Entwicklung einer Roboterplattform (FTW-4WD3)

Entwicklung einer Roboterplattform (FTW-4WD3)

Diplomand: Christian Modenhauer (Dez 2006)

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Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung der Diplomarbeit war es, die Entwicklung eines vierradgetriebenen Roboterfahrzeugs zu realisieren. Im Englischen wird das Antriebskonzept auch als „Four-Wheel-Drive“ (4WD) bezeichnet. Dazu mussten umfassende Arbeiten zur Auswahl der Hardware und deren Dimensionierung sowie zur Positionierung ausgeführt werden. Es musste die Software, zur Steuerung der entsprechenden Hardwaremodule, geschrieben und implementiert werden. Letztendlich soll die implementierte Steuersoftware es ermöglichen, dass sich der Roboter autonom im Raum oder im freien Gelände bewegen kann. Vor allem soll der Roboter die Wand verfolgen, um somit durch ein Labyrinth oder durch die Gänge eines Gebäudes zu finden.

Realisierung

Der Roboter besteht aus Überresten eines alten Modellautos. Während der dreimonatigen Entwicklung des Fahrzeugs wurden zusätzliche Komponenten an- bzw. eingebaut, aber auch einige entfernt. Bereit bei den ersten Fahrversuchen stellte sich heraus, dass der verbaute Lenkservo ein zu geringes Drehmoment aufbrachte. Ein Lenken im Stand war nicht möglich. Somit wurde gleichzeitig die Manövrierfähigkeit eingeschränkt, da erst nach einigen Zentimetern Fahrt der volle Lenkeinschlag gegeben war. Der alte Lenkservo wurde durch den Servo HS-5955TG ausgetauscht. Dieser verfügt über ein extrem hohes Drehmoment. Mit der Erhöhung des Drehmoments musste ebenfalls die Lenkstange getauscht werden, weil diese sich durchbog. Zusätzlich musste für den HS-5955TG ein eigener Spannungsregler implementiert werden, da die zuvor genutzt Spannungsquelle unter der Last des Servo zusammen brach. Der entwickelte Roboter FTW-4WD3 wird durch den Prozessor XC161CJ von der Firma Infineon gesteuert. Zur Erstellung der Software wurde Keil µ Vision 3 der Firma Keil als Umgebungsentwicklung genutzt. Die gesamte Programmierung der Projektsoftware erfolgte in der Programmiersprache „C“. Im Projekt ermöglichen die Sensoren dem Roboter seine Umwelt quantitativ in einer physikalischen Messgröße wahrzunehmen. Sie werden eingesetzt, um den Abstand zu einem Hindernis zu ermitteln und den Messwert für eine Verarbeitung durch die CPU bereitzustellen. Der I²C-Bus stellt bildlich gesprochen die Nervenbahnen unseres Roboters dar. Den der I²C-Bue ermöglicht es uns die verbauten Sensoren und Aktoren anzusprechen und z.B. Messwerte oder Daten von ihnen zu erhalten. Beim den ersten Test des Roboters kann es ständig, beim Anlaufen der Motoren, zum Zusammenbruch des I²C-Busses. Der Grund waren Störungen, welche von den Motoren ausgingen und letztendlich ein versagen der Buskommunikation zur folge hatten. Neben der Entstörung beider Motoren mittels Kondensatoren konnte hier durch den Einbau von Serienwiderständen an der Takt- und Datenleitung der Busknoten eine deutliche Verbesserung erzielt werden. Mit dem Einbau der Serienwiderstände lief der Bus stabil und ein Zusammenbruch der Kommunikation war nicht mehr gegeben.

Ausblick

Aktuell wird das Fahrzeug durch die Statemachine manövriert, welche die gemessenen Entfernungen kontinuierlich auswertet und somit in die entsprechende States wechselt. Es hat jedoch keine Informationen von wo es kommt und es hat kein konkretes Ziel, welches erreicht oder angesteuert werden soll. Würde sich das Roboterfahrzeug in einem Raum befinden, der geschlossen ist, wäre aufgrund der Statemachine eine Kreisfahrt entlang der Wand die Folge. In einem zukünftigen Projekt wäre hier die Implementierung eines Systems von Vorteil, mit welchem ein konkreter Zielpunkt angesteuert werden kann. Ich denke hier vor allem an ein GPS-System.

Christian Moldenhauer, Dezember 2006 

FTW-4WD3 Bild01

FTW-4WD3 Bild02

FTW-4WD3 Bild03