Erweiterungen an der Roboter-Hardware

Inhaltsübersicht

Externe Stromversorgung
Spannungsregelung
Akku-Packs
Zusatzgewicht
Handgriff mit Reset-Taster und Blitzableiter
Zusätzliche digitale Ausgänge
Entfernungsmessender Sensor Sharp GP2D02
Magnet
Reflexlichtschranke

Da der Betrieb mit Batterien oder Akkus speziell bei der Programmentwicklung nicht praktikabel ist , wurde eine Möglichkeit zur externen Stromversorgung geschaffen. Das serielle Datenübertragungskabel wurde einfach um zwei spannungsführende Adern erweitert, so daß kein seperates Stromversorgungskabel nötig ist (kein Kabelsalat!). Standardmäßig werden von der 6-poligen Western-Buchse nur vier Anschlüsse benötigt (TxD, RxD, 2xGND). Um kompatibel mit dem bisherigen Anschlußschema zu bleiben, haben wir die beiden äußeren Kontakte der Westernbuchse ergänzt und führen hierüber eine Versorgungsspannung von +12V zu.



Da die stehende Ausführung einer 6-poligen Western-Buchse nur schwer zu bekommen ist, haben wir einfach die vorhandene Buchse um zwei Kontakte erweitert. Anhand der vorhandenen Anschlüsse kann die Position der Bohrungen für die zusätzlichen Kontakte recht genau bestimmt werden, und bei den Boards Rev. 3.0 (8/93) und 3.1 (6/95) liegen dort auch keine Leiterbahnen. Die Kontakte lassen sich leicht aus einer neuen Western-Buchse entfernen und in die vorhandene Buchse integrieren. (Es ist jedoch unbedingt darauf zu achten, daß sie lang genug sind!)

Diese zusätzlichen Anschlüsse werden nun für die externe Stromversorgung mit 12V genutzt; es ist also ein sechspoliges Western-Kabel zu verwenden. Auf der Unterseite der Platine werden die beiden neuen Kontakte mit dem Pluspol des Steckers für die Motorenstromversorgung verbunden. Das sechspolige Western-Kabel wird auf der einen Seite mit einem entsprechendem 6-poligen Western-Stecker versehen und auf der anderen Seite wird ein 9- oder 25-poliger Sub-D-Stecker angelötet. Hierbei ist zu beachten, daß auf dieser Seite des Western-Kabels eine weitere Kabelverbindung mit einem (Stecker-)Netzteil mit min. 1A Belastbarkeit hergestellt wird (s. Zeichnung). Kabellängen bis zu 10m sind möglich und Störungen der seriellen Übertragung sind ebenfalls nicht beobachtet worden.

Um nicht nur die Motoren, sondern auch die Elektronik über die externe Stromversorgung zu betreiben, ist ein Spannungsregler nötig. Die einfache Schaltung ist der Zeichnung zu entnehmen. Der Spannungsregler wird dann mit geeigneten Steckkontakten (z.B. bei Conrad als LED/Stecker-Set, 978744-99 erhältlich) versehen zwischen Motorstromversorgung und Elektronik geschaltet.

Sinnvollerweise werden anstelle der mitgelieferten Batterie-Packs Akku-Packs (z.B. Conrad 255670-99) verwendet. Es sind jeweils fünf Mignon-Zellen mit insgesamt 6V zu verwenden. Diese werden mit Kabeln und Steckkontakten versehen und in Schrumpfschlauch verschweißt.

Schrumpfschlauch ist ohnehin ein wertvolles Hilfsmittel bei der Arbeit mit dem Rug Warrior, insbesondere auch zum Isolieren von Lötverbindungen. Die Anschaffung einer Heißluftpistole ist daher "wärmstens" zu empfehlen.

Die vollgeladenen Akkus reichen etwa eine Stunde für die Motoren (je nach Fahrweise) und bis zu sieben Stunden für die Elektronik. Mit einem modernen Schnelladegerät (z.B. Conrad CCS-Lader, 197769-99) und drei Akku-Packs läßt sich also ein ganztägiger autarker Betrieb gewährleisten.

Die Konstruktion des Rug Warriors hat einen gravierenden Nachteil: Durch die vor der Antriebsachse montierten Motoren liegt der Schwerpunkt ebenfalls vor dieser Achse. Die Lage der Batterien gleicht dies zwar teilweise aus, jedoch fällt der Roboter beim Bremsen faßt immer "auf die Nase".

Dieser Effekt kann durch eine kleine Stahlplatte mit den Maßen 50x70x2mm, die mit doppelseitigem Klebeband an der Grundplatte unter den Akkus befestigt wird, behoben werden. Die etwa 100g schwere Platte ist auf einer Seite mit einer Kerbe zu versehen, damit sie die Kabaldurchführung der Motoren nicht abdeckt.

Da der Rug Warrior sich auf Anhieb nicht immer wie erwartet verhält, ist zum "Abfangen" und zum allgemeinen Transport die Montage eines Handgriffes sinnvoll. Dieser sollte aus hinreichend stabilem Material (z.B. Stahlblech) bestehen. Alternativ ist auch die Montage eines Schubladengriffes möglich, wie man ihn in jedem Baumarkt findet.

Die Konstruktion aus Stahlblech bietet jedoch den Vorteil, daß man hier leicht einen zusätzlichen Reset-Taster integrieren kann, da der auf der Platine befindliche Reset-Knopf unter der Schürze nur schwer zu erreichen ist. Es genügt hierfür ein einfacher zweipoliger Taster, der parallel zum vorhandenen angelötet wird (am besten steckbar!).

Der metallene Handgriff läßt sich auch sehr gut als "Blitzableiter" benutzen. Je nach Umgebungsbedingungen und Bodenbelag, gefährden statische Aufladung von Personen die Mikroelektronik des Roboters. Dies läßt sich durch eine Verbindung von Handgriff und Masseleitung möglichst nahe der Western-Buchse über einen 100 kOhm Widerstand vermeiden. (Der Widerstand sollte nicht kleiner gewählt werden, damit der oder die Betroffene nicht zu sehr leiden muß.)

Der Rug Warrior verfügt zwar über einige digitale sowie analoge Eingänge, jedoch fehlen ihm weitere Ausgänge, und ein Roboter ohne spezielle Aktuatoren, der lediglich in der Gegend umherfährt kann zwar ganz erheiternd sein, wirkt aber doch etwas nutzlos. Zur Ansteuerung weiterer Aktuatoren sind wenigstens digitale Ausgänge nötig. Die einfache Realisierung eines digitalen 8-bit Ports, welche ohne explizite Adressdekodierung auskommt, ist dem folgenden Schaltplan zu entnehmen. Mit einer kleinen C-Routine lassen sich die einzelnen Bits des Ports ein- und ausschalten.





Die Output-Elektronik wurde auf einem Lochrasterfeld aufgebaut, welches über den Expansion Port an den Rug Warrior angeschlossen ist. Hierfür wurde auch eine Änderung der Steckerbelegung des Expansion Ports vorgenommen, um auch die Motorversorgungsspannung an dem Port zur Verfügung zu stellen.

Die Sensorik des Rug Warriors ist in der Basisversion recht eingeschränkt. Insbesondere fehlt ein berührungsloser Entfernungssensor, der nicht nur das Vorhandensein eines Hindernisses anzeigt, sondern auch dessen Abstand bestimmen kann. Zu diesem Zweck wurde an der Frontseite des Rug Warriors ein Infrarot Sensor GP2D02 der Firma Sharp angebracht.

Er ist in der Lage, Objekte in einem Bereich von etwa 8 - 80 cm zu detektieren und eine Schätzung des Abstandes vorzunehmen. Die Auflösung liegt im Nahbereich bei etwa 1 cm und fällt mit zunehmender Entfernung auf ca. 10 cm ab. Das dabei angewandte Verfahren ähnelt einer Triangulation, wobei als Empfänger ein sogenanntes Position Sensitive Device (PSD) eingesetzt wird.

Trotz des günstigen Preises von ca. 30 DM, sind die Meßergebnisse bei geeigneter Umgebung recht gut. Die Reflektivitaet der zu erfassenden Objekte hat einen begrenzten Einfluss auf die ermittelten Entfernungen. Uns kommt ferner zugute, dass wir eine künstliche Umgebung mit gleichbleibend weißen Wänden verwenden. Der Meßwinkel zum Objekt spielt nur eine sehr kleine Rolle. Auch kommt es im Praktikum nur auf das Erkennen von (größeren) vertikalen Strukturen an, so daß wir den Sensor senkrecht angebracht haben und so eine sehr gute horizontale Auflösung erhalten, wenn er sich mit dem Roboter dreht. (Wichtig: es kommt darauf an, dass der Sensor "richtig herum" montiert wird, da die vertikale Meßkeule unsymmetrisch ist und man typischerweise nicht den Boden des Testfeldes erfassen möchte!)




Obige Abbildungen zeigen die Abhängigkeit des gelieferten Meßwertes von der tatsächlichen Entfernung (links), sowie einen realen "Sector-Scan" (rechts), welcher durch Drehung des Roboters auf der Stelle aufgenommen wurde. Anhand solcher Scans nimmt der Roboter seine Umgebung wahr und ist zum Beispiel in der Lage im Wettbewerb Getränkedosen aufzuspüren.

Der Sensor kann 10-15 Messungen pro Sekunde durchführen und liefert die gemessene Entfernung als synchrones 8-Bit Datenpaket an den Mikrocontroller zurück. D.h. der Sensor bekommt vom Mikrocontroller einen Takt vorgegeben, mit dem die Messung gestartet und nach einer Pause von 70 ms das Datenwort auf der Ausgangsleitung ausgegeben wird. Zur Kommunikation wird - über einen Spannungsteiler- einer der acht digitalen Ausgänge des Expansion Boards sowie ein digitaler Eingang verwendet. Aungesprochen wird der Sensor sinnvollerweise mit Hilfe einer kleinen Assembler-Routine, welche von den C-Programmen aufgerufen wird.

Weitere Informationen über den Sensor sind der Zeitschrift Electronic Actuell Magazin (EAM) 1/93 oder den technischen Spezifikationen der Frima Sharp (pdf-Datei, 50k) zu entnehmen. Vertrieben wird das Bauteil durch die Eurodis Enatechnik GmbH und neuerdings auch über Conrad-Electronic unter der Bestellnummer 18 53 29-76.

Die Funktion des Sensors läßt sich leicht mit einem C-Programm und dem Anschluß an die parallele Schnittstelle eines Standard-PCs überprüfen.

Im Praktikum wird der oben beschriebene Entfernungssensor u.a. zum Erkennen von Cola-Dosen benutzt. Nun ist das Suchen nach Cola-Dosen natürlich schon eine recht interessante Aufgabe, nutzbringend ist die Arbeit aber nur dann, wenn der Rug Warrior die gefundenen Dosen einsammelt und zu einer Sammelstelle transportiert. Was liegt näher als hierfür einen Magneten zu verwenden, vorausgesetzt es handelt sich um Dosen aus Weißbleck und nicht aus Aluminium!

Die einfachste Möglichkeit besteht darin, einen Permanentmagneten zu verwenden; für Bastler bietet sich die Möglichkeit eines ein- und ausschaltbaren Elektromagneten, es ist allerdings zu beachten, daß dieser zusätzlich recht viel Strom verbraucht. Ein weiterer digitaler Ausgang und ein Treiber-Transistor, der den Magneten aus der Motorenstromversorgung speist, ermöglichen dies. Der Magnet wird hinten an der Schürze angebracht: entweder direkt aufgeklebt oder ebenfalls in einer auszuschneidenden Öffnung versenkt. Es ist unbedingt darauf zu achten, daß der Magnet stark genug ist, um Dosen z.B. auch über einen rauhen Linoleumfußboden zu ziehen.

Im Praktikum werden inzwischen Magnetschnapper als Permanentmagnete verwendet. Die zuerst benutzten Fischertechnik-Elektromagnete konnten die Dosen nur mühsam halten und hatten darüberhinaus einen hohen Stromverbrauch - dafür konnten sie ein- und ausgeschaltet werden.

Hat der Rug Warrior eine Dose gefunden und steht diese dann vor ihm, kann er sich natürlich auf "gut Glück" um 180° drehen und "hoffen", daß diese an seinem Magneten hängengeblieben ist... Besser wäre es natürlich, zu wissen, ob die Dose überhaupt aufgenommen wurde und während der Fahrt nicht verloren geht! Dieses Problem läßt sich mittels einer oberhalb des Magneten befestigten Miniaturreflexlichtschranke (CNY-70) lösen, welche über einen analogen Eingang abgefragt wird. Es ist unbedingt zu beachten, daß der Phototransistor der Lichtschranke mit einem Tageslichtfilter versehen sein sollte, weil es ansonsten leicht zu Fehlmessungen kommen kann, obwohl dies in der entsprechenden C-Routine bereits berücksichtigt wird.

Wird kein Permanent-, sondern ein Elektromagnet verwendet, so ist es sinnvoll, die IR-Diode der Lichtschranke mit dem Elektromagneten in Reihe zu schalten (über einen parallel zur Diode geschalteten Widerstand). Dadurch kann vermieden werden, doppelt Strom zu verbrauchen (die IR-Diode benötigt alleine bereits 30mA, der Magnet ca. 100mA!). Durch die Serienschaltung lassen sich beide Komponenten mit nur 100mA betreiben.

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