一種水中機(jī)器人競賽用仿生機(jī)器魚電源改良設(shè)計

摘要：水中機(jī)器人比賽是一項全國性質(zhì)的賽事，水中機(jī)器人以舵機(jī)為驅(qū)動模組，以電池為動力源。本文提出了一種以單節(jié)鋰電池為動力源，采用升壓模塊的電源模組，同時采用USB口充電技術(shù)，并在實際應(yīng)用中取得了一定的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：水中機(jī)器人比賽；電源模塊；升壓電路；USB口充電

中圖分類號：O442 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）31-0149-02

中國水中機(jī)器人大賽是由中國自動化學(xué)會機(jī)器人競賽工作委員會和科技部高技術(shù)發(fā)展研究中心主辦，由北京大學(xué)智能控制實驗室牽頭的一項面對全國高校的智能機(jī)器人競賽。比賽以仿生機(jī)器魚在水池之中進(jìn)行水中頂球、競速追逐等對抗形式展開。水球比賽除了涉及到機(jī)器人足球所涉及到的各種技術(shù)之外，還涉及到水動力分析、水中通訊、圖像處理、抗干擾技術(shù)等多方面的內(nèi)容，是一個綜合性的項目。

目前競賽用仿生機(jī)器魚大多采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，依靠電池作為動力源，因此電源管理方案的改良對仿生機(jī)器魚的發(fā)展有著重要的意義。目前競賽用仿生機(jī)器魚采用3節(jié)鎳氫電池串聯(lián)供電，體積大且儲能效率低。本文就競賽用仿生機(jī)器魚現(xiàn)有的電源模塊進(jìn)行改良，提出了一種基于鋰電池供電的升壓電源模塊，同時采用USB2.0接口進(jìn)行充電，并有成型的產(chǎn)品實驗，取得了明顯的改進(jìn)效果。

一、電池的選擇

目前民用多采用的可重復(fù)使用的電池性能比較如表1所示。

表1 常見可重復(fù)使用電池性能表

從表1可以看出，常見的四種電池的能量密度中，鋰電池密度最大，使用壽命也較長，且沒有記憶效應(yīng)，是一種綜合性能較優(yōu)的選擇對象。鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池，鋰電池大致可以分為鋰金屬電池和鋰電子電池。市面上常見的可以反復(fù)充電使用的為鋰離子電池，其電池正極多采用鋰鐵磷酸鹽，負(fù)極多采用石墨。在放電時，鋰離子從負(fù)極脫插，嵌入正極，充電時從正極脫嵌，插入負(fù)極。常見的正極材料如表2所示。

表2常見正極材料

負(fù)極材料大致可以分為三大類，第一類為碳負(fù)極材料，如人工石墨等，目前已經(jīng)實際應(yīng)用的鋰離子電池的負(fù)極材料多為碳負(fù)極材料。第二類為納米級負(fù)極材料，如納米氧化物材料，目前該類產(chǎn)品多處于試用階段，采用該技術(shù)可以大幅度提高鋰電池的充放電電量和次數(shù)。第三類為實驗性材料，例如錫基負(fù)極材料、合金類負(fù)極材料和含鋰過渡金屬氮化物負(fù)極材料等，該類材料都沒有商業(yè)化產(chǎn)品。由于電池需要驅(qū)動3~4臺舵機(jī)工作，同時還要給控制芯片和通信模塊供電，一般要求仿生機(jī)器魚續(xù)航能力在2~3小時，故考慮電池的容量不少于2000mAh。在實際工程當(dāng)中，常見的18650鋰電池是可以基本滿足上述要求的，該類型鋰電池是直徑為18mm，長度為65mm的圓柱形鋰電池，其容量一般在1200mAh~2600mAh之間，充滿電電壓4.2V，平臺電壓3.7V，最大放電電流一般可以達(dá)到2A。

二、升壓電路模塊設(shè)計

鋰電池的輸出電壓為3.7~4.2V，可以滿足控制芯片和通信模塊（CC2430）工作電壓要求，而舵機(jī)的工作電壓為5V，因此要設(shè)計一個升壓模塊來提升鋰電池的輸出電壓，滿足舵機(jī)的供電要求。為了提高升壓模塊的工作可靠性，本文采用了基于MP1542升壓模塊的升壓電路。MP1542是一款電流模式升壓轉(zhuǎn)換模塊，其內(nèi)部有一個2A、0.18Ω內(nèi)置轉(zhuǎn)換器可以提供高效快速的響應(yīng)。MP1542可以工作在1.3MHz或者700KHz兩個頻率下，可以在簡單濾波和低噪音的環(huán)境下工作，軟啟動可以是低電流浪涌。通過外部支持電路編程實現(xiàn)2.5V輸入，5V-12V，500mA輸出。MP1542支持欠壓鎖定、限流和熱過載保護(hù)等功能，可以有效地在負(fù)載輸出過大時對電路進(jìn)行保護(hù)。MP1542常見的外圍支持電路（3V升8V）如圖1所示。

圖1 MP1542常見外圍支持電路

輸出電壓值可以通過R1和R2的比值來進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中R2的阻值固定為10kΩ具體的公式如式1所示： Vout=■VFB（式1）

其中VFB=1.2V

根據(jù)MP1542工作原理，如果我們需要5V的輸出電壓，則R1的阻值約為30kΩ。

三、充電電路設(shè)計

根據(jù)鋰電池性質(zhì)，其允許的充電電流是0.1~1.5備電池容量之間，常規(guī)的充電電流是0.5倍電池容量，充滿電大約2~3個小時。最高充電終止電壓為4.2V，不能過沖，通常是恒流充電至4.2V后轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)恒壓充電電流降至100mA以內(nèi)后停止充電。我們選取的電池容量為2600mAh，根據(jù)鋰電子的工作特性，將充電額定電流定為不超過2A，充電電壓為5V?？紤]到充電電源適配器的問題，目前市面上比較成熟的電源適配器多采用USB口，例如給各類平板電腦充電的充電器，為節(jié)省設(shè)計成本，充電電池采用了USB2.0接口的充電接口，同時該接口也可以預(yù)留作為讀寫數(shù)據(jù)接口。為保障電池的工作安全性，本文采用了目前市面上常用的設(shè)計方案，采用CN3068的500毫安USB 接口兼容的鋰電池充電集成電路作為充電模塊。CN3068是專門為一節(jié)鋰電池而設(shè)計的線性充電器電路，利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定，最大持續(xù)充電電流可達(dá)500mA，不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻。CN3068包含兩個漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端，充電結(jié)束指示輸出端STAT1和充電狀態(tài)指示端STAT2。芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115℃時自動降低充電電流，這個功能可以使用戶最大限度地利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件。這樣，用戶在設(shè)計充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只是根據(jù)典型情況進(jìn)行設(shè)計就可以了，因為在最壞情況下，CN3068會自動減小充電電流。CN3068的典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2CN3068典型應(yīng)用電路

CN3068的工作原理如下：當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3068開始對電池充電，STAT2管腳輸出低電平，表示充電正在進(jìn)行。如果電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓低于3V，充電器用小電流對電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓超過3V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由IR管腳和GND之間的電阻RIR.確定。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓接近電池端調(diào)制電壓時，充電電流逐漸減小，CN3068進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時，充電周期結(jié)束，STAT2端輸出高阻態(tài)，STAT1端輸出低電平，表示充電周期結(jié)束，充電結(jié)束閾值是恒流充電電流的10%。如果要開始新的充電周期，只要將輸入電壓斷電，然后再上電就可以了。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓降到再充電閾值以下時，自動開始新的充電周期。芯片內(nèi)部的高精度的電壓基準(zhǔn)源、誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的誤差在±1%以內(nèi)，滿足了電池的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進(jìn)入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3uA，從而增加了待機(jī)時間。CN3068充電過程示意圖如圖3所示。

圖3CN3068充電過程示意圖

本文采用了基于一節(jié)3.6V鋰電池供電、USB2.0充電接口和3V升5V的電源管理模塊，同時競賽用仿生機(jī)器魚采用CC2430作為通信和控制模塊，對原有的競賽用仿生機(jī)器魚在電路上提出了改進(jìn)。整體電路板尺寸為22mm×30mm，滿足魚體的尺寸設(shè)計要求，實物如圖4所示。

圖4 魚體主板電路成品圖

在實際下水中，可以持續(xù)游動1小時左右，較理論估算值低。充電分別用了輸出DC5V 500mA和DC5V 1000mA和DC5V 2A三個型號的電源適配器進(jìn)行充電，充電過程中，無異常情況發(fā)生，說明充電模塊有較好的工程實用性。不足之處是在USB2.0充電接口的密封問題，本文采用硅膠USB帽進(jìn)行密封，但由于機(jī)器魚在游動過程中，特別是在對抗過程中可能會使得硅膠帽浸水，從而可能造成充電口的短路。下一步打算在接口密封和利用USB口實現(xiàn)對通信控制模塊的讀寫功能設(shè)計。

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