群集機器人(swarm robotics)的設計是模擬蟻群和蜂群等昆蟲的群集行為,這些自主機器人需要瞭解它們的電源系統,特別是電池壽命。在這類機器人中電源分配非常重要,因為需要給無數的板載感測器、致動器和通訊模組供電(圖1)。

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圖1 硬體架構設計表明,典型群集機器人的所有零件都是由板載電池系統供電。(圖片來源:https://goo.gl/WrQYYV)



電池

本文選擇了可充電的鎳氫(NiMH)電池和鋰聚合物電池做為群集機器人的供電來源;這類電池具有尺寸小、重量輕並且容易安裝進機器人體內的特色。

電源分配和管理

設計工程師計算總功耗時,需要考量感測器、致動器、微控制器、攝影機,以及機器人使用的所有其他電子元件在完成各自任務時所消耗的電流;對一個高效率電源系統來說,還必須仔細考量工作環境、地形、地面高度,還有像是夾具會閉合以拖曳物體多少次等動作。

工程師必須判斷和測量感測器與致動器的工作時間,再將這個時間乘以它們的工作電流;舉例來說,如果超音波感測器上電後的工作電流是20mA,並且有80%的時間是上電狀態,那麼所消耗電流可以這麼計算:0.8x20mA=16mA。表1是一個設計實例。

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表1 某個群集機器人的總功耗;在一個群集中,每個機器人可能有不同的感測器組合。(來源:https://goo.gl/WrQYYV)



表1的案例以一個2,000mAh鋰聚合物電池供電,這個特定機器人群集的總功耗是650.5mA。電池壽命的計算方式如下:

電池壽命=電池容量/這個機器人消耗的總功率=2000mAh/650.5mA=3.07小時。

表2的例子以一個2,200mAh的鋰聚合物電池供電,這個機器人消耗的總功率為815.1mA;其電池壽命計算如下:

電池壽命=電池容量/這個機器人消耗的總功率=2200mAh/815.1mA = 2.69小時。

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表2 另一個群集機器人的總功耗。(來源:https://goo.gl/WrQYYV)



部署機器人群集時可以利用控制演算法判斷特定機器人的具體任務,只有在完成分配的特定任務時才為必要的感測器和致動器供電,其他感測器和致動器則處於休眠模式,這樣可以最佳化工作時間和任務性能。

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圖2 群集中配置整套感測器的單個機器人電池容量與工作時長的關係。(來源:https://goo.gl/WrQYYV)



自動化充電系統

由於鋰聚合物(LiPoly)化學電池具備高能量密度和輸出電流,應該適合小型機器人使用;該種電池其他優勢包括體積小(有些案例甚至只有信用卡大小)、不受電池形狀限制的柔性外形、重量輕(使用凝膠電解質可以免除金屬外殼需求)、安全性高(能防止過充,電解液洩漏可能性小)。然而鋰聚合物電池仍然應該防止出現過壓/欠壓和過電流情況。

為了部署大規模的機器人群集,以人工為機器人充電不太實際,應該考量與單個或多個充電站自動對接(docking)的技術;機器人可以設計為自動尋找充電站並自動對接;不過這對機器人來說是一個比普通任務更高階的任務,需要設計智慧化的電源模組。

這種電源模組需要加上與充電站配對的觸點,並採用恰當的機構設計實現簡易的對接。這種設計建議採用訴求安全/最佳化的充電方案,在機器人身上配備另一組觸點,以支援與充電器主機進行雙向高速通訊,實現恰當/安全的充電。

一個群集機器人開放源碼平台開發社群Swarmrobot.org簡要介紹了在機器人內部或者外部安裝充電管理電路的一些優缺點,同時提供了一些充電電路設計實例與可用晶片(圖3)。

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圖3 採用Linear (已被ADI收購)晶片LTC4054ES5-4.2的電源管理設計案例。(圖片來源:https://goo.gl/8wxGd1)



機器人視覺中的電源管理

機器視覺是機器人群集的重要功能,沒有視覺,群集中的機器人會很難執行它們的任務而不發生碰撞;當然,也可以使用光達(LIDAR)和/或雷達(Radar),但使用嵌入式視覺有其優勢,特別是類似一群蝗蟲檢測以相對高速接近之物體(其他蝗蟲和障礙物)的仿生視覺。蝗蟲的寬視野視覺神經元被稱為LGMD(lobula giant movement detector),能對即將發生的碰撞做出適當反應。

筆者在本文中將只討論機器人視覺系統所需的電源管理設計;以下的設計案例採用Colias群集機器人平台,提供運動、短距離近接感測器,和電源管理以及視覺處理模組,如圖4所示。

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圖4 (a)是微型化Colias機器人平台,(b)為該平台功能區塊;平台的下層電路板功能區塊圖以紅框標示。(圖片來源:https://goo.gl/fBhIyK)



圖4 (a)中看到的平台下方電路板(也就是圖4b中的紅框部分)負責管理功耗以及為電池充電。在正常條件下,機器人在一個有圍欄的區域中,利用短距離低功耗紅外發射器通訊時的功耗約為2W;使用一個3.7V、600mAh的鋰聚合物電池作為主電源一般可支援2小時的運作時間。

機器人的運動馬達是兩個微型直流馬達,採用脈衝寬度調變(PWM)技術分別加以控制,每個馬達由H型橋直流馬達驅動器驅動,根據負載不同功耗在120mW~550mW之間,效率很不錯。

由於在微型封裝中使用了低電壓CMOS影像感測器,因此3.3V的電源僅消耗60mW。圖5顯示與Colias機器人平台連接的視覺模組,圖6顯示系統的硬體架構。最後,表3為對該機器人系統的功耗的總結。

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圖5 圖中之微型機器人的視覺模組,就是紅色Colias平台上方的綠色電路板。(圖片來源:https://goo.gl/fBhIyK)



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圖6 完整的機器人硬體架構系統功能區塊。(圖片來源:https://goo.gl/fBhIyK)



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表3 圖6機器人系統的功耗。



由於此設計案例中的視覺系統體積小、功耗低,因此可以在機器人中整合兩個視覺模組,實現雙眼視覺系統;也有機器人視覺系統採用了較高功率的FPGA,但就是因為其高功率,使得這種方案不適合小型群集機器人。

總之在機器人群集應用中,除了需要強調功能性,還需要注意低功耗設計;當然這會是一個艱鉅的挑戰,電路設計工程師需要在機器人功能與運作時間兩者之間折衷考量,以做出最佳決策。