Powermanagement in solarbetriebenen autonomen Robotern

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1 UNIVERSITÄT KASSEL FACHBEREICH ELEKTROTECHNIK/INFORMATIK FACHGEBIET VERTEILTE SYSTEME Diplomarbeit I Powermanagement in solarbetriebenen autonomen Robotern Kai Baumgart 19. Februar Prüfer: Prof. Dr. Kurt Geihs 2. Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Josef Börcsök Betreuer: Roland Reichle Betreuer: Philipp Baer

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3 Danksagung Ich danke meinen Betreuern Roland Reichle und Philipp Baer und meinem Professor Dr. Kurt Geihs für ihre hilfreichen Anregungen und ihre herausragende Unterstützung bei der Erstellung dieser Arbeit. Desweiteren möchte ich mich bei Michael Wagner, Holger Schoneville und Nicole Burkhardt für ihre Unterstützung bedanken. Ein besonderer Dank geht an Celia Bannert und meine Familie, die mich mit viel Geduld während dieser Arbeit unterstützt haben. iii

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5 Kurzzusammenfassung Mobile autonome Roboter werden in der Regel über Akkumulatoren oder Batterien mit Energie versorgt, da eine Verkabelung mit einer permanenten Energiequelle meist unpraktikabel ist. Da dem System deshalb nur eine begrenzte Energiemenge zur Verfügung steht, hat es nur eine beschränkte Laufzeit, bis die Energiespeicher ausgetauscht oder wieder aufgeladen werden. Dies bedeutet für den Betreiber einen zusätzlichen Aufwand und Kosten. Solarmodule, die Licht in elektrische Energie wandeln, können dabei in vielen Anwendungen die begrenze Kapazität ersetzen. Der Solarzellentyp und die Größe des Moduls ist neben der Lichtleistung ausschlaggebend, wie viel Energie das Modul liefern kann. Heutige Solarzellentypen haben jedoch nur einen Wirkungsgrad von etwa 15-28% (vgl. Anton u. a. 2005, S. 14), weshalb die Solarmodule oft groß und dadurch auch teuer sind. Eine Möglichkeit diesem Nachteil zu begegnen, besteht darin den Energiebedarf der Systeme zu senken. Neben der Auswahl von energiesparenden Komponenten kann vor allem eine Integration eines Powermanagementsystems den Energiebedarf des Systems beachtlich verringern. Für diese Arbeit wurde ein mobiler autonomer Roboter entwickelt, der als Beispielanwendung eine Raumvermessung mit Hilfe von Sensoren und Aktoren durchführt. Der Roboter wird von einem Mikrocontroller gesteuert, auf dem eine Software läuft, die speziell für diese Arbeit entwickelt wurde. Das darin integrierte Powermanagementsystem führt zu einer Energieeinsparung von mehr als 75%. Diese Enengieeinsparung wird durch das dynamische Zuschalten benötigter Hardware, sowie durch eine Anpassung des Verhaltens erreicht. Das verhaltensbasierte Powermanagementsystem, das in dieser Arbeit vorgestellt wird, ist dazu in die Verhaltenssteuerung integriert. Das Verhalten selbst kann somit dynamisch auf Veränderungen des Energiespeichers reagieren, indem es beispielsweise auf die Verwendung eines Sensors verzichtet und ihn ausschaltet. Die Integration in die Verhaltenssteuerung erlaubt eine effiziente Verwendung der angeschlossenen Peripherie und erreicht eine hohe Einsparung der limitierten Ressourcen. v

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7 Inhaltsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis ix xi 1 Einleitung 1 2 Zielsetzung Einordnung dieser Arbeit Aufgabenstellung Grundlagen Mikrocontroller Powermanagement Powermanagement in Computern Powermanagement bei Mikrocontrollern Solarzellen Der Wirkungsgrad von Solarzellen Die Solarzelle als Spannungsquelle Sensoren Analoge und digitale Sensoren Akkumulation der Sensordaten Konzeptionierung Konzeptionierung der Hardware Das Design des Roboters Die Motoren Die Sensoren Weitere Schnittstellen Der Mikrocontroller Evaluierung existierender Softwareframeworks Das Konzept des Powermanagements Umsetzung Umsetzung der Hardware Die Stromversorgung vii

8 Inhaltsverzeichnis Motorsteuerung Beschaltung der Sensoren Entwurf der Platine Umsetzung der Software Aufbau der Software Die Betriebssystemfunktionalitäten Treiber Applikation Auswertung Evaluierung des Energiebedarfs Mikrocontroller Motoren Gesamtbedarf Evaluierung der solaren Spannungsquelle Evaluierung des Powermanagements Die Energieeinsparung durch die Behaviors Bewertung des Powermanagementsystems Übertragbarkeit des Powermanagements Erneute Evaluierung der solaren Spannungsquelle Ausblick Verbesserungen an der Hardware Konzeptionelle Verbesserungen und Untersuchungen Zusammenfassung 57 A Auflistung der Dateien des Quellcodes 59 B Schaltplan 61 C Abkürzungsverzeichnis 65 D Literaturverzeichnis 67 viii

9 Tabellenverzeichnis 3.1 Wirkungsgrade der Zelltypen Auflistung der verschiedenen Schlafmodi Einschaltzeit der Sensoren Der Energiebedarf des Mikrocontrollers Leistungsaufnahme der Motoren Leistungsaufnahme des Roboters Stromverbrauch nach Modulen aufgeschlüsselt Leistungsbedarf der Distanzsensoren Leistungsbedarf der Bodensensoren Vergleich der verschiedenen Ansätze ix

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11 Abbildungsverzeichnis 3.1 Polykristalline Solarzelle Maximum Power Point bei Solarzellen Der Differentialantrieb Erzeugung einer analogen Gleichspannung mit Hilfe einer PWM Funktionsweise der Triangulation Foto des Roboters Ansicht der Grundplatte des Roboters von unten Signalverlauf der inkrementellen Gabellichtschranke Textbasierendes grafisches Interface der Software Kommunikation zwischen den SW-Modulen GP2D12 Messkurve Odometrie Regelkreis der Motorregelung Beispielhafte Aufteilung einer Kollisionserkennung in Teilaufgaben Kontexte in der Behavior Engine B.1 Schaltplan Seite 1/ B.2 Schaltplan Seite 2/ B.3 Schaltplan Seite 3/ B.4 Layout (ohne Masseflächen) xi

12 Abbildungsverzeichnis xii

13 1 Einleitung Ein kritischer Faktor beim Entwurf von mobilen und autonomen Systemen, wie beispielsweise mobilen Robotern, ist die Energieversorgung. Wird die integrierte Spannungsquelle zu gering dimensioniert, so resultiert dies in einer geringeren Systemlaufzeit, so dass der Roboter seine Aufgabe unter Umständen nicht erfüllen kann. Größere Energiespeicher schlagen sich in einem höheren Preis, einer größeren Bauform und einem höheren Gewicht nieder. Es wird daher versucht, einen sinnvollen Kompromiss zu finden. Powermanagementsysteme haben das Potential, den durchschnittlichen Energiebedarf eines Gerätes zu verringern, ohne die Leistungsfähigkeit zu sehr zu beeinträchtigen. Um dies zu erreichen, schaltet das Powermanagement nicht benötigte Teile der Recheneinheit und Peripherie ab und reaktiviert diese wieder, sobald Bedarf besteht. Herkömmliche Powermanagementsysteme, welche in Personal Computern oder speziell in Notebooks eingesetzt werden, können nur sanft auf das System einwirken, da ansonsten die Reaktivität des Rechners vermindert wird. In dieser Arbeit wird vorgestellt, wie das Powermanagement mit der Software zusammenarbeiten kann und somit stark eingreifen kann, ohne die Leistungsfähigkeit des Systems zu beeinträchtigen. Das Powermanagement ist zu diesem Zweck in der Verhaltenssteuerung integriert. In diesem Zusammenhang wird hier von einem verhaltensbasiertem Powermanagementsystem (vpms) gesprochen. Das Verhaltensmodell kann Ansprüche wie gewünschte Sensoren, Reaktivität und Prioritäten an das Powermanagement stellen, welches entsprechend Ressourcen zu- und abschaltet. Das Powermanagement kontrolliert dabei die einzelnen Sensoren und plant mögliche Schlafzyklen ein. Durch die Integration in die Verhaltenssteuerung erlaubt es zudem eine direkte Reaktion auf eine eventuell auftretende Energieknappheit indem es seine Arbeit an die geänderten Gegebenheiten anpasst. Für die Implementierung eines verhaltenbasierten Powermanagementsystems wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kleiner mobiler Roboter entworfen, der über eine eigene begrenzte Energiequelle, wie ein Solarmodul oder eine Batterie, verfügt und eine Raumvermessung durchführt. Der Roboter wurde dazu mit Sensoren und Aktoren versehen, welche von einem ATmega-Mikrocontroller von Atmel angesteuert werden. Für den Mikrocontroller wurde eine Software entwickelt, die dabei die grundlegenden Komponenten wie Betriebssystemfunktionalitäten, Verhaltensmodellierung, Motorregelung und ein Powermanagement umfasst. Im Ergebnis zeigt sich, dass das hier implementierte Powermanagement eine Einsparung von mehr als 75% des gesamten Energiebedarfs erreicht und durch den Einsatz des Powermanagement ein Solarpanel als alleinige Energiequelle realistischer wird. So zeigte sich, dass ohne das Powermanagement, ein Solarmodul im Vergleich zum Roboter unverhältnismäßig groß und auch 1

14 1 Einleitung deutlich teurer sein würde. Überblick Das vorliegende Dokument gliedert sich wie folgt: Im folgenden Kapitel Zielsetzung wird die genaue Aufgabenstellung beschrieben und die Randbedingen aufgestellt, auf deren Basis der Roboter und die Software entworfen wurde. Das Kapitel Grundlagen vermittelt die zum Verständnis dieser Arbeit nötigen Grundlagen, beschreibt existierende Techniken des Powermanagements und zeigt deren Vor- und Nachteile auf. Weiterhin werden Mikrocontroller sowie Solarmodule genauer betrachtet. Im 4. Kapitel Konzeptionierung wird der Aufbau des Roboters beschrieben und auf die Auswahl der einzelnen Hardwarekomponenten wie Mikrocontroller, Solarzelle und Sensoren eingegangen. Im Kapitel Umsetzung wird der Hardwareaufbau und die Beschaltung der Aktoren und Sensoren beschrieben, auf die die Beschreibung der Software und des realisiterten Powermanagements folgt. Das Kapitel Auswertung zeigt die Wirksamkeit des Powermanagements anhand von Messungen an dem Roboter. Im Anschluss daran wird eine optimale Solarzelle für den Roboter dimensioniert. Im vorletzten Kapitel Ausblick werden mögliche Verbesserungen und zukünftige Arbeiten diskutiert. Abschließend werden im Kapitel Zusammenfassung die gesammelten Erkenntnisse und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit geschildert. 2

15 2 Zielsetzung 2.1 Einordnung dieser Arbeit Am Forschungslehrstuhl Verteilte Systeme 1 der Universität Kassel wird schon länger Forschung im Bereich der autonomen mobilen Roboter betrieben. Im angegliederten Projekt RoboCup 2 werden mobile Roboter entwickelt, die selbstständig Fußball spielen können. Jährlich treten in diesem Rahmen Forschungsinstitute zum Vergleich der Entwicklungen gegeneinander an. Die Roboter mit einer Größe von 50 cm in Breite und Länge sowie einer Höhe von 80 cm sind mit starken Motoren ausgestattet und erreichen meist eine Geschwindigkeit von 2 bis 4m/s. Die Roboter sind meist mit einem Notebook als Recheneinheit ausgestattet, auf dem ein Softwareframework läuft. Als Stromversorgung dienen diesen Robotern in der Regel Akkuzellen, die regelmäßig aufgeladen werden müssen. Ein Powermanagementsystem könnte die Laufzeit dieser Roboter verlängern. Inwiefern die Ergebnisse dieser Arbeit auf diese Art von Robotern übertragen werden könnten, muss zunächst noch untersucht werden. Allerdings bilden sie einen Anfang in diese Richtung. 2.2 Aufgabenstellung Das Ziel dieser Arbeit ist der Entwurf, die Implementierung und Auswertung eines Powermanagementsystems, das auf autarke und autonome mobile Roboter anwendbar ist. Dabei sollen existierende Verfahren untersucht, darauf aufbauend neue entwickelt und alle zu einem System kombiniert werden. So könnte auf solchen Plattformen der Energieverbrauch gesenkt werden. Es sollen sowohl auf Hardware als auch auf Software basierende Lösungen untersucht und dabei die einzelnen Ansätze beleuchtet werden. Im Rahmen der Betrachtung der einzelnen Hardwarekomponenten ist dabei zu untersuchen, wo ihre Fähigkeiten und Grenzen liegen und wie wirksam sie in der Anwendung sein können. Als Test- und Evaluierungsplattform wird im Rahmen dieser Arbeit ein kleiner mobiler Roboter entwickelt, auf dem das neu entwickelte Powermanagementsystem implementiert und dessen Wirksamkeit bewertet wird. Um eine realistische Betrachtung zu ermöglichen, soll der Roboter eine Tätigkeit durchführen, die sowohl Aktoren als auch Sensoren benötigt. Für diese Aufgabe wurde eine einfache Raumvermessung gewählt. 1 Webseite des Fachgebiets Verteilte Systeme: 2 Webseite des Robocup Projektes CarpeNoctem an der Uni Kassel: 3

16 2 Zielsetzung Die Software des Roboters wird modular strukturiert. Ein grundlegendes Framework soll es ermöglichen, den Roboter für weitere Projekte zu verwenden. Folgenden Rahmenbedingungen muss der Roboter genügen: Der Roboter soll autark und autonom agieren können. Als Stromversorgung soll ihm eine solare Stromversorgung oder optional Batterien zur Verfügung stehen. Der Roboter soll möglichst vielseitig verwendbar sein und aus möglichst kostengünstigen Materialien hergestellt sein. Die Hardware soll möglichst einfach aufgebaut sein und die Anwendung des Powermanagements möglich machen. Das Hardware- wie auch Softwaredesign muss neben dieser Aufgabe auch für weitergehende Aufgaben nutzbar sein. Die Raumvermessung dient im Rahmen dieser Arbeit als ein Anwendungsbeispiel. 4

17 3 Grundlagen In diesem Kapitel werden grundlegende Informationen über Mikroncontroller, vorhandene Methoden des Powermanagements sowie ein Überblick über die heutige Technik von Solarzellen und Sensoren beleuchtet. 3.1 Mikrocontroller Mikrocontroller auch: Microcontroller Unit (MCU) sind integrierte Halbleiter-Schaltkreise, die in der Regel auf der CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) basieren. In ihnen sind alle Basiseinheiten eines Computersystems, wie die arithmetische Recheneinheit (ALU), Programmspeicher (ROM oder Flash-ROM), Arbeitsspeicher (SRAM) und die Ein- und Ausgabelogik (I/O), auf einem Chip integriert. Anwendung finden sie vor allem in eingebetteten Systemen, da ihre Ein-Chip-Technik die Integration in weitere Schaltungen sehr einfach macht. So ist heutzutage unter Verwendung des internen Taktgenerators bei den meisten Mikrocontrollern außer der Spannungsversorgung keine weitere Beschaltung mehr nötig, um eine lauffähige Recheneinheit zu erhalten. Ursprünglich für Steuerungsaufgaben vorgesehen, hat sich das Aufgabengebiet von Mikrocontrollern in den letzten Jahren stark erweitert, was nicht zuletzt auf die immer größer werdende Rechenleistung zurückzuführen ist. Diese ist allerdings im Vergleich zu heutigen Prozessoren in Personal Computern vergleichsweise gering. Als Architektur findet man, wie auch bei herkömmlichen Computersystemen, die RISC- oder CISC-Architektur und ein Speicherlayout nach Harvard oder von Neumann. Außerdem kommen Controller mit 8-bit, 16-bit, 32-bit oder größeren Registern zum Einsatz. Die Vielzahl der unterschiedlichen MCUs ermöglicht es dem Entwickler, genau den Controller zu finden, den er für einen speziellen Anwendungszweck benötigt. Mikrocontroller besitzen je nach Typ eine unterschiedliche Anzahl an Eingabe/Ausgabe-Pins, über die sich weitere Peripherie ansteuern lässt. Viele moderne Mikrocontroller beinhalten zusätzlich weitere Treiberbausteine, wie zum Beispiel CAN- (Controller Area Network), USB- (Universal Serial Bus), UART- (Universal Asynchronous Reciver/Transmitter) oder I 2 C-Controller (Inter- Integrated Circuit) und integrieren häufig hochauflösende Digital-Analog-Wandler. Die Software für die Mikrocontroller werden je nach Typ und Compiler in den Programmiersprachen Assembler, Basic, C oder C++ geschrieben. Die Programme werden dazu mit Hilfe eines Crosscompilers auf einem PC übersetzt und per JTAG oder einem anderen Interface in den Flashspeicher geschrieben. Nach einem Reset oder Einschaltvorgang führt der Mikrocontroller das 5

18 3 Grundlagen Programm im Flashspeicher aus. Mit Hilfe von Registern innerhalb der MCU wird die integrierte Peripherie gesteuert und konfiguriert. 3.2 Powermanagement Unter dem Begriff Powermanagement kann man Verfahren zusammenfassen, die zum Ziel haben, Energie in Verbrauchern einzusparen. Anwendung findet ein Powermanagement vorwiegend bei Laptops, mobilen Kleinstgeräten, aber auch bei Großverbrauchern, da dort in der Regel die Wirksamkeit der erzielten Energieeinsparung am größten ist Powermanagement in Computern Das von der Microsoft Corporation und Intel entworfene Advanced Power Management (APM) (Microsoft Corporation 1996) ist ein Powermanagementsystem für PCs, das in der Firmware (BI- OS Basic Input Output System) arbeitet. Es steuert eigenständig die wichtigsten Stromsparfunktionen des Rechners wie beispielsweise die Schlafmodi der CPU, des Bildschirms und der Festplatte. Zusätzlich bietet es dem Betriebssystem eine standardisierte Schnittstelle, worüber es über Zustandswechsel informiert werden kann. Der APM-Standard kennt fünf verschiedene Zustände: 1. Full On: Das Powermanagement ist nicht aktiv. 2. APM Enabled: Die CPU wird bei Leerlauf der CPU heruntergetaktet. 3. APM Standby: Die CPU ist angehalten und der Großteil der Peripherie ausgeschaltet. Der Zustand des Systems wird beim Wechsel von APM Standby zu APM Enabled wiederhergestellt. Der Wechsel zwischen den Zuständen APM Standby und APM Enabled erfolgt in kurzer Zeit. 4. APM Suspend: Das System wird komplett ausgeschaltet. Der Zustand wird beim Wechsel von APM Suspend zu APM Enabled wiederhergestellt. Der Wechsel zwischen den Zuständen APM Suspend und APM Enabled benötigt längere Zeit. 5. Off: Das System ist heruntergefahren und ausgeschaltet. Es wird kein Zustand gesichert. Neben diesen Modi lassen sich die Zeiten für das Abschalten des Bildschirms und der Festplatte steuern. Das BIOS versucht dabei zu ermitteln, wie lange die jeweilige Peripherie ungenutzt war und schaltet diese nach einer bestimmten Zeit der Inaktivität ab. Nachteilig ist, dass das Betriebssystem wenig Einfluss auf das Powermanagement hat, da die gesamte Verwaltung vom APM durchgeführt wird und kaum steuerbar ist. Das Betriebssystem hat jedoch einen besseren Überblick über die benötigten Ressourcen und kann dadurch besser entscheiden, welche Ressourcen abgeschaltet werden können. Aufgrund dieses Mangels wurde der ACPI-Standard entwickelt, welcher den APM-Standard weitgehend ersetzt hat. 6

19 3.2 Powermanagement Das Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) ist ein offener Industriestandard, welcher in Zusammenarbeit von Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, Phoenix Technologies und Toshiba entwickelt wurde (Hewlett-Packard Corporation u. a. 2006). ACPI überlässt dabei das Energiemanagement und alle Plug n Play-Funktionalitäten komplett dem Betriebssystem und bietet durch das BIOS des PCs ausschließlich eine Schnittstelle zum erweiterten Steuern und Konfigurieren der Hardware. So kann das Betriebssystem selbst Strategien einsetzen, beispielsweise zu welchem Zeitpunkt die CPU heruntergetaktet wird. Der Ansatz des Powermanagements, der für diese Arbeit entwickelt wurde und später ausführlicher beschrieben wird, geht bei diesem Ansatz noch einen Schritt darüber hinaus und integriert diesen innerhalb der Applikationsebene. Nachteilig an ACPI ist, dass die ACPI-Spezifikation dermaßen Umfangreich (die Version 3.0b (Hewlett-Packard Corporation u. a. 2006) umfasst mehr als 600 Seiten) ist, so dass viele Hardwarehersteller nicht die gesamte Spezifikation implementieren oder freien Betriebssystemen wie etwa Linux die Unterstützung versagen. Dadurch ist auf vielen Systemen ein effizientes Powermanagement nicht möglich. Intel will daher 1 einige Energiesparfunktionen wieder in die Hardware integrieren Powermanagement bei Mikrocontrollern Die Leistungsaufnahme von digitalen Systemen, die auf der CMOS-Technik basieren, besteht aus einem statischen Anteil und aus einem dynamischen Anteil. Der statische Anteil (P leak ) entsteht durch Leckströme (I leak ) innerhalb der CMOS-Schaltung. P leck = I leak U ss (3.1) Wie in Texas Instruments u. Sarwar (1997, S. 1f) beschrieben wird, sind in schnell schaltenden Systemen die statischen Anteile gegenüber den dynamischen Anteilen vernachlässigbar. Der dynamische Anteil entsteht durch einen transienten Leistungsanteil und einem Kapazitäten ladenden Anteil. Die transiente Verlustleistung (P T ) entsteht durch einen fixen Schaltstrom (I peak ), der durch den Transistor fließt, während dieser seinen logischen Zustand wechselt. P T = f I peak U ss (3.2) Die Kapazitäten ladende Verlustleistung (P L ) entsteht durch Laden und Entladen der intrinsischen Kapazitäten (C) der Transistoren. P L = f C U 2 ss (3.3) Wie die Formeln 3.2 und 3.3 verdeutlichen, kann man die benötigte Leistung des Mikrocontrollers verringern, indem man den Wert einer oder mehrerer Variablen senkt. Frequenz f : Um die Leistungsaufnahme zu senken, kann man die Frequenz verringern, mit der 1 Artikel vom auf Heise Online: Ohrfeige für ACPI: Hardware steuert Energiesparfunktionen (http: //www.heise.de/newsticker/meldung/96159), Heise Verlag, 2007, Hannover 7

20 3 Grundlagen das System seine Transistoren umschaltet. Dazu verringert man den Systemtakt, was allerdings eine geringere Rechenleistung zur Folge hat, da weniger Rechenschritte pro Zeiteinheit ausgeführt werden können. Ein typischer Taktgenerator für einen Mikrocontroller ist ein Schwingkreis aus einem Schwingquarz und Kondensatoren. Den Takt eines Quarzes zu verringern ist jedoch nicht möglich, da Quarze auf eine feste Frequenz eingestellt sind. Stattdessen wird mit einem Frequenzteiler der Takt um einen Divisor 2 verringert. Alternativ kann ein Schwingkreis verwendet werden, der aus einem RC-Glied besteht. Dieser ist jedoch weniger genau, da sich seine charakteristischen Parameter temperaturabhängig verändern und somit keine feste Frequenz angenommen werden kann. Dies kann zu Laufzeitproblemen in Echtzeitsystemen führen und schließt eine zuverlässige Zeitberechnung aus. Der Vorteil des RC-Gliedes liegt in der einfacheren Veränderung des Schwingkreises an eine gewünschte Taktung indem die Parameter der Bauteile verändert werden können. Kapazität C: Das Abschalten einzelner Einheiten innerhalb der MCU hat zur Folge, dass weniger Transistoren beteiligt sind und damit weniger intrinsischen Kapazitäten geladen werden, was zu einer geringeren Aufnahmeleistung des Mikrocontrollers führt. Während viele Teile der Peripherie nur bei Aktivität Leistung aufnehmen, ist die CPU in der Regel selbst im Leerlauf des Programms aktiv. Viele Mikrocontroller verfügen daher über verschiedene Schlaf-Modi. Durch diese kann der Mikrocontroller in definierte Zustände versetzt werden, in denen die Recheneinheit und andere Einheiten abgeschaltet sind. Den Aufwachvorgang steuert man durch einen externen oder internen Interrupt, der beispielsweise durch einen Timerüberlauf ausgelöst wird. Der Interrupt aktiviert wieder die CPU, so dass sie die Interrupt Service Routine (ISR) abarbeiten kann, die den Schlafmodus zurücksetzt. Je nach eingesetzter MCU kann die Umschaltungen zwischen Aktivund Schlafmodi teilweise innerhalb weniger Takte geschehen. Im Falle einer Datenübertragung auf einem vergleichsweise langsamen Kanal (wie etwa einer ISM-Band Funkübertragung) kann es lohnenswert sein, die CPU des Mikrocontrollers zu deaktivieren während sie auf die nächsten Daten wartet. Spannung U ss : Die Spannung fließt im Gegensatz zu den anderen Variablen quadratisch ein. Die größte Energieeinsparung erreicht man daher, indem man die Spannung herabsetzt. Der Trend neuerer Controller geht daher weg von dem üblichen 5V TTL (Transistor-Transistor-Logik) Pegel, hin zu niedrigeren Spannungen wie Low-Voltage-TTL (LVTTL) mit 3.3V. Ein Mikrocontroller kann allein durch den niedrigeren Spannungspegel theoretisch etwa 56% Leistung einsparen (bei gleicher Gesamtkapazität und gleicher Frequenz). Beim Einsatz eines Mikrocontrollers mit einem niedrigeren TTL-Pegel ist jedoch darauf zu achten, dass die Peripherie für den gleichen Pegel ausgelegt ist. Man kann zwar mit Spannungsteilern oder Level-Shiftern den Pegel anpassen, zerstört damit aber häufig entweder die gesamte Energiebilanz oder treibt die Gesamtkosten in die Höhe. Während die meisten Mikrocontroller für eine feste Eingangsspannung definiert sind, bieten einige MCUs den Vorteil, eine dynamische Anpassung der Eingangsspannung zuzulassen. Die niedrigeren Spannungen sind allerdings meist nur in einem schon herabgetakteten Zustand 2 Für einen Frequenzteiler könnte man beispielsweise einen Binärzähler verwenden. An den einzelnen Binärstellen des Zählers hätte man einen Teiler von 2, 4, 8,... 8

21 3.3 Solarzellen zulässig, da die Ladezeiten der Kapazitäten (Gatterzeiten) bei verminderter Eingangsspannung negativ beeinflusst werden. Zu beachten ist zudem, dass die TTL-Pegel der Ausgänge auch mit der Spannung absinken. Die angeschlossene Beschaltung muss daher den niedrigeren Pegel verarbeiten können. Um die Frequenz und Spannung zu steuern, ist zwingend eine Peripherie nötigt, die die Frequenz teilt und die gesteuerte Eingangsspannung für den Mikrocontroller bereitstellt. Der größte Teil der aufgenommenen Leistung in einem Mikrocontroller wird in Wärme umgesetzt. Je nach Bauform des Chips und verbrauchter Leistung kommt hinzu, dass die erzeugte Abwärme nicht durch eigene Konvektion abtransportiert werden kann. Neben einem Kühlkörper müssten zusätzlich Lüfter eingesetzt werden, deren Stromverbrauch sich negativ in der Energiebilanz niederschlagen würde. 3.3 Solarzellen Mit Hilfe der Photovoltaik kann durch den inneren photoelektrischen Effekt aus Strahlungsenergie (Licht) elektrische Energie gewonnen werden. In einem dotierten Halbleiter findet bei Lichteinfall am p-n-übergang eine Ladungstrennung statt, die ein Spannungsgefälle erzeugt, das wiederum als elektrische Energie genutzt werden kann. Inzwischen gibt es viele Arten von Solarzellen, die sich nach Halbleitermaterial und Herstellungsverfahren unterscheiden. Die gängigsten Zelltypen sind: monokristalline Zellen: Diese Zellen bestehen aus einer Ein-Gitter-Struktur. Im Herstellungsverfahren, welches sehr teuer ist, wird aus geschmolzenem Silizium langsam ein Monokristall (Gitterstruktur, in der alle Atome gleich ausgerichtet sind) gezogen. Der Stab wird in dünne Schichten (Wafer) geschnitten. polykristalline Zellen: Das Herstellungsverfahren unterscheidet sich von dem der monokristallinen Zellen darin, dass der Kristall nicht gezogen wird, sondern das geschmolzene Silizium gegossen wird. Beim Abkühlen bilden sich im Material langsam an mehreren Stellen Kristallgitter, die eine zufällige Ausrichtung haben. Daher findet man dort viele verschiedene Zonen, in denen das Gitter unterschiedlich ausgerichtet ist. amorphe Zellen: Bei amorphen Zellen wird auf ein Basismaterial wie Metall, Glas oder Folie das Halbleitermaterial aufgedampft. Durch diese Technik lassen sich sehr flexible Formen erreichen. Diese Zellen werden auch Dünnschicht-Zellen genannt. hybride HIT-Zellen: Hybride Zellen sind mono- oder polykristalline Wafer, die mit amorphem Halbleitermaterial beschichtet sind. Neben diesen Zellen gibt es auch Typen aus anderen Materialien wie Gallium-Arsenid oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS), die jedoch aufgrund des höheren Preises kaum Anwendung finden. Organische Materialien haben einen zu schlechten Wirkungsgrad, weswegen diese ebenfalls selten eingesetzt werden. 9

22 3 Grundlagen Abbildung 3.1: Polykristalline Solarzelle Quelle: solid ggmhb Solarenergie Informations- und Demonstrationszentrum Nürnberg Der Wirkungsgrad von Solarzellen Die verschiedenen Solarzellen unterscheiden sich in der Anwendung maßgeblich durch den erzielten Wirkungsgrad. Dieser besagt, wie viel von der auftreffenden Strahlungsenergie des Lichts in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Effektivität kann durch Techniken wie Antireflexionsschichten und Rückseitenkontaktierung, bei der keine Fläche durch verdeckende Metalldrähte verloren geht, verbessert werden. Die organische Zelle hat im Vergleich zu anderen Zelltypen einen sehr schlechten Wirkungsgrad (<7%) (vgl. Frauenhofer Institut für Solare Energiesysteme 2004), weshalb im Folgenden nicht weiter auf sie eingegangen wird. Wie aus der Tabelle 3.1 ersichtlich, hat Gallium-Arsenid den höchsten Wirkungsgrad (27,4% in der Produkion), welches jedoch sehr teuer in der Herstellung ist. Alternativ bietet sich dazu monokristalline Zellen (17,0%) an, die nicht annähernd so hohe Wirkungsgrade erreicht aber dafür deutlich preiswerter herzustellen ist. ZELLENARTEN ZELLENWIRKUNGSGRAD Laborwerte Produktion monokristallines Silizium 28,0 17,0 polykristallines Silizium 19,8 15,0 amorphes Silizium 12,7 8,0 CIS 18,8 14,0 Gallium-Arsenid 30,2 27,4 Hybrid-HIT n/a 17,3 Tabelle 3.1: Wirkungsgrade der Zelltypen Datenquelle: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (2000): Photovoltaische Anlagen, 2-35, zitiert aus Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (2005): Forschungsbericht: Solarstadtkonzept Kaiserslautern, 14 10

23 3.3 Solarzellen Bei kristallinen Solarzellen ist die Zelltemperatur von entscheidender Bedeutung, da mit zunehmender Temperatur die Leistung der Zelle materialbedingt sinkt. Hybride HIT-Zellen, die aus kristallinen und amorphen Schichten bestehen, verringern diesen Effekt, da die amorphe Schicht dies etwas kompensiert. Während kristalline (wie etwa mono- oder polykristalline) Solarzellen einen hohen Wirkungsgrad haben, sind sie im Vergleich zu amorphen Zellen sehr teuer. Häufig werden dennoch amorphe Zellen verwendet, da sie ein besseres Preis-pro-Watt-Verhältnis haben (vgl. Anton u. a. 2005, 17). Diese haben allerdings den Nachteil, dass für die gleiche effektive Leistung eine größere Fläche vorhanden sein muss Die Solarzelle als Spannungsquelle Kristalline Solarzellen auf Siliziumbasis liefern im unbelasteten Betrieb (Leerlaufspannung) eine Gleichspannung von etwa 0.56 Volt und eine maximale Stromstärke (Kurzschlussstrom), die abhängig von der Zellgröße ist. Die Spannung bricht bei etwa 90% der maximalen Stromstärke ein, bis sie 0V im Kurzschlussbetrieb erreicht. Während die Leerlaufspannung von der Lichtintensität unabhängig ist, ist die erreichbare Stromstärke von ihr proportional abhängig. Der Maximum Power Point (MPP, vgl. Abb. 3.2) ist der Punkt, indem die Leistung der Solarzelle am größten ist. Üblicherweise liegt dieser bei 90% der Leerlaufspannung und entspricht ungefähr 0,5 Volt (U MPP ). Abbildung 3.2: Maximum Power Point bei Solarzellen. Quelle (Abruf ): volker-quaschning.de/articles/fundamentals3/figure3.gif Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu Modulen in Reihe geschaltet, wodurch sich die einzelnen Spannungen addieren. Die Spannung der Solarzellen unterliegt der momentan verfügbaren Lichtleistung. Die volle Zellspannung liefert die Solarzelle in der Regel nur unter Laborbedingungen, weshalb die Modulspannung größer gewählt werden sollte als die Bedarfsspannung. Ein Spannungsregler muss anschließend dafür Sorge tragen, dass die Spannung auf das benötigte Niveau abgesenkt wird. 11

24 3 Grundlagen Als Stromquelle für mobile Systeme in veränderlichen Umgebungen ist eine Solarzelle nur bedingt geeignet. Aufgrund von Licht- und Schattenwechseln wird die erzeugte Leistung beeinflusst. Die angegebene Leistung einer Solarzelle stellt so nur die maximal erzeugbare Leistung bei vollem Lichteinfall dar. Eine solare Stromquelle muss dementsprechend groß dimensioniert werden, so dass die durchschnittlich zu erwartende Lichtmenge und damit die zu erwartende Erzeugungsleistung immer noch über der zu erwartenden Verbrauchsleistung liegt. Damit auch in Schattenbereichen genug Leistungsreserven zur Verfügung stehen, muss ein Puffer einsetzt werden. Der Leistungspuffer muss schnell zu laden sein und seine Energie möglichst lange speichern können. Hier bieten sich Doppelschichtkondensatoren an. Diese speziellen Elektrolytkondensatoren, die auch unter Markennamen wie Goldcaps, Supercaps oder Ultracaps bekannt sind, haben eine für Kondensatoren sehr hohe Energiedichte. Sie können also im Vergleich zu herkömmlichen Elektrolytkondensatoren elektrische Energie in größerer Menge speichern, haben eine geringere Selbstentladung und geringere Ladezeiten als Akkumulatoren, was die Verfügbarkeitszeit erhöht. Diese Einschränkungen, die von Solarzellen versorgte Systeme mit sich bringen, sind eine Motivation dafür, ein Powermanagement in solchen Systemen einzusetzen. In den folgenden Kapiteln wird gezeigt, dass sich gerade das hier entwickelte verhaltensbasierende Powermanagement für den Einsatz in solarbetriebenen, autonomen Systemen eignet, da es kurzfristig auf einen temporären Energieengpass (z.b. aufgrund von Schatten) eingehen kann. 3.4 Sensoren Mit Hilfe von Sensoren kann ein System Informationen über seine Umgebung sammeln. Der Mikrocontroller akkumuliert die Daten, um sie zu versenden, zu speichern oder anderweitig zu verarbeiten Analoge und digitale Sensoren Bei Sensoren unterscheidet man grundlegend zwischen analogen und digitalen Sensoren. Analoge Sensoren geben ihre Informationen über eine analoge Spannung an den Mikrocontroller weiter. Diese Spannung kann von diesem mit Hilfe eines Analog-Digital (A/D)-Wandlers in digitale Informationen umgewandelt werden. Diese Technik hat den Vorteil, dass zunächst die Spannung, die vom Sensor ausgegeben wird, auf einfache Art und Weise durch einen Spannungsteiler oder Operationsverstärker auf die maximal erlaubte Spannung am A/D-Wandler angepasst werden kann. Dieser kann anschließend die digitalen Informationen an den Mikrocontroller zur Verarbeitung weiterreichen. Digitale Sensoren haben ihren Vorzug darin, dass sie dem Mikrocontroller (solange ein passender TTL-Pegel vorhanden ist) auf sehr einfache Weise die Informationen zur Verfügung stellen können. Die Bitbreite der Informationen, die der Sensor liefert, bestimmt die maximale Auflösung 12

25 3.4 Sensoren der Messwerte. Da die meisten Informationen eines Sensors aus analogen Werten gewonnen werden, hängt auch hier die Genauigkeit eines digitalen Sensors davon ab, mit welcher Auflösung der Messwert abgetastet wird Akkumulation der Sensordaten Grundsätzlich unterscheidet man zwei Techniken, mit denen die Recheneinheit diese Daten beziehen kann: Das Poll- und Push-Verfahren. In der Regel bestimmt die Aufgabe, die Art der Daten oder der Verwendungszweck, welche der beiden Techniken eingesetzt wird. Das Poll-Verfahren stellt die üblichste Form der Datenakkumulation dar. Bei dieser Technik fragt der Mikrocontroller regelmäßig die angeschlossenen Sensoren ab oder misst die gelieferte analoge Spannung. Bei dem Push-Verfahren sendet der Sensor dem Mikrocontroller unaufgefordert die Daten, die er gewonnen hat. Dadurch wird eine redundante Abfrage des Sensors verhindert. Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass es der Recheneinheit nicht freigestellt ist, zu welchem Zeitpunkt sie die Daten annimmt. Diese Technik wird vor allem dort eingesetzt, wo eine lückenlose Aufzeichnung von Zustandsänderungen nötig ist. Um den Mikrocontroller zu benachrichtigen, verfügen viele MCUs über einen externen Interrupt. Ändert sich nun der Zustand (high/low) am angeschlossenen Pin, wird je nach Konfiguration ein Interrupt ausgelöst und eine ISR aufgerufen. Statt eines externen Interrupts kann man auch einen Komperator verwenden, der den momentanen Wert am Pin (je nach Fähigkeit des MCUs auch ein analoger) mit einer Vergleichsspannung oder einem voreingestellten Wert vergleicht und beim Überschreiten der Spannung ebenfalls einen Interrupt auslösen kann. Auch in Fällen seltener Zustandsänderungen an den Sensoren (wie bei einer Raumüberwachung), kann auf diese Technik zurückgegriffen werden. Wie die Sensoren abgefragt werden, spielt in der Energiebilanz der gesamten Schaltung eine entscheidende Rolle. Wird ein Sensor häufiger als nötig abgefragt, kann das eine erhöhte Stromaufnahme im Sensor zur Folge haben und zudem verhindern, dass das Powermanagement die Sensoren zwischenzeitlich abschalten kann. Im Mikrocontroller bedeutet dies jedoch auch, dass im Push-Verfahren die Sensoren die Schlafzyklen eines Mikrocontrollers stören können. 13

26 3 Grundlagen 14

27 4 Konzeptionierung In diesem Kapitel wird zunächst das Design des Roboters erläutert, die benötigten Komponenten beschrieben und deren Auswahl begründet. Im Anschluss daran wird das Konzept des Powermanagements umrissen. Der Roboter muss für die Raumvermessung von Motoren angetrieben werden und mit Hilfe von Sensoren den Raum vermessen können. Als Energiequelle ist ein Solarmodul oder Batterien vorgesehen, die der Roboter zu überwachen hat. Als Recheneinheit soll ein Mikrocontroller gefunden werden, der durch die Software in einen Schlafmodus versetzt werden kann. Auf dem Mikrocontroller läuft eine Software, die ein Powermanagement integriert hat. 4.1 Konzeptionierung der Hardware Bestehende Roboterplattformen, wie der ASURO 1 und der c t-bot 2, die vergleichbare Abmaße und ähnliche Mikrocontroller haben, konnten für diese Arbeit nicht verwendet werden, da die Plattformen nicht für das hier vorgestellte Powermanagementkonzept geeignet sind. So erlauben es beide Plattformen zum Beispiel nicht die Sensoren abzuschalten, was ein Kernpunkt des hier vorgestellten Powermanagements ist. Aus diesem Grund wurde hierfür eine eigene Plattform entwickelt Das Design des Roboters Damit der Roboter nicht mit Ecken an Hindernissen hängen bleibt, wurde eine runde Grundplatte vorgesehen, die die äußeren Abmessungen weitgehend bestimmt. Um die Mechanik für den Antrieb möglichst einfach zu halten, wurde ein Differentialantrieb gewählt (Abb. 4.1). Zwei Motoren treiben jeweils ein Rad an, die parallel zueinander ausgerichtet sind und mittig an der Grundplatte befestigt sind. Durch Kombination der jeweiligen Drehrichtung und -geschwindigkeit der Motoren kann eine gradlinige Bewegung (A), eine Rotationsbewegung (B), sowie eine Kombination 1 Der ASURO (Another Small and Unique Robot from Oberpfaffenhofen) ist ein Projekt vom Institut für Robotik und Mechatronik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik. Projektseite: com/arexx.php?cmd=goto&cparam=p_asuro, Abruf Der c t Bot ist ein Projekt der Fachzeitschrift Computer und Technik (c t) des Heise Verlags, Hannover. Projektseite: Abruf

28 4 Konzeptionierung (C) aus beiden Bewegungen erreicht werden. Durch diese Antriebstechnik entfallen komplizierte Teile für eine Lenkung und sie erlaubt eine Drehung um die eigene Achse. B C A Abbildung 4.1: Der Differentialantrieb Die Motoren Für den Einsatz in Kleinstrobotern mit einem Differentialantrieb stehen grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Motoren zur Wahl: Schrittmotoren oder analoge Gleichstrommotoren. Schrittmotoren sind spezielle Gleichstrommotoren, die sehr präzise gedreht werden können. Einzelne Impulse verändern das Magnetfeld um den Drehanker, so dass er jeweils um einen spezifischen Schrittwinkel 3 gedreht wird. Im Stillstand bewirkt ein Haltestrom, dass der Anker in seiner Ruhelage gehalten wird. Da der Motor präzise über Impulse gesteuert wird, können ohne weitere Sensoren 4 die Position der Räder bestimmt werden und dadurch die örtliche Position des Roboters (relativ zu seinem Ursprungsort) berechnet werden (Odometrie, siehe auch Kap ). Der Haltestrom der Schrittmotoren bewirkt jedoch, dass die Motoren selbst im Stillstand Strom benötigen, der nur etwas geringer ist als unter Belastung. Analoge Gleichstrommotoren sind sehr einfach zu betreiben. Die Höhe der angelegten Spannung bestimmt die Kraft und Drehgeschwindigkeit des Ankers, während die Drehrichtung durch die Flußrichtung des Stromes bestimmt wird. Da bei dieser Art von Motoren keine Aussage über die Position des Rotors gemacht werden kann, müssen Odometriesensoren wie Drehgeber oder ähnliches eingesetzt werden, um eine Steuerung des Roboters zu ermöglichen. Einen Stromverbrauch im Stillstand gibt es bei dieser Art nicht, weshalb diese gegenüber den Schrittmotoren bevorzugt wurden. Um die Geschwindigkeiten der Motoren zu regeln, muss der Mikrocontroller eine analoge Gleichspannung erzeugen. Dies kann beispielsweise durch einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) erzeugt werden. Hierfür wird jedoch ein weiterer Baustein benötigt, da der Mikrocontroller keinen internen D/A-Wandler bereitstellt. Typischerweise erzeugt man mit einem Mikrocontroller eine analoge Spannung über eine Pulsweitenmodulation (PWM). Dazu wird durch einen Timer 3 Ein typischer Schrittwinkel bei gängigen Schrittmotoren ist 1,8 (200 Schritte pro Umdrehung) 4 Zu schwach dimensionierte Schrittmotoren verlieren bei hohen Drehzahlen Schritte, weshalb manchmal dennoch seperate Odometriesensoren zusätzlich eingesetzt werden sollten. 16

29 4.1 Konzeptionierung der Hardware eine periodische Impulsfolge erzeugt, welche, durch einen Kondensator geglättet, den Mittelwert (U a ) zwischen Ein- und Ausschaltzeit des Signales ergibt (vgl. Abb. 4.2). U 1 U 1 U a 0 U a 0 t t Abbildung 4.2: Erzeugung einer analogen Gleichspannung mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation. Durch Variation der Impulsbreite des digitalen Signals kann eine analoge Gleichspannung erzeugt werden. Während links eine niedrige Gleichspannung durch kurze Impulsbreiten erzeugt wird, ist auf der rechten Seite die Impulsdauer länger und die resultierende Spannung höher. Für den Roboter wurden analoge Gleichstrommotoren des Modellbauherstellers Tamiya 5 gewählt. Sie haben eine Maximale Leerlaufdrehzahl von Umdrehungen pro Minute und treiben den Roboter über ein zugehöriges Getriebe an. Im Leerlaufbetrieb benötigt so der Motor einen Strom von jeweils 300mA. Bei der Suche nach passenden Motoren wurde dabei mehr auf einen günstigen Preis und eine passende Größe geachtet als auf einen geringen Stromverbrauch Die Sensoren Für die Raumvermessung wurden folgende Sensoren gewählt: Distanzsensoren: Drei Distanzsensoren messen den Abstand zu einem Objekt. Diese Information wird für die Kollisionsvermeidung mit einem Hindernis und zur Vermessung des Raumes benötigt. Odometriesensoren: Mit Hilfe von zwei Odometriesensoren kann festgestellt werden, wie weit sich das jeweilige Rad gedreht hat. Diese Information wird zur Regelung der beiden Motoren benötigt, da diese ungenau arbeiten und kein zuverlässiger Rückschluss von angelegter Spannung zu der Drehzahl getroffen werden kann. Die Information der Odometriesensoren wird zusätzlich benötigt, um eine relative Positionsbestimmung vom Ausgangspunkt durchzuführen, welche auch für die Raumvermessung wichtig ist. Helligkeitssensoren: Als Energiequelle ist ein Solarmodul vorgesehen. Über Helligkeitssensoren bekommt der Roboter Rückmeldung über die Lichtintensität in seiner Umgebung. Bodensensoren: Damit der Roboter Treppenabsätze oder andere Kanten erkennen und einen Sturz vermeiden kann, wurden zwei Sensoren integriert, die den Untergrund vor dem Roboter untersuchen. In den folgenden Abschnitten werden die Sensoren genauer beschrieben, mögliche Realisierungen diskutiert und die konkrete Auswahl der Komponenten begründet. 5 Deutsche Webseite des Herstellers Tamiya: 17

30 4 Konzeptionierung Distanzsensoren Generell messen Distanzsensoren den Abstand zu einem Objekt, indem sie sich dafür die Reflexionseigenschaften der Hindernisse zu nutze machen. Von dem Sendeteil des Sensors wird ein akustisches oder optisches Signal ausgesendet, das am Hindernis reflektiert und im Empfangsteil des Sensors verarbeitet wird. Die Signalauswertung richtet sich nach dem eingesetzten Sensortyp. Die möglichen Techniken unterscheiden sich voneinander in Bezug auf Präzision, notwendigem Aufwand und möglichem Einsatzbereich. Neben der Interferenzmessung, welche in der Regel nur relative Änderungen messen kann, gibt es weitere Techniken wie die Laufzeitmessung oder Triangulation. Die einfachste Bestimmung der Entfernung ist die Messung der Laufzeit von Impulsen, welche sowohl bei akustischen als auch bei optischen Sensoren Anwendung findet. Dabei wird ein Impuls von einem Sensor ausgesandt und die Reflexion wieder aufgefangen. Über die gemessene Zeitspanne t und der Ausbereitungsgeschwindigkeit v 0 kann auf den Abstand d geschlossen werden: d = v 0 t 2 Bei der Triangulation sendet der Sender ein diffuses Signal aus, welches am Hindernis reflektiert wirdund durch eine Öffnung auf den auf den Sensor (Position Sensitive Device PSD) trifft. Durch die Position, an der das Signal auftrifft, kann auf den Abstand des Hindernisses geschlossen werden (vgl. Abbildung 4.3). PSD Abbildung 4.3: Funktionsweise der Triangulation Die Präzision und Zuverlässigkeit hängen von verschiedenen Faktoren wie der Distanz, der Beschaffenheit der Oberfläche und von Umwelteinflüssen ab. Akustische Sensoren haben Probleme mit einigen Materialien, da diese bei gewissen Frequenzen die Schallwellen absorbieren können. Optische Sensoren sind recht anfällig für einstreuendes Licht. Im Roboter wurden optische Sensoren vom Typ GP2D12 der Firma Sharp verwendet. Dieser Sensortyp misst den Abstand über Triangulation und liefert am Signalausgang eine analoge Spannung. Der Sensor ermöglicht Messungen von Objekten im Abstand zwischen 10cm und 80cm und 18

31 4.1 Konzeptionierung der Hardware ist verhältnismäßig unempfindlich gegenüber der Farbe des zu messenden Objektes (vgl. Bild 5.6 in Kapitel 5.2.3). Dieser Sensortyp benötigt laut Datenblatt (Sharp Microelectronics b) einen typischen Strom von etwa 30mA. Er wurde vor allem wegen der geringen Leistungsaufnahme gegenüber Ultraschallsensoren und aufgrund einer guten Verfügbarkeit gegenüber anderen optischen Sensoren bevorzugt. Odometriesensoren Eine gängige Technik für den Bau von Odometriesensoren (Encoder) ist es, eine Lochscheibe oder Streifenscheibe durch eine Lichtschranke durchlaufen zu lassen, deren Phototransistor bei jedem Streifen oder Loch einen elektrischen Impuls am Ausgang erzeugt. Durch Zählen der Impulse kann man auf die Bewegung des Rotors schließen: Anzahl der Umdrehungen = Anzahl der Impulse Anzahl der Markierungen Durch eine einfache Lichtschranke lässt sich allerdings nicht die Drehrichtung feststellen. Erst durch den Einsatz von inkrementellen Sensorarten, die eine zweite Lichtschranken vereinen, kann die Drehrichtung bestimmt werden. Für die Odometrie wurden inkrementelle Gabellichtschranken vom Typ GP1A038 der Firma Sharp verwendet. Mit Hilfe dieser Lichtschranke kann sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung ermittelt werden. Der Sensor kann eine maximale Taktrate von 20kHz erfassen, was bei einer Encoderscheibe mit 120 Markierungen eine maximale Geschwindigkeit von U min ergibt und damit mehr als hinreichend schnell ist. Dieser Sensortyp hat laut Datenblatt (Sharp Microelectronics a) eine Leistungsaufnahme von 150mW, was einem Strom von 30mA bei 5V entspricht. Dieser Sensortyp wurde aufgrund seiner weiten Verbreitung und seiner Funktionsart, dass er Interrupt-gesteuert arbeitet und seines geringen Preises gewählt. Helligkeitssensoren Als Helligkeitssensoren können lichtabhängige Widerstände (Light Dependent Resistor LDR) eingesetzt werden, deren Widerstand bei Helligkeit abnimmt, oder Phototransistoren (auch Photodioden genannt), deren Leitfähigkeit bei Helligkeit zunimmt. Der Phototransistor wird bei Dunkelheit hochohmiger als im hellen und ist etwas weniger empfindlich gegenüber Wärme. Da der Roboter mit Solarzellen fahren soll und er gerade in Schattenbereichen Energie einsparen muss, und aufgrund ihrer geringeren Beeinflussung durch Wärme, wurden Phototransistoren bevorzugt. Verschiedene Hersteller geben vergleichbare Werte an, weshalb die verwendeten SFH300 Phototransistoren des Herstellers Siemens aufgrund ihrer hohen Verbreitung und geringen Preises gewählt wurden. Die Stromaufnahme dieser Sensoren ist abhängig von ihrer Beschaltung und wird weitestgehends durch die Stromaufnahme der Eingangpins des Mikrocontrollers bestimmt. Die Stromaufnahme ergibt somit etwa 2mA pro Sensor. 19

32 4 Konzeptionierung Bodensensoren Für die Bodensensoren wird sich die Reflexionseigenschaft des Bodens zu Nutze gemacht. Eine LED leuchtet nahe der Bodenoberfläche auf den Boden. Das reflektierte Licht wird mit einem nebenliegenden Phototransistor aufgefangen. Hier wurden die gleichen SFH300 Phototransistoren der Firma Siemens sowie eine diffuse rote LED mit einem speziellen Abstrahlwinkel von 30 Grad eingesetzt. Im Gegensatz zu der verwendeten LED mit etwa 20mA Stromaufnahme haben Low-Current-LEDs eine geringere Stromaufnahme von etwa 2mA. Eine Low-Current-LED mit dem benötigten Abstrahlwinkel und einem diffusen Gehäuse war jedoch nicht verfügbar, weshalb die Wahl auf den normalen Typ fiel. Die Stromaufnahme der LED und der Phototransistoren ergeben somit zusammen etwa 25mA Weitere Schnittstellen Der Roboter wurde zusätzlich mit einer seriellen EIA232-Schnittstelle (auch bekannt unter RS232) ausgestattet. Diese Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation zwischen dem Mikrocontroller und einem PC und wurde für die Entwicklung (Debugging) der Software benötigt. Sie wird jetzt zum einfachen Steuern, wie Starten und Stoppen des Roboters, verwendet. Für das Powermanagement hat diese Schnittstelle keine Bedeutung. Für die serielle Übertragung verfügt der Mikrocontroller über eine asynchrone Sende- und Empfangseinheit (Universal Asynchronous Receiver/Transiver UART). Eine serielle Übertragung könnte prinzipiell auch ohne eine UART realisiert werden, sie entlastet jedoch erheblich die Recheneinheit, indem sie Teile der Kommunikation übernimmt. Die UART kümmert sich um das Senden, Empfangen und Puffern einzelner Bytes, um das entsprechende Timing und kann mit Hilfe eines Interrupts über empfangene Zeichen benachrichtigen. Sie kann, wie der Name schon sagt, universell für andere serielle Kommunikationsarten verwendet werden. Das TTL-Signal der MCU muss für eine EIA232-Schnittstelle durch einen Pegelwandler auf einen anderen Pegel angepasst werden. Als Pegelwandler wurde für den Roboter ein Treiberbaustein vom Typ MAX202 der Firma Maxim verwendet. Der MAX202 ist eine stromsparende Variante des bekannten Bausteins MAX232 und benötigt im aktiven Modus einen Strom von etwa 8mA. Er zeichnet sich außerdem durch eine einfache Verwendung und durch einen geringen Preis aus, weshalb er für dieser Arbeit ausgewählt wurde Der Mikrocontroller Grundsätzlich wurden für den Mikrocontroller nach Auswahl der Sensoren und Aktoren folgende Eckdaten spezifiziert: Er soll kostengünstig sein Powermanagement: mindestens einen aktiven und einen schlafenden Zustand. 20

33 4.1 Konzeptionierung der Hardware Zwei PWM-Kanäle für die Motorsteuerung (vgl. Abschnitt 4.1.2) Eingänge für die Sensoren (vgl. Abschnitt 4.1.3) Acht analoge Eingänge zum Auslesen von Sensordaten Zwei externe Interrupts für die Odometrie Drei I/O-Pins für das Ein- und Ausschalten der Sensoren Sechs weitere I/O-Pins für die Beschaltung der Sensoren Eine UART-Schnittstelle (vgl. Abschnitt 4.1.4) Die erste Wahl für die MCU war der MSP430 von Texas Instruments (TI). Dieser 16 Bit-Low- Voltage-Mikrocontroller ist speziell für Anwendungen mit geringer Stromaufnahme entwickelt worden. Er wird in vielen verschiedenen Varianten 6 angeboten, bei denen Taktfrequenz, SRAM, Flash-ROM, A/D-Wandler (ADC), vorhandene Peripherie und auch der Preis stark variieren. Als Low-Voltage-MCU benötigt der MSP430 eine Versorgungsspannung von 3.3V (LVTTL). Er besitzt einen aktiven Zustand und fünf Schlaf-Modi, die von Deaktivierung von CPU und Hauptsystemtakt bis hin zur Deaktivierung nahezu aller Peripherie reichen. Während der Suche nach passenden Sensoren stellte sich heraus, dass eine Versorgungsspannung von 5V und ein TTL- Pegel von 5V benötigt wurde (vgl. Abschnitt 4.1.3), was einen zusätzlichen Spannungsregler und den Einsatz von Spannungsteilern oder Pegelwandlern nötig machen würde. Da die Schaltung dadurch unnötig verkompliziert und ein Teil der Effizienz dadurch zunichte gemacht werden würde, wurde ein anderer Mikrocontroller in Betracht gezogen. Als Alternative bot sich ein Mikrocontroller der AVR-Familie des Herstellers Atmel an. Diese Mikrocontroller sind sehr günstig und in geringen Stückzahlen erhältlich. Diese 8 Bit-RISC-MCU ist vor allem aufgrund ihrer einfachen Handhabung sehr beliebt. Die AVR Mikrocontroller sind einfach über Programmieradapter programmierbar und es existieren (teilweise quelloffene) Compiler für die Programmiersprachen Assembler, C und Basic. Simulatoren erleichtern das Testen und Debuggen. Einige neuere Varianten verfügen sogar über eine JTAG-Schnittstelle, die das hardwareseitige Debuggen erlaubt. Wie auch schon den MSP430 gibt es den AVR Mikrocontroller in verschiedenen Varianten 7, wie die ATtiny- und die ATmega-Serie. Die ATtinys sind speziell für kleine Aufgaben ausgelegt und verfügen daher nur über wenig nutzbare I/O-Pins. Die ATmega-Reihe verfügen über die gleiche Recheneinheit, sind jedoch mit mehr Speicher und mehr I/O-Pins ausgestattet. Unter den AVR Mikrocontrollern gibt es noch weitere Produktgruppen, die über zusätzliche Treibereinheiten wie beispielsweise USB, CAN und LCD verfügen. Für diese Arbeit wurde der ATmega32 8 (Datenblatt: Atmel Corporation 2006) ausgewählt, der über 32 Kbyte Flash-ROM, 2 KB SRAM, 1KB EEPROM, 32 I/O-Pins, einem 8-Kanal 10bit ADC und einem JTAG-Interface verfügt. Der ATmega32 ist dabei mit einer Versorgungsspannung zwi- 6 vgl. 7 vgl. 8 vgl. ( ) 21

34 4 Konzeptionierung schen 2.8V bis 5.5V spezifiziert. Er verfügt über sechs Schlafmodi, die im Kapitel genauer erläutert werden und benötigt einen maximalen Strom von 23mA. 4.2 Evaluierung existierender Softwareframeworks Es existieren zwar Betriebssysteme für Mikrocontroller, wie das ausgereifte TinyOS 9 oder die Software des c t-bot-projektes 10, die aber nur bedingt für den Einsatz in dieser Arbeit geeignet sind. So müsste TinyOS, auf den ATmega32 portiert werden, was einen hohen Aufwand bedeuten würde, da als Zielplattform der größere ATmega128 vorgesehen ist. Die Software des c t Bots müsste ebenfalls auf den ATmega32 portiert werden, ist nicht in einem Schichtenmodell strukturiert und müsste zusätzlich noch um Powermanagementfähigkeiten erweitert werden, weshalb es sinnvoller war ein neues Framework zu beginnen in dem das Powermanagement sauber integriert werden kann. Beim Entwurf der Software für den Roboter wurde darauf geachtet, möglichst eine Trennung zwischen hardwareabhängigen und hardwareunabhängigen Code 11 zu erreichen, um die Implementierung möglichst portabel zu halten. Als externen Code wurde für die Kommunikation über die serielle Schnittstelle (UART) eine weit verbreitete Bibliothek von Peter Fleury 12 verwendet. Diese lässt sich einfach in die Software integrieren und hat eine gut dokumentierte API Das Konzept des Powermanagements Ist der Roboter eingeschaltet, sind im Normalfall alle Sensoren, Mikrocontroller und Peripherie ebenfalls eingeschaltet. So liefern beispielsweise die Distanzsensoren einen Wert auch wenn sie nicht benötigt werden und konsumieren somit unnötig Energie. Um effektiv Energie einzusparen, dürften alle Verbraucher nur zum Zeitpunkt aktiv sein, in dem sie benötigt werden. Sowohl die CPU als auch die Sensoren müssten deaktiviert sein, bis sie wieder benötigt werden. Der Mikrocontroller lässt sich softwaregesteuert in Schlafmodi versetzen. Um dies ebenfalls für die Sensoren zu ermöglichen, soll die Hardware die Möglichkeit bieten, die Sensoren softwaregesteuert ein- und auszuschalten. Der Treiber des Sensors kann nun, auf Anfrage beliebige Sensoren einschalten, abfragen und wieder abschalten. Da die Sensoren, wie jedes Hardwarebauteil eine gewisse Zeit t Rise benötigen bis sie voll funktionsfähig sind, also stabile Sensorwerte liefern, muss der Treiber nach dem Einschalten ebenfalls die Zeit t Rise warten, bevor er den Sensor abfragen und wieder abschalten 9 Website des TinyOS-Projektes: 10 Webseite des c t-bot-projektes: 11 Bei dem Terminus der Handwareunabhängigkeit im Bezug auf Mikrocontrollern ist der feste Bezug zur Hardware (z.b. modelspezifische Registernamen) gemeint und weniger eine Platformunabhängigkeit wie sie bei höheren Programmiersprachen (Java, Perl,... ) existiert. 12 Homepage von Peter Fleury unter Stand 12. Dezember Onlinedokumentation der UART-Bibliothek: pfleury uart.html, Stand 12. Dezember

35 4.3 Das Konzept des Powermanagements kann. Die Tabelle 5.2 im nachfolgenden Kapitel zeigt, dass beispielsweise der Distanzsensor eine Zeitspanne von 53 ms benötigt, um einen zuverlässigen Sensorwert zu liefern. Die Software des Mikrocontrollers würde jedoch für diese Zeit blockieren, wodurch die Reaktivität des Systems gemindert werden würde. Werden die Sensoren mehrfach hintereinander abgefragt, addiert sich diese Zeit. Das Powermanagement der Sensoren wird somit von der Applikation gesteuert werden, da dort entschieden wird, wann die Sensoren benötigt werden und wann sie abgeschaltet werden können. Während der Wartezeit kann die Applikation entscheiden, ob weitere Daten verarbeitet werden oder die CPU in einen Schlafmodus versetzt werden kann. Das Powermanagement bietet der Applikation somit ein Interface, über dass die Schlafmodi der Sensoren und der CPU einfach gesteuert werden können. Die Steuerung bleibt aufgrund der höheren Effektivität bei der Applikation. 23

36 4 Konzeptionierung 24

37 5 Umsetzung Nachfolgend wird die Implementierung der Hardware des Roboters erläutert. Darauf aufbauend wird das Softwareframework beschrieben und die einzelnen Softwaremodule näher erläutert. Am Ende diese Kapitels wird die Umsetzung des Powermanagements beschrieben. 5.1 Umsetzung der Hardware Der Roboter basiert auf einer runden Grundplatte mit einem Durchmesser von ca. 13 cm und besitzt inklusive Solarpanel eine Höhe von ca. 8cm. Zwei Räder werden jeweils von einem analogen Gleichstrommotor angetrieben. Auf einer Platine befindet sich der AVR ATmega32 Mikrocontroller, der zwei Odometrie-, drei Distanz-, zwei Helligkeits- und zwei Bodensensoren abfragt. Die Motoren werden über eine Verstärkerstufe angesteuert. Abbildung 5.1: Foto des Roboters Der Roboter, der hier entwickelt wurde, kann für weitere Projekte verwendet werden. Der Mikrocontroller und die Sensoren würden denkbaren Szenarios erlauben, die von einfachen Spielereien 25

38 5 Umsetzung wie Linienverfolgung mit Hilfe der Bodensensoren bis zu einer möglichen komplexen autonomen Navigation durch Gebäude reichen. Die Motoren mit Getriebe, die Sensoren und die Elektronikplatine sind auf der runden Grundplatte des Roboters befestigt. Ein Kugelrollrad als Stütze und der Gewichtsschwerpunkt auf der Vorderseite sorgen dafür, dass der Roboter nicht kippt. Abbildung 5.2: Ansicht der Grundplatte des Roboters von unten Die Stromversorgung Als Spannungsquelle ist als Alternative zu einem Solarpanel, eine Versorgung durch Akkumulatoren vorgesehen. Um die Spannungsversorgung auch für Testzwecke flexibler zu gestalten, ist ein Festspannungsregler vorgesehen, der eine Eingangsspannung von 5 bis maximal 35V zulässt. Ein Festspannungsregler hat den Vorteil, dass er einfach zu integrieren ist und wenig Platz benötigt. Wird jedoch eine deutlich höhere Spannung angelegt, sinkt der Wirkungsgrad beachtlich ab. Die überschüssige Spannung wird durch einen Spannungsteiler in einem Widerstand in Wärme umgesetzt. Würde die Schaltung 1A benötigen, würde bei einer Eingangsspannung von 24V eine Leistung von 19W (P = U I) in Wärme umgesetzt werden. Einen höheren Wirkungsgrad würde statt dem Festspannungsregler ein Schaltregler erreichen. Da dieser jedoch deutlich komplexer aufzubauen ist, wurde in diesem Prototyp darauf verzichtet1. Die Auswahl bzw. die Größe des Solarpanels hängt vom gesamten Energiebedarfs des Roboters ab und wird aus diesem Grund im Kapitel Evaluierung behandelt. Es wurde testweise ein Solarpanel 1 In 26 der Evaluation, in Kapitel 6.4 wird der Schaltregler jedoch erneut behandelt.

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