Entwicklung von Komponenten für die Roboterplattform TV5

Entwicklung von Komponenten für die Roboterplattform TV5 (Rumbler)

 


Aufgabenstellung
Das Ziel der Diplomarbeit liegt in der Entwicklung grundlegender elektronischer Komponenten für das Roboterfahrzeug FTW-TV5 „Rumbler“. Als eine dieser grundlegenden Komponenten ist eine Platine zu erstellen, die die Spannungsversorgung aller im Fahrzeug befindlichen Verbraucher sicher stellt. Auf derselben Platine ist eine Notausschaltung zum Abschalten der Antriebsmotoren zu realisieren. Des Weiteren soll eine Platine für den Mikrocontroller STM32F103RB entwickelt werden. Die Platine soll eine Logik zum Umschalten zwischen Mikrocontroller- und Fernbedienungsbetrieb enthalten. Diese Logik ist entsprechend der gegebenen Rahmenbedingungen zu entwerfen. Die Entwicklung einer geeigneten Schaltung zur Signalaufbereitung der Encoder-Signale ist vorzubereiten. Abschließend sollen erste Programme geschrieben werden, die es dem Fahrzeug ermöglichen, sich in der Umgebung fortzubewegen.

Roboterplattform FTW-TV5 „Rumbler“
Der mechanische Aufbau der Roboterplattform ist eine Entwicklung der Firma SuperDroidRobots Inc. Die ursprüngliche Herstellerbezeichnung des Produktes lautet HD2 Treaded ATR Tank Robot Kit, wobei ATR für All-Terrain Robots steht. Der in der WE4 geläufige Name ist jedoch Rumbler bzw. TV5 (Kette). Wie bereits die Bezeichnung aussagt, handelt es sich bei diesem Objekt um ein Fahrzeug, das anstatt des üblichen Radantriebes einen Kettenantrieb besitzt. Dadurch erreicht das Fahrzeug eine enorme Fahrstabilität und Geländegängigkeit, verliert jedoch an Fahragilität in der Lenkung und an Geschwindigkeit. Die mechanischen Komponenten des in der vorliegenden Arbeit verwendeten Kettenfahrzeugs sind bereits zusammengesetzt. Das Chassis des Fahrzeugs ist aus starkem Aluminium gefertigt. Die Wanne ist vollständig verschweißt, so dass die Möglichkeit besteht, die Plattform nicht nur spritzwassergeschützt sondern auch wasserfest auszubauen. Die Ketten und die Kettenräder bestehen aus einem Gummigemisch und aus PE-UHMW, wobei das Gummi zwischen zwei PE-UHMW Lagen liegt („Sandwich-Prinzip“). Eine weitere Besonderheit ist die ganzheitliche Symmetrie des Fahrzeugs. Es gibt demnach kein Unterschied im Fahrverhalten zwischen Vorwärts- und -Rückwärtsfahrt. Das Fahrzeug wird von vier kohlebürstenbehafteten 24V Gleichstrommotoren der Firma Shayang Ye Industrial Co., Ltd. mit einer Umdrehungszahl von 290rpm angetrieben. Das Kettenfahrzeug bezieht seine elektrische Energie ausschließlich über zwei separate NiMH-Akkumulatoren mit einer Klemmspannung von jeweils 24V. Die Nennspannung einer Zelle betragt 1,2V und ihre „Nennladung“ beziffert sich auf 10.000mAh. Zur Realisierung der geforderten Fernsteuerung des Fahrzeuges wird ein 8-Kanal-Fernlenkset der Firma Graupner GmbH & Co. KG eingesetzt. Es besteht aus der den Sender enthaltenden Fernsteueranlage „Computer System MX-16 iFS“ und dem Empfängermodul „XR-16 iFS“. Die Kommunikation basiert auf der Graupner 2,4GHz iFS-Technologie. Bei dem eingesetzten Prozessorboard handelt es sich um das MCBSTM32 Evaluation Board der Firma Keil Elektronik GmbH/Keil Software Inc. Das Board dient zur Erstellung und zum Testen von neuen Programmen für die STM32F10x Mikrocontroller Familie der Firma STMicroelectronics. Die Kommunikation mit dem Board erfolgt über die ULINK2 USB-JTAG Schnittstelle.


Zusammenfassung
Das Ziel der Diplomarbeit grundlegende elektronische Komponenten für das Roboterfahrzeug zu entwerfen, ist erreicht worden. Die entwickelten Platinen für die Spannungsversorgung und den Mikrocontroller werden den gestellten Anforderungen gerecht. Die Funktionsfähigkeit konnte im praktischen Betrieb nachgewiesen werden. Sämtliche Verbraucher werden mit der nötigen Spannung versorgt. Die betriebliche Sicherheit ist aufgrund der Notausschaltung, die auf alle Notaus-Quellen ordnungsgemäß reagiert, gewährleistet. Das Umschalten zwischen uC- und Fernbedienungsbetrieb ist möglich. Kleine Programme, die auf dem Controller bereits implementiert sind, ermöglichen u.a. die Erzeugung von PWM-Signalen und damit die Ansteuerung der Antriebsmotoren. Zu Demonstrationszwecken kann über zwei Potentiometer die Geschwindigkeit der Vorwärts-/Rückwärtsfahrt und Links-/Rechtsfahrt im Mikrocontrollerbetrieb geregelt werden. Ebenso kann zu Testzwecken der uC-Notaus über einen Taster aktiviert werden. Die entwickelte Hardware sollte nach einer vorherigen Überarbeitung des Layouts durch eine Fremd-Firma nochmals gefertigt werden. Es ist vor allem auf das Wärmemanagement bzw. die Strombelastbarkeit zu achten. Das Basisgerüst zum Experimentieren mit weiteren Sensoren und der Entwicklung weiterer Software steht.

Ausblick
Das Roboterfahrzeug ist noch weit davon entfernt, sich selbstständig im Raum zu bewegen. Nachfolgende Diplom-/Masterarbeiten sollten sich vor allem um die Entwicklung einer Softwarearchitektur für das gesamte Fahrzeug befassen. Dieser Aufgabe sollte eine hohe Priorität zugeordnet werden. Eventuelle Software-Fehlentwicklung können damit vermieden werden. Zeitgleich kann sich eine weitere Arbeit mit dem Anschluss von Sensoren, wie z.B. einem Laser-Sensor, einem GPS-Modul oder einer Funk-Kommunikation (ZigBee, WLAN) beschäftigen. Mögliche Anwendungsbereiche der Roboterplattform sind nicht nur in der Industrie zu suchen, sondern vornehmlich in der militärischen Verwendung. Die Möglichkeit zur Teilnahme an der Military European Land-Robot Trial (M-ELROB) ist denkbar. In der Roboterplattform steckt aufgrund der mechanischen Belastbarkeit viel Potential für weitere Anwendungsbereiche.

 

Malte Ellerbrok (März 2010)

TV5

TV5 Spannungsversorgung