärts- und Aufwärtswandler) geholfen hatte. Die Motoren werden direkt vom Akku betrieben und der Controller (erst) nach dem "Spannungs-Konstanthalter". Das garantiert mir den sauberen Controllerbetrieb auch bei Einbruch der Spannung aus dem (einzigen *gg*) Akkupack.