Entwicklung einer Roboterplattform (FTW-2WD)

Entwicklung einer Roboterplattform (FTW-2WD)

Diplomand: Daniel Bornhofen, März 2006

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Aufgabenstellung:

Die Aufgabenstellung der Diplomarbeit war die Entwicklung einer Roboterplattform. Diese sollte als zweiradgetriebenes Fahrzeug (im Englischen 2-wheel-drive (2wd)) realisiert werden. Hierzu waren nur Hardware-Module (Motorcontroller und Sensoren) zu verwenden, die über einen entsprechenden I2C-Anschluss verfügen. Die Programmierung von Steuerprozessen für die Kommunikation mit diesen Modulen war ein anderer Teil der Aufgabe. Des Weiteren sollte eine Software geschrieben werden, die es, unter Verwendung der zuvor erstellten Routinen, ermöglichen sollte, den Roboter autonom im Raum bewegen zu lassen.

Durchführung:

Als Grundfahrzeug für den FTW-2WD1-1 (Bild 1) dient der „Rodeo-Ranger“ der Firma Peg-Perego. Im Gegensatz zu anderen Roboterplattformen, die etwa als Insekt oder als Kettenfahrzeug realisiert werden, verhält sich dieses Fahrzeug wie ein normales KFZ. Die Bewegungsabläufe eines solchen Gefährts sind bekannt und mussten nicht erst erforscht werden. Nachteilig bei Fahrzeugen dieses Typs ist, dass sie viel Raum zum Rangieren benötigen.

Um die später verwendete Elektronik besser im Fahrzeug unterbringen zu können, wurden einige Anbauteile wie Motorhaube, Überrollbügel und Sitzbank abgebaut, unnütze Design-Accessoires entfernt. Da das Fahrzeug im ersten Entwurf mit acht Ultraschall-Sensoren ausgestattet werden sollte, ist um das Fahrzeug ein kompletter I2C-Bus aufgebaut. Dieser ist so eingerichtet, dass auch später noch die Möglichkeit besteht, andere I2C-Module problemlos an diesen anzuschließen.

Die rein mechanische Lenkung des Basisfahrzeugs ist im Zuge der Diplomarbeit durch eine elektromechanische ausgetauscht worden. Dazu wurde ein Scheibenwischermotor (Servo- und Schrittmotoren erwiesen sich als zu schwach) in die Roboterplattform eingesetzt. Mit der im Bild 2-4 dargestellten Konstruktion wird die Drehbewegung des Motors in eine Hebelwirkung der Spurstange umgesetzt. Dieser mechanische Aufbau hat den Vorteil, dass im Fall einer Fehlfunktion der Motor keinen Schaden anrichten kann. Sollte die Kommunikation zwischen Mikroprozessor und dem Motorcontroller abbrechen, beginnt die Vorderachse mit „Wischbewegungen“, eine mechanische Zerstörung findet nicht statt. Gravierender Nachteil eines solchen Gleichstrommotors ist die Feststellung der aktuellen Position. Um eine zuverlässige Positionsbestimmung der Spurstange zu ermöglichen, musste zusätzlich ein Drehwinkelsensor eingesetzt und auf einen Analog-Digital-Converter zurückgegriffen werden. Erst mit dieser Maßnahme sind bestimmte Lenkbewegungen möglich. Nachdem die hardware-spezifischen Probleme gelöst waren, wurde ein Programm zur Steuerung dieser Roboterplattform entwickelt. Schwerpunkt dabei bildete die Erkennung der Umgebung. Aufgrund des großen Wendekreises des Fahrzeugs (ca. 4m) müssen Hindernisse, denen ausgewichen werden muss, schon in 2m Entfernung sicher erkannt werden. Mit der erstellten Software ist der FTW-2WD1-1 in der Lage, sich autonom im Raum zu bewegen. Die bevorzugte Richtung des Roboters ist die Fahrt geradeaus. Treten Hindernisse auf, so erkennt er diese und weicht ihnen aus. Sobald möglich fährt das Fahrzeug wieder geradeaus. Ist ein Umfahren nicht möglich, so setzt die Plattform zurück. Aussichten: Dieses Fahrzeug ist für die Implementierung weiterer Funktionen, wie etwa der GPS-Navigation, geeignet. Die Belastung des Fahrzeugs mit bis zu 50kg prädestiniert es, viel Equipment mitzuführen. Dabei ist an Video- sowie Wärmebildkameras, Gassensoren, Greifarme usw. zu denken. Somit steht dieser Roboter als Plattform für eine Vielzahl von Anwendungen zur Verfügung.

Daniel Bornhofen, März 2006