Mess- und Regelungstechnik

Transkript

1 Mess- und Regelungstechnik Professor: Dr. Löffler Mang Semester: WS 00/01

2 Inhaltsverzeichnis 1. Thema 2. Das Mind- Storm- System 2.1 Der RCX 2.2 Die Sensoren Der Tastsensor Der Lichtsensor 3. Idee und Vorgehensweise 3.1 Idee 3.2 Vorgehensweise 4. Die Fähigkeiten des Roboters 5. Der Roboter 5.1 Der Antrieb 5.2 Die Sensorik 5.3 Aufgetretene Probleme bei der Konstruktion 6. Die Software 6.1 Das Flussdiagramm 6.2 Der Quellcode 6.3 Aufgetretene Probleme bei der Programmierung

3 1. Thema Im Fach Mess- und Regelungstechnik geht es darum, die Mechanik mit der Software zu vereinen. Die Mechanik ist dabei der Minestormbaukasten von Lego. Dieser enthält eine programmierbare Steuereinheit, die mit Hilfe von Sensoren und Motoren einen Roboter bewegen kann. In diesem Mind- Storm- Projekt wird ein Roboter gebaut, der in der Lage ist, eine vorgegebene schwarze Kennlinie mittels Lichtsensor aufzusuchen und dieser zu folgen. Über weitere Sensoren soll der Roboter Hindernisse und Tischkanten erkennen und diesen ausweichen. 2. Das Mind- Storm- System (MSS) Bei dem MSS handelt es sich, wie schon erwähnt, um eine programmierbare Steuerung, die mit Hilfe von verschiedenen Sensoren Motoren ansteuert. Abhängig von der Programmierung werden die Signale von den Sensoren ausgewertet und in Motorbewegungen umgesetzt. 2.1 Der RCX view modus on/off run program choose program

4 Der RCX ist die eigentliche Steuerzentrale, bzw. die Einheit an dem alle Sensoren und Motoren angeschlossen werden. Hierzu sind spezielle Sensor- und Motorsteckplätze vorgesehen. Der RCX verfügt über eine Infrarotschnittstelle, über welche die Programme in den RCX geladen werden können. Das Programm an sich wird auf einem PC geschrieben. Dort wird es erst compeliert (= übersetzt) und anschließend auf einen der fünf Programmplätze des RCX über die Infrarotschnittstelle übertragen. Mit Hilfe des Display auf der Oberseite des RCX ist es möglich, die Signale der Sensoren abzulesen. Auch der aktuelle Programmplatz wird angezeigt. Der RCX wird mit sechs 1,5V- Akku- Batterien betrieben. Bei Auswechselung dieser, muss die Herstellersoftware neu auf den RCX übertragen werden, mit deren Hilfe die Eingänge und die Ausgänge gesteuert werden. 2.2 Die Sensoren Der Standard MS- Baukasten verfügt über zwei Tastsensoren und einen Lichtsensor Die Tastsensoren Die Tastsensoren sind einfache Taster. Bei Kontakt mit einem Objekt wird der Taster durchgeschaltet und sendet ein Signal an den RCX. Dieser steuert dann je nach Programmierung die Motoren an.

5 2.2.2 Der Lichtsensor Der Lichtsensor arbeitet mit Hilfe von Reflektion. Im Sensor selbst befindet sich eine Leuchtdiode und eine Fotodiode. Die LED (rot) sendet das Licht aus. Je nach Farbe und Beschaffenheit des Untergrundes wird das Licht reflektiert, welches die Fotodiode empfängt. Die Diode erzeugt, abhängig von der Intensität der Reflektion ein Signal, das vom Programm ausgewertet wird. 3. Idee und Vorgehensweise 3.1 Idee Die Idee ist, einen Roboter zu konstruieren, der in der Lage ist eine Kennlinie zu finden und dieser zu folgen. Dabei soll es egal sein, in welchen Weg diese Linie nachläuft. Darüber hinaus sollen eventuelle Hindernisse auf der Kennung umfahren und anschließend die Linie erneut gesucht werden (siehe Flussdiagramm). 3.2 Vorgehensweise Um eine gute Erkennung der Linie durch den Lichtsensor zu gewährleisten, muss dieser so nah wie möglich über dem Boden am Roboter angebracht werden. Bei Einfluss äußerer Lichtquellen kann der Sensor zudem noch mit Isolierband abgedunkelt werden ( weitere Einzelheiten in Kapitel 5). Das Problem des Umfahrens eines Hindernisses auf der Linie, oder einer Tischkante muss gleichzeitig gelöst werden, da nur zwei Tastsensoren zur Verfügung stehen. Diese müssen so angebracht werden, dass bei einem Hindernis oder einer Tischkante ein Signal gesendet wird, durch welches der Roboter Gegenmaßnahmen ergreifen kann ( weitere Einzelheiten in Kapitel 6).

6 4. Die Fähigkeiten des Roboters Aufgrund der Konstruktion und der Programmierung des Roboters sind einige Einschränkungen in seiner Leistungsfähigkeit gegeben. Was kann der Roboter? Der Roboter kann: - die Kennlinie finden und dieser folgen. - Hindernisse erkennen und ausweichen. - Tischkanten erkennen und in entgegengesetzter Richtung weiterfahren. - nach Ausweichen von Hindernissen die Kennung erneut finden. - direkt vor Programmstart an den Tischrand gestellt werden. Was kann der Roboter? Der Roboter kann nicht: - bei zu geringem Abstand von Hindernis und Tischkante dem Hindernis ausweichen. - bei Rückwärtsfahrt die Tischkanten oder ein Hindernis erkennen. 5. Der Roboter 5.1 Der Antrieb Der Roboter ist ein kleines Kettenfahrzeug, welches durch zwei getrennt ansteuerbare Motoren angetrieben wird. Um gute Manövrierbarkeit zu erzielen, war es notwendig Ketten zu verwenden. Diese sind an zwei Punkten am Roboter über Zahnradwellen gespannt. Mit dieser Konstruktion wird ein rutschfreies Fahren erreicht. Aufgrund der hohen Drehzahl der Motoren, musste ein kleines Getriebe eingebaut werden. Dieses sorgt für eine Drehzahlsenkung und gleichzeitig für ein recht gutes Drehmoment.

7 Das Getriebe an sich besteht aus drei Zahnrädern. Ein kleines direkt am Motor. Dieses dreht sich fast mit gleicher Geschwindigkeit wie die Motorwelle. Das Zahnrad überträgt die hohe Geschwindigkeit auf ein großes Zahnrad, welches sich mit erheblich kleinerer Drehzahl dreht und nur die Kraft auf das letzte Zahnrad überträgt. Das letzte Zahnrad sitzt auf der Antriebswelle und sorgt für die Bewegung der Ketten. Durch die einzeln ansteuerbaren Motoren lassen sich die Ketten auch in unterschiedliche Richtungen drehen. Dies ermöglicht eine Vielzahl von schnellen Drehbewegungen, in die gewünschten Richtungen.

8 5.2 Die Sensorik Wie in den vorhergehenden Kapiteln erwähnt wurden in den Roboter drei Sensoren eingebaut: ein Lichtsensor und zwei Tastsensoren. Der Lichtsensor ist im vorderen Teil des Roboters über eine kleine Konstruktion befestigt. Die Konstruktion sorgt dafür, dass der Sensor so nah wie möglich über dem Boden läuft, um störendes Licht abzuschirmen. Die zwei Tastsensoren sind in zwei Fühlern eingebaut, die links und rechts am vorderem Teil des Roboters angebracht sind. Die Halterung dieser Fühler ist beweglich montiert damit bei Antreffen eines Hindernisses nicht der gesamte Roboter angehoben wird. Um ein vorzeitiges Schalten der Sensoren zu verhindern, wurden die Fühler - Arme mit kleinen Rädern ausgestattet. Diese heben die Arme soweit an, dass bei normaler Fahrt auf dem Tisch keiner der Tastsensoren aktiviert ist.

9 Wenn sich nun der Roboter einer Tischkante nähert, fällt der entsprechende Fühler nach unten und der Sensor schaltet. Der Roboter kann je nach Programmierung darauf reagieren und Gegenmaßnahmen einleiten. Bei Antreffen eines Hindernisses werden nun die Fühler samt Halterung nach oben bewegt, was ein Schalten der Sensoren zur Folge hat. Jetzt kann der Roboter erneut reagieren und dem Hindernis ausweichen.

10 5.3 Aufgetretene Probleme Das größte Problem das sich uns, während der Konstruktion des Roboters, stellte, war der Antrieb. Die erste Konstruktion erwies sich als unbrauchbar, da sich der Antrieb bei Kurvenbewegungen immer nach oben wegdrückte. Dies hatte zur Folge, dass die Zahnräder nicht mehr ineinander griffen und der Roboter sich nicht mehr fortbewegte. Der Grund warum sich der Antrieb löste, war die Anordnung von Motoren und Getriebe. Bei einer Kurvenbewegung baute sich zwischen Motoren und Zahnräder eine Spannung auf, die so groß wurde, dass sich die Motoren lösten. Nachdem die Motoren mehrmals von uns wieder festgemacht wurden und sich erneut lösten, wurde der Roboter im Antriebsbereich umgebaut. Die Motoren- und Zahnradstellungen zueinander wurden verändert. Zudem sind außen Querverstrebungen angebracht wurden, die für eine weitere Stabilität sorgen. Weitere Probleme sind bei der Mechanik nicht aufgetreten.

11 6. Die Software 6.1 Das Flussdiagramm