Weiterentwicklung einer Roboterplattform (2WD)

Weiterentwicklung einer Roboterplattform (2WD)

Diplomand: Martin Zemla, Dezember 2006

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Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung der Diplomarbeit war die Weiterentwicklung einer Roboterplattform. Die Ausgangslage war ein Roboter in Form eines zweiradgetriebenen Fahrzeugs, das sich autonom im Raum bewegen konnte und dabei auftretenden Hindernissen auswich. Unter Verwendung neuer Hardwarekomponenten sollte eine Nahnavigation des Fahrzeugs entwickelt werden. Die Aufgabe bestand zum einen aus der Bereitstellung von Navigationsdaten und zum zweiten, unter Verwendung dieser Daten, gezielt das Fahrzeug in eine vorgegebene Position im Raum zu bewegen.

Durchführung

Als Grundfahrzeug für diesen Roboter dient der „Rodeo-Ranger“ der Firma Peg-Perego. Der mechanische Aufbau des Fahrzeugs wurde mit dem Versionsstand FTW-2WD 1-1 zur Weiterentwicklung übernommen und erweitert. Um eine Navigation des Fahrzeugs zu ermöglichen kommt bei diesem Roboter ein Kompass-Modul der Firma Devantech zum Einsatz. Trotz der kleinen Bauweise des Moduls ist die Platzierung am Fahrzeug sehr schwierig. Sowohl der Scheibenwischermotor der Lenkung als auch die beiden Antriebsmotoren der Hinterräder stören das Erdmagnetfeld durch ihre eigenen Magnetfelder, so dass der Sensor in der Nähe dieser Motoren falsche Werte liefert. Um diese Störungen zu vermeiden bietet sich lediglich ein Platz am Fahrzeug für die Befestigung des Moduls. Der Kompass wird mittig an der oberen Strebe der Frontscheibe des Fahrzeugs montiert. Da der Kompass nur bei einer horizontalen Lage korrekte Werte liefert, wird ein besonderer Aufbau verwendet, um bei einer Abweichung der waagrechten Stellung, eine horizontale Ausrichtung zu erreichen. Für die Positionskorrektur werden zwei Modellbauservos benutzt. Für eine Stabilisierung der horizontalen Lage muss mit einem Beschleunigungssensor die Lage des Kompass-Moduls erfasst werden. Die hierbei auftretende Abweichung wird durch eine entsprechende Ansteuerung der beiden Modellbauservos korrigiert. Um eine dauerhaft horizontale Stabilisierung des Kompass-Moduls zu erzwingen, wurde eine Regelung mit einem PI-Regler verwendet. Für eine Berechnung der vom Fahrzeug zurückgelegten Wegstrecke kommt ein induktiver Näherungsschalter der Firma Contrinex zum Einsatz. Nach dem Prinzip eines digitalen Fahrradtachometers, kann man mithilfe des Sensors und metallischen Sensorgebern an einem Rad des Fahrzeugs die zurückgelegte Entfernung messen. Die Navigation des Fahrzeugs wird grundsätzlich durch zwei Werte bestimmt. Zum einen durch die Richtung gemäß eines Kompasses 0° bis 359° und zum anderen durch die Entfernung zum Ziel in Metern. Als Entfernung wird hierbei die kürzeste mögliche Verbindung angegeben, d. h. die Luftlinie zwischen dem aktuellen Standort und dem Ziel. Wird das Fahrzeug bewegt, so ändert sich dabei immer sowohl die Entfernung als auch die Richtung zum Zielort. In der zweiten Version des Roboters sollte das Fahrzeug anhand der Navigationsdaten ein vorgegebenes Ziel finden. Dabei sollte das Fahrzeug natürlich weiterhin im Weg stehenden Hindernissen ausweichen können. Grundsätzlich ist der Ablauf so programmiert, dass das Fahrzeug sich vorwärts bewegt. Bei genügend freien Raum um das Fahrzeug herum, wird versucht das Ziel des Fahrzeugs anzusteuern. Treten dabei Hindernisse auf, umfährt das Fahrzeug diese und versucht danach wieder auf das Ziel zu fahren, falls keine weiteren Hindernisse vorhanden sind. Die hier entwickelte Nahnavigation ist relativ ungenau und nur für wenige Meter ausgelegt. Um eine großräumige Navigation zu entwickeln, werden weitere Funktionen und Module benötigt. Wie bei einem richtigen Navigationssystem in einem Kraftfahrzeug, könnte auch bei diesem Roboter eine Zielsteuerung über die GPS-Koordinaten stattfinden. Das Prinzip der hier entwickelten Zielsteuerung ist aber auch für eine Fernnavigation anwendbar, wobei sich lediglich die Navigationsdaten ändern würden. Jedoch entsteht hierbei ein wesentlich höherer Rechenaufwand und Speicherbedarf, so dass eine Implementierung eines Notebooks für diese Navigation unumgänglich wäre. Somit steht dieser Roboterplattform weiterhin eine Vielzahl von Anwendungen zur Verfügung.

Martin Zemla, Dezember 2006

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