Analoge Steuereinheit für mobile Roboter

Analoge Steuereinheit für
mobile Roboter
 Lötbausatz zum Experimentieren
 Für Fischertechnik Mini-Bots und andere Roboterplattformen (bis 80 mA, für
höhere Ausgangsströme auf Anfrage)
 Vielfältige Schaltungen und Funktionen
 Benötigt keine Programmierung
 Patentierte Sensortechnologie
Einleitung
Wir freuen uns, dass Du Dich für diesen Bausatz
für mobile Roboter entschieden hast. Diese
Steuereinheit eröffnet Dir einen neuen und
spannenden Zugang zu analogen Verstärkerschaltungen. Bestimmt wirst Du damit lange Zeit
Spaß und Abwechslung am Experimentieren und
Tüfteln haben.
Die „Sinneseindrücke“ werden mit Hilfe von
lichtempfindlichen Sensoren gewonnen. Durch
deren besondere Anordnung kann dein Roboter
präzise navigieren und sensibel auf sein Umfeld
reagieren.
Die „Gehirnzellen“ zum Steuern der Motoren
sind vier Operationsverstärker, die über zahlreiche Steckplätze variabel mit Widerständen und
Kondensatoren beschaltet werden können.
Die Experimentierplattform
Die Steuereinheit kann viel:

Überraschende Fahrmanöver durch sensibles
Reagieren auf Licht und Schatten

Fernsteuerung mit Taschenlampen

Folgen von unterschiedlichen Gegenständen

Folgen von dunklen oder hellen Linien

Interaktion mit anderen Robotern via Infrarot-Licht

Ausweichen vor Hindernissen und Vermeiden von Kollisionen

Kombinationen verschiedener Funktionen
Übersicht der Bauteile
1
1
5
6
4
2
1
1
1
4
rote Steuerplatine
Schalter stehend (S2)
Fototransistoren (T1, T2, T3, T4, T5)
IR-LEDs (IR1R - IR3R, IR1L - IR3L)
LEDs 5 mm (L1R, L2R, L1L, L2L)
LED-Fassungen
schwarzes Klebeband
Schrumpfschlauch (3.2 mm)
Sortimentsbox & Schiebedeckel
Dioden
2 Doppeloperationsverstärker (IC1,IC2)
2 Potentiometer 10 MΩ (P1, P2)
10 Widerstandsbrücken 0 Ω
1 Widerstand 4.7 Ω
1 Widerstand 10 Ω
2 Widerstände 47 Ω
6 Widerstände 1 MΩ
6 Widerstände 2.2 MΩ
6 Widerstände 4.7 MΩ
6 Widerstände 10 MΩ
12 Sockel 2-polig
2 Sockel 3-polig
4 IC-Sockel 6-polig
6 IC-Sockel 8-polig
4 IC-Sockel 14-polig
2 Kondensatoren 10 nF
2 Kondensatoren 22 nF
2 Kondensatoren 47 nF
2 Kondensatoren 100 nF
2 Kondensatoren 220 nF
Merke:
IC1 beinhaltet die beiden Operationsverstärker (dreieckige Schaltsymbole) OP1R und OP1L. IC2 beinhaltet OP2R und OP2L. In dieser Anwendung wird jeder Motor von jeweils zwei OPs angesteuert.
4. Setze auf der Rückseite der Platine zwei 3polige und zwei 2-polige Sockel an den markierten Stellen ein und verlöte diese auf der
Oberseite.
5. Die 5 Fototransistoren haben ein transparentes Gehäuse mit einer roten Punktmarkierung
und unterschiedlich langen Beinchen. Die
gewölbten Linsen müssen nach außen gerichtet sein. Verlöte drei dieser Fototransistoren
T1, T3 und T5 an den entsprechenden Markierungen.
6. Löte die Anschlüsse für die Stromversorgung
(Mitte) und die beiden Motoren wie dargestellt auf die Unterseite der Platine. Achte
dabei auf die richtige Polung.
Merke:
Um sich vorwärts zu bewegen, muss die Spannung an MR1 (roter Stecker) größer
als an MR2 (grüner Stecker) sein und
die Spannung an ML1 (grün) muss
niedriger als an ML2 (rot) sein.
Vorbereitung und erste Inbetriebnahme
1. Baue Deinen Fischertechnik Roboter z.B. wie
in diesem Bild dargestellt auf oder verwende
eine andere Roboter-Plattform.
Adaptiere Deinen Mini-Bot, um die Steuereinheit daran zu befestigen. Verbinde die Anschlüsse zu den Motoren.
2. Kürze von den verbleibenden beiden Fototransistoren T2 und T4 (rote Punktmarkierung) die Anschlüsse entsprechend der Abbildung. Löte an die Enden der Fototransistoren
jeweils ein Kabel. Achte auf die richtige Polarität (C -> rot / E -> grün). Löte an das andere
Ende der Kabel jeweils einen 2-poligen Sockel.
Stecke anschließend diese beiden 2-poligen
Sockel in die 3-poligen Sockel der Steuerplatine,
so dass jeweils die zur Mitte gelegene Buchse
frei bleibt und die gewölbten Linsen der Sensoren nach vorne gerichtet sind. Bei der Befestigung der Sensoren am Roboter dürfen sich deren Kontakte nicht berühren. Alternativ können
auch die Fototransistoren von Fischertechnik
verwendet werden.
7. Die in der Abbildung dargestellte Testschaltung bietet Dir die Möglichkeit, die Geschwindigkeiten der Motoren bei Bedarf durch einen
Vorwiderstand anzugleichen. Für diesen Abgleich werden die vier Operationsverstärker
voll ausgesteuert. Nutze die 14-poligen Sockel, um die [+] und [–] Eingänge der OPs
OP1R und OP1L entsprechend der Abbildung
über je einen 1 MΩ Widerstand und eine 0 Ω
Widerstandsbrücke mit der Versorgungsspannung (quadratische Lötpads mit [+] bzw.
[–] Markierung) zu verbinden. Verwende anschließend die 8-poligen Sockel um die [+]
und [–] Eingänge von OP2R and OP2L jeweils
mit einem 10 MΩ Widerstand mit der Versorgungsspannung bzw. den Ausgängen von
OP1R und OP1L zu verbinden.
8. Verbinde entsprechend der Abbildung zunächst beide Motoranschlüsse MR1 und ML1
direkt über je eine 0 Ω Widerstandsbrücke mit
den Ausgängen von OP1R und OP1L. Fährt
dein Roboter nach dem Einschalten eine Kurve, so ersetze die 0 Ω Brücke
vor dem
schnelleren der beiden Motoren durch den
4.7 Ω Widerstand
oder den 10
Ω Widerstand
, so dass der Roboter möglichst exakt geradeaus fährt. Dieser
Widerstand bleibt dann für alle Schaltungen
bestehen.
Merke:
Der rechte Motor dreht vorwärts, wenn die
Spannung am [–] Eingang von OP1R kleiner als
am [+] Eingang ist. Der linke Motor hingegen
dreht vorwärts, wenn die Spannung am [–] Eingang von OP1L größer als am [+] Eingang ist.
OP2R und OP2L invertieren die Ausgangssignale
von OP1R und OP1L, sodass die Motoren in beide Richtungen mit maximaler Geschwindigkeit
drehen können.
Kurze Einführung zum Operationsverstärker
Ein Operationsverstärker (OP) hat einen [–] Eingang, einen [+] Eingang und einen Ausgang
sowie zwei Anschlüsse [+/–] für die Stromversorgung.
Der OP verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen dem [+] Eingang und dem [–] Eingang.
Weil diese Verstärkung jedoch für die meisten
Anwendungen viel zu hoch ist, wird vor den [–]
Eingang ein Widerstand (R1) gesetzt und das
Ausgangssignal Out über einen weiteren Widerstand (R2) an den [–] Eingang zurückgeführt.
Durch die Rückkopplung regelt der OP den Ausgang Out so, dass sich die Spannung am [–]
Eingang jener am [+] Eingang angleicht.
Im Diagramm beträgt die Versorgungsspannung
U = 9 V.
Die Signale In+, In– und Out der Verstärkerschaltung sind als Spannungspfeile bezogen auf GND
(0 V) dargestellt und stehen über den roten
Balken in Zusammenhang. Beispielsweise ergibt
sich für die Eingangsspannungen In– = 6 V und
In+ = 5 V die Ausgangsspannung Out = 3 V. Die
horizontale Lage des Pfeiles In+ ist durch das
Verhältnis der Widerstände R2/R1 (2MΩ/1MΩ)
festgelegt und bestimmt die Verstärkung A der
Schaltung folgendermaßen:
a) Wird In– z.B. um 1 V erhöht (und In+ konstant
gehalten), so verringert sich Out um 2 V. In
diesem Fall ergibt sich eine negative Verstärkung A = –R2/R1 = –2. Diesen Zusammenhang
wirst Du nun gleich beim „Lichtfolger“ nutzen.
b) Bleibt jedoch In– konstant und wird stattdessen In+ um 1 V erhöht, so erhöht sich Out
um 3 V. Die Verstärkung A = 1+R2/R1 = 3 ist
nun positiv. Diesen Zusammenhang wirst Du
später für den „Linienfolger“ nutzen.
Für weitere Informationen über die Funktionalität der Steuereinheit lese bitte die Anleitung zum Roboter tibo oder unsere Blog-Artikel:
variobot.com/downloads
variobot.com/blog
Wie baut man einen Lichtfolger
Diese Schaltung lässt deinen Roboter mit Hilfe
der drei Sensoren T1, T3 und T5 autonom navigieren. Die beiden Sensorsignale InR und InL
steuern über OP1R bzw. OP1L jeweils einen der
Motoren (rundes Schaltsymbol). OP2R und OP2L
invertieren diese Motorsignale nach einer kurzen Verzögerung (abhängig vom 220 nF Kondensator), um die Rotationsrichtung der Motoren zu wechseln. Da die Steuerung immer auf
relative Lichtverhältnisse reagiert, findet sich
diese bei unterschiedlich starker Beleuchtung
zurecht, ohne selbst Licht aussenden zu müssen.
1. Adaptiere die Schaltung entsprechend dem
Schaltplan (2M2 bedeutet 2.2 MΩ, 220n bezeichnet die beiden 220 nF Kondensatoren).
Zur einfachen Orientierung sind alle Steckplätze durch Buchstaben von A bis E und Ziffern von 1 bis 8 gekennzeichnet. Kontrolliere
zur Sicherheit, ob die Komponenten entsprechend dem Schaltplan durch die Leiterbahnen
der Platine verbunden sind.
2. Stelle das Potentiometer (Poti) P1 mit Hilfe
eines kleinen Schraubendrehers zunächst in
die Mittelstellung auf etwa 5 MΩ.
3. Beobachte, wie sich dein Roboter verhält.
Justiere wenn nötig den relativen Lichteinfall
der Sensoren, indem Du diese z.B. mit Fischertechnikbausteinen abschattest.
Dreht dein Roboter z.B. meistens nach rechts
(der rechte Motor dreht rückwärts), so bekommt
der rechte Sensor T5 zu viel Licht. Schatte also
T5 etwas ab. Fährt er gar nicht vorwärts, obwohl
er freie Bahn hat, so schirme sowohl T1 wie
auch T5 etwas mehr ab. Aber nicht zu viel! Sonst
wird dein Roboter blind.
4. Beobachte nun, wie der Roboter auf Licht und
auf verschiedene Hindernisse reagiert. Welche Rolle spielt die Helligkeit und die Größe
der Hindernisse? Welchen Einfluss hat das Poti P1?
Wird P1 verringert (Poti nach links gedreht), so
tendiert der Roboter dazu, rückwärts zu fahren
bzw. die Fahrtrichtung zu wechseln. Wird P1
erhöht, so fährt er eher vorwärts und dreht evtl.
weniger stark.
5. Teste unterschiedliche Verstärkungen und
Dämpfungen, indem Du die Widerstände R(D7)
bzw. die Kondensatoren C(D8) variierst.
Wie baut man einen Linienfolger
Mit dieser Schaltung kannst Du Deinen Roboter
eine dunkle oder helle Linie folgen lassen. Die in
Reihe liegenden Sensoren T2 und T4 liefern das
Spannungssignal InM, welches durch OP1R und
OP1L verstärkt wird und beide Motoren ansteuert.
1. Adaptiere die Schaltung entsprechend dem
Schaltplan. Für maximale Geschwindigkeit
stelle das Poti P2 ganz nach Links auf 0 MΩ.
2. Verwende einen hellen Untergrund mit
gleichmäßiger und ausreichend starker Beleuchtung von oben. Achte darauf, dass kein
unmittelbares Licht die Sensoren beeinflusst.
3. Klebe mit dem schwarzen Isolierband eine
gewünschte Fahrspur auf den Untergrund.
4. Setze den Roboter auf die Linie.
5. Fährt er nicht in der Mitte der Spur, so kannst
Du T2 und T4 abgleichen. Fährt der Roboter
z.B. zu weit rechts auf der Linie oder verlässt
diese gar, so bekommt der linke Sensor T2
zu viel Licht. Schirme diesen etwas ab, indem Du den roten 5 mm Baustein etwas
mehr davor schiebst.
6. Justiere mit P2 die Geschwindigkeit des Roboters.
7. Teste, wie er sich bei unterschiedlich breiten
Linien, Kreuzungen oder Abzweigungen verhält.
8. Teste unterschiedliche Verstärkungen und
Dämpfungen, indem Du die Widerstände
R(A6), R(B7), R(D7 oder die Kondensatoren
C(E8) variierst.
9. Die beiden zusätzlichen 4.7 MΩ Widerstände
R(D3) bewirken eine Geschwindigkeitsreduktion beider Motoren, sobald der Roboter seine Richtung ändert. Teste, wie es ohne diese
beiden Widerstände funktioniert.
10. Lasse ihn, anstatt Linien zu folgen, kleine
dunkle Gegenstände vor sich her schieben.
11. Platziere T2 und T4 auf den inneren Steckplätzen der entsprechenden 3er-Sockel, um
Deinen Roboter einer hellen Linie (z.B. Papierstreifen) auf dunklem Untergrund folgen
zu lassen.