Einreichung. OcuCraft. HTL-Mössingerstraße, 5AHEL, Mössingerstraße Klagenfurt. Stephan Steiner. Prof. Dipl.-Ing.

Transkript

1 Einreichung OcuCraft HTL-Mössingerstraße, 5AHEL, Mössingerstraße Klagenfurt Stephan Steiner Prof. Dipl.-Ing. Werner Moser Mobilitätstechnik 1

2 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, keine anderen Hilfsmittel als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und alle aus ungedruckten Quellen, gedruckter Literatur oder aus dem Internet im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt übernommenen Formulierungen und Konzepte gemäß den Richtlinien wissenschaftlicher Arbeiten zitiert, durch Fußnoten gekennzeichnet bzw. mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe. Durch meine Signatur berechtige ich die Bosch Gruppe, die Einreichung zeitlich und räumlich unbeschränkt entweder selbst oder durch von ihr beauftragte Dritte unter Nennung der Urheber in Druckwerken, Internet, auf elektronischen Datenträgern sowie in der darauf bezogenen Werbung zu veröffentlichen Datum Unterschrift der/des Schülerin/s 4

3 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, keine anderen Hilfsmittel als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und alle aus ungedruckten Quellen, gedruckter Literatur oder aus dem Internet im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt übernommenen Formulierungen und Konzepte gemäß den Richtlinien wissenschaftlicher Arbeiten zitiert, durch Fußnoten gekennzeichnet bzw. mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe. Durch meine Signatur berechtige ich die Bosch Gruppe, die Einreichung zeitlich und räumlich unbeschränkt entweder selbst oder durch von ihr beauftragte Dritte unter Nennung der Urheber in Druckwerken, Internet, auf elektronischen Datenträgern sowie in der darauf bezogenen Werbung zu veröffentlichen Datum Unterschrift der/des Schülerin/s 5

4 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, keine anderen Hilfsmittel als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und alle aus ungedruckten Quellen, gedruckter Literatur oder aus dem Internet im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt übernommenen Formulierungen und Konzepte gemäß den Richtlinien wissenschaftlicher Arbeiten zitiert, durch Fußnoten gekennzeichnet bzw. mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe. Durch meine Signatur berechtige ich die Bosch Gruppe, die Einreichung zeitlich und räumlich unbeschränkt entweder selbst oder durch von ihr beauftragte Dritte unter Nennung der Urheber in Druckwerken, Internet, auf elektronischen Datenträgern sowie in der darauf bezogenen Werbung zu veröffentlichen Datum Unterschrift der/des Schülerin/s 6

5 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbständig angefertigt, keine anderen Hilfsmittel als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und alle aus ungedruckten Quellen, gedruckter Literatur oder aus dem Internet im Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt übernommenen Formulierungen und Konzepte gemäß den Richtlinien wissenschaftlicher Arbeiten zitiert, durch Fußnoten gekennzeichnet bzw. mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe. Durch meine Signatur berechtige ich die Bosch Gruppe, die Einreichung zeitlich und räumlich unbeschränkt entweder selbst oder durch von ihr beauftragte Dritte unter Nennung der Urheber in Druckwerken, Internet, auf elektronischen Datenträgern sowie in der darauf bezogenen Werbung zu veröffentlichen Datum Unterschrift der/des Schülerin/s 7

6 Projekt Kurzbeschreibung Unser Team beschäftigt sich seit Monaten mit der Entwicklung eines beweglichen Kamerastatives und der Ansteuerung per Virtual- Reality-Brille. Ein Head-Mounted Display besitzt ein oder zwei augennahe Bildschirme, die dem Anwender ein 3D-Bild liefern. VR- Brillen hingegen sind eine spezielle Form der HMDs, die zusätzlich die Position des Kopfes bestimmen können. Dadurch ist es möglich, dass das Bild auf Bewegungen des Anwenders reagiert. Eine VR- Brille wird normalerweise für Videospiele verwendet, um dem Spieler das Gefühl zu geben, sich in einer virtuellen Realität zu befinden. In unserem Fall wird jedoch die Realität auf der Virtual-Reality Brille dargestellt. 8

7 Projekt Kurzbeschreibung Für diese Anwendung benötigen wir das bewegliche Kamerastativ, welches in der Lage sein muss, die Bewegungen des menschlichen Kopfes zu imitieren. Das bedeutet das Stativ wird auf den drei Koordinatenachsen (X-, Y- und Z-Achse) von Elektromotoren gedreht. Diese Motoren werden von den Sensordaten der VR-Brille, welche die Kopfbewegungen erfassen, angesteuert. Um auf der VR-Brille ein wirkliches 3D-Bild auszugeben, werden auf dem Stativ zwei Kameras angebracht. Im Endeffekt bewegt sich das Blickfeld der beiden Kameras in die Richtung, in die der Träger der VR-Brille seinen Kopf dreht. Um den oben erklärten Stativaufbau mobil zu machen, bringen wir diesen auf einem Fahrzeug an. Am Ende stellt dieses Fahrzeug einen eigenständigen Roboter dar, welcher von einem anderen Ort aus ferngesteuert werden kann. Demnach steuert der Benutzer gleichzeitig sowohl das Stativ mit der Virtual-Reality Brille als auch das Fahrzeug mit einem Spielecontroller. 9

8 Inhaltsverzeichnis o o o o o o o o Zielsetzung 8 Projektbeschreibung.9-16 Anwendung Lösungswege Ausrichtungsproblem Energieeffiziente Sensorik Das Kamerastativ Blockschaltbild 27 Das OcuCraft 28 Das Team..29 Video

9 Zielsetzung Die Idee ist es eine völlig neue Art der Robotersteuerung zu erschaffen. Durch unser System wird es dem Anwender ermöglicht, sich wirklich in eine andere Umgebung zu versetzen. Für die realitätsnahe Wahrnehmung dieser Umgebung sorgt in erster Linie die 3D-Aufnahme, die erst durch unser ausgeklügeltes Fokussierungskonzept ermöglicht wird. Die Kombination aus 3D-Bild und Fokussierung führt dazu, die Entfernung zu Objekten besser einschätzen zu können. 11

10 Projektbeschreibung Unser Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung eines eigenständigen Roboters, der drahtlos von einem anderen Ort aus gesteuert werden kann. Dieser Roboter kann im Großen und Ganzen in drei Komponenten unterteilt werden. Zum einen wurde ein bewegliches Kamerastativ konstruiert. Die Anforderung an dieses Kamerastativ ist in erster Linie die Drehung zweier Kameras um alle drei Koordinatenachsen. Die beiden Kameras sind dabei in dieselbe Richtung ausgerichtet. Praktisch gesehen ist dieses Stativ nun in der Lage die Bewegungen eines menschlichen Kopfes nachzuahmen, wobei die Kameras die Funktion der Augen übernehmen. Die Drehungen um die Koordinatenachsen werden mit drei Servomotoren erzeugt. Aus Fokussierungsgründen ist es von außerordentlicher Bedeutung jede einzelne Kamera nochmals um ihre eigene Y-Achse drehen zu können. Ein vierter Servomotor führt diese Drehbewegung für beide Kameras durch, dieser Vorgang wird jedoch unter Fokussierungsproblem genauer beschrieben. 12

11 Projektbeschreibung Die zweite Komponente stellt eine Virtual-Reality-Brille in Kombination mit einem Spielecontroller dar, welche beide an einen Computer angeschlossen sind. Eine VR- Brille ist ein Head-Mounted-Device, welches dem Träger der Brille die Betrachtung einer virtuellen Realität ermöglicht. Dies geschieht durch die Ausgabe einer virtuellen Umgebung auf Bildschirmen, die sich direkt vor den Augen des Anwenders befinden. Eine VR-Brille hat zusätzlich die Funktion mittels Sensoren zur Bewegungserkennung, die Kopfbewegungen des Trägers zu erfassen. Dies wird in den meisten Anwendungen dazu verwendet, das virtuelle Bild auf den Bildschirmen an die Kopfbewegungen anzupassen. Als VR-Brille verwenden wir das Modell Oculus Rift DK2. In unserem Projekt wird jedoch nicht ein virtuelles Bild sondern die Realität auf der Oculus Rift dargestellt. Dies geschieht, indem die Videosignale der beiden Kameras von einem Steuermodul per WLAN an den Computer übertragen werden und von dort aus weiter zum Bildschirm der Oculus Rift gelangen. Zur gleichen Zeit werden die Sensordaten der VR-Brille vom Computer ausgelesen und über dieselbe WLAN-Verbindung zum Steuermodul gesendet. Dieses Überträgt die Kopfbewegungen des Trägers der VR-Brille auf das Kamerastativ. Der Spielecontroller wird zur Steuerung des in der dritten Komponente beschriebenen Fahrzeuges benötigt. 13

12 Projektbeschreibung Das oben erwähnte Steuermodul ist Teil der dritten Komponente. Diese Komponente unseres Projektes ist ein ferngesteuertes Fahrzeug, auf dem sich der Kameraaufbau mit dem Stativ befindet. Das Stativ mit dem Fahrzeug bildet zusammen das OcuCraft. Der Roboter besitzt einen Radantrieb mit sechs Rädern zur Fortbewegung. Diese werden von zwei Gleichstrommotoren angetrieben, wobei jeder dieser Motoren drei Räder über Riemen auf einer Seite des OcuCraft in Bewegung versetzt. Demnach erfolgt die Lenkung ähnlich der eines Panzers. Hier kommt der Spielecontroller, der sich ebenso wie die Oculus Rift beim Anwender befindet, in Verwendung. Mit diesem Controller lenkt der Anwender das OcuCraft und steuert die Geschwindigkeit. 14

13 Projektbeschreibung Im Fahrzeug befindet sich auch das Versorgungssystem für sämtliche Verbraucher am Roboter. Dieses besteht aus drei Akkumulatoren mit unterschiedlichen Spannungen. Der Grund für diese Lösung liegt in erster Linie in der Laufzeit und der Energieeffizienz des Versorgungsystems, dies wird jedoch unter Versorgungssystem genauer erläutert. Eine Maßnahme zur Steigerung der Benutzerfreundlichkeit ist die Integration des Ladesystems in den Roboter. Da wir mehrere Akkus verbaut haben, wäre das externe Laden der Akkus mit ein wenig Aufwand verbunden. Wir haben diesen Aufwand minimiert indem wir die Ladegeräte in den Roboter verbaut haben und somit der Roboter nur durch das Anstecken ans Stromnetz direkt in den Ladezustand gebracht wird. Somit ist es auch möglich die Akkus fest im Roboter zu verbauen, um dadurch mögliche Fehler des Anwenders zu vermeiden. 15

14 Projektbeschreibung Das Steuermodul befindet sich im Innenraum des Roboters und übernimmt die Aufgaben der WLAN-Übertragung, das Einlesen der Kameras sowie die Ansteuerung sämtlicher peripheren Komponenten. Diese Komponenten sind die Gleichstrommotoren zur Fortbewegung, alle Servomotoren des Kamerastatives, und die gesamte Sensorik, die im OcuCraft verbaut ist. Das Steuermodul setzt sich aus einem vollwertigen Mini- Computer in Kombination mit einem Arduino Uno zusammen. Der Mini-Computer ist für die WLAN-Kommunikation mit dem sich beim Anwender befindenden Computer zuständig. An diesem sind auch die beiden Kameras des Stativs angeschlossen. Der Mini-Computer kommuniziert mit dem Arduino über eine serielle Schnittstelle (USB). Der Arduino übernimmt demnach noch die Ansteuerung der Gleichstrom- und Servomotoren und das Einlesen und Verarbeiten der Sensordaten. Die Sensorik besteht aus drei verschiedenen Sensortypen mit insgesamt 15 Sensoren. Diese Sensoren tragen dazu bei, eine benutzerfreundliche Anwendung zu gewährleisten. Die Sensortypen sind Näherungssensoren, Drehzahlsensoren und Stromsensoren. 16

15 Projektbeschreibung Als Näherungssensoren sind zehn Stück Infrarotsensoren im Einsatz, die rund um das Gehäuse des OcuCraft angebracht sind. Diese Infrarotsensoren verändern ihr Ausgangssignal in Abhängigkeit der Entfernung zum nächsten Objekt auf das sie ausgerichtet sind. Unterschreitet dieses Signal einen bestimmten Wert, bedeutet dies, dass der Roboter einem Objekt zu nahe gekommen ist, und es wird softwaremäßig ein automatischer Bremsvorgang eingeleitet. So kann verhindert werden, dass der Anwender unbeabsichtigt einen Gegenstand rammt, und somit den Roboter beschädigt. Abb. 1 Infrarotsensor: Sharp GP2D12 17

16 Projektbeschreibung Eine nicht zu vernachlässigende Funktion betrifft die Geschwindigkeitsmessung des OcuCraft. Dies geschieht mit zwei Drehzahlsensoren, die direkt an den Motoren des Antriebs befestigt sind. Es ist von wesentlicher Bedeutung für die Programmierung der Antriebssteuerung, die Drehzahl der Räder zu jeder Zeit einlesen zu können. Auch für den Anwender des OcuCraft ist es von Vorteil die aktuelle Geschwindigkeit auf einer visuellen Anzeige ablesen zu können. Abb. 2 Drehzahlsensor: HEDS

17 Projektbeschreibung Des Weiteren sind drei Stromsensoren im Einsatz, um die noch vorhandene Ladung der Akkumulatoren zu berechnen. Dies geschieht indem der gesamte Strom, der im OcuCraft fließt, ununterbrochen gemessen und die erhaltene Stromkurve über die Zeit integriert wird. Damit erhalten wir die Ladung, welche vom Akku entnommen wurde und es kann auf die noch vorhandene Ladung geschlossen werden. Diese Methode zur Ladungsmessung der Akkus ist notwendig, da dies uns ermöglicht zu jeder Zeit den Akkuladestand zu überprüfen. Abb. 3 Hall-Effekt Sensor zur Strommessung: ACS712 19

18 Anwendung Einige Personen sind aufgrund ihrer Lebenssituation örtlich eingeschränkt. Damit ist gemeint, dass es manchen Personen nicht möglich ist sich an andere Orte zu begeben, sei es aus zeitlichen, finanziellen oder gesundheitlichen Gründen. Zu einem wirklich relevanten Problem wird dies, wenn Menschen aus gesundheitlichen Gründen ihr Zuhause nicht verlassen können. Es gibt sogar Fälle, in denen erkrankte Kinder ihre Ausbildung aus diesem Grund unterbrechen müssen. Mittlerweile wurden Roboter entwickelt, die von diesen Kindern gesteuert werden und sie in der Schule vertreten. Dadurch können Schüler mit monate- oder jahrelangen Erkrankungen ihre Ausbildung ohne Unterbrechung fortsetzen. Für das Wohlbefinden dieses Kindes ist es von Bedeutung, dass diese Roboter gewisse Voraussetzungen erfüllen. Abgesehen von einer leichten Steuerung sollte alles dafür getan werden dem Kind zu erleichtern, sich in die gewohnte Rolle als Schüler zu versetzen und sich trotz der Entfernung als Teil der Gruppe zu fühlen. 20

19 Anwendung Die Idee unserer Maturaarbeit ist die Erweiterung eines ferngesteuerten Fahrzeuges mit unserem Kameraaufbau in Verbindung mit der Virtual-Reality Brille. Diese Art der Robotersteuerung würde betroffenen Kindern eine Reihe von bedeutenden Vorteilen bieten, um ihren weiteren Ausbildungsweg zu erleichtern. Ein essentieller Teil des Projektes ist es, dass die Steuerung des Blickfeldes instinktiv durch die Kopfbewegungen erfolgt und somit nicht von diesem Kind erlernt werden muss. Für die Kommunikation sind unterbewusste Wahrnehmungen ein elementarer Bestandteil. Bei einem Gespräch mit Lehrern oder Mitschülern ist es von fundamentaler Bedeutung seinem Gesprächspartner in die Augen schauen zu können, welcher diesen Blick auch erwidert. Dadurch würde unser Roboter dem Kind rundum bei einem besseren Umgang mit der Situation unterstützen und ihm helfen sein altes Empfinden als Mitschüler wieder zu entfalten. 21

20 Lösungswege Die unten genannten Themen sollen einen genaueren Einblick auf die verschiedenen Probleme und Hindernisse die sich während der Entwicklung ergeben haben verschaffen. Zudem wird erklärt aus welchen Gründen bestimmte Entscheidungen bei der Umsetzung des Projektes getroffen wurden. Ausrichtungsproblem Wie oben bereits erwähnt wurde ergab sich nach den ersten Testversuchen die Kamerasignale auf dem Bildschirm der Oculus Rift darzustellen ein Faktor, der unbedingt in die Funktion des Statives miteinbezogen werden muss. Der Grund hierfür liegt in der natürlichen optischen Wahrnehmung des Menschen. Betrachtet ein Mensch ein Objekt, richten sich die Pupillen unterbewusst auf einen Punkt aus. 22

21 Lösungswege Das bedeutet, die Blickfelder der beiden Augen verlaufen nicht parallel, sondern treffen sich in diesem Punkt. Demnach drehen sich die Augen in einem sehr leichten Winkel nach innen. Dieser Winkel hängt von der Entfernung des betrachteten Objektes ab. Der Träger der Oculus Rift blickt durch zwei Linsen hindurch auf einen, in der Mitte getrennten Bildschirm. Auf diesen Bildschirm wird auf der linken und rechten Seite jeweils das Bild einer Kamera dargestellt. Wäre das Blickfeld beider Kameras mit dem Augenabstand parallel nach vorne gerichtet, wäre der Träger nicht in der Lage, den gefilmten Bereich zu erkennen, da das Gehirn sich auf einen Punkt konzentrieren möchte. Drehung der Augen in Abhängigkeit der Entfernung 23

22 Lösungswege Um die Verwendung unseres Kameraaufbaus in Kombination mit der Oculus Rift dennoch zu ermöglichen, und dem Anwender einen realistischen Blick durch die Kameraaufnahmen zu bieten, müssen diese Kameras ebenfalls nach innen gedreht werden. Aus diesen Grund wurde der vierte Servomotor installiert, dessen Aufgabe es ist, die Aufnahmefelder der beiden Kameras in einem leichten Winkel nach innen zu drehen. Der Winkel dieser Drehung verändert sich in Abhängigkeit von der Entfernung des betrachteten Objektes. Wenn der Anwender demnach einen weit entfernten Punkt anvisiert, ist der Winkel kleiner als bei einem nahegelegenen Objekt. Dies bedeutet, dass der Winkel bei jeder Bewegung bzw. bei jeder Entfernungsänderung des betrachteten Punktes geändert werden soll. Diese Funktion wurde so umgesetzt, dass der Anwender selbst diesen Winkel anpassen kann. Dies geschieht indem dieser mithilfe des Spielecontrollers den Servomotor manuell drehen und somit die Kameras ausrichten kann. 24

23 Lösungswege Energieeffiziente Sensorik Nach aufschlussreichen Messungen kam hervor, dass dies gesamte Sensorik im OcuCraft einen nicht zu vernachlässigen Teil der Energie der Akkus benötigt. Die Versorgung der Sensoren benötigt eine Leistung von einigen Watt, was natürlich die Betriebsdauer einschränkt. Wir dachten uns, dass es doch möglich sein müsste dies Energieeffizienter zu lösen. Aus diesen Überlegungen ging eine Lösung hervor, die es ermöglicht die Implementierung der Sensoren um ein Vielfaches leistungssparender zu realisieren. Wir erreichten mit diesem relativ simplen Vorhaben eine Reduktion des Leistungsverbrauches von rund 80%. Der Trick um dies zu erreichten war lediglich der, dass die Versorgung der Sensoren mit einem Schalter gegen Masse (Low- Side-Switch) versehen wurde. Dieser Schalter ist in unserem Falle ein Transistor, der vom Arduino angesteuert wird. Dadurch ist es möglich, die Sensoren lediglich dann mit Energie zu versorgen, wenn diese auch gerade benötigt werden bzw. ausgelesen werden. Werden die Sensoren nicht angesprochen, sind sie vom Stromkreis getrennt und verbrauchen somit keine unnötige Leistung. 25

24 Lösungswege Das Kamerastativ 26

25 Lösungswege Das Kamerastativ Bei den Überlegungen wurde sehr schnell klar, dass für jede Achsendrehung je ein Servomotor benötigt wird. Unsere Überlegungen führten uns dann zu einer Idee für den Aufbau des Statives. Dabei befindet sich im unteren Teil des Statives ein Servomotor dessen Rotorachse senkrecht nach oben geht. Dieser Motor ist für die Drehung um die Ordinatenachse zuständig. Auf diesem Rotor befindet sich nun der Restliche Aufbau. Der untere Servomotor dreht also den gesamten restlichen Stativaufbau. Auf diesem Rotor, befindet sich als nächstes ein U-Bügel, der in der unteren Grafik blau eingezeichnet ist. Ein zweiter U-Bügel, der nach unten offen ist, ist an den Enden mit dem unteren drehbar verbunden. In den Bereich dazwischen befindet sich ein zweiter Servomotor. Dessen Rotor ist fest mit dem oberen U-Bügel verbunden. Wird dieser nun in Drehung versetzt, kippt der obere Bügel nach von bzw. nachhinten. Diese Funktion stellt die Drehung um die Abszissenachse dar. 27

26 Lösungswege Bei den Überlegungen für die Konstruktion des Kamerastatives wurde sehr schnell klar, dass für jede Achsendrehung je ein Servomotor benötigt wird. Unsere Überlegungen führten uns dann zu einer Idee für den Aufbau des Statives. Dabei befindet sich im unteren Teil des Statives ein Servomotor dessen Rotorachse senkrecht nach oben geht. Dieser Motor ist für die Drehung um die Ordinatenachse zuständig. Auf diesem Rotor befindet sich nun der Restliche Aufbau. Der untere Servomotor dreht also den gesamten restlichen Stativaufbau. Auf diesem Rotor, befindet sich als nächstes ein U-Bügel, der in der unteren Grafik blau eingezeichnet ist. Ein zweiter U-Bügel, der nach unten offen ist, ist an den Enden mit dem unteren drehbar verbunden. In den Bereich dazwischen befindet sich ein zweiter Servomotor. Dessen Rotor ist fest mit dem oberen U-Bügel verbunden. Wird dieser nun in Drehung versetzt, kippt der obere Bügel nach von bzw. nachhinten. Diese Funktion stellt die Drehung um die Abszissenachse dar. 28

27 Lösungswege Für die Drehung der beiden Kameras um die Applikatenachse sorgt ein dritter Servomotor, der auf dem oberen Bügel befestigt ist. Auf dem Rotor des dritten Motors befindet sich noch eine Kunststoffplatte, an der die beiden Kameras ungefähr im Augenabstand befestigt sind. Diese Platte ist in der untenstehenden Grafik nicht eingezeichnet. Die Platte wird vom dritten Servomotor gedreht. Auf dieser Platte wird nun schlussendlich die mechanische Ausrichtung der beiden Kameras realisiert, welche unter Ausrichtungsproblem beschrieben wurde. 29

28 Blockschaltbild 30

29 Das OcuCraft 31

30 Das Team 32