Mobile Roboter. Joseph L. Jones Anita M. Flynn. Von der Idee zur Implementierung ADDISON-WESLEY PUBLISHING COMPANY

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1 Joseph L. Jones Anita M. Flynn Mobile Roboter Von der Idee zur Implementierung ADDISON-WESLEY PUBLISHING COMPANY Bonn Reading, Massachusetts Menlo Park, California New York Don Mills, Ontario Harlow, England Amsterdam Milan Sydney Tokyo Singapore Madrid San Juan Seoul Mexico City Taipei, Taiwan

2 Inhalt Vorwort Danksagung Zur deutschen Ausgabe xv xix xxi 1 Einführung Literaturhinweise 9 2 TuteBot Ein Lernroboter Aktionen des TuteBot Bau des TuteBot, Elektronische Bauteile Aufbau der Schaltung Betrieb Übung Literatur 35 3 Computerhardware Konzept des Rüg Warrior Interactive C Mikroprozessoren Aufbau des Steuercomputers Der Prozessor Der Bus Der Speicher Die Ports Schaltungen des Rüg Warrior Der Einschalter Der Taktgeber Reset Modus-Wahl Unterspannungsmelder Die serielle Schnittstelle Externer Speicher Batteriegepufferter Speicher 52

3 vüi Inhalt 3.5 Hardware-Software-Schnittstelle Darstellung von Zahlen Ein Beispiel CPU-Register Instruktionen und Operanden Arithmetik Steuer-und Zustandsregister Sprünge und Verzweigungen Unterprogramme Der Stapel Übergabe von Argumenten Echtzeitsteuerung Polling Interrupts Software-unabhängige Eingabeerfassung Traps I/O-Buffer Laden eines Programms Das Assemblerprogramm Das Ureingabeprogramm Alternativen Literatur 78 4 Entwurf und Prototyperstellung Die Praxis Genauigkeit Fädeltechnik Scotchflex Speedwire Stecker Leiterplatten Fehlerbeseitigung 89 5 Sensoren Wahrnehmung Meßwertumformung versus Verstehen Abstraktionsebenen Anschluß von Sensoren Softwaretreiber Empfindlichkeit und Reichweite Lichtsensoren Photowiderstände Infrarot-Abstandsmesser 106

4 IX Wärmesensoren Kameras Kraftsensoren Mikroschalter Biegesensoren Kraftmeßwiderstände Akustische Sensoren Mikrophone Piezoelektrische Dünnschichtsensoren Ultraschall Position und Orientierung Rad-Encoder Kreisel Neigungsschalter Kompasse Propriozeptive Sensoren Messung des Batteriestands Messung des Überlaststroms Temperatur Übung Literaturhinweise Mechanik Fortbewegung Anordnung der Räder Kinematik Roboterformen Umbau von Modellfahrzeugen Identifizierung der Antriebsart Elektrische Veränderungen Fortbewegung auf Beinen Bausätze Maßanfertigung Radaufhängung Blech Acryl Übung Literaturhinweise Motoren Eine große Vielfalt Arbeitsweise eines Gleichstrommotors Leistung eines Gleichstrommotors 167

5 X Inhalt Drehmoment, Geschwindigkeit, Kraft und Leistung Modell eines Motors DrehzaM-Drehmoment-Kennlinien Getriebe Motordatenblätter Motoren für den Rüg Warrior Modell eines Fahrzeugs Auswahl eines Motors Konvertierung von Servomotoren Unmodifizierte Servomotoren Motorschnittstellen H-Brücken Schalten induktiver Lasten Leistungselektronik Motortreiber-Leistungs-ICs Software für die Motorsteuerung Pulsbreiten-Modulation Regelkreise Literaturhinweise Stromversorgung Batterien Chemische Zusammensetzung Energiedichte Spannung Kapazität Innenwiderstand Aufladen Spannungsregelung Ohne Regulierung lineare Regler Gleichspannungswandler Entkopplung Literaturhinweise Roboterprogrammierung Der traditionelle Ansatz Berechnung Modellierung Zeit Der Subsumtionsansatz Verhaltensnetze Rüg Warriors Programm 249

6 Inhalt xi 9.4 Programmierender Subsumtion Prozesse und Scheduler Deterministische endliche Automaten Ein Subsumtionsformalismus Subsumtion in IC Was haben wir getan? Referenzen Ungelöste Probleme Navigieren Erkennen Lernen Miniatur-Roboter Interaktion Überlegungen Übung Literaturhinweise 271 Bauanleitung für mobile Roboter Einleitung Die Roboter kommen Sinkende Kosten RugWarrior Zusammenfassung Start fr ei für den Roboterbau Der Elektronik-Bausatz Installation der Software Macintosh-Anweisungen DOS-Anweisungen Windows-Anweisungen Display-und Spannungsversorgungsanschluß Serieller Anschluß Laden des P-Code Kommunikation mit dem Host Testen der Platine Die Rüg Warrior-Software Routinen in Assemblersprache Selbsttest Programmierung Montage der elektrischen Bestandteile Notwendige Ausrüstung 289

7 xii Inhalt 13.2 Zusätzliche Ausrüstung Vormontierte Teile Zusammenbau des Rüg Warrior Löten Montage Kabel Mikrophon-Schaltung Sensoren und Aktuatoren Jumper Zusammenfassung Montage der mechanischen Bauteile Antriebsmotoren Antriebsräder Das Chassis Das Stützrad Batteriefächer Schürze und Platine Feineinstellungen Ausbau des Rüg Warrior Eingebaute Ports Beispiel für eine Erweiterung Fehlerbeseitigung Interactive C-Handbuch EinsatzvonIC IC-Befehle Editieren der Eingabezeile Die Funktionmain() Eine kurze Einführung in C Datentypen, Operatoren und Ausdrücke Variablennamen Datentypen Lokale und globale Variablen Konstante Operatoren Zuweisungsoperatoren und Ausdrücke Inkrement-und Dekrement-Operatoren Priorität und Reihenfolge der Auswertung Kontrollfluß Anweisungen und Blöcke 334

8 Inhalt xiii Die if-else-anweisung Die while-schleife Die f or-schleife Die break-anweisung Ausgabe auf der LCD-Anzeige Beispiele Zusammenfassung der Formatierungsbefehle Anmerkungen Felder und Zeiger Felder deklarieren und initialisieren Felder als Argumente übergeben Deklaration von Zeiger-Variablen Zeiger als Argumente übergeben Multitasking Übersicht Neue Prozesse erzeugen Prozesse beenden Befehle zur Prozeßverwaltung Bibliotheksfunktionen zur Prozeßverwaltung Fließkommafunktionen Speicherzugriffsfunktionen Fehlerbehandlung Compilerfehler Laufzeitfehler Binäre Programme Die binäre Quelldatei Interruptgesteuerte Binärprogramme Die binäre Objektdatei Laden einer icb-datei Feldzeiger an ein Binärprogramm übergeben Format und Verwaltung von IC-Dateien C-Programme List-Dateien Datei-und Funktionsverwaltung IC konfigurieren Die IC-Bibliotheksdatei Taktbefehle Tonerzeugung Sensordatenerfassung Motorfunktionen Rad-Encoder 358

9 XIV Inhalt 19 Rechneranschluß und technische Daten Serielle Verbindung Ausgewählte technische Daten des Rüg Warrior 361 A Schaltpläne 363 B Rüg Warrior-Programm 371 C Gelbe Seiten 381 C.l Deutsche Fachhändler 381 C.2 Internationale Fachhändler 383 D Färb- und ASCII-Codes 387 Literatur 389 Index 395