Neuentwicklungen. In der Zeit nach dem Landeswettbewerb haben wir ein komplett neues System zum Test unseres Antriebs entwickelt.

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1 Neuentwicklungen In der Zeit nach dem Landeswettbewerb haben wir ein komplett neues System zum Test unseres Antriebs entwickelt. Folgende Erneuerungen wurden dabei umgesetzt: Bau eines wasserdichten Kopfes Ziel war es einen wasserdichten Kopf zu bauen, in dem die Ansteuerungselektronik und Akkus Platz fanden. Um die Form und Größe des Kopfes zu berechnen entwarfen wir ein 3D-Modell der Kopfinnenseite, welches um das Innenleben im Kopf gelegt ist. Wir druckten uns 16 Querschnitte durch das 3D-Modell des Kopfes aus und übertrugen diese auf Pappformen. Diese Pappformen stellen ein Negativ von einer Hälfte der Kopfinnenseite dar.

2 Nun formten wir das Modell einer Hälfte der Kopfinnenseite aus Fimoknete, indem wir die Form so lange veränderten, bis sie den Schablonen entsprach. Danach härteten wir die Form durch Erhitzen aus. Dadurch, dass wir mit Polyesterharz getränkte Kohlefasermatten auf die Form legten, erhielten wir zwei Schalen, die nun jeweils eine Hälfte des Kopfes bilden. Durch die beiden Kopfhälften bohrten wir an den Seiten 10 Löcher um sie mit M2-Schrauben verbinden zu können. Um den Kopf abzudichten wird zwischen die beiden Kopfhälften ein Dichtungsring gelegt, der durch das Verschrauben der Kopfhälften zwischen diese geklemmt wird. Zusätzlich wird der Dichtungsring mit einem wasserabweisenden Dichtmittel bestrichen.

3 Bau einer neuen Ansteuerungselektronik Unsere früheren Antriebe konnten nur von außen über Zuleitungen angesteuert werden und waren deshalb nicht autonom. Die neue Elektronik hat deshalb die Aufgabe das Antriebssystem mit einem in ihr gespeicherten Bewegungsalgorithmus anzusteuern. Sie musste komplett im Kopf untergebracht werden und möglichst viel Raum für die Akkuzellen der Stromversorgung bieten. Ein AT Mega1280 stellt das Herz der neuen Elektronik dar. Er verfügt über 16 hardware PWM Kanäle und ist deshalb sehr gut für unsere Ansteuerung geeignet. Im Gegensatz zur alten Steuerung mit 2 AT Tiny2313 brauchen wir keinen Computer zum Steuern und keine Transistorstufe zur Richungswahl. Dadurch verkleinerte sich die Platine, während der Funktionsumfang wuchs. Die Testplatinen entwickelten wir um die Arbeit mit den Komponenten zu vereinfachen. Die erste Platine ermöglicht die einfache Fehlerfindung im Antriebssystem. Sie kann veranschaulichen, ob alle Steuerleitungen intakt sind und prüfen, ob die Gates der Mosfets einen Kurzschluss haben. Die zweite Platine wird an den Kopf gesteckt um zu testen, ob der Mikrocontroller funktioniert und die gespeicherten Algorithmen fehlerfrei sind. Die Stromversorgung der Elektronik und der Antriebsdrähte wird durch LithiumpolymerAkkuzellen gewährleistet. Diese finden Verwendung, weil sie eine sehr hohe Energiedichte bieten und somit ein geringes Gewicht mit großer Kapazität verbinden.

4 Die Elektronik findet im Kopf Platz. Hier sieht man ein Bild des geöffneten Kopfes auf dem fast alle Bestandteile dargestellt sind, die zum Betrieb des Antriebs nötig sind. Zur leichteren Wartung sind alle Komponenten steckbar verbunden. Eine Programmierung von außen ist über einen externen Programmierstecker bei verschlossenem Kopf möglich. Programme AT 1280: Das Programm im AT 1280 hat die Aufgabe über 10 PWM-Ports die einzelnen Aktuatorseiten phasenmoduliert anzusteuern. Wir programmierten dieses in C und schrieben es nach Kompilierung im AVR-Studio von Atmel über das STK500 in den Controller. Der Bewegungsalgorithmus wird im Flash-Speicher des Controllers gespeichert. Hierzu wird dieser in binären Werten codiert und über die ISP-Schnittstelle in den Flash-Speicher geschrieben. Dafür werden immer abwechselnd zwei zusammengehörige Werte empfangen. Entweder es werden Kanal und Erhitzungsrate angegeben oder es wird ein Pausenzeichen und eine Pausendauer empfangen. Zusammengesetzt wird mit diesen Angaben das Antriebsystem angesteuert. Beim Auslesen des Algorithmus aus dem Flash-Speicher haben wir eine Sicherung eingebaut, die verhindert, dass beide Seiten eines Aktuators gleichzeitig ausgelenkt werden. Über einen Watch-Dog-Timer wird überprüft, dass das Programm fehlerfrei durchläuft, ansonsten resetet sich der Controller selber. Eine softwaregesteuerte Strombegrenzung bei der Erhitzung der Aktuatordrähte ist angedacht. Interpreter: Um die Algorithmen für den alten Antrieb auch für den neuen verwenden zu können programmierten wir uns in Delphi einen Interpreter, der die alten Algorithmen binär codiert. Generator: Mit einem weiteren Programm, welches wir erneut in Delphi schrieben, kann man durch die Eingabe zweier Werte diese in einen Binärcode wandeln lassen und einen Algorithmus in binärer Form generieren. Bau eines neuen Antriebsystems

5 Verbesserungen gegenüber dem alten Antrieb: 1. Die Mitteldrähte in den Aktuatoren, die von den beiden Seitendrähten gebogen werden, sind in die vorgesehenen Bohrungen in den Plexiglasrippen geklebt. Vorher waren diese in die Rippen geschmolzen. Durch das Kleben ist die genaue Mittelposition der Drähte gewährleistet und es kommt zu einer gleichmäßigeren Auslenkung der Aktuatoren. 2. Wenn das Antriebssystem nicht im Betrieb ist, können nun zwei dicke Stabilisierungsstangen durch den gesamten Antrieb gesteckt werden. Dies gewährleistet eine größere Stabilität beim Transport gegen ein Verbiegen des Antriebs und verhindert so Beschädigungen. 3. Das Styropor, welches vorher auf das Kondom über dem Antrieb als Auftriebskörper geklebt wurde, wird jetzt in Hohlräume innerhalb des Antriebs geklebt. Die Bewegungsdynamik des Antriebs wird dadurch gesteigert. 4. Der gesamte Antrieb ist über ein Stecksystem mit dem Kopf verbunden. Früher war es über Stangen am Kopf angelötet. Nun können beide Teile für Wartungsarbeiten oder den Transport leicht getrennt werden. 5. Die beiden Hauptstromleitungen im Antrieb sind mit einem Schalter versehen. Wenn innerhalb des Antriebs ein Fehler auftritt oder man ihn vom Kopf trennen möchte, kann der Stromkreis geöffnet werden. Wasserkanal zum Testen Zum Testen des neuen Antriebs reichte das vorher genutzte Aquarium nicht mehr aus, deshalb bauten wir einen Wasserkanal, der zwei Meter lang und 40cm breit ist.

6 Schwimmtests Wir führten mehrere Schwimmtests durch und steigerten dabei die Effizienz des Algorithmus durch Änderungen am Programm über den externen Programmierstecker. Hierbei konnten wir auch die erforderlichen PWM-Raten ermitteln. Die unten dargestellte Bildfolge eines Schwimmtests zeigt, dass unser Antrieb in der Lage ist das komplexe Bewegungsmuster einer Kaulquappe nachzuahmen. Die obere Bildfolge ist eine Sequenz aus einem von uns gedrehten Video von einer Kaulquappe. Ausblick Geplante Erweiterungen: Strombegrenzung bei der Erhitzung der Seitendrähte Sensorsystem zur Orientierung unter Wasser Verbesserung des Bewegungsalgorithmus durch einen genetischen Algorithmus Einbau von Algorithmen, die eine Kurve lenken (auch nach oben, unten) Einbau einer Nutzlast, wie zum Beispiel einer Kamera Kommunikation über eine Funkverbindung wahlweiser Wechsel zwischen Fernsteuerung und autonomer Fortbewegung

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