Entwicklung und Herstellung eines Antriebssystems für einen autonomen Modellroboter

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1 Entwicklung und Herstellung eines Antriebssystems für einen autonomen Modellroboter Hausarbeit zur Ersten Staatsprüfung für die Sekundarstufe I Themensteller: Prof. Dr. Chr. Hein (Institut für Technik und ihre Didaktik) Verfasser: Gunther Kahler Datum:

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung Zielstellung und gesellschaftliche Relevanz Methoden Ergebnisform Ausgangssituation Fachwissenschaftlich - technische Voraussetzungen Anwendungsgebiete Ermittlung der technischen Einsatzparameter Fahrbedingungen Fahrwerkskonstruktion Experimente Versuchsreihe I: Ermittlung der notwendigen Antriebsleistung Antriebsmotoren Spezifizierung des Fahrwerks Versuchsreihe II: Spezifizierung der Antriebsleistung Ergebniszusammenfassung Konstruktion des Chassis und des Fahrwerks Geometrie des Chassis und des Fahrwerks Fahrwerksantrieb Entwicklung der Treiberstufen zur Ansteuerung der Schrittmotoren Fahrwerkssteuerung mit Ultraschallsensoren Zusammenfassung und Weiterentwicklung Testbericht Fazit Perspektive

3 6 Anhang Datenblatt: KH56QM Steuerschaltung Datenblatt: L Datenblatt: L Technische Zeichnungen Daten Zahnräder (t. Z.:1.4/ 1.16) Daten Antriebsräder (t. Z.: 1.8) Daten Schwenkrolle...70 Literaturverzeichnis...71 Verzeichnis der Grafiken...71 Verzeichnis der Tabellen...73 Verzeichnis der Abbildungen...73 Danksagung

4 1 Einleitung 1.1 Zielstellung und gesellschaftliche Relevanz Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und die Herstellung des Fahrwerks und des Antriebes, sowie der Abstandssensoren eines autonomen Fahr- Modellroboters. Das Modell ist für den Einsatz in der Lehreraus- und Weiterbildung vorgesehen. Ein Roboter (Robot <tschech.> Frondienst; roboten <ugs.> schwer arbeiten) ist ein elektronisch gesteuertes Gerät [mit beweglichen Gliedern] 1. Fahrroboter bedeutet hier, dass er sich auf dem Boden fahrend fortbewegt, wobei autonom besagt, das sich der Roboter frei, ohne an einen best. Ort, zur Datenübermittlung und Energieversorgung, gebunden zu sein, im Raum bewegen kann. Für die Beweglichkeit des Fahrroboters ist ein entsprechender Antrieb nötig, der hier mit Elektromotoren realisiert wird. Die Energieversorgung erfolgt über leistungsstarke Akkus. Seinen Modellcharakter erhält der Roboter durch seinen Einsatz als Unterrichtsmittel und seine offene Bauform (s. S. 23, 4.1), welche Möglichkeiten für Experimente, Veränderungen und Erweiterungen im Einsatz als Lehrmittel (s. S. 10, 2.2) bietet. Abstandssensoren sind ein wichtiger Teil der Steuerung des Roboters. Sie dienen der Orientierung im Raum, indem sie Daten über das Vorhandensein und den Abstand von Objekten (Wänden) an den Mikrocontroller des Roboters übermitteln. Dieser Mikrocontroller hat in seinem Datenspeicher alle nötigen Daten (Programme) abgespeichert, die für seinen autonomen Einsatz nötig sind. Somit wird in dieser Arbeit, die Konstruktion von drei der fünf Grundelemente eines jeden Roboters dargestellt (fett geschrieben): Grundgerüst Chassis des Roboters Aktoren Antriebssystem mit Elektromotoren Sensoren (Ultraschall-) Abstandssensoren als Teil der Steuerung Steuerung Mikrocontroller Energieversorgung Akkus 1 DUDEN Fremdwörterbuch, 1990, Bd. 5, S.:

5 Elektronische- Geräte und Steuerungen, Automaten und Roboter bestimmen zunehmend unseren Alltag. Seit der Antike war es der Wunsch des Menschen Maschinen zu konstruieren, die (scheinbar) autonom Aufgaben erfüllten und ohne menschliches Zutun funktionierten. 2 Heute, so scheint es, haben wir dieses Ziel erreicht. Roboter erledigen Aufgaben, die für den Menschen unmöglich sind, indem sie mehr leisten (Kraft, Zeit), sich in Umgebungen aufhalten, die für den Menschen lebensfeindlich sind (Weltraum, Tiefsee, Bombenentschärfung), an Umgebungen besser angepasst werden können (Miniroboter in der Medizintechnik) und letztendlich Aufgaben übernehmen, die wir Menschen nicht mehr übernehmen wollen (Rasenmäher, Staubsauger, Haushaltshilfe, Pflegeroboter). Gerade diese Roboter sollen dem Menschen in Gestalt, Funktion und Intelligenz sehr ähnlich sein, um vielleicht eines Tages, den Menschen vollkommen zu ersetzten, um ihm ein Gegenüber zu sein. Roboter - Hunde und andere künstliche Haustiere sind Vorboten dieser Entwicklung. Weil vielen Menschen, früher und heute, die Funktions- und Wirkungsweisen technischer Entwicklungen verborgen sind, fehlt ihnen die Möglichkeit, diese zu bewerten und angemessen damit umzugehen. Roboter sind keine Zauberhaften Wesen sondern technische Konstrukte, die immer nach dem gleichen Grundprinzip aufgebaut sind und funktionieren (s. o.), mögen sie in Gestalt und Funktion auch noch so unterschiedlich sein. Diese Grundprinzipien kennen und verstehen zu lernen, damit umzugehen und die Technik zu beherrschen, muss Ziel technischer Bildung in Schule und Hochschule sein. 1.2 Methoden Am Beginn der Konstruktion des autonomen Fahrroboters steht die Ermittlung der technischen Einsatzparameter. Die Einsatzgebiete und Bedingungen, die die Umwelt an den Roboter stellt, werden zum einen festgelegt und zum anderen die daraus resultierenden technischen Einsatzparameter an das Fahrwerk experimentell ermittelt. Die in den einfachen Experimenten, zur Leistung und zum Drehmoment, 2 ICHBIAH, 2005, S. 10 ff.. 5

6 erhobenen Daten sind in sofern aussagekräftig, als dass sie Richtwerte für die spätere Konstruktion liefern. Aufgrund der nun vollständig ermittelten Einsatzparameter beginnt die Konstruktion des Chassis und des Fahrwerks. Die adäquaten Einzelbaugruppen (Motoren, Räder, Zahnräder, Schrauben, Sensoren, usw.), welche aus industrieller Fertigung stammen, werden anhand von Datenblättern und Firmenkatalogen ausgewählt. Die ausgewählten Elektromotoren (Schrittmotoren) bedürfen einer speziellen Ansteuerschaltung (Treiberstufe), die aus einfachen Schaltungen im Optimierungsprozess erweitert wird. In ersten Fahrtests werden die technischen Betriebsdaten, in verschiedenen Fahrsituationen (Richtung, Geschwindigkeit) ermittelt. Weitere Vorhaben der Optimierung und Weiterentwicklung werden geplant und auf ihren Erfolg hin überprüft, soweit dies zum jetzigen Zeitpunkt schon möglich ist. Sämtliche für die Konstruktion nötigen technischen Einsatzparameter und Betriebsdaten liegen tabellarisch in dieser Arbeit vor (s. S. 22, 3.4), des Weiteren liegen Fotos des fertigen Chassis und einiger Einzelbaugruppen vor (s. S. 23, 4.1). Der komplette Satz der technischen Zeichnungen für das Chassis und Auszüge einiger wichtiger Datenblätter sind der Arbeit angehängt (s. S. 46, Anhang). 1.3 Ergebnisform Als technisches Produkt ist das Ergebnis dieser Arbeit ein einsatzfähiges Chassis mit Fahrwerk und entsprechendem Antrieb, die dafür notwendige Treiberstufe und Abstandssensoren als Teil der Steuerung des Fahrroboters. Des Weiteren liegen in der Dokumentation die Betriebsdaten, die für den Nachbau nötigen technischen Zeichnungen und die erforderlichen Beschreibungen, in schriftlicher Form vor. 6

7 2 Ausgangssituation 2.1 Fachwissenschaftlich - technische Voraussetzungen So mannigfaltig die Aufgaben und Einsatzumgebungen für Roboter sind, so verschieden sind sie auch in Aussehen und Funktion! Doch was genau ist ein Roboter? Ab wann ist eine Maschine, ein Automat ein Roboter? Der VDI (Verband Deutscher Ingenieure) gab dazu 1990 folgende Definition heraus: "Ein Roboter ist ein frei und wieder programmierbarer, multifunktionaler Manipulator mit mindestens drei unabhängigen Achsen, um Materialien, Teile, Werkzeuge oder spezielle Geräte auf programmierten, variablen Bahnen zu bewegen zur Erfüllung der verschiedensten Aufgaben. 3 Ausgehend von dieser sehr allgemeinen Definition zeigt die Grafik 1 (s. S. 8), dass alle Typen von Robotern aus fünf Grundelementen bestehen (s. S. 4, 1.1). Jeder Roboter hat (1.) ein Grundgerüst. Auf oder an diesem Grundgerüst befinden sich (2.) die Aktoren. Diese dienen der Fortbewegung und anderen Aufgaben. Des Weiteren trägt das Grundgerüst (3.) die Sensoren. Sie liefern dem Roboter die nötigen Daten über die Umwelt. Herzstück eines jeden Roboters ist (4.) der Mikrocontroller, der für die Daten- Verarbeitung, Speicherung und Steuerung der Aktoren (und Sensoren) zuständig ist. Jedes technische System benötigt Antriebsenergie. So ist (5.) die Energieversorgung, ein weiterer wichtiger Bestandteil. In der folgenden Grafik ist eine Übersicht der verschiedenen Varianten der oben genannten fünf Grundelemente dargestellt. Die Pfeile verdeutlichen die Hauptbeziehungen der einzelnen Elemente zueinander. 3 FERCHO, MATTHIAS; 2006, online im Internet. 7

8 4. Mikrocontroller Prozessor Speicher Schnittstellen Interfaces Ausgabegeräte 3. Sensoren Lichtsensoren (Kamera) Drucksensoren Sensoren für Radioaktivität (Ultra-) Schallsensoren Sensoren für chem. Verb. Temperatursensoren Rotationssensoren 5. Energiequellen elektronisch (Solarzellen, Akkus) chemisch (Benzin, Biomasse) mechanisch (Wind) 1. Grundgerüst 2. Aktoren Aktorantriebe Elektromotoren (drehend) Pneumatik Linearmotoren Nitinol (Nitinol Fäden) Schwimmen Fliegen/ Schweben Fortbewegungsarten Manipulationswerkzeuge Arme Laufen Fahren mit Rädern Hände Fahren mit Ketten Legende: Energie Signale/ Daten Bewegung Grafik 1: Die 5 Grundelemente von Robotern (mit Beispielen und Bildern) (eigene Tabelle, Fotos und Inhalt nach: FERCHO, 2006, online im Internet.) 8

9 Auch der hier zu konstruierende Roboter besteht aus allen 5 Grundelementen der Roboter. Da es sich bei dieser Konstruktion um einen Fahrroboter handelt, der spezielle Aufgaben, wie die Aufnahme und den Transport von Gegenständen, das Erkennen und Verfolgen von Objekten und das präzise Manövrieren in Räumen mit Hindernissen erfüllen soll, ist es wichtig, ihn so genau wie möglich an einen bestimmten Ort steuern zu können. Dazu benötigt er Aktoren und Sensoren, die eine genaue Steuerung ermöglichen. Des Weiteren ist ein entsprechender Mikrocontroller nötig, der über genug Kapazitäten verfügt um die Steuerung zu gewährleisten, viele verschiedene Arten von Sensorsignalen zu verarbeiten und in Bezug auf weitere Sensoren auch noch ausbaufähig zu sein. Letztendlich muss auch die Energieversorgung durch leistungsstarke Akkus sichergestellt sein, die ausreichend genug dimensioniert sind, um die vielfältigen Aufgaben durch eine konstante Spannungserhaltung und Stromversorgung sicherzustellen. Ein solcher Roboter kann nicht käuflich erworben werden. Wohl aber bestimmte Baugruppen, wie der Mikrokontroller, Sensoren und Motoren für den Antrieb. Aber gerade das individuelle Chassis und das Fahrwerk sind Baugruppen, die speziell angefertigt werden müssen. Um die Konstruktion so einfach wie möglich (und damit wenig störanfällig) zu halten wird nur das angefertigt, was nicht zu kaufen ist. 2.2 Anwendungsgebiete Konstruiert wird dieser autonome Modellroboter von Mitarbeitern und Studenten des Institutes für Technik und ihre Didaktik an der Westfälischen Wilhelms Universität Münster. Er dient der Aus- und Weiterbildung von Lehramtsstudenten im Fach Technik, die einen Masterstudiengang belegen. Ausgehend von den erworbenen Kenntnissen aus der Informations- Energie- und Maschinentechnik werden diese am Beispiel der Weiterentwicklung und Programmierung des autonomen Modellroboters erweitert und vertieft. Dabei ist, wie unter Punkt 2.1 erwähnt, die große Variabilität der Konstruktion wichtig, denn diese erlangt kein Klimaxstadium, sondern muss immer offen für Ideen, Veränderungen und Erweiterungen sein. 9

10 3 Ermittlung der technischen Einsatzparameter Um einen Fahrroboter zu konstruieren, müssen zuerst die Betriebs - Bedingungen seines Einsatzes ermittelt werden, die für den späteren Betrieb wichtig sind. Je genauer diese Bedingungen vorgegeben werden, desto präziser und schneller können dann die technischen Lösungen entwickelt werden. Einige Details ergeben sich jedoch trotzdem erst bei der Entwicklung dieser Lösungen, die dann durch die Modifikation die Konstruktion verbessern. Zu den technischen Einsatzparametern gehört die Beschaffenheit des Chassis, die Leistungsparameter an das Fahrwerk, die Energieversorgung des Roboters, die Steuerung, die Sensoren und die Aktoren. 3.1 Fahrbedingungen Die Konstruktion des Chassis und des Fahrwerks ist grundsätzlich abhängig von der Umgebung, in welcher der Roboter eingesetzt wird. Er soll von glatten Flächen bis hin zu unwegsamem Gelände überall einsetzbar sein. Hierzu zählen Steigung, Gefälle und verschiedener Untergrund, wie Rasen, Schotter, glatte Fußböden, und Pflastersteine. Das Chassis des Roboters muss das Fahrwerk, die Motoren für den Antrieb und die Lenkung, die Akkus, sämtliche Steuerplatinen, Sensoren wie Ultraschall- Abstandsmesser, eine Kamera und u. U. Drucksensoren, eine Sprachsteuerung, Aktorten wie akustische und optische Signalgeber und einen Greifarmmechanismus tragen können. 3.2 Fahrwerkskonstruktion Von großer Bedeutung ist, welche Aufgaben mit Hilfe der Aktoren und Sensoren erfüllt werden sollen, denn diese Elemente müssen so in das Chassis des Roboters eingebaut werden, dass sie ihren Zweck adäquat erfüllen können. Dies ist der Grund, 10

11 weshalb Fahrroboter meist nicht den Grundsätzen menschlicher Ästhetik entsprechen. Es sind rein zweckmäßige, technische Gebilde. Bei der Wahl des Fahrwerks kommen im Prinzip nur Ketten und Räder in Betracht, weil andere Systeme wie Luftkissen oder Rotoren zu energieaufwendig sind. Der Einsatz von Beinen (wie bei Insekten) ist steuerungstechnisch und mechanisch sehr aufwändig und bei diesem Projekt nicht erforderlich. Da auch ein Kettenantrieb mechanisch und energetisch ebenfalls sehr aufwändig ist, soll das Fahrwerk mit Rädern und mit zwei oder drei Achsen konstruiert werden. Von den max. drei Achsen ist eine Hauptantriebsachse, eine oder die beiden Anderen dienen der Lenkung. Das Fahrwerk muss so beschaffen sein, dass es Unebenheiten im Untergrund ausgleichen kann. Entscheidend ist, dass die Räder groß genug sind, um kleine Steine und anderes überfahren zu können. Die Räder müssen hierbei so aufgehängt sein, dass sie Erschütterungen auffangen, Unebenheiten ausgleichen und Hindernisse überwinden können, ohne die Funktion der Sensoren (bes. der Kamera) maßgeblich zu beeinträchtigen. Von folgenden technischen Einsatzparametern an die Fahrwerkskonstruktion wird zunächst ausgegangen: Durchmesser der Räder (d) 12 cm Bodenfreiheit 5 cm Masse (gesamt) (m) 25 kg 3.3 Experimente Aufgrund der unter Punkt 3.2 genannten, technischen Einsatzparameter an die Fahrwerkskonstruktion, werden die Leistungsparameter durch Versuche und Berechnungen ermittelt. An dieser Stelle sei noch gesagt, dass die Durchführung der Versuche nicht alle Bedingungen und Parameter berücksichtigt, die bei der Datenermittlung eine Rolle spielen. Berücksichtigt werden nur die Maßgeblichen, die für die spätere Konstruktion wichtigen. Die Genauigkeit der ermittelten Daten, bei dieser Versuchsanordnung- und Durchführung, reicht für die spätere Konstruktion vollkommen aus. 11

12 3.3.1 Versuchsreihe I: Ermittlung der notwendigen Antriebsleistung Versuchsaufbau: Folgendes Versuchsmodell wird entwickelt: Als Chassis dient ein Rollbrett, dessen Räder einen Durchmesser von ca. 12 cm haben. Seine Masse beträgt 5 kg. Darauf wird ein Amboss mit der Masse von 20 kg befestigt. Rollbrett + Amboss haben zusammen eine Masse von 25 kg. Die Form des Rollbrettes entspricht etwa der, des späteren Roboters. An der Frontseite ist ein Federkraftmesser (max. 150 N) angebracht. Federkraftmesser Bild 1: Versuchsmodell des Roboters 4 Versuchsdurchführung: Auf verschiedenem Untergrund, (s. 13, Tabelle 1) wird eine Strecke von 10 m abgesteckt. Das oben beschriebene Versuchsmodell wird über diese Strecke gefahren und die benötigte Zeit und die durchschnittliche Kraft dokumentiert. 4 Bild 1: eigenes Bild. 12

13 Bild 2: Versuchsdurchführung auf Pflastersteinen/ keine Steigung 5 Bild 3: Versuchsdurchführung auf Schotter/ keine Steigung 6 5 Bild 2: eigenes Bild. 6 Bild 3: eigenes Bild. 13

14 Bild 4: Versuchsdurchführung/ Ausschlag des Federkraftmessers 7 Tabelle 1 zeigt die, bei der Versuchsdurchführung ermittelten (weiße Spalten) und die daraus berechneten Werte (farbige Spalten): Geländeart: Weg [s] in m: Zeit [t] in s: Kraft [F] in N: Arbeit [W] in Nm: Leistung [P] in W: Geschwindigkeit [v] in m/s ebene Fläche ,81 98,1 3,924 0,40 ebene Fläche ,62 196,2 19,620 1,00 ebene Fläche ,43 294,3 42,043 1,43 Steigung (11%) ,24 392,4 16,350 0,40 Schotter ,48 784,8 39,240 0,50 Tabelle 1: Aufnahme der ermittelten Werte und durchgeführte Berechnungen 8 Versuchsauswertung: Zur Bestimmung der Antriebsleistung der Motoren, werden die Maximalwerte der ermittelten Antriebsleistung verwendet. Entscheidend ist, welche Leistungen die Antriebsmotoren erbringen müssen. Die errechneten Leistungswerte (Spalte 6) zeigen, dass mit zunehmender Geschwindigkeit (Spalte 7) höhere Leitungen erbracht werden müssen. Bei einer Geschwindigkeitssteigerung um 0,6 m/s steigt die erforderliche Leistung um das fünf - fache, bei einer Geschwindigkeitssteigerung um 1,03 m/s, sogar um das zehn - fache gegenüber der erforderlichen Leistung bei einer Geschwindigkeit von 0,4 m/s, auf ebener Fläche an. Wird eine Schräge mit einer Steigung von 11% befahren, so steigt die erforderliche Leistung, bei gleicher Geschwindigkeit von 0,4 7 Bild 4: eigenes Bild. 8 Tabelle 1: eigene Tabelle. 14

15 m/s, um das sechs- fache gegenüber der erforderlichen Leistung bei einer Geschwindigkeit von 0,4 m/s, auf ebener Fläche an. Auch bei schwergängigem Untergrund (eben), bei einer Geschwindigkeit von 0,5 m/s, steigt die erforderliche Leistung (bezogen auf ebene Fläche mit v = 0,4 m/s) um das zehn- fache an. Als Maximalgeschwindigkeit des Fahrroboters werden 0,5 m/s festgelegt. Für eine ausreichend große Leistungsreserve, auch auf glatten Flächen und Steigungen, wird der maximal gemessene Leistungswert von 39,24 W ( 40 W) auf der Schotterstrecke, für die weiteren Berechnungen verwendet. Die Räder haben einen Durchmesser von 12 cm (=0,12 m) und einen Radius von 6 cm (=0,06 m). Bei einer Geschwindigkeit von 0,5 m/s wird die Drehzahl der Antriebswelle wie folgt berechnet: r n v = 2 π r n v n = 2 π r n = Drehzahl in s -1 v = Geschwindigkeit in m/s r = Radius in m Es ergibt sich eine Drehzahl von 1,33 s -1 oder 80 min -1. Das Drehmoment, welches bei dieser Drehzahl an der Welle anliegen muss errechnet sich wie folgt: P = 2 π M n P M = 2 π n n = Drehzahl in s -1 P = Leistung in W M = Drehmoment in Nm Es ergibt sich ein Drehmoment von 4,8 Nm, 5 Nm. Folgende technische Einsatzparameter wurden bisher ermittelt: Durchmesser der Räder [d] Masse (gesamt) [m] 12 cm 25 kg Drehzahl [n] 80 min -1 Geschwindigkeit [v] Drehmoment an der Welle [M] Leistung der Motoren [P] 0,5 m/s 5 Nm 40 W 15

16 3.3.2 Antriebsmotoren Zunächst erfolgt eine Recherche, welche Motoren zur Verfügung stehen, die den ermittelten Parametern entsprechen. Es kommen verschiedene Elektromotoren in Betracht: Servomotoren, Getriebemotoren und Schrittmotoren. Mit Servo- oder Getriebemotoren ist eine präzise Steuerung möglich, jedoch nur mit sehr großem, regelungstechnischem Aufwand. Der Einsatz von Verbrennungsmotoren ist (fast) unmöglich, da deren präzise Steuerung kaum realisierbar ist. Eine einfache und präzise Steuerung ist nur mit Schrittmotoren möglich, die eine genaue Anzahl von Einzelschritten für eine Umdrehung benötigen. So ist es möglich Einzelschritte von wenigen Grad (Schrittwinkel) durchzuführen. Die einfache Steuerung der Schrittmotoren wird unter Punkt 4.2 näher beschrieben. Auch bei Schrittmotoren ist der Einsatz von Getrieben möglich. Sie haben bei kleinen Drehzahlen ein größeres Drehmoment als bei hohen. Dies ergibt sich durch den Blind- Widerstand, der auch bei Schrittmotoren eine große Rolle spielt. 9 Anders als Getriebemotoren haben Schrittmotoren ein Haltemoment welches dadurch zustande kommt, dass Wicklungen ohne Folgeschritt beschaltet sind. Weil sich das Magnetfeld in Stator und Rotor nicht ändert ist der Blind- Widerstand sehr klein und die Stromstärke pro Wicklung sehr hoch. 10 Demnach liegt das Haltemoment immer über dem max. Drehmoment des Motors. Dadurch kann ein Fahrroboter mit Schrittmotoren auch ohne zusätzliche Bremse in einer Position gehalten werden. Sollen Schrittmotoren in Verbindung mit Getrieben zum Einsatz kommen, ist zu bedenken, dass das Drehmoment mit steigender Drehzahl abnimmt. Die Tabelle 2 macht es leichter, den richtigen Schrittmotor, mit passendem Getriebe, für die ermittelten technischen Einsatzparameter, anhand von M = f(n)- Diagrammen, zu ermitteln. In diesen Diagrammen ist Drehmoment (M) des Schrittmotors als Funktion (f) von der Drehzahl (n) dargestellt. Anhand dieser Diagramme kann man ablesen, bei welcher Drehzahl der Motor sein größtes Drehmoment hat. Die Tabelle 2 zeigt, welches mindest Drehmoment 9 RoboterNETZ, 2006, online im Internet. 10 Ebd.. 16

17 (Spalte 2) der Motor jedoch haben müsste, um, in Verbindung mit dem entsprechenden Getriebe (Spalte 3), das nötige Drehmoment (Spalte 4) und die richtige Geschwindigkeit (Spalte 5), zu erreichen. min. Drehmoment Übersetzungsverhältnis Drehmoment [M] mit Geschwindig- keit [v] in m/s Drehzahl [n] in min -1 [M] in Nm [i] Getr. in Nm 80 5,000 1:1 5 0, ,500 1:2 5 0, ,667 1:3 5 0, ,250 1:4 5 0, ,000 1:5 5 0, ,833 1:6 5 0, ,714 1:7 5 0,5 Tabelle 2: Änderung des mindest Drehmoments bei dem Einsatz von versch. Getrieben 11 Zur Auswahl stehen zunächst zwei Schrittmotoren, die in Bezug auf ihre Betriebs Parameter und ihre Einsatztauglichkeit hin überprüft werden: Der Motor SM M3.5 (Motor 1) und der Motor SH5618C1908 (Motor 2). Grafik 2: M = f(n)- Diagramm des Schrittmotors SM M3.5(Drehmoment (Nm) in Abhängigkeit der Drehzahl (min -1 )) Höchstwerte markiert. 12 Das höchste Drehmoment von 3 Nm hat der Motor SM M3.5 (Motor 1), laut Grafik 2, bei 300 min -1. Laut Tabelle 2 benötigt der Fahrroboter bei 320 min -1 ein Drehmoment von 1,25 Nm, wenn ein Getriebe mit der Untersetzung 1:4 11 Tabelle 3: eigene Tabelle. 12 Grafik 2: STÖGRA, 2005, S. 10, online im Internet. 17

18 nachgeschaltet würde (blau unterlegt). Dieser Motor würde also wesentlich mehr Leistung liefern, als zum Betrieb benötigt würde. Laut Datenblatt (Grafik 2) ist eine Betriebsspannung von 60 bzw. 120 VDC erforderlich, wobei die Stromstärke 5 A pro Phase beträgt. Grafik 3: M = f(n)- Diagramm des Schrittmotors SH5618C1908 (Drehmoment (Nm) in Abhängigkeit der Drehzahl (min -1 )) Höchstwerte markiert. 13 Dieser Schrittmotor hat nach der Kennlinie in Grafik 3 sein höchstes Drehmoment von ca. 1,65 Nm bei 220 min -1. Laut Tabelle 2 würde der Roboter bei 240 min -1 ein Drehmoment von 1,667 Nm, mit einer Getriebe- Untersetzung von 1:3 benötigen (grün unterlegt). Zum Betrieb ist eine Betriebsspannung von 24 V bzw. 48 V DC, bei einer Stromstärke von 2,4A erforderlich. Der Vergleich der Betriebs Parameter dieser Motoren (Motor 1 und 2) mit den unter Punkt ermittelten Einsatzbedingungen des Fahrroboters, macht den Motor SM M3.5 (Motor 1) für den Antrieb erforderlich, um eine genügend große Leistungsreserve zu haben. So entsteht auch nach der Fertigstellung eine Leistungsreserve für den Aus- und Umbau mit weiteren Sensoren und Aktoren. Dies ist besonders wichtig, da es sich um einen Roboter für Ausbildungszwecke handelt, der nicht für immer gleiche Aufgaben, eingesetzt wird. 13 Grafik 3: NANOTEC, 2005, online im Internet. 18

19 Da der Roboter auch in Bezug auf die Energieversorgung autonom sein soll, kann Motor 1 nicht verwendet werden, denn die nötige Spannung und Stromstärke ist für die gängigen Akkus, die man in einem Fahrgestell unterbringen kann, nicht verfügbar. Der Motor SH5618C1908 (Motor 2) ist hierfür zwar einsetzbar, er befindet sich jedoch schon an seiner Leistungsgrenze und ist deswegen ungeeignet Spezifizierung des Fahrwerks Um einen Fahrroboter zu konstruieren, der ohne Versorgungsleitung zu einer Basisstation auskommt, müssen die Leistungsparameter verringert werden. Die Einsatzumgebung wird auf glatte Flächen beschränkt. So muss der Roboter keine Unebenheiten im Boden und etwaige Steigungen bewältigen. Deshalb erfolgt die Konstruktion auch nur mit 3 Rädern, von denen 2 angetrieben sind und so auch die Lenkfunktion übernehmen. Auch die Gesamtmasse wird auf folgenden Wert reduziert: Baugruppe: Masse [m] in kg: Chassis und Fahrwerk 7 Akkus 3 Steuerplatinen und Sensoren 1 Schrittmotoren 2,8 Kamera (Bildauswertung) 0,2 Greifarm 2 Gesamtmasse Versuchsreihe II: Spezifizierung der Antriebsleistung Durch die Verringerung der Gesamtmasse des Roboters, müssen auch die technischen Einsatzparameter an das Fahrwerk neu definiert werden. Dazu ist eine zweite Versuchsreihe erforderlich. 19

20 Versuchsaufbau: Das unter Punkt genannte Versuchsmodell (Raddurchmesser 0,12 m) wird mit 11 kg beschwert, so dass es jetzt eine Gesamtmasse von 16 kg hat. Auf glatter Fläche ist eine Strecke von 4 m abgesteckt. Auf dem Modell befindet sich eine Stoppuhr für die Zeitnahme. An der Frontseite befindet sich ein Federkraftmesser (max. 150 N). Stoppuhr Masse (11 kg) Federkraftmesser Bild 5: Versuchsmodell mit Uhr, Gewichten und Federkraftmesser 14 Versuchsdurchführung: Das Versuchsmodell wird mit Hilfe der Stoppuhr, innerhalb von ca. 8 s., am Federkraftmesser über die Strecke von 4 m gezogen, um eine Geschwindigkeit von 0,5 m/s zu erreichen. Dabei wird die Kraft gemessen, die zum Aufrechterhalten der Geschwindigkeit notwendig ist. 14 Bild 5: eigenes Bild 20

21 Strecke von 4 m Bild 6: Versuchsstrecke von 4m Länge In der Phase der Beschleunigung wird die max. Kraft gemessen, bis die Geschwindigkeit von 0,5 m/s erreicht ist. Um aussagekräftige Werte bei diesen zwei Messungen zu erhalten wird, einmal punktuell während der Beschleunigungsphase und während der Phase der konstanten Geschwindigkeit die jeweilige Kraft gemessen und immer auf die gleiche Strecke bei gleicher Fahrzeit berechnet. Die gemessenen Werte werden in die Tabelle 3 (weiß unterlegt) eingetragen. Messzeitpunkt Weg [s] in m: Zeit [t] in s: Kraft [F] in N: Arbeit [W] in Nm: Leistung [P] in W: Geschwindigkeit [v] in m/s konst. Geschw ,62 78,48 9,81 0,5 Beschleunigung ,525 98,1 12,263 max. 0,5 Tabelle 3: Aufnahme der ermittelten Werte und durchgeführte Berechnungen 15 Versuchsauswertung: In der Tabelle 3 sind die farbig unterlegten Werte errechnet worden. Es ist ersichtlich, dass der Antrieb des Roboters eine Leistung von ca. 10 Watt (Wert in Spalte 6, Zeile 2) erbringen muss, um diesen mit einer konstanten Geschwindigkeit von 0,5 m/s fahren zu lassen. Entscheidender ist hingegen, welche Leistung zur 15 Tabelle 3: eigene Tabelle 21

22 Beschleunigung erforderlich ist, weil hierzu das punktuell größte Drehmoment, und somit auch die höchste Leistung erbracht werden müssen. Berechnet man diese Leistung auch auf die Erhaltung der konst. Geschwindigkeit, reicht diese für den Betrieb vollkommen aus und bietet so auch noch eine gewisse Leistungsreserve. Die max. Leistung beträgt laut Tabelle 3 (Spalte 6, Zeile 3) ca. 13 Watt. Aufgrund gleicher Berechnungen, wie unter Punkt liegen die veränderten Einsatzparameter unter Punkt 3.4 vor. 3.4 Ergebniszusammenfassung Sämtliche für die Konstruktion des Chassis und des Fahrwerks wichtigen technischen Einsatzparameter wurden in dem Kapitel 3 ermittelt und liegen nun vor: Masse (gesamt) [m] 16 kg Bodenfreiheit des Chassis 5 cm Achsen /Wellen (gesamt) 3 Wellen (angetr.) 2 Nachlauf. Achse (schwenkbar) 1 Lenkung Veränderung der Drehzahlen der Antriebsräder Durchmesser der Räder [d] 12 cm Drehzahl [n] 80 min -1 Geschwindigkeit [v] 0,5 m/s Anzahl der Schrittmotoren 2 Leistung der Motoren (jeweils) [P] 13 W Drehmoment an der Welle [M] 1,56 Nm 22

23 4 Konstruktion des Chassis und des Fahrwerks Die Konstruktion erfolgt in folgenden Schritten: Die Entwicklung-, der Bau- und die Auswahl- der Baugruppen. Die Konstruktion der Baugruppen muss aufeinander abgestimmt sein. Besonders wichtig ist dabei das Zusammenwirken von Chassis, Fahrwerk und Antrieb. 4.1 Geometrie des Chassis und des Fahrwerks Das Chassis und das Fahrwerk sind das Träger- und Bewegungssystem des Roboters. In Verbindung mit den Motoren sorgt es für seine Beweglichkeit. Zugleich nimmt es die Steuerung, die Aktoren und die Sensoren auf. Die Konstruktion dieser Baugruppe erfolgt rein zweckgebunden. Im Folgenden wird die Konstruktion des Chassis beschrieben. Für die Erweiterung mit Sensoren und Aktoren muss die Konstruktion im Laufe der Entwicklung, gegebenenfalls noch verändert werden. Um die Masse zu minimieren, aber trotzdem eine hohe Belastbarkeit zu ermöglichen wird Aluminium verwendet. Das Chassis des Roboters hat ein Leergewicht (mit Motoren/ ohne Akkus und Steuerung) von 16 kg. Das Chassis besteht aus zwei 5 mm dicken Aluminiumplatten, die mit 15 cm hohen Pfeilern verbunden sind (s. Bild 7/ Anlage technische Zeichnungen Nr. 0). Bild 7: Fahrgestell mit Motoren und Getrieben (rechts ohne obere Aluminiumplatte) Bild 7: eigenes Bild. 23

24 In dem Zwischenraum befinden sich die Radaufhängung, die Getriebe, die Motoren, die Akkus und die Steuerplatine. Welche weiteren Elemente im Inneren und welche außen am Gehäuse angebracht werden, steht zu diesem Zeitpunkt noch nicht fest. Da die Einsatzumgebung auf glatte Flächen beschränkt ist und somit keine Unebenheiten ausgeglichen werden müssen, ist ein Fahrwerk, bestehend aus drei Rädern, die beste Lösung. Die Bodenfreiheit von 3,4 cm reicht zur Fortbewegung auf glatten Flächen aus, wobei der sehr tief liegende Schwerpunkt in Verbindung mit dem großen Radabstand (s. Grafik 4/ Bild 8) die höchst mögliche Stabilität bietet. Dabei sind zwei Räder angetrieben und ein Rad läuft nach (s. Bild 9). Schrittmotoren Getriebe Antriebsräder Bild 8: Antriebsachse mit Getrieben und Motoren 17 Nachlaufendes Rad Bild 9: Aufhängung des nachlaufenden Rades Bild 8: eigenes Bild. 24

25 Die Konstruktion mit drei Rädern gewährleistet, dass alle Räder, in jeder Situation Bodenkontakt haben. Die Lenkung erfolgt über Veränderung der Drehzahlen der Antriebsräder. Die Radwelle und die Antriebswelle sind versetzt und über ein Getriebe mit dem Übersetzungsverhältnis 1:2 verbunden (s. Bild 10). Dadurch lastet die Masse des Roboters auf den Radwellen und nicht auf den empfindlichen Antriebswellen. Zudem wird durch das Getriebe das Drehmoment bei halber Drehzahl im Anfahrmoment verdoppelt und eine erhöhte Laufruhe ermöglicht (s. S. 28, 4.2). (Um einem einseitigen Verschleiß der Zahnräder vorzubeugen wurde ein Übersetzungsverhältnis von 1: ( ) 1,7, bei einer Zähnezahl von 12:20 gewählt (s. Anhang 6).) Radaufhängung Getriebe Bild 10: Radwelle mit Aufhängung (blau), Antriebswelle (grün), Getriebe 19 Der Radabstand des Roboters beträgt 37 cm. Der Achsenmittelpunkt liegt somit bei 18.5 cm dieser Achse. Bei einer Drehung auf der Stelle (ein Rad Rechtslauf, das andere Linkslauf) ist dieser Punkt der Drehpunkt. Der Abstand bis zur äußersten Kante beträgt 47 cm. Somit hat der Roboter einen Wendekreis von 94 cm im Durchmesser (s. Grafik 4). 18 Bild 9: eigenes Bild. 19 Bild 10: eigenes Bild. 25

26 Drehpunkt Rad Wendekreis Außenkante des Roboters Grafik 4: Wendekreis des Roboters Die sehr offene Gestaltung des Chassis ermöglicht hohe Variabilität beim Experimentieren (s. Bild 11). Der Innenraum bietet genug Platz für die Akkus, die Steuerplatine und Sensoren. Zudem können auf der großen Abdeckung Sensoren und Aktoren, wie ein Greifer angebracht werden. Je nach Bedarf können die Seiten verkleidet werden. Des Weiteren bieten die Aluminiumpfeiler die Möglichkeit Kabelkanäle anzubringen. 26

27 Bild 11: Fahrgestell ohne obere Aluminiumabdeckung Fahrwerksantrieb Wie unter Punkt 4.1 beschrieben, kommen 2 Schrittmotoren für den Antrieb zum Einsatz. Die oben genannten Bedingungen teilen sich somit auf zwei Motoren auf. Zur Reserve muss ihre Leistung um ca. 50% überdimensioniert werden, um den Betrieb bei Veränderungen an der Konstruktion und Erweiterungen auch weiterhin zu ermöglichen. In diesem Fall müssen die Schrittmotoren bei einer Drehzahl von 80 min -1 ein Drehmoment von 2,34 Nm haben. Zur Auswahl hat sich folgender Motor angeboten: Laut Grafik 5 hat der Schrittmotor KH56QM2-551 der Firma Japan Servo 21 bei einer Schrittzahl von 300 Schritten pro Sekunde das größte Drehmoment von 1,23 Nm. 20 Bild 11: eigenes Bild. 21 (Japan Servo Europe GmbH, Europark Fichtenhain A12, Krefeld) 27

28 Grafik 5: Kennlinie des Schrittmotors KH56QM2-551(Drehmoment (oz-in) in Abhängigkeit von der Schrittgeschwindigkeit (pps)) Höchstwerte markiert. 22 In Grafik 5 ist das Drehmoment (rote Pfeile) von 175 in oz-in angegeben. Dies entspricht 1,23 Nm. oz-in steht für ounce-force inches (ozf-in). Dies wird wie folgt in Nm umgerechnet: 1 oz = 0,02832 kg, 1 in = 0,0254 m 1ozf 0,02832kg 9,80665m 0,0254m in = s² = 7, Nm Die Geschwindigkeit ist in pulse per seconds (pps) also Impulse pro Sekunde angegeben. Schrittwinkel laut Datenblatt 23 : 1 Vollschritt = 1,8 200 pps = 200 Schritte/s = 360 /s = 60 min pps = 300 Schritte/s = 1,5 s -1 = 90 min -1 Zwei dieser Schrittmotoren haben zusammen das maximales Drehmoment von 2,46 Nm (1,23 2) bei 90 min -1. Das maximale Drehmoment übersteigt somit das mindest erforderliche Drehmoment um mehr als 60% und die Drehzahl ist um 10 Umdrehungen pro Minute höher als gefordert. Dieser Motor erfüllt ausreichend alle technischen Bedingungen. Wird wie unter Punkt 4.1 beschrieben noch ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:2 eingebaut, verdoppelt sich das Drehmoment bei halber Geschwindigkeit auf fast 5 Nm. Im Anfahrmoment ist das Drehmoment mehr als ausreichend groß. Um auch mit einem Getriebe die maximale Geschwindigkeit von 0,5 m/s zu erreichen, muss 22 JAPAN SERVO, 2005, S (S. Anhang 1: 2-Phase Hybrid Stepping Motor, S.34) 28

29 die Drehzahl auf 180 min -1 (=600 pps) verdoppelt werden. Dadurch verringert sich das Drehmoment (blaue Pfeile in Grafik 5) auf 0,83 Nm (=116 oz-in). Zwei Motoren mit Getriebe haben zusammen, bei dieser Geschwindigkeit, das Drehmoment von 3,27 Nm. Dieser Wert liegt um 1,71 Nm über dem berechneten, mindest erforderlichen, Anfahr- Drehmoment. Das sind 48% mehr als nötig. Sollte bei späteren Erweiterungen des Roboters dieses Drehmoment nicht ausreichen, muss ggf. die Geschwindigkeit reduziert werden um ein höheres Drehmoment zu erzielen (s. Grafik 5) Entwicklung der Treiberstufen zur Ansteuerung der Schrittmotoren Für den Betrieb der Schrittmotoren ist die elektronische Ansteuerung maßgeblich. Dies wird durch die Ansteuerstufe gewährleistet. Sie wandelt die Steuerbefehle eines Mikrocontrollers (Geschwindigkeit, Drehrichtung, Schrittwinkel) in Steuerströme in den Wicklungen der Schrittmotoren um. Diese Treiberstufe kann mit Transistorschaltungen (s. u.), mit einer professionellen Treiberstufe (industriell hergestellt) oder mit einem auf dem Board des Mikrocontrollers integrierten Treiber realisiert werden. Die Realisierung mit Transistorschaltungen ist sehr schwierig und aufwendig und sollte bei einem Roboter dieser Größe nicht zum Einsatz kommen. Die Funktion aller Treiber basiert aber auf der nachfolgend (s. Grafik 6) dargestellten Ansteuerungsart. Auf den Aufbau und die Funktion der Schrittmotoren soll hier nicht weiter eingegangen werden. Laut Datenblatt 24 besitzt der Schrittmotor KH56QM2-551 Bi - Polar Wicklungen, die mit einem Phasenstrom (Wicklung) von 1,4 A eingeschaltet werden. Bi Polar bedeutet, es sind zwei separat schaltbare Wicklungen vorhanden, die je nach Beschaltung (Stromfluss, Stromrichtung) für die entsprechende Magnetisierung der Statoren, und somit für die Drehung des Rotors, verantwortlich sind. 24 (s. Anhang 1: 2-Phase Hybrid Stepping Motor, S.34) 29

30 T 1 T 2 T 5 T 6 U B = +12 V T 3 T 4 T 7 T 8 R 1 R 2 R 3 CLOCK R 4 +12V G R 5 T 9 B, C A, D Grafik 6: Steuerschaltung für Schrittmotoren 25 Die in Grafik 6 dargestellte Schaltung steuert die Richtung, des in den Spulen fließenden Stroms. Dabei sind immer beide Wicklungen eingeschaltet. Sind die Transistoren T2, T3, T5 und T8 angesteuert (rosa Leitungen), fließt der Strom (I), in Spule A, C und B, D wie dargestellt. Werden die Transistoren T1, T4, T6 und T7 angesteuert, fließt der Strom in entgegen gesetzter Richtung durch die Spulen A, C und B, D. Die Widerstände R1 bis R3 sorgen dafür, dass im Schaltmoment die Basis - Emitterspannung der Transistoren T1, T2, T5 und T6 über der, der Transistoren T3, T4, T7 und T8 liegt, um ungefähr gleich große Basisströme zu erzielen und das gleichzeitige Schalten zu ermöglichen. Das Signal, durch das die Transistoren angesteuert werden ist ein Rechtecksignal aus einem 25 HEYMANN, 1998, S. 147, Bild 2. 30

31 Funktionsgenerator, welches durch den Transistor T9 invertiert wird. Es sieht etwa so aus, wie in Grafik 7 dargestellt. CLOCK A, D B, C Grafik 7: Signal für die Ansteuerung der Treiberstufe in Grafik 6 26 Wie Bild 12 zeigt, sind mit dieser Treiberstufe erste Funktionstests der Schrittmotoren möglich. Doch die erzielte Leistung liegt deutlich unter den berechneten Werten. Zudem muss die Strombegrenzung bei niedrigen Drehzahlen (max. 1,4 A) an der Stromquelle (Netzteil) voreingestellt werden. Die Drehrichtung und den Halb- und Vollschrittmodus kann man mit dieser Art der Ansteuerung nicht regeln. Funktionsgenerator Netzteil Schrittmotor Schaltung Bild 12: Schrittmotortreiber im Betrieb 27 Die einfache Ansteuerung der Treiberstufe mit einem Funktionsgenerator, dessen Signal durch einen Transistor invertiert wird, reicht nicht aus, um einen Schrittmotor 26 Grafik 7: eigene Grafik. 27 Bild 12: eigenes Bild. 31

32 effektiv zu betreiben. Um die Drehrichtung vorgeben zu können und ein hohes Drehmoment zu erzielen, müssen die Spulen in den Schrittmotoren versetzt angesteuert werden, so wie in Grafik 10 (s. S. 34) dargestellt. Die optimale Ansteuerung kann mit dem Schrittmotor - Controller L erreicht werden. Der integrierte Schaltkreis L vereinigt alle wesentlichen Teile der Schaltung in Grafik 6 auf einem Chip und ist die optimale Erweiterung zu dem Ansteuerungs- Controller L297. Grafik 8: Block- Diagramm der Innenverschaltung des Dual Full- Bridge Drives L298(Für das Verständnis unwesentliche Teile wurden entfernt; s. Anhang 4) 30 Deutlich zu erkennen sind die Parallelitäten zwischen der Schaltung in Grafik 6 und dem Blockschaltbild in Grafik 8. Die Ausgänge OUT 1 - OUT 2 und OUT 3 OUT 4 sind mit den beiden Wicklungen in einem Schrittmotor verbunden. Im Unterschied erfolgt die Ansteuerung der Transistoren hier über Logische EXOR (Entweder - Oder) Gatter, die eine exakte (Ein-) Schaltung ermöglichen. Die Eingänge In1- In4 und EnA und EnB werden einzeln mit dem Schrittmotor Controller L297 verbunden. Sie dienen der Voll- und Halbschritt- Schaltung sowie der Richtungswahl (genaue Beschaltung s. unten). Die Verschaltung der beiden IC s L297 und L298 ist in Grafik 9 dargestellt. 28 (s. Verzeichnis der Grafiken Nr. 9) 29 (s. Verzeichnis der Grafiken Nr. 8) 30 STMicroelektronics, L298, GROUP OF COMPANIES 2000, S

33 Grafik 9: Controller- Treiber- Schaltung für einen bipolaren Schrittmotor (Für das Verständnis unwesentliche Teile wurden entfernt; s. Anhang 3) 31 Grafik 9 zeigt, dass an dem Schrittmotor - Controller L297 Einstellungen, wie Richtung, Halb- oder Vollschritt und der maximal Phasenstrom vorgenommen werden können. Ob der Eingang CW/ CCW (Pin 17) an Masse (Low) oder Betriebsspannung (High) liegt, regelt die Drehrichtung, über den Eingang CLOCK (Pin 18) erhält der Controller ein Rechteckimpuls (abfallende Flanke) für jeden Einzel- (Voll-/ Halb-) Schritt. Am Eingang HALF/ FULL (Pin 19) wird der Halboder Vollschritt- Modus eingestellt. Ist dieser Eingang auf Masse (Low) geschaltet wird der Motor in vollen Schritten gedreht, liegt hier Betriebsspannung (High) an so macht der Schrittmotor Halbe Schritte. Über den Eingang V ref kann der max. zulässige Phasenstrom eingestellt werden. V ref berechnet sich nach folgender Formel 32 : V ref = I M (Motorstrom) R S 1,41. Angenommen R S ist 1Ω und der Phasenstrom soll 1,4 A groß sein, dann muss V ref auf 1,974 V eingestellt werden. An den Eingängen SENSE 1 & 2 (Pin 13, 14; s. Grafik 9) liegt je nach Größe des 31 STMicroelektronics, L297, GROUP OF COMPANIES, 2000, S RoboterNETZ, 2006, online im Internet. 33

34 Phasenstroms (vergleiche Pin 1 & 15, Grafik 8) eine Spannung an, die mit der (eingestellten) Spannung an V ref verglichen wird. Aus der Differenz dieser Spannungen wird die Schaltdauer (für einen Schritt) an den Spulen durch den Controller L297 eingestellt. Ist die Einschaltdauer (µs) länger, so ist auch der Phasenstrom größer, wird die Einschaltdauer verringert, so sinkt auch der Phasenstrom. In Grafik 10 ist die Signalfolge am Eingang CLOCK und an den Ausgängen A, B, C, D, INH1 und INH2, im Vollschritt- Modus, des Controllers L297, dargestellt. Grafik 10: Signalfolge am Eingang CLOCK und an den Ausgängen A, B, C, D, INH1 und INH2, im Vollschritt- Modus, des Controllers L Im Gegensatz zu der Signalfolge, wie sie in Grafik 7 dargestellt ist, ist das Signal an den Ausgängen C, D zu A, B um einen Taktimpuls (CLOCK), gegeneinander verschoben. Im Vollschritt - Modus sind die Spulen im Schrittmotor immer eingeschaltete, doch die Stromflussrichtung wird stets abwechselnd geändert. Dies hat, im Gegensatz zur gleichzeitigen Änderung der Stromflussrichtung, den Vorteil, dass das Magnetfeld des einen Stators für den Folgeschritt schon aufgebaut wurde, wenn das Magnetfeld des anderen Stators umgepolt wird. Doch erst in diesem Umpolmoment vollzieht der Rotor des Schrittmotors einen Schritt, in eine ganz best. Richtung, nämlich in die, des schon bestehenden Magnetfeldes. Damit erklärt sich auch die Richtungsbestimmung. Wird Punkt 1 (roter Pfeil in Grafik 10) als Startpunkt definiert, so ist nun entscheidend, ob bei dem Folgeschritt zuerst die 33 STMicroelektronics, L297, GROUP OF COMPANIES 2000, S. 5 34

35 Ausgänge A und B geändert werden ( Punkt 3) oder die Ausgänge C und D ( Punkt 7). Im Halbschrittmodus fließt in einer Spule für eine Schrittlänge kein Strom, was zur Folge hat, dass dort keine Ausbildung von Polungen im Stator erfolgt. Die Ausrichtung des Rotors erfolgt nur nach der Polung des Magnetfeldes im anderen Stator. Damit erfolgt ein Zwischen- (Halb-) Schritt mehr als im Vollschritt - Modus. Doch der Schrittwinkel dieser Halbschritte ist nur halb so groß wie der von Vollschritten. Der hier angesteuerte Schrittmotor KH56QM2-551 benötigt für eine Umdrehung 200 Schritte mit einem Schrittwinkel von 1,8. Im Halbschritt - Modus verringert sich der Schrittwinkel auf 0,9 bei einer Verdoppelung der Schrittanzahl auf 400 pro Umdrehung. Grafik 11: Signalfolge am Eingang CLOCK und an den Ausgängen A, B, C, D, INH1 und INH2, im Halbschritt- Modus, des Controllers L Grafik 11 zeigt, dass während des Halbschrittes (Punkt 2, rote Linie), die Ausgänge A, B und C auf Low (Masse) geschaltet sind und nur der Ausgang D ein High (> 0,6 V) führt. Dies hat zur Folge, dass nur die Spule zwischen den Ausgängen OUT3 und OUT4 (s. Grafik 8) eingeschaltet ist. Durch das abwechselnde Low - Setzen der Ausgänge INH1 und INH2 bei den Punkten 2, 4, 6 und 8 (s. Grafik 11) wird die Spule, durch die zu dem Zeitpunkt kein Strom fließt auf Masse geschaltet (vergleiche Grafik 8 (S. 32), Eingänge EnA und EnB ). 34 STMicroelektronics, L297, GROUP OF COMPANIES 2000, S. 5 35

36 Bild 13 zeigt einen Test zur ungefähren Bestimmung der im Anfahrmoment vorhandenen Kraft eines Schrittmotors. Die Lochscheibe (rot) hat einen Durchmesser von 10 cm. Bild 13: Test der Kraft des Schrittmotors KH56QM2-551mit einer Lochscheibe (r=5cm) und einem Federkraftmesser 35 Nach den unter Punkt durchgeführten Berechnungen müsste der Motor die Kraft von 4,2 N haben, um ein Drehmoment von 1,56 Nm zu erbringen. Bei diesem Test entwickelte der Motor eine Haltekraft von fast 6 N. Dies zeigt, dass der Einsatz des Schrittmotor - Controller L297 in Verbindung mit dem Treiber L298 zu einer effektiven Ansteuerung der Schrittmotoren verwendet werden kann. Beide Bauteile befinden sich auf dem Mikrocontrollerboard RNB FRA 1.22, welches zur Steuerung dieses Roboters verwendet wird (s. Bild 14, S. 37). 35 Bild 13: eigenes Bild. 36

37 L298 L297 Bild 14: Roboter Board RNB- FRA 1.22 mit Schrittmotorcontroller L297 und Schrittmotortreiber L Neben der Steuerung der Sensoren und Aktoren ist in das Mikrokontrollerbord RNB FRA 1.22 eine Leistungstreiberstufe für zwei Schrittmotoren integriert. Dies hat den Vorteil, der Platzersparnis und der Fehlerminimierung zwischen Controllerbord und Schrittmotortreiber. 36 Bild 14: eigenes Bild. 37

38 4.3 Fahrwerkssteuerung mit Ultraschallsensoren Zur Orientierung im Raum sind Sensoren vorgesehen. Sie sollen Hindernisse und Grenzen des Raumes erkennen. Der Roboter hat eine Masse von 20 kg (nur Chassis, Fahrwerk, Antrieb, Akkus und Steuerplatine). Die Lokalisation von Hindernissen, muss berührungsfrei erfolgen, um Erschütterungen durch Anstoßen an Wände und Gegenstände zu vermeiden. Die dabei Auftretenden mechanischen Impulse belasten die Konstruktion erheblich. Diese Umgebungswahrnehmung kann man mit Ultraschall - Sensoren erreichen. Aus der zeitlichen Differenz eines hochfrequenten, akustischen Signals und dessen Echo, wird die Distanz eines Objektes errechnet. Grafik 12 (S. 39) zeigt die Hüllkurve (Grafisch dargestellter Empfangsbereich) des Ultraschall- Abstandsmessers mit LED- Anzeige 37. Die Zahlen an den einzelnen Kurvenbereichen (z.b. 6 4) stehen für die zu dem Zeitpunkt eingeschaltete LED, die den Abstand anzeigt und die Empfindlichkeit. Diese lässt sich in Schritten von 1, 2, 4 und 8 cm pro LED- Signal einstellen. Bei einer eingestellten Empfindlichkeit von 4 cm/ LED und einem Aufleuchten der 6. LED ist das Objekt somit 24 cm (4 6 = 24) weit entfernt. Das Diagramm zeigt an, dass der Empfangsbereich bis max. 84 cm reicht, bei großer Entfernung, sowie bei sehr kleiner Entfernung aber schmaler wird. Die größte Breite von 33,38 cm hat die Hüllkurve bei einer Entfernung von ca. 35 cm. Der Winkel α beträgt hier ( Ultraschall- Abstandsmesser mit LED- Anzeige UAM 1, ELV Elektronik AG, Leer, 2005) 38

39 , α = E S Ultraschall- Abstandmesser Grafik 12: Hüllkurve des Ultraschall- Abstandsmessers mit LED- Anzeige UAM 1 (Grafik 12: eigene Grafik) 39

40 Um einen möglichst großen Bereich zu erfassen wird der Sensor in diesem Bereich abgefragt, indem die entsprechende Spannung an der LED (LED 10, bei 4 cm pro LED) als Signal für den Mikrokontroller dient. Auf einer Breite von 33,38 cm wird ein Hindernis erkannt, welches ca. 35 cm weit entfernt ist. Dieser Abstand reicht aus, um den Roboter abzubremsen, ohne dass dieser gegen ein Hindernis stößt. Da der Roboter eine Breite von 49,8 cm hat (s. S. 23, 4.1), reicht ein Sensor nicht aus, um den gesamten Frontbereich abzudecken (s. Hüllkurve in Grafik 12). Es müssen mindestens 2 nach vorne gerichtete Sensoren angebracht sein. Je nach Abstand dieser beiden Sensoren kann ein Bereich neben dem Roboter mit erfasst werden. Der Sensor - Messbereich sollte aber nicht zu weit ausgedehnt werden, da der Roboter sonst nicht mehr in der Lage ist, zwischen zwei eng zusammen stehenden Hindernissen hindurch zu fahren, ohne diese als Hindernis wahrzunehmen. Zudem muss auch noch auf jeder Seite des Roboters ein Sensor angebracht sein, der in der Lage ist, seitlich stehende Hindernisse zu erkennen. Bild 15 zeigt zwei im 90 Winkel, vor einem Hindernis aufgestellte Sensoren. Hindernis Ultraschall- Sensoren Messleitungen Bild 15: 2 Ultraschallsensoren im 90 - Winkel vor Hindernissen 38 Sollte der Roboter in eine Zimmerecke fahren oder auf ein anderes Hindernis stoßen, welches von mehreren Sensoren wahrgenommen wird, so beeinflussen die 38 Bild 15: eigenes Bild. 40

41 akustischen Signale den Empfänger, des jeweils anderen Sensors und führen zu Fehlmessungen. Deswegen müssen alle Ultraschall - Sensoren multiplex angesteuert/ abgefragt werden. Das heißt, sie werden zeitlich nach einander ein und auch wieder ausgeschaltet. So nimmt jeder Sensor nur das Echo des eigenen, akustischen Signals wieder auf. Eine Eigenkonstruktion der Ultraschallsensoren ist schwierig und fehleranfällig. Aufgrund der sehr geringen Kosten ist der Einsatz vorgefertigter Sensoren wesentlich wirtschaftlicher als die Entwicklung und der Bau einer eigenen Ansteuerschaltung. 41

42 5 Zusammenfassung und Weiterentwicklung 5.1 Testbericht Im Anschluss an Konstruktion der Baugruppen erfolgte deren Zusammenbau zu einem ersten Fahr - Modellroboters. Das Chassis, mit Fahrwerk und Schrittmotoren, wurde mit dem Mikrocontroller RNB- FRA 1.22 zusammen ersten Fahrtests unterzogen. Zu diesem Zeitpunkt war der Roboter noch nicht autonom, da die Konstruktion und der Einsatz der Akkus, zur Energieversorgung noch nicht abgeschlossen war. Der Roboter wurde über ein Netzteil und ein langes Kabel mit Strom versorgt (s. Bild 16). Bild 16: Erster Fahrtest des Roboters mit Stromversorgung vom Netzteil. 39 Mit ersten Testprogrammen wurde die Steuerung der Schrittmotoren in verschiedenen Geschwindigkeiten, Richtungen und im Voll- und Halbschritt- Modus erfolgreich durchgeführt. 39 Bild 16: eigenes Bild. 42

43 Der Roboter hatte zu diesem Zeitpunkt eine Gesamtmasse von 25 kg (Akkus als zusätzliche Masse zugeladen), mit der er im Fahrbetrieb noch eine Antriebskraft von 25 N entwickelt (s. Bild 17). Fahrtrichtung Federkraftmesser Bild 17: Fahrroboter im Betrieb entwickelt eine Kraft von 25 N. 40 Die Ultraschall- Sensoren liefern im Test relativ genaue Werte über die Entfernung zu Hindernissen und Gegenständen. Auf Mittlere Distanzen hin (ca cm) sind sie für den Einsatz an diesem Roboter voll geeignet. 5.2 Fazit Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Modellroboter mit funktionstüchtigem Chassis, Fahrwerk, Antrieb und Sensoren zur Abstandsmessung. Der Roboter ist einsatzfähig und in seinen Grundfunktionen getestet. Vollkommen autonom ist er hingegen noch nicht, denn die technischen Lösungen für den sicheren Betrieb, besonders des Mikrocontrollers und der Schrittmotoren mit den Akkus müssen noch entwickelt werden. 40 Bild 17: eigenes Bild. 43