Abschlussbericht Final Version

Technische Universität Berlin
Institut für Elektrotechnik
Abschlussbericht
- Der Roboter -
Projektlabor
SoSe 2004
Inhaltsverzeichnis
1
Allgemeine Projektbeschreibung_________________________________________ 8
2
Spannungsversorgung des Roboters _____________________________________ 9
2.1
Einleitung ___________________________________________________________ 9
2.2
Blockschaltbild Versorgungssystem_____________________________________ 10
2.3
DC/DC-Wandler ____________________________________________________
2.3.1
Der Schmitt-Trigger_______________________________________________
2.3.2
Technische Daten_________________________________________________
2.3.3
Schaltbild DC/DC-Wandler _________________________________________
2.4
Kurzschlusssicherung ________________________________________________ 15
2.5
Ladeeinheit _________________________________________________________ 17
2.6
Temperaturüberwachung _____________________________________________
2.6.1
Temperaturmessung (Widerstandsthermometer) ________________________
2.6.1.1 NTC _________________________________________________________
2.6.1.2 PTC _________________________________________________________
2.6.1.3 PT100________________________________________________________
2.6.1.4 Technische Daten des verwendeten PT100 ___________________________
2.6.1.5 Widerstandstabelle für PT100-Sensoren _____________________________
nach DIN EN 60751 für den Temperaturbereich von -80°C bis +130°C ____________
2.6.1.6 Schaltbild der Ladeeinheit mit Temperaturüberwachung ________________
2.7
3
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Verwendeter Akkutyp ________________________________________________ 22
Zentrale Steuereinheit des Roboters__________________________________________ 23
3.1
Theorie/Konzepte____________________________________________________ 23
3.2
Gruppenarbeit ______________________________________________________ 24
3.3
Beschreibung _______________________________________________________ 26
3.4
Schaltpläne/ Beschreibung der Schaltpläne ______________________________
3.4.1
Priorität von Folge- und Ausweichsensorik (P FS/AS) ____________________
3.4.2
Priorität von Druck- und Ultraschallsensoren (PA)_______________________
3.4.3
Ausweichalgorithmus Drucksensoren (DA) ____________________________
3.4.4
Ausweichalgorithmus Ultraschall (USA) ______________________________
3.4.5
Antriebsteuerung (ANS) ___________________________________________
4
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14
14
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28
31
33
36
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3.5
Technische Daten/Bauteile ____________________________________________ 38
3.6
Bedienungsanleitung für die Platine der ZSE. ____________________________ 43
Antrieb des Roboters ___________________________________________________ 46
4.1
Teilnehmerliste für den Antrieb ________________________________________ 46
4.2
Projektbeschreibung Antrieb: _________________________________________ 46
4.2.1
Entwickelte Skizzen: ______________________________________________ 47
4.2.2
Dimensionierung der Motoren: ______________________________________ 48
4.3
Anfahrsteuerung ____________________________________________________ 49
4.3.1
Logikschaltung___________________________________________________ 49
4.3.2
Vorwärts und Rückwärts fahren _____________________________________ 60
4.4
Ansteuerung der Befehle von der zentralen Steuereinheit: __________________ 66
2
4.5
Bedienungsanleitung: ________________________________________________ 67
4.5.1
Wartung: _______________________________________________________ 67
4.5.2
Gerätespezifikation, technische Daten_________________________________ 67
4.6
4.7
Funktionsweise eines Gleichstrommotors ________________________________
4.7.1
Permanenterregte Gleichstrommotoren ________________________________
4.7.2
Zusammenhang zwischen Drehzahl und Stromaufnahme__________________
4.7.3
Zusammenhang zwischen Leistung, Drehmoment und Stromaufnahme ______
4.7.4
Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Stromaufnahme______________
4.7.5
Ermittlung der Kenngrößen _________________________________________
4.7.6
Messwerte zur Ermittlung der Kenngrößen: ____________________________
4.7.7
Mittelwert für die Maschinenkonstante c: ______________________________
4.7.8
Maximales Drehmoment des Motors Mmax ____________________________
70
71
72
72
72
73
74
75
75
4.8
Getriebe____________________________________________________________
4.8.1
Berechnungen von Getrieben: _______________________________________
4.8.2
Mehrstufige Getriebe: _____________________________________________
4.8.3
Das Drehmoment _________________________________________________
4.8.4
Unser Getriebe: __________________________________________________
75
75
77
77
78
4.9
5
Bestückungsliste der Antriebsgruppe ___________________________________ 68
Reflexion der Gruppenarbeit und des Labors ____________________________ 78
Folge Sensorik des Roboters ____________________________________________ 80
5.1
Unsere Idee _________________________________________________________ 80
5.2
Die technischen Vorraussetzungen______________________________________ 80
5.3
Die Festlegung der Sensortechnik ______________________________________
5.3.1
Ultraschall ______________________________________________________
5.3.1.1 Erklärung _____________________________________________________
5.3.1.2 Vor- und Nachteile von US _______________________________________
5.3.2
Infrarot _________________________________________________________
5.3.2.1 Erklärung _____________________________________________________
5.3.2.1.1 Nutzbarkeitsstudie ___________________________________________
5.3.2.2 Vor und Nachteile von Infrarot ____________________________________
5.3.3
Abschlussbetrachtung _____________________________________________
81
81
81
82
82
82
83
83
84
5.4
Die theoretische Umsetzung der Schaltung _______________________________ 84
5.5
Das Block-Schaltbild _________________________________________________ 84
5.6
Der Sender _________________________________________________________ 85
5.6.1
Bauteile ________________________________________________________ 86
5.7
Der Empfänger______________________________________________________ 89
5.7.1
Bauteileliste der Empfängereingangsstufe mit ungefährem Anschaffungspreis _ 90
5.8
Die Verstärker und Pässe _____________________________________________ 92
5.8.1
Bauteile ________________________________________________________ 97
5.9
Die Logik___________________________________________________________ 99
5.9.1
Bauteile _______________________________________________________ 101
5.9.1.1 Frontplatte ___________________________________________________ 101
5.10
Die Schnittstellen ___________________________________________________ 102
5.11 Reflexion der Gruppenarbeit _________________________________________ 103
5.11.1
Teilnehmer Liste ________________________________________________ 103
3
5.12
6
Fotos _____________________________________________________________ 104
Ausweichsensorik _____________________________________________________ 109
6.1
Gruppenmitglieder und Gruppenarbeit der Ausweichsensorik _____________ 110
6.2
Aufgabenbeschreibungen ____________________________________________ 110
6.3
Die Entstehung des Sensorik-Konzepts _________________________________ 111
6.4
Die Drucktaster ____________________________________________________ 111
6.5
Ultraschallsensorik _________________________________________________ 112
6.6
Aufbau- und Abgleichungsanleitung ___________________________________ 113
6.6.1
Abgleichen der Schaltung (für einen Ultraschallsensor): _________________ 113
6.7
Test- und Simulationsergebnisse ______________________________________
6.7.1
Ultraschallsensoren:______________________________________________
6.7.2
Drucksensoren: _________________________________________________
6.7.3
Komplette Schaltung:_____________________________________________
6.8
Erklärung des Blockschaltbildes ______________________________________ 116
6.9
Schnittstellen ______________________________________________________ 117
6.10 Bauteilliste ________________________________________________________
6.10.1
Ultraschall-Schaltung je 3-mal: __________________________________
6.10.2
Drucktaster und Auswertunglogik: __________________________________
6.10.3
Schmitt-Trigger je 3mal:________________________________________
6.10.4
Platine: ________________________________________________________
7
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114
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115
119
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119
120
6.11
Anleitung, Wartung und technische Daten ______________________________ 120
6.12
Zusammenfassung __________________________________________________ 120
Anhang ______________________________________________________________ 122
7.1
Anhang Gruppe 3 (Antrieb) __________________________________________ 122
7.2
Anhang Guppe 5 (Ausweichsensorik) __________________________________ 125
4
Abbildungsverzeichnis
Spannungsversorgung des Roboters
Abbildung G1_1: Schmitt-Trigger ________________________________________________
Abbildung G1_2: Schaltbild DC/DC-Wandler ______________________________________
Abbildung G1_3: Operationsverstärker ___________________________________________
Abbildung G1_4: Schaltung für die Ladeeinheit _____________________________________
Abbildung G1_6: NTC Widerstand _______________________________________________
Tabelle G1_1: Widerstandstabelle für PT100-Sensoren _______________________________
Abbildung G1_7: Schaltbild der Ladeeinheit _______________________________________
Tabelle G1_2: Betrachtete Akkumulatoren _________________________________________
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Gruppe der Zentralen Steuereinheit
Abbildung G2_1: Marcus bei der Arbeit 1 _________________________________________
Abbildung G2_2: Marcus bei der Arbeit 2 _________________________________________
Abbildung G2_4: Prinzipieller Aufbau der Priorität von Folge- und Ausweichsensorik ______
Abbildung G2_5: Realisierung P FS/AS ___________________________________________
Abbildung G2_6: Schaltplan P FS/AS _____________________________________________
Abbildung G2_7: Simulationsergebnis Schaltung P FS/AS ____________________________
Tabelle G2_1: Simulationstabelle Schaltung P FS/AS ________________________________
Abbildung G2_8: Prinzipieller Aufbau der Priorität von Druck und Ultraschall ___________
Abbildung G_9: Schaltung PA __________________________________________________
Abbildung G2_10: Realisierung eines Druckausweich- Algorithmusses __________________
Abbildung G2_11: Ablauf der Signale_____________________________________________
Abbildung G2_12: Ausweichalgrithmus Ultraschall (Bsp. USA rechts) ___________________
Abbildung G2_13: Aufbau der Signale ____________________________________________
Abbildung G2_14: Antriebssteuerung _____________________________________________
Tabelle G2_2: Bauteile ________________________________________________________
Abbildung G2_15: Board Master Top _____________________________________________
Abbildung G2_16: Board Master Bottom __________________________________________
Abbildung G2_17: Board Master Bauteile _________________________________________
Abbildung G2_18: Board Slave I Top ____________________________________________
Abbildung G2_ 19: Board Slave I Bottom _________________________________________
Abbildung G2_20: Board Slave I Bauteile _________________________________________
Abbildung G2_ 21: Board Slave II Top ____________________________________________
Abbildung G2_22: Board Slave II Bottom _________________________________________
Abbildung G2_23: Board Slave II Bauteile _________________________________________
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Gruppe des Antriebs und der Antriebsteuerung
Abbildung G3_1: Gruppenfoto (v.l. Stephan Hunker, Piotr Mackowiak, Niels Krüger) ______
Abbildung G3_2: Skizze Version 1 _______________________________________________
Abbildung G3_3: Skizze Version 2 _______________________________________________
Abbildung G3_5: Unterseite der realen Plattform ___________________________________
Abbildung G3_6: Blockschaltbild Logikteil_________________________________________
Abbildung G3_7: Schaltplan Logikteil Version 1 ____________________________________
Abbildung G3_8: Endgültige Schaltung Logikteil____________________________________
Abbildung G3_9: Eagle Layout __________________________________________________
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5
Abbildung G3_10: Eagle Layout Oberseite Logikteil _________________________________ 56
Abbildung G3_11: Eagle Layout Unterseite Logikteil ________________________________ 57
Abbildung G3_12: Bestückungsplan Logikplatine ___________________________________ 58
Abbildung G3_13: Oberseite Logikplatine _________________________________________ 59
Abbildung G3_14:Unterseite Logikplatine__________________________________________59
Abbildung G3_15: Blockschaltbild Leistungsteil ____________________________________ 60
Abbildung G3_16: Erster Schaltungsentwurf Leistungsteil ____________________________ 61
Abbildung G3_18: Eagle Layout _________________________________________________ 62
Abbildung G3_19: Eagle Layout Oberseite Leistungsteil ______________________________ 63
Abbildung G3_20: Eagle Layout Unterseite Leistungsteil _____________________________ 63
Tabelle G3_1: Pinbelegung der Stiftleiste__________________________________________ 64
Abbildung G3_21: Oberseite Leistungsplatine ______________________________________ 65
Abbildung G3_22: Unterseite Leistungsplatine______________________________________ 65
Tabelle G3_2: Steuersignale zur ZSE _____________________________________________ 66
Tabelle G3_3: Beispiele für das Setzten der Steuersignale _____________________________ 66
Abbildung G3_23: Gemeinsames Bussystem________________________________________ 67
Gruppe der Folgesensorik
Tabelle G3_4: Bestückungsliste der Antriebsgruppe__________________________________ 69
Abbildung G4_1: Testgelände ___________________________________________________ 80
Tabelle G4_1: Vor- und Nachteile von Ultarschall___________________________________ 82
Abbildung G4_1: Bild eines Ultraschallabstands Messgerätes _________________________ 82
Tabelle G4_2: Vor- und Nachteile von Infrarot _____________________________________ 83
Abildung G4_3: vereinfachtes Blockschaltbild ______________________________________ 84
Abbildung G4_4: Schaltplan Sender ______________________________________________ 85
Abbildung G4_5a: PSpice Schaltbild von dem Rechteckgenerator für den Sender __________ 86
Abbildung G4_5b: PSpice Simulationsergebnisse von dem Rechteckgenerator für den Sender (
V(R1:2) = Ausgangsspannung; V(Rf:1) = Spannung am Kondensator ) __________________ 87
Abbildung G4_6: Platinen Layout des Senders ______________________________________ 88
Abbildung G4_7: Empfängerstufe ________________________________________________ 89
Abbildung G4_8: Layout des Empfängers__________________________________________ 91
Abbildung G4_9: Die Analog Schaltung DMVG_____________________________________ 92
Abbildung G4_9: PSpice Simulation von einem Hochpass für die Analog Schaltung ________ 94
Abbildung G4_10: Ein Zweig der Analogschaltung im Detail __________________________ 96
Abbildung G4_11: Layout der Analog Filter (DMGV) Schaltung mit Steckerleiste für das Rack 98
Abbildung G6_12a: Schaltbild der Logik __________________________________________ 99
Abbildung G4_12b: Blockschaltbild _____________________________________________ 100
Abbildung G4_13: Platinen Layout der Logik______________________________________ 102
Tabelle G4_3: Ausgangssignale ________________________________________________ 102
Tabelle G4_4: BUS Stecker ____________________________________________________ 103
Abbildung G4_14: Tobi am PC _________________________________________________ 104
Abbildung G4_15: 3 fach Sendeschaltung_________________________________________ 104
Abbildung G4_16: Empfänger und Filterschaltung in der Entwicklungsphase ____________ 105
Abbildung G4_17: Der schöne Ausblick __________________________________________ 105
Abbildung G4_18: Dirk beim hilfreich sein________________________________________ 106
Abbildung G4_19: Unser alter 48MB RAM Rechner tut sich schwer ____________________ 106
Abbildung G4_20: 1. Versuch vom Gruppenbild ___________________________________ 107
Abbildung G4_21: 2. Versuch vom Gruppenbild ___________________________________ 107
Abbildung G4_22: Gruppenbild FolgeSensoriker; Von links nach rechts: Mohamet, Tobi, Basti,
Stefan _____________________________________________________________________ 108
6
Gruppe der Ausweichsensorik
Abbildung G5_1: Die fertige Platine_____________________________________________
Abbildung G5_2: Janosch und Kai ______________________________________________
Abbildung G5_3: Burin _______________________________________________________
Abbildung G5_4: Alexandra ___________________________________________________
Abbildung G5_5: verwendete Ultraschallköpfe und Drucktaster _______________________
Abbildung G5_6: Drucksensorik ________________________________________________
Abbildung G5_7: Ultraschallsensor (Schaltung in PSpice) ___________________________
Abbildung G5_8: Tafelbild ____________________________________________________
Tabelle G5_1: Logiktabelle ____________________________________________________
Abbildung G5_9 Die Oberseite der Platine________________________________________
Abbildung G5_10: Die Unterseite der Platine _____________________________________
Abbildung G5_11: Blockschaltbild ______________________________________________
Tabelle G5_2: Beispiel _______________________________________________________
Tabelle G5_3: Pinbelegung ____________________________________________________
Abbildung G5_12: Die fertige Platine____________________________________________
Abbildung G3_4: Technische Zeichnung der Robotorplattform ________________________
Abbildung G3_17: Endgültige Schaltung Leistungsteil_______________________________
Abbildung G5_13: Die gesamte Schaltung ________________________________________
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1 Allgemeine Projektbeschreibung
Ein Roboter soll einen Sender mit in einen Abstand von 3 Meter folgen können. Das Testgelände ist definiert und umfasst stehende Hindernisse (vgl.
Abbildung G4_1: Testgelände). Dabei soll der Roboter alle Hindernisse umfahren ohne das Sedersignal zu verlieren. Die Testzeit beträgt in etwa 30 Minuten.
Um ein positives Ergebnis sicherzustellen wurden die Teilnehmer in 5 Teilgruppen strukturiert. Für das Folgen des Senders ist die Gruppe „Folgesensorik“ und das Ausweichen die Gruppe der „Ausweichsensorik“ zuständig. Zentrale Steuereinheit des Roboters übernimmt die Gruppe „Gehirn“ und für die
Stromversorgung ist die Gruppe „Akku“ verantwortlich. Gruppe „Antrieb“ übernimmt die Konzeption des Getriebes und die dazugehören Räder, sanftes
Anfahren und Bremsen, sowie die Auslegung der Motoren und dessen Leistungsansteuerung.
8
2 Spannungsversorgung des Roboters
Pause, Frank-Michael
Mitglieder der Gruppe Akku:
Abuasad, Wael
Zaim, Mohamed
Förste, Henning
Stopp, Michael
2.1 Einleitung
Die Gruppe Akku ist verantwortlich für die Spannungversorgung des Roboters. Sie wurde realisiert mit zwei Blei-Säure-Akkus (siehe „Verwendeter Akkutyp“), die in Reihe geschaltet sind. Dadurch wird eine maximale Betriebsspannung von Uakku = 24V realisiert.
Für die verschiedenen Funktionen des Roboters werden außerdem mit Hilfe
einer Steuerungselektronik 12V ungeregelt, 5V stabilisiert und 24V kurzschlussgeschützt zur Verfügung gestellt werden.
Die Stabilisierung des 5V-Ausgangs übernimmt ein DC/DC-Wandler (siehe
„DC/DC-Wandler“). Da der 24V-Ausgang für den Antrieb bestimmt ist, sind
hier die größten Ströme zu erwarten, weshalb dieser Ausgang eine Kurzschlusssicherung besitzt (siehe „Kurzschlusssicherung“).
Außerdem wurde von uns eine komplette Ladeeinheit (siehe „Ladeeinheit“)
entwickelt, die den Akku lädt und während des Ladens überwacht, um Überladen und Überhitzen (siehe „Temperaturüberwachung“) zu unterbinden.
Im folgenden werden alle Teilfunktionen des Versorgungssystems beschrieben und erklärt. Außerdem sind als Anhang die Schaltbilder und Blockschaltbilder des gesamten Systems und der Teilsysteme zu finden.
9
2.2 Blockschaltbild Versorgungssystem
Das Blockschaltbild ist eine grafische Darstellung der Struktur und Funktionszusammenhänge eines Systems. Hierbei repräsentieren die Blöcke eine
Teilfunktion und die sie verbindenden Linien und Pfeile die Abhängigkeitsbeziehungen.
Unser Blockschaltbild wurde im Zuge der Aufgabenumreißung in unserer
Gruppe erstellt.
Es zeigt das Prinzip und alle Teilfunktionen des gesamten Systems der Energieversorgung des Roboters, das von uns entwickelt werden soll. Somit dient
es als Übersicht für die Verteilung von Aufgaben und die Organisation der
Arbeitsverteilung innerhalb der Gruppe.
Zusätzlich soll das Blockschaltbild Außenstehenden einfach und schnell einen
Überblick über das Prinzip des Versorgungssystems und das Zusammenwirken dessen wesentlicher Teilfunktionen unseres Aufgabenbereichs schaffen.
Daher ist es wichtig, dass bei den Teilfunktionen nicht zu sehr ins Detail gegangen wird, um die Informationen ohne viel Fachwissen zu erfassen. Hilfreich hierbei ist die Verwendung selbsterklärender Symbole und Wörter.
Auf der linken Seite des Blockschaltbildes ist die Teilfunktion „Ladung des
Akkumulators“ dargestellt. Ihre Unterfunktionen sind die Spannungsüberwachung der Akkumulatorspannung und die Temperaturüberwachung
während des Ladevorgangs. Nebst dem Ladeprinzip ist leicht zu erkennen,
welche Überwachungsparameter die Akkumulatorladung steuern und dass
eine Konstantstromquelle nötigt ist.
Im mittleren Teil ist der Akkumulator selbst und die Stromversorgung der
Roboterantriebsmotoren dargestellt. Auch hier wurde Wert darauf gelegt,
dass mit einem Blick die Unterfunktion dieser Teilfunktion ersichtlich ist, der
Kurzschlussschutz. Außerdem ist angegeben, dass hier die größten Ströme
im System zu erwarten sind.
Die rechte Seite des Blockschaltbildes zeigt die Darstellung der Stromversorgung der Steuerungselektronik des Roboters. Das Besondere hierbei ist, dass
zum Schutz der Elektronik die Versorgungsspannung belastungsunabhängig
innerhalb eines bestimmten Schwankungsbereichs stabil sein muss. Die Versorgungsspannung wird mit Hilfe des eingezeichneten DC/DC-Wandlers bereitgestellt. Man sieht hier gut die Wichtigkeit einer gewissen „Oberflächlichkeit“ der Informationen an bestimmten Stellen: Einen Außenstehenden interessiert es nicht primär, wie ein DC/DC-Wandler funktioniert, sondern nur,
dass am Ende des Systems 5 Volt Gleichspannung abgegriffen werden können.
10
11
2.3
DC/DC-Wandler
Damit die Steuerungselektronik zuverlässig funktionieren kann, muss für sie
eine stabilisierte Energieversorgung zur Verfügung stehen. Die Betriebsspannung wurde auf 5 Volt festgesetzt. Zu diesem Zweck verwenden wir einen
DC/DC-Wandler. Dieser ist in der Lage, die Akkuspannung UAkku von 24 Volt
unabhängig von ihrer Schwankung und unabhängig von der Belastung durch
die Elektronik auf eine Versorgungsspannung Uv von etwa 5 Volt zu regeln.
Der Grundgedanke ist, dass ein Kondensator mit der Akkuspannung solange
geladen wird, bis seine Spannung Uk max beträgt. Wird jetzt der Kondensator
durch eine Last entladen, sinkt Uk max auf Uk min. Um nun die Versorgungsspannung Uv von 5 Volt am Kondensator bereitzustellen, muss Uv das arithmetische Mittel aus Uk max und Uk min sein. Damit aber dauerhaft Uv anliegt,
muss der Kondensator wieder auf Uk max nachgeladen werden, damit sich der
Prozess wiederholt. Man benötigt also einen Schalter, der ständig Uk überwacht und bei Erreichen von Uk min den Kondensator nachlädt und bei Uk max
die Ladespannung unterbricht.
Als Schalter für die Ladespannung nehmen wir einen Feldeffekttransistor
(FET). Die Steuerung des FET und die Überwachung von Uk übernimmt ein
Schmitt-Trigger (Siehe Abbildung!).
Unser Schmitt-Trigger, im folgenden mit „ST“ abgekürzt, wurde mit dem Operationsverstärker (OPV) CA3140E aufgebaut. Ub+ ist 12 Volt und Ub- wird
auf Masse gelegt. Also sind die beiden möglichen Ausgangssignale etwa 12
Volt und etwa 0 Volt. Als FET verwenden wir einen MOSFET IRF 610.
Um den ST als Überwachung von Uk zu benutzen, wird Uk an Ue+ gelegt. Mit
Hilfe einer Zener-Diode, die mit einem 1kΩ-Widerstand als Spannungsteiler
geschaltet ist, wird eine stabile Reverenzspannung Uz = 4,7 Volt erzeugt.
Diese wird an Ue- gelegt. Mit Hilfe der Widerstände R1 = 3,9kΩ und R2 =
100kΩ haben wir eine Schalthysterese von 0,2 Volt. Der Unterschied zwischen Uk max und Uk min ist also 0,2 Volt.
Das Ausgangssignal des OPVs geht an die Basis eines NPN-Transistors. Dieser ist mit seinem Kollektor zwischen zwei als Spannungsteiler geschalteten
Widerständen und an das Gate des FET geschaltet. Der Spannungsteiler ist
nötig, da der FET an seinem Gate nur 20 Volt verträgt.
Ist der Kondensator aufgeladen mit Uk max ist die Differenz zwischen Ue+ und
Ue- am größten und der ST gibt sein maximales Ausgangssignal ab. Dieses
schaltet den NPN-Transistor durch. Dadurch wird das Gate des FET auf Masse
12
„gezogen“. Der FET sperrt, der Schalter ist „offen“ und der Kondensator wird
entladen.
Erreicht der Kondensator Uk min, ist die Differenzspannung am OP am kleinsten, das Ausgangssignal kippt auf 0 Volt zurück. Folglich wird der NPNTransistor gesperrt und am Gate des FET liegt die Spannung an, die im
Spannungsteiler abfällt. Der FET wird leitend, der Schalter ist „geschlossen“
und der Kondensator wird geladen.
Die Stabilisierung der Spannung unter Last ist dadurch gegeben, dass der
Kondensator mit zunehmender Belastung schneller entladen wird, somit verkürzt sich die Zeit zwischen zwei Ladevorgängen und die Ladefrequenz
nimmt zu. Laut unseren Messungen beträgt die Ladefrequenz bei ILast =
800mA fs = 500kHz.
Um den Kondensator zu schonen, werden die Impulse durch eine Induktivität
mit L = 10mH geglättet. Da die Induktivität beim Zusammenbrechen der Ladespannung eine Induktionsspannung erzeugt, wird der FET durch eine
Schutzdiode vor Spannungsspitzen bewahrt.
2.3.1 Der Schmitt-Trigger
Abbildung G1_1: Schmitt-Trigger
Der Schmitt-Trigger (ST) ist ein Operationsverstärker der, wie im Schaltbild
links dargestellt, mit zwei Widerständen R1 und R2 verschaltet ist. Der Operationsverstärker (OP) hat zwei Steuerspannungseingänge Ue+ und Ue- und
zwei Betriebspannungseingänge Ub+ und Ub-.
Außerdem besitzt er einen Ausgang, an dem die Ausgangsspannung Ua anliegt.
Der ST kann seine Ausgangsspannung Ua in Abhängigkeit von der Differenzspannung ∆Ue von den beiden Eingangsspannungen Ue+ und Ue- (∆Ue = Ue+ Ue-) zwischen Ub+ und Ub- hin und her schalten. Das heißt, wird eine festgesetzte Differenzspannung ∆Ue max an den beiden Eingängen erreicht, schaltet
der ST die Betriebspannung Ub+ auf seinen Ausgang. Wird andersrum eine
festgesetzte Differenzspannung ∆Ue min unterschritten, kippt die Ausgangsspannung Ua von Ub+ zurück auf Ub-.
13
Durch dieses Verhalten erzeugt der ST aus der schwankenden Eingangsspannnungsdifferenz ∆Ue eine Rechteckspannung.
Den Bereich zwischen ∆Ue max und ∆Ue min bezeichnet man als Schalthysterese. In ihr wird definiert ab welcher Eingangsspannung die Ausgangsspannung
auf die maximale Ausgangsspannung Ua max bzw. die minimale Ausgangsspannung Ua min springt. Sie wird mit Hilfe der Widerstände R1 und R2 festgelegt.
2.3.2 Technische Daten
∆Uv max bei UAkku = 24V ± 3,5V; Iconst = 350mA
∆Uv max bei UAkku = 24V, Iconst = 800mA
Imax
5,1V ± 0,15V
5V
800mA
2.3.3 Schaltbild DC/DC-Wandler
Abbildung
Abbildung G1_2: Schaltbild DC/DC-Wandler
14
2.4 Kurzschlusssicherung
Bei einem Kurzschluss fließt ein sehr hoher Strom, der eine Gefahr wenn
nicht den Tod des betroffenen Systems darstellt. Um im Notfall diesen zu erkennen, muss die ganze Zeit über der Strom überwacht werden. Man könnte
ein Amperemeter benutzen, allerdings ist es schwierig, das Signal des Geräts
für eine elektronische Überwachung weiterzuverarbeiten. Daher nehmen wir
einen kleinen Widerstand Ri, einen so genannten Shunt-Widerstand.
Misst man die Spannung über Ri hat man eine Messgröße über die sich ein
Kurzschluss leicht feststellen lässt. Man legt einen maximal zulässigen Strom
fest. Nun kann es aber sein, dass die Fahrmotoren im Moment des Anfahrens
einen sehr hohen Strom ziehen. Daher muss mit Hilfe eines RC-Gliedes berücksichtigt werden, dass der maximale Strom eine bestimmte Zeit fließen
darf, bevor die Energieversorgung unterbrochen wird.
In unserem Beispiel beträgt der maximal erlaubte Strom Imax = 3A. Wählt
man als Shunt-Widerstand Ri = 0,1Ω, so ergibt sich nach U = R — I eine maximale Spannung von Umax = 0,3V. Da diese Spannung recht klein ist, benutzen wir einen Operationsverstärker (Siehe Bild!).
Abbildung G1_3: Operationsverstärker
Das Verstärkungsverhältnis zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung Ue und Ua ist gleich dem Verhältnis zwischen R1 und R2: Ua/Ue = R2/R1.
Als sinnvolle Größenordnung der gemessenen Maximalspannung zur Weiterverarbeitung wählen wir Ua max = 3V. Das entspricht einer Verstärkung von
Umax um das 10fache. Legt man R1 willkürlich mit R1 = 1kΩ fest, so ergibt
sich für
R2 = 1MΩ.
Zur dauerhaften Überwachung vergleicht ein Komparator die verstärkte
Istspannung Ui und vergleicht diese mit der maximal erlaubten Ua max. Ist Ui
gleich oder größer als Ua max, gibt der Komparator ein Signal weiter an das
RC-Glied. Die Verzögerung τ eines RC-Gliedes errechnet sich aus dem Produkt seines Widerstandes und der Kapazität seines Kondensators. Die zulässige Zeit τmax, die der maximale Strom fließen darf, wird auf eine Sekunde
festgelegt.
15
Also kann man die Bauteile folgendermaßen dimensionieren. Mit R = 2kΩ
und C = 0,5mF ergibt sich für τmax = 2kΩ —0,5mF = 1s. Ist nach der Sekunde
Ui wieder kleiner, entlädt sich der Kondensator, es lag kein Kurzschluss vor.
Im letzten Teil der Schaltung befindet sich ein zweiter Komparator. Dieser
vergleicht die Spannung des Kondensators Uk mit Ua max. Falls Uk größer als
Ua max wird, liegt wirklich ein Kurzschluss vor. In diesem Fall kann man mit
dem Signal des Komparators ein Relais ansteuern, das die Energieversorgung unterbricht. Wird Ua max wieder unterschritten, wird die Energieversorgung wieder eingeschaltet. Dieses System ist also ein reversibler Kurzschlussschutz, im Gegensatz zu einer Sicherung, die nur durchbrennt.
16
2.5 Ladeeinheit
Abbildung G1_4: Schaltung für die Ladeeinheit
Die Ladeeinheit wird mit einem Spannungs-/Stromregler LM2576HV-ADJ realisiert. Durch einen Transformator wird die Netzspannung von 230V auf 30V
runter transformiert und über einen Brückengleichrichter und entsprechende
Glättung eine Gleichspannung dem LM2576 zur Verfügung gestellt.
Dieser regelt über eine entsprechende Spannungsteilerschaltung den Ausgang auf 28V, an welcher der Verbraucher (in unserem Fall die in Reihe geschalteten Blei-Säure-Akkumulatoren) angeschlossen wird. Diese Regelung
auf 28V ist gleichzeitig der Überladungsschutz für die zu ladenden Akkumulatoren. Der LM2576 begrenzt intern den Ausgangsstrom auf 3A. Wenn die Ladespannung an die in Reihe geschalteten Akkumulatoren 28V erreicht,
sperrt der Spannungs-/Stromregler LM2576 den VOUT-Ausgang.
17
2.6 Temperaturüberwachung
2.6.1 Temperaturmessung (Widerstandsthermometer)
Zur elektronischen Erfassung von Temperaturen bedient man sich unter anderem der Widerstandsabhängigkeit von Leitern. Ein guter Leiter sollte
selbstverständlich möglichst temperaturunabhängig sein, aber ganz lässt sich
das nicht vermeiden. Besonders gut zur Temperaturmessung eignen sich jene Leiter, welche ihren Widerstand linear mit der Temperatur ändern. Zum
Beispiel Platin (Pt) oder Nickel (Ni).Man unterscheidet bei den Widerstandsthermometern zwischen NTC’s und PTC’s.
2.6.1.1
NTC
Die NTC (negative Temperatur coefficient), auch als Heißleiter bezeichnet,
leiten, wie ihr Name vermuten lässt, um so besser je heißer sie werden. Ihr
Widerstand steigt also mit sinkender Temperatur.
Abbildung G1_6: NTC Widerstand
2.6.1.2
PTC
Die PTC (positive temperatur coefficient), auch als Kaltleiter bezeichnet, leiten um so besser, je kälter sie werden. Ihr Widerstand steigt also mit steigender Temperatur. Zu den PTC’s gehört auch der PT100.
2.6.1.3
PT100
PT steht für das Material, aus dem der Messwiderstand ist.
Pt: Platin, 100 steht für den Widerstandswert in Ohm, welchen der Messwiderstand bei 0°C annimmt.
18
2.6.1.4
Technische Daten des verwendeten PT100
Hier ist die Formel zum Umrechnen der Temperatur (°C) in den PT100Widerstandswert für Temperaturen größer gleich Null formuliert.
Rt = 100 ⋅ (1 + 3,90802 ⋅ 10 −3 ⋅ t − 0,580195 ⋅ 10 −6 ⋅ t 2 )
Hier ist Rt der Widerstand in Ω bei der Temperatur t (t in °C).
Um vom Widerstandswert auf die Temperatur zu kommen, braucht man folgende Gleichung (für Temperaturen ≥ 0°C):
R − 100
3,90802⋅ 10−1
(3,90802 ⋅ 10−1 ) 2
t=
−
− t
−5
−5 2
2 ⋅ 5,802 ⋅ 10
4 ⋅ (2 ⋅ 5,802 ⋅ 10 )
5,802 ⋅ 10−5
.
Um eine direkte Abhängigkeit der Temperatur von dem Widerstandswert,
und damit auch von der Spannung am PT100 zu erreichen, muss dieser mit
einem konstanten Strom versorgt werden. Dieser Strom wird mit dem LM317
geregelt.
Die Spannung am PT100 hängt jetzt nur noch von seinem temperaturabhängigen Widerstandswert ab.
Der LM2576 verfügt über einen ON/OFF – Eingang, welcher mit der Temperaturüberwachung gesteuert wird. Die Temperaturüberwachung wird über
einen PT100 realisiert. Die Spannung an dem PT100 wird durch einen Komparator mit einer entsprechenden Referenzspannung verglichen. Der Ausgang der Komparatorschaltung steuert den ON/OFF – Eingang des LM2576.
19
2.6.1.5
Widerstandstabelle für PT100-Sensoren
nach DIN EN 60751 für den Temperaturbereich von -80°C bis +130°C
Tabelle G1_1: Widerstandstabelle für PT100-Sensoren
Wie aus der Tabelle zu erkennen ist, beträgt der Widerstand des PT100 bei
einer Temperatur von 70°C Rt = 127,08Ω. Da der Strom, der dadurch fließt
genau 1mA beträgt, liegt dann eine Spannung von 127,08mV an dem PT100
bei dieser Temperatur an. Über einen Spannungsteiler vor einem Komparator
wird diese Spannung von 127,08mV geregelt und mit der Spannung am
PT100 verglichen. Überschreitet die Temperatur einen Wert von 70°C, bzw.
die Spannung an dem PT100 einen Wert von 127mV schaltet der Komparator
den ON-/OFF-Eingang von dem LM2576 aus.
20
2.6.1.6
Schaltbild der Ladeeinheit mit Temperaturüberwachung
Abbildung G1_7: Schaltbild der Ladeeinheit
21
2.7 Verwendeter Akkutyp
Durch eine umfangreiche Recherche auf dem Akkumulatormarkt haben wir
eine Auswahl verschiedener in Frage kommender Akkumulatoren zusammengestellt.
Akkuart
Vertrieb durch
Nennspannung Kapazität
Preis pro Stück
NiCd
NiCd
NiMH
Blei-Säure
CONRAD
CONRAD
CONRAD
CONRAD
4,8V
9,6V
4,8V
6V
0,8Ah
0,8Ah
3AH
4Ah
7,65
15,95
35
17
Euro
Euro
Euro
Euro
Blei-Säure
Blei-Säure
Blei-Säure
NiMH
CONRAD
CONRAD
CONRAD
Reichelt
12V
12V
6V
6V
1,3Ah
2,2Ah
10Ah
1,1Ah
22
25
15
9,6
Euro
Euro
Euro
Euro
Tabelle G1_2: Betrachtete Akkumulatoren
Es wurde durch die gegebene Kapazität von 2,2Ah und der Nennspannung
von 12V der Blei-Säure-Akku von CONRAD-Elektronik für 25 Euro das Stück
verwendet.
22
3
Zentrale Steuereinheit des Roboters
3.1 Theorie/Konzepte
Die Anfangsidee, das Fahrzeug mit einfachen Algorithmen zu steuern wurde
beibehalten. Jedoch änderte sich die Durchführung dieser Algorithmen
erheblich im Laufe des Projekts.
Beschreibung eines Problems:
Sobald ein Hindernis vor dem Fahrzeug auftaucht, sollte dieses zuerst anhalten und dann solange wenden, bis es an dem Hindernis vorbeigewendet hatte, so dass die Fahrt fortgesetzt werden konnte. Unser Problem bestand nun
darin das Signal der Ausweichsensorik verzögert an unsere Ausweichsteuerung zu leiten ( solange verzögert, bis das Fahrzeug angehalten hat ) dann
aber sofort abzubrechen, wenn das Signal nicht mehr geliefert wird, um das
Wenden des Fahrzeugs in Abhängigkeit der Hindernisgröße zu gewährleisten.
Dieser Sachverhalt sollte durch einen Thyristor realisiert werden. Dieser sollte erst nach einer gewissen Zeitdauer zünden, und dann das Signal der Ausweichsensorik an unsere Ausweichsteuerung weitergeben. Das Fahrzeug beginnt dann das Wenden, solange, bis das Signal der Ausweichsensorik erlischt (Fahrzeug hat sich von dem Hindernis weggedreht)
Mit dem Erlöschen wäre auch der Thyristor wieder gelöscht.
Das Konzept wurde jedoch verworfen, und durch den bestehenden Ausweichalgorithmus ersetzt.
23
3.2 Gruppenarbeit
Da Objektivität bei der Beurteilung von Gruppenarbeit notwendig, für eine
Person jedoch unmöglich aufzubringen ist, kommen hier die Meinungen der
einzelnen Gruppenmitglieder.
Gudrun:
Die Gruppenarbeit gestaltete sich meistens produktiv. Jeder trug etwas zur
Lösung eines Problems bei, wodurch meistens rasche Fortschritte erzielt
wurden. Aufgaben wurden selbstständig übernommen, und konnte jemand
mal an einem Termin nicht soviel beitragen oder war aus zeitlichen Gründen
verhindert, hat er oder sie die Arbeit nachgeholt, so dass kaum ein Ungleichgewicht entstand.
Thomas:
In diesem Projekt hat sich in unserer Teilgruppe eine so gute Gruppe gefunden wie es selten der Fall ist. Das Wichtigste ist immer die Zusammenarbeit,
und die gestaltet sich einfacher, wenn einem die Arbeitskollegen sympathisch sind. Das war gegeben.
Unstimmigkeiten gab es überhaupt keine. Die Aufgaben wurden gut und
gleichmäßig verteilt. Ungleichgewichte gab es nicht.
Kim:
Mir hat die Arbeit in der Gruppe gefallen, weil fast immer eine motivierte und
doch entspannte Arbeitsatmosphäre herrschte. Jeder in unserer Gruppe
konnte seine Stärken konstruktiv einbringen: technisches Wissen, kommunikatives Talent, sichere Gelassenheit und kreative Ideen. Auch der Betreuer
hat zu einem guten Klima beigetragen. Führungsansprüchen waren selten
oder wurden schnell von der Gruppe überholt. Hat mir Spaß gemacht.
Marcus:
Insgesamt bin ich menschlich sehr gut mit allen Gruppenmitgliedern zurecht
gekommen, und es herrschte stets eine gelöste aber auch konzentrierte
Stimmung innerhalb der Gruppe. Mit unserem Tutor bin ich persönlich ebenfalls sehr zufrieden, da er mit seiner ruhigen, hilfsbereiten Art eine Hilfe war
wo er konnte. Der Zeitaufwand der einzelnen Gruppenmitglieder war letztendlich im Gegensatz zu anderen Gruppen sehr ausgewogen, und im Gegensatz zu anderen Fächern sehr, sehr hoch.
24
Abbildung G2_1: Marcus bei der Arbeit 1
Abbildung G2_2: Marcus bei der Arbeit 2
25
3.3 Beschreibung
Die Teilgruppe Zentralsteuerung beschäftigt sich mit der zentralen Verarbeitung aller eintreffenden Signale, nämlich vorne, rechts und links von der Folgesensorik, sowie den sechs Signalen Hindernis nah, fern, vorne, hinten,
links und rechts von der Ausweichsensorik. Hierbei ist zuerst einmal die Reihenfolge der zu verarbeitenden Signale wichtig: Der Ausweichbefehl hat eine
höhere Priorität als der Folgebefehl, und das Ausweichen nach einem Zusammenstoss mit einem Hindernis ist höher zu bewerten als der Ausweichbefehl, den die Ultraschallsensoren geben. Ferner werden die so eingetroffenen Signale mittels Logikanalogschaltungen als dem Problem entsprechende
Befehle an die Motoren weitergegeben. Die Antriebsteuerung erhält auf fünf
Leitungen die Befehle Stopp/Go, linker Motor vor/rück, rechter Motor
vor/rück, linker Motor drosseln, rechter Motor drosseln.
Da die gesamte Schaltung sehr umfangreich und komplex ist, wurde sie der
besseren Übersicht halber in einzelne Teilschaltungen aufgeteilt, die auch
einzeln (sofern möglich) simuliert wurden (siehe Abbildung G2_3)
26
Zentrale Steuereinheit ZSE
FS
(vor,
links,
rechts)
vor, rechts, links
P FS /AS
nah, fern, vorne,
hinten, links,
rechts
AS
USA
Hindernis
(nah, fern,
vorne, hinten, links,
rechts)
AU R
Stop
AU L
ANS
PA
DA
Hindernis
AU VR
Antrieb
1,2,3,
4,5
Stop
AU V L
AKKU
AU HR
Abbildung G2_3: Aufteilung der ZSE in Teilschaltungen
Erläuterungen: P FS/AS
PA
USA
DA
ANS
:=
:=
:=
:=
:=
Priorität Ausweichschaltung
Priorität Folgen/Ausweichen
Ultraschall-Ausweichschaltung
Druck-Ausweichschaltung
Antriebsteuerung
1:
2:
3:
4:
5:
Stop/Go
Vor/Rück linker Motor
Vor/Rück rechter Motor
drosseln linker Motor
drosseln rechter Motor
27
3.4 Schaltpläne/ Beschreibung der Schaltpläne
3.4.1 Priorität von Folge- und Ausweichsensorik (P FS/AS)
(s. Abbildung G2_3)
FS
&
„A“
Folgen
AS
Ausweichen
Abbildung G2_4: Prinzipieller Aufbau der Priorität von Folge- und Ausweichsensorik
Die Ausweichsensorik hat gegenüber der Folgesensorik Priorität. Die Abbildung G2_4 zeigt prinzipiell, wie diese Prioritätenschaltung realisiert wurde.
Sobald ein Signal irgendeines Sensors der Ausweichsensorik eine logische
„1“ liefert, weist das Und Glied „A“ am Ausgang auf jeden Fall eine logische
„0“ auf, womit die Folgesensoriksignale nicht weiter an die Antriebssteuerung
geliefert werden. Da in der Schaltung die FS und die AS aus mehreren Leitungen bestehen, die unterschiedliche Informationen liefern, sieht die Schaltung des Schaltungsteils wesentlich komplizierter aus.
Abbildung G2_5 ist ein Auszug aus dem Gesamtplan, in dem die Realisierung
der Prioritätenschaltung zwischen Folge- und Ausweichsensorik markiert
wurde.
Das Und Glied „ IC9C“ übernimmt hierbei die Funktion des Und-Gliedes der
Abbildung G2_4
Abbildung G2_5: Realisierung P FS/AS
28
Abbildung G2_6: Schaltplan P FS/AS
29
Abbildung G2_7: Simulationsergebnis Schaltung P FS/AS
Simulationstabelle:
FS
0s
0,1s
0,2s
0,3s
0,4s
0,5s
0,6s
0,7s
1s
1,1s
1,2s
1,3s
1,4s
1,5s
1,6s
1,7s
1,8s
1,9s
OOOO
OOO1
OO1O
OO11
O1OO
O1O1
O11O
O111
AS
OOOOOOOO
OOO1O111
OOOO1O11
OO11O111
OOOOO11O
OO1OOO1O
OOO1OO1O
OOO1OO1O
OOO1O11O
OO11O11O
OO11OO1O
Tabelle G2_1: Simulationstabelle Schaltung P FS/AS
30
Ergebnis der Simulation: Die Folgesensorik liefert solange Befehle an den
Antrieb, solange kein Signal von der Ausweichsensorik kommt. Sobald letztere anfängt zu senden, wird die Folgesensorik unterdrückt.
3.4.2 Priorität von Druck- und Ultraschallsensoren (PA)
(s. Abbildung G2_3)
US
&
US-Alg
Druck
Druck-Alg
Abbildung G2_8: Prinzipieller Aufbau der Priorität von Druck und Ultraschall
Bei den Ausweichsensoren sind zwei unterschiedliche Typen am Fahrzeug
zu unterscheiden. Einmal ist das Fahrzeug mit Ultraschallsensoren ausgestattet, die zur Wahrnehmung von noch entfernten Hindernissen dienen.
Somit soll grundsätzlich der Anstoß des Fahrzeugs an ein anderes Objekt
vermieden werden.
Weiter ist das Fahrzeug mit Drucksensoren ausgestattet, für den Fall, dass
ein Hindernis nicht von einem Ultraschallsensor wahrgenommen wurde.
Hier ist zu beachten, dass das Auslösen eines Drucksensors besondere Bedeutung hat.
Die Verhaltensweise des Fahrzeugs nach Eingang eines Ausweichsignals
wurde hier mit einfachen Algorithmen gelöst (nähere Beschreibung siehe
Kap. 2.4.3 (DA) und 2.4.4 (USA)).
Folglich ist klar, dass die Druck-Ausweich-Algorithmen absolute Priorität
besitzen.
Der Schaltungsteil „PA“ hat nun die Aufgabe, die ankommenden Signale der
Ausweichsensorik zu verarbeiten und an die jeweiligen Algorithmen weiterzuleiten.
Alle sechs Signale werden zunächst einmal über ein Und-Glied (Platine:
Master IC10B, IC10C und IC8C, Abbildung G2_17) gebündelt. Diese Bündelung ist notwendig, um der Folgesensorik mitzuteilen, ob irgendein Aus-
31
weichmanöver gestartet werden muss, oder ob das Fahrzeug weiter „folgen“ darf.
Die Signale der Ausweichsensorik lauten:
Nah, Fern, Vorne, Hinten, Rechts und Links.
Aus der Kombination dieser Signale soll nun das weitere Verhalten des
Fahrzeugs abgeleitet werden.
So existiert z.B. am Fahrzeug nur ein Drucksensor hinten.
Wird dieser angesprochen, weisen die beiden Leitungen Nah und Hinten jeweils eine logische „1“ auf. Diese beiden Signale wurden über das Und Glied
IC1B geführt welches den Ausweichalgorithmus Druck-Hinten anspricht.
Weiter möchte ich an dieser Stelle noch auf die Bedeutung der beiden Monoflops in dieser Schaltung eingehen. Sie haben die Aufgabe das Drucksignal künstlich aufrechtzuerhalten, wenn der Ausweichalgorithmus für die
Drucksensoren gestartet ist. Erklärung:
Löst ein Drucksensor aus, so wird folglich die FS und die Ultraschallsensorik
unterdrückt. Fährt nun das Fahrzeug von dem Hindernis weg, erlischt automatisch das Drucksignal, und die Signale der FS und der Ultraschallsensorik könnten wieder Befehle ausgeben. Das muss jedoch unterbunden
werden, da der Algorithmus erst noch zu Ende laufen muss. Diese Aufgabe
übernehmen die beiden Monoflops.
32
Abbildung G_9: Schaltung PA
Um dem Ausweichalgorithmus für die Drucksensoren eine höhere Priorität
einzuräumen als dem für die Ultraschallerkennung, wird die obige Schaltung verwendet.
3.4.3 Ausweichalgorithmus Drucksensoren (DA)
(s. Abbildung G2_3)
Die Schaltung wurde umgesetzt mit triggerbare Monoflops welche durch
pos. Flanken
(d.h. Eingangssignaländerung von 0 auf 1) und neg. Flanken
(von 1 auf 0) gesteuert werden.
Die Dauer des resultierenden Ausgangssignals wird bestimmt durch ein RCGlied (Tau).
Schaltzeiten der Monoflops:
Sowohl die Druck- als auch die US-Ausweichteilschaltungen wurden im Wesentlichen mit in Reihe geschalteten Monoflops realisiert. Wir verwendeten
hierfür den IC 4098 BE .
33
AU VR: Ausweichalgorithmus Druck vorne links
T1
stop
rück
rück
stop
wr
stop
vor
T2
T3
T4
T5
T6
Abbildung G2_10: Realisierung eines Druckausweich- Algorithmusses
Mit diesem C-MOS-Schaltkreis lassen sich positive und negative Flanken
auswerten, wobei sich die Regelzeiten über RC-Glieder nach der folgenden
Formel berechnen:
τ = 1/2(R*C)
Diese Formel gilt für 0.001µF≤ C ≥ 100 µF sowie für R ≥ 5KΩ.
(Quelle: Datenblatt Texas Instruments, CD 4098B Types)
34
Ablauf der Signale:
DAL
T1
Tau 1
Rückwärts
T2
Tau 2
T3
Tau 3
T4
T5
T6
Tau 4
Tau 5
Tau 6
Abbildung G2_11: Ablauf der Signale
Beschreibung:
Die Schaltung erreicht ein Eingangssignal „Druck-Ausweich-Links“ (DAL),
welches direkt auf das Ausgangssignal „Rückwärts“ weitergeleitet wird. Die
pos. Flanke des DAL-Signal bewirkt durch T1 ein „Stop“-Ausgangssignal,
welches das Fahrzeug zum Stehen bringt.
Dies wird gewährleistet durch
die höhere Priorität von „Stop“ zu allen anderen Signalen. Ist die Zeit Tau 1
abgelaufen, kann das „Rückwärts“-Signal in Kraft treten, der Drucktaster
entfernt sich vom Hindernis und das DAL-Signal geht auf 0. Die entstehende neg. Flanke löst T2 aus und lässt das Fahrzeug rückwärts fahren bis ausreichend Platz zum rangieren ist (extern einstellbar). Ist dies der Fall und
Tau2 zu Ende, wird durch die neg. Flanke T3 ausgelöst und das Stop-Signal
gegeben. Nach dem gleichen Prinzip wird das Signal „Wende rechts“ gegeben bis das Fahrzeug ‚freie Bahn’ hat (einstellbar), ein Stop-Signal und
schlussendlich ein „Vor“-Signal um das Fahrzeug vom Hindernis zu entfernen. Dadurch soll gewährleistet werden dass das Fahrzeug neue Wege
sucht und nicht, getrieben durch die Folgesensorik, sich in eine Sackgasse
manövriert.
35
3.4.4 Ausweichalgorithmus Ultraschall (USA)
(s. Abbildung G2_3)
Abbildung G2_12: Ausweichalgrithmus Ultraschall (Bsp. USA rechts)
Ablauf der Signale:
USL
T1
Tau 1
Wende rechts
T2
T3
T4
Tau 2
Tau 3
Tau 4
Abbildung G2_13: Aufbau der Signale
Beschreibung:
Der Ultraschallalgorithmus ist dem Druckalgorithmus ähnlich. Das Eingangssignal wird zugleich zum Ausgangssignal „Wenden rechts“ weitergegeben, welches jedoch durch das „Stop“-Signal in T1 unterdrückt wird und
36
erst nach Ablauf der Zeit Tau1 in Kraft treten kann. Das Fahrzeug wendet
so lange es das Signal USL erhält. Die entstehende neg. Flanke löst T2 aus
und lässt das Fahrzeug weiterwenden bis es ‚freie Bahn’ hat. Es folgt ein
„Stop“-Signal und ein „Vor“-Signal auf Grund der oben genannten Überlegung.
3.4.5 Antriebsteuerung (ANS)
(s. Abbildung G2_3)
Auf die Motoren führen fünf Leitungen: Stop/Go (1), linker Motor vor/rück
(2), rechter Motor vor/rück (3), linker Motor drosseln (4), rechter Motor
drosseln (5).
Stop=0, Go=1
(1)
(2)
(2)
rück=0, vor=1
>=1
(3)
(2)
wl
1
wr
1
(3)
(3)
>=1
(2)
(3)
FS L
(4)
FS R
(5)
Abbildung G2_14: Antriebssteuerung
37
3.5 Technische Daten/Bauteile
Versorgungsspannung: U=5V
Bauteileliste
C
Wert
IC
Wert
Package R
Wert
Master
C1,2
47 µF
IC
1,2,9,13,14,16
4081N
DIL14
Potis, 0 bis
500kΩ
C 25 bis 35
100 nF
SlaveI
SlaveII
IC 5,6
4069N
DlL14
IC 8
4071N
DlL14
IC 10
4075N
DlL14
U$1
4098DIL16.1 DIL16
IC 3
4081N
DIL14
R 1,2
C 1,3 bis13,
15,23,24
10 µF
C 47bis 61
100 nF
C 1 bis 9
100 nF
IC 17, 18, 22
4072N
DIL14
Potis, 0 bis
R 9 bis 12 500KΩ
C 14, 16, 17 bis 22
10 µF
IC 19
4012N
DIL14
R41, 44
400 kΩ
IC 21
4584N
DIL14
R 43, 46
200 kΩ
U$2 bis 5
4098DIL16.1 DIL16
Tabelle G2_2: Bauteile
38
Abbildung G2_15: Board Master Top
Abbildung G2_16: Board Master Bottom
39
Abbildung G2_17: Board Master Bauteile
Abbildung G2_18: Board Slave I Top
40
Abbildung G2_ 19: Board Slave I Bottom
Abbildung G2_20: Board Slave I Bauteile
41
Abbildung G2_ 21: Board Slave II Top
Abbildung G2_22: Board Slave II Bottom
Abbildung G2_23: Board Slave II Bauteile
42
3.6 Bedienungsanleitung für die Platine der ZSE.
Die Ausweichmanöver des Fahrzeugs werden über verschiedene Algorithmen gesteuert, die im folgenden aufgelistet werden:
Ausweichmanöver bei Betätigung des Drucksensors Vorne Rechts:
1.)
Fahrzeug hält an
2.)
fährt zurück
3.)
hält an
4.)
wendet links ( auf der Stelle )
5.)
hält an
6.)
fährt vor
7.)
Ende des Manövers
Ausweichmanöver bei Betätigung des Drucksensors Vorne links:
8.)
Fahrzeug hält an
9.)
fährt zurück
10.)
hält an
11.)
wendet rechts ( auf der Stelle )
12.)
hält an
13.)
fährt vor
14.)
Ende des Manövers
Ausweichmanöver bei Betätigung des Drucksensors Hinten:
15.) Fahrzeug hält an
16.) Fährt rückwärts
17.) Ende des Manövers
Ausweichmanöver bei Betätigung des Ultraschallsensors Vorne links:
18.) Fahrzeug hält an
19.) wendet rechts, bis es sich an dem Hindernis vorbeigedreht hat
43
20.) hält an
21.) fährt vor
22.) Ende Manöver
Ausweichmanöver bei Betätigung des Ultraschallsensors Vorne rechts:
23.) Fahrzeug hält an
24.) wendet links, bis es sich an dem Hindernis vorbeigedreht hat
25.) hält an
26.) fährt vor
27.) Ende Manöver
Die Zeiten, wie lange die einzelnen Schritte der Algorithmen dauern soll
hängt ab von verschiedenen Faktoren, wie z.B Fahrgeschwindigkeit, Trägheit, Bremsweg, Drehgeschwindigkeit, o.ä.
In der Planungsphase konnten diese Zeiten nicht genau errechnet werden.
Aus diesem Grund können verschiedene Zeiten mit einem Poti an der
Frontseite der Abdeckplatte geregelt werden.
Platine Master:
Poti 1: Aufrechterhaltung Priorisierung Druck Hinten
Poti 2: Aufrechterhaltung Priorisierung Druck Vorne
Platine Slave I:
Poti 3: regelt Punkt Nr. 9
Poti 4: regelt Punkt Nr. 11
Drucksensors Vorne links
Poti 5: regelt Punkt Nr. 13
Poti 6: regelt Punkt Nr: 2
Poti 7: regelt Punkt Nr. 6
Drucksensors Vorne rechts
Poti 8: regelt Punkt Nr. 8
Platine Slave II:
Ultraschall links
44
Poti 9:
wenden rechts
Poti 10:
fährt vor
Poti 11:
wenden links
Poti 12:
fährt vor
Ultraschall rechts
Allgemeine Hinweise:
Nicht ins Wasser schmeißen, nicht verbrennen, funktioniert nicht im
Weltall oder im Gebirge, nicht drauftreten oder gegen eine Wand schmeißen, nicht für Kinder unter 6 Jahren, Bauteile nicht essen.
Keine Haftung für allerlei Schäden, die von dem Gerät verursacht wurden.
Keine Garantie oder Gewährleistung auf die Funktion, oder Haltbarkeit des
Gerätes.
45
4 Antrieb des Roboters
4.1 Teilnehmerliste für den Antrieb
Beteiligte der Gruppe „Antrieb“ waren Niels Krüger, Piotr Mackowiak, Stephan Hunker. Teilprojektleiter war Stefan Seifert. Aus persönlichen Gründen ist Marcus Reinicke aus der Gruppe ausgeschieden.
Abbildung G3_1: Gruppenfoto (v.l. Stephan Hunker, Piotr Mackowiak, Niels Krüger)
4.2 Projektbeschreibung Antrieb:
An die Antriebsgruppe sind folgende Forderungen gestellt:
•
•
•
•
•
Entwerfen einer Plattform für den Roboter
Dimensionierung der Motoren
Realisierung einer sanften Anfahrsteuerung
Vorwärts und Rückwärtsfahren
Rechts und links fahren
Für den Entwurf einer Plattform, welche essentiell für die weitere Entwicklung ist, haben wir uns für eine Rechteckige Grundform entschieden, welche durch zwei in der Mitte liegende, separat angesteuerte Motoren angetrieben wird. Zusätzlich wird der Roboter durch zwei „Lenkrollen“ vorne
und zwei weitere hinten gestützt.
46
4.2.1 Entwickelte Skizzen:
Motor
Lenkrollen
Motor
Antriebsrad
Abbildung G3_2: Skizze Version 1
In der vergangenen Woche hat sich nach weiteren Überlegungen noch eine kleine Modifikation in dem Aufbau ergeben. Wir haben die Antriebsräder nach vorne verlegt um so sicher zu stellen, dass kleine Steigungen
nicht dazu führen dass die in der Mitte liegenden Antriebsräder frei drehen(Abbildung G3_3). Somit entfallen die zwei vorne liegenden Lenkrollen
vollständig und ersatzlos. Diese Änderung hat keine weiteren Einflüsse auf
die anderen Bereiche des Projekts.
Antriebsrad
Lenkrollen
Motor
Antriebsrad
Abbildung G3_3: Skizze Version 2
47
Technische Zeichnung in den Anlagen (Abbildung G3_4)
Hier die Umsetzung:
Abbildung G3_5: Unterseite der realen Plattform
4.2.2 Dimensionierung der Motoren:
Bevor wir die Dimensionierung der Motoren vornehmen konnten, mussten
wir uns für den Motortyp entscheiden. Hier kamen Schrittmotoren und
Gleichstrommotoren in die engste Auswahl. Nachdem wir uns mit der Ansteuerung beider Motortypen beschäftigt haben, und festgestellt haben,
dass die Ansteuerung eines Schrittmotors mit analogen Bauelementen
nicht einfach zu realisieren ist, haben wir uns für einen Gleichstrommotor
entschieden. Bei der Dimensionierung des Motors haben wir nach Anschätzungen und Festlegung des Maximalgewichts für den Roboter und für
einen durch Stefan Seifert zur Verfügung gestellten Motor entschieden.
Davon benötigen wir für unseren Roboter zwei Stück. Diese Motoren haben wir an ein Getriebe geschlossen um die Drehzahl zu reduzieren und
das Drehmoment zu steigern. Das Getriebe haben wir aus dem Modelbau
bereich genommen. Grundlegend haben wir uns auf ein Maximalgewicht
des Roboters von 8kg entschieden. Nach Berechnung benötigen wir ein
Drehmoment von 2,3Nm, welches wir mit den durch Stefan Seifert zur
Verfügung gestellten Motoren und einem Getriebe mit einer Übersetzung
48
von 15:1 realisieren können. Detaillierte Berechnungen hierzu finden sich
in dem Kapitel 4.8.1.
4.3 Anfahrsteuerung
4.3.1 Logikschaltung
Um zu verhindern das unser Roboter nach Erhalt eines Fahrtsignals rasant
durchstartet haben wir uns zur sanften Anfahrt für die Methode der Pulsweitenmodulation entschieden.
Hierzu haben wir folgendes Blockschaltbild entwickelt
Abbildung G3_6: Blockschaltbild Logikteil
Unsere Komplette Schaltung ist unterteilt in „Logikteil“ und „Leistungsteil“. Das unter Abbildung G3_5 hier dargestellte Blockschaltbild stellt den
Logikteil dar.
Hierbei generiert uns der Oszillator (vgl. Abbildung G3_5, Oszillator) am
Ausgang ein Dreiecksignal. Dieses wird durch einen Schmitt-Trigger, welcher ein Viereck Signal erzeugt, welcher an vor einem Integrator geschaltet ist, generiert.
49
Im Integratorteil (Abbildung G3_5, Integrator-Rampe) erzeugen wir nach
Erhalt des Steuersignals „anfahren“ von der Zentralen Steuer Einheit
(ZSE) eine aufsteigende Spannungsflanke oder bei entsprechenden
Bremsbefehl eine „abfallende“ Flanke.
Beide Signal werden nun an die Anschlüsse eines Komparator gegeben.
Ist das Dreiecksignal größer als die Flanke der ansteigenden Rampe, so
gibt der Komparator am Ausgang die Spannung null Volt aus. Übersteigt
die aufsteigende Rampe das Dreiecksignal, so schaltet der Komparator
seine Betriebsspannung von fünf Volt an den Ausgang. An dem Ausgang
des Komparators ist ein Transistor geschaltet, welcher uns bei positiven
Ausgang (fünf Volt) aufschaltet und die Betriebsspannung der Motoren
von 24 Volt auf die Motoren schaltet. Ist das Ausgangsignal des Komparator null Volt, so sperrt der Transistor und die Betriebsspannung liegt an
dem Transistor Dieser Transistor schaltet die 24 Volt Versorgungsspannung der Motoren. Aufgrund der am Oszillator eingestellten Frequenz von
3kHz ergibt sich am Motor eine Effektivspannung < 24 Volt. Die Aufsteigende Flanke des Integrators bewirkt ein steigen der Effektiv anliegenden
Spannung am Motor. Bei den von uns eingesetzten permanenterregten
Gleichstrommotoren ergibt eine Spannungserhöhung eine Erhöhung der
Drehzahl. Hierdurch ist das sanfte Anfahren realisiert.
Formel: n = (U – I*R) / (c*2* π)
50
Dazu haben wir folgendes erstes Schaltbild entwickelt:
u
t
u
t
u
u
t
u
t
Abbildung G3_7: Schaltplan Logikteil Version 1
In dieser Schaltung sind noch nicht die Steuerungssignale von der ZSE
berücksichtig. Somit ergaben nicht noch weitere Änderungen der Schaltung. Hierbei musste die Schaltung um mehrere Bauteile erweitert werden, um sicher zu stellen das die Signale die gewünschte Funktion (z.B.
ansteigende Rampe, abfallende Rampe) bewirken.
Die in der Schaltung auftretenden Operationsverstärker (OP) wurden zusammengefasst und durch zwei vierfach „RailtoRail“ Operationsverstärker
realisiert. RailtoRail OPs haben wir eingesetzt, da wir von der Akkuversorgungsgruppe nur eine positive fünf Volt Versorgungsspannung erhalten.
Andere OP benötigen sowohl eine positive als auch eine negative Betriebsspannung. Diese wird uns durch die Akkugruppe nicht zur Verfügung
gestellt. Da ist dies erst zu einem spätem Zeitpunkt des Projekts klar geworden ist, konnte die Akkugruppe ihre Schaltung nicht so weit umgestal51
ten, das sie uns sowohl positive als auch negative fünf Volt Versorgungsspannung zur Verfügung stellen. Des weiteren sind RailtoRail OPs in der
Lage am Ausgang ihre volle Betriebsspannung zu liefern.
52
Endgültige Schaltung:
Abbildung G3_8: Endgültige Schaltung Logikteil
53
Der Stecker aus der Abbildung G3_7 ist der Systembusstecker auf den
sich die alle Teilgruppen geeinigt haben. Die vollständige Belegung ist im
Kapitell 3.4 zu finden. Aufgrund der Unterteilung der Gesamtschaltung in
Logikteil und Leistungsteil haben wir die Schaltung auch auf zwei Platinen
unterteil. Der Stecker SU3 stellt die Schnittstelle zu der anderen Platine
dar. Die Belegung des Steckers ist eins zu eins. Des weiterem haben wir
Messpunkte in die Schaltung integriert um mögliche Fehler zu lokalisieren.
Der Messpunkt LSP1 zeigt uns ein Dreiecksignal, welches auch an den
Messpunkten LSP7 und LSP8 zu messen ist. Möchte man das Vierecksignal
messen, welches in der Abbildung G3_5 am Oszillator später durch ein
Integrator in ein Dreieck gewandelt wird, so muss man am Pin LSP2 messen. An Messpunkt sieben und acht (LSP 7, LSP8) können wir das Dreiecksignal von der Oszillator (vgl. Abbildung G3_5, Oszillator). An dem
Messpunkt sechs und an dem Messpunkt neun (LSP6, LSP9) kann man
das Steuersignal der ZSE „Stop/Go“ (vgl. Kapitell 3.4 Ansteuerung der Befehle von der zentralen Steuereinheit) messen. Hier wird entweder ein
Spannungspegel von fünf Volt oder null Volt erwartet. Die Messpunkte 21
und 22 leitend mit den Messpunkten sechs und neun verbunden. Somit
kann man an diesen Punkten das gleiche Signal messen wie an den Punkten sechs und neun. An den Messpunkten 20 und 23 (LSP20, LSP23) kann
man das Signal Drosseln linker, bzw. Drosseln rechter Motor (vgl. Kapitell
3.4 Ansteuerung der Befehle von der zentralen Steuereinheit) messen. An
Punkten wird auch entweder ein Spannungssignal von fünf oder null Volt
erwartet. Die Messpunkte 17 und 19 (LPS17, LSP19) stellen eine Kontrollmöglichkeit für das richtige Verhalten des vorgeschalteten ANDGliedes dar. Nur wenn die Messpunkte 22 und 23 ein fünf Voltspannungspegel haben zeigt auch der Messpunkt 17 einen fünf Volt Pegel. Äquivalent ist das Verhalten mit dem Messpunkt 19 im Zusammenhang mit den
Messpunkten 20 und 21. Ist auf dem Messpunkt 22 und dem Messpunkt
23 ein fünf Volt zu messen, so ist an dem Messpunkt 18 (LSP18) kein
Spannungspegel zu messen. Sobald keine Spannung am Messpunkt 23
jedoch aber eine am Messpunkt 22 zu messen ist, liegt auch eine Spannung am Messpunkt 18 an. Liegt die Spannung an dem Messpunkt 23 jedoch keine Spannung am Messpunkt 22 so ist auch an dem Kontrakt
LSP18 keine Spannung zu messen.
Das Verhalten ist für den rechten Motorkreis mit den Anschlüssen LSP20,
LSP21 und LSP17 identisch. Ist an dem Messpunkten 19, bzw. 17 ein
Spannungspegel von fünf Volt zu messen, so ist am Messpin 14 (bzw. am
Messpin 15) keine Spannung zu messen, da die davor liegenden Transistoren aufsteuern und den Kollektor auf Masse ziehen.
An den Messpunkten 12 und 13 kann man die in der Abbildung G3_5 am
Integrator dargestellte Rampe auf dem Oszilloskop messen. Dieses Rampensignal führt in einen weiteren Komparator welcher als zweiten Eingang
das Dreiecksignal hat. Das Verhalten des Komparators ist weiter oben beschrieben. An den Pins zehn und elf ist das Pulsweitenmodulations-(PWM)
Signal zu messen, jeweils für den rechten bzw. für den linken Motorkreis.(vgl. Abbildung G3_5 , PWM)
An dem Messpunkt vier sowie an dem Messpunkt fünf ist die PWM-Signal
nur in Zusammenspiel mit gesetztem „go“ Signal von der ZSE messbar.
54
An dem Messpunkt LSP2 liegt an einem Spannungsteiler. An diesem
Messpunkt liegen immer 2,5 Volt liegen.
An den Messpunkten LSP24 und LSP25 liegt kann man das Signal der ZSE
für „vor/rück rechter, bzw. linker Motor“ messen. Dieses wird direkt über
den Stecker SU3 an den Leistungsteil unserer Schaltung übergeben.
Die gewünschte Frequenz unseres Dreiecksignals von ca. drei kHz (bei
uns Mittelstellung) kann man an den verbauten Spindeltrimmern einzustellen.
Eagle Layout:
Abbildung G3_9: Eagle Layout
55
Abbildung G3_10: Eagle Layout Oberseite Logikteil
56
Abbildung G3_11: Eagle Layout Unterseite Logikteil
57
Abbildung G3_12: Bestückungsplan Logikplatine
58
Bilder der fertigen Schaltung:
Abbildung G3_13: Oberseite Logikplatine
Abbildung G3_14: Unterseite Logikplatine
59
4.3.2 Vorwärts und Rückwärts fahren
Zur Realisierung der Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt unseres Roboters
mussten wir uns eine Schaltung überlegen welche die Stromflussrichtung
in unseren Motoren umkehrt.
Hierzu haben wir folgenden Blockschaltbild entwickelt:
1
2
3
4
Abbildung G3_15: Blockschaltbild Leistungsteil
Realisiert haben wir die verschiedenen Drehrichtungen der Motoren mit
einer H-Brückenschaltung. Welche in der Abbildung G3_14 als Blockschaltbild dargestellt ist. Zur Prävention vor möglichen Kurzschlüssen
muss bei dieser Schaltung sichergestellt werden, dass die beiden Transistoren welche sich auf dem „einem Zweig des H´s„ befinden nie zur gleichen Zeit „leitend“ (durchgeschaltet) sind. Vergleicht man mit der Abbildung G3_14 so dürfen die Transistoren eins und zwei oder die Transistoren drei und vier nie beide durchgeschaltet sein. Durch die Steuersignale
sollen die Transistoren eins und vier oder zwei und drei schalten, dadurch
liegt an dem Motor das Choppersignal an. Dies haben wir durch RCVerzögerungsglieder (vgl. Abbildung G3_14, RC-Delay) und Negatoren
realisiert.
Das vom Logikteil übergebene „Choppersignal“ (Abbildung G3_14) schaltet einen Transistor welcher die Motorbetriebsspannung durchschaltet und
diese dadurch an den Motoren anliegt (vgl. Anfahrsteuerung Logikschaltung).
60
Hierzu haben wir ein erstes Schaltbild entwickelt:
Abbildung G3_16: Erster Schaltungsentwurf Leistungsteil
Wir haben uns überlegt das wenn wir ein Signal von der ZSE erhalten dies
an Basis zweier Transistoren legen welche beide zusammen aufsteuern
sollen (vgl. Abbildung G3_14). Die anderen beiden Transistoren steuern
wir mit dem gleichem Signal, welches wir jedoch zuvor mit einem Negator
negieren. Dadurch liegt keine Spannung an diesen Transistoren an und sie
steuern nicht auf. Die RC-Glieder müssen hier so dimensioniert sein, dass
zuerst die aufgesteuerten Transistoren gesperrt werden, bevor die anderen beiden aufgesteuert werden.
Nach weiteren Überlegungen haben wir festgestellt das wir hierfür nicht
zwei Verzögerungsglieder pro H-Brücken Seite benötigen sondern nur ein
Verzögerungsglied pro Seite. Es ist hinreichend wenn wir ein RC-Glied
nutzen und das Signal hinter dem RC-Glied an beide Transistoren legen.
Modifizierte Schaltung in den Anlagen (Abbildung G3_17)
In der Schaltung bildet der Stecker SV1 die Schnittstelle zu der Logikplatine (vgl. Abbildung G3_7). Auch in dieser Schaltung haben wir mehrere
Messpins eingebaut um die Schaltung kontrollieren und messtechnisch
überprüfen zu können.
An dem Messpins 15 und 16 kann man bei angesteuertem Motorkreis
(Steuersignal „Stop/Go“ muss auf Go stehen) die PWM-Signale bzw.24
Volt messen (PWM kann man messen wenn man das Go-Signal gesetzt
wird. Die 24 Volt kann man nach dem hochfahren der PWM messen). An
dem Messpunkt LSP1 und LSP2 kann man überprüfen ob der vorgeschallte
MOS-FET richtig schaltet. Weitere Messpunkte dienen zur Kontrolle der
Ansteuerung von den Darlington-Transistoren der H-Brücke. Beide HBrücken sind identisch aufgebaut und besitzen die gleichen Messpins.
An dem Messpunkt 3 (LSP3) ist hinter einen RC-Glied angeschlossen (analog zu Messpunkt LSP5). Hier kann man überprüfen ob dies richtig verzögert, wenn man an den Jumper 3 (bzw. Jumper 4) eine Spannung von
fünf Volt anlegt. Steuert der hinter dem Messpunkt LSP3 (bzw. LSP4) liegende Transistor auf so kann man an dem Messpunkten LSP12 und LSP14
(rechter Motorkreis LSP5 und LSP9) einen Spannungspegel von fünf Volt
messen. Mit diesen fünf Volt werden die Darlington-Transistoren der HBrücke aufgesteuert (vgl. Abbildung G3_14). An den Messpunkte LSP4
und LSP6 kann man keinen Spannungspegel messen wenn an dem Steuersignal von der ZSE für den Motorkreis ein fünf Volt Signal anliegt. Schal61
tet das Signal der ZSE auf null Volt so stellt sich an dem Messpunkt LSP4
(bzw. LSP6) durch das davorliegende RC-Glied verzögert ein Spannungspegel von fünf Volt ein. Können an diesen Messpunkten logische eins gemessen werden, so kann auch an dem Messpunkten LSP11 und LSP13
(bei linken Motorkreis LSP8 und LSP10) eine Spannung von fünf Volt gemessen werden.
Eagle Layout:
Abbildung G3_18: Eagle Layout
62
Abbildung G3_19: Eagle Layout Oberseite Leistungsteil
Abbildung G3_20: Eagle Layout Unterseite Leistungsteil
63
Der Leistungsteil wird ebenfalls durch Steuersignale der ZSE gesteuert.
Durch die Signale der ZSE wird die Drehrichtung der einzelnen Motoren
bestimmt. Wird das Signal eines Motors auf „vorwärts“ gesetzt (vgl. Ansteuerung der Befehle von der zentralen Steuereinheit) schaltet das gesetzte Signal die diagonal angeordneten Transistoren durch. Analog werden zuvor die anderen beiden der vier Transistoren gesperrt. Somit ist sichergestellt das wir kein Kurzschluss auf einen der H-Brücken haben. Um
diese vorzeitige Sperrung der anderen Transistoren zu erreichen haben
wir RC-Verzögerungsglieder eingebaut. Die RC-Glieder sind mit 0,02 Sekunden dimensioniert.
τ=RC
Man muss sich auf ein Bauteil festlegen, dann kann man das andere Dimensionieren.
Wir haben τ =0,02s gesetzt und C=2,2mF. Somit ergab sich ein Widerstandswert von ca. 9 kΩ. In unserer Schaltung haben wir einen 10 kΩ Widerstand verwendet. Dies erhöht unser τ um 2/1000 Sekunden.
Durch die Aufteilung in Teilschaltungen muss es eine Schnittstelle zwischen den beiden Schaltungen geben. Diese wird durch eine Zehnpolige
Stiftleiste realisiert, welche eins zu eins kontaktiert ist. Die nachfolgende
Tabelle ist somit sowohl für den Leistungsteil als auch für den Logikteil
unserer Schaltung gültig.
Hier die Pinbelegung:
PIN Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Belegung
5 Volt Versorgungsspannung
Masse
Vor/Rückwärts rechter Motor
Vor/Rückwärts linker Motor
nicht belegt
nicht belebt
Masse (analog Teil)
Masse (analog Teil)
Choppersignal linker Motor
Choppersignal rechter Motor
Tabelle G3_1: Pinbelegung der Stiftleiste
64
Bilder der fertigen Schaltung:
Abbildung G3_21: Oberseite Leistungsplatine
Abbildung G3_22: Unterseite Leistungsplatine
65
4.4 Ansteuerung der Befehle von der zentralen Steuereinheit:
Um Fehlfunktionen oder gar eine Zerstörung des Roboters ausschließen zu
können wurden folgende Steuerbefehle bindend mit der ZSE festlegt.
In den folgenden Tabellen verwenden wir low für 0 Volt und den Begriff
high um zu 5 Volt auszudrücken.
Nr. Funktion
0 Volt
1
STOP/GO
Stop
2
VOR/ZURÜCK linker Motor
Rück
3
VOR/ZURÜCK rechter Motor Rück
4
drosseln linker Motor
0%
5
drosseln rechter Motor
0%
Tabelle G3_2: Steuersignale zur ZSE
Beispiele:
Anmerkung:
5 Volt Beschreibung
Go
Vor
Vor
50%
50%
Schaltet Motorspannung an bzw. ab
Schaltet die Transistoren(H-Brücke)
Schaltet die Transistoren(H-Brücke)
Senkt Drehzahl des linken Motors
Senkt Drehzahl des rechten Motors
Bedingung zeitlicher Befehlsablauf
Standwenden links
1=low
2=low, 3=high, 1=high
Standwenden rechts
1=low
2=high, 3=low, 1=high
Steuern nach links (fahrt)
1=high
4=high
Steuern nach rechts (fahrt)
1=high
5=high
Tabelle G3_3: Beispiele für das Setzten der Steuersignale
Diese Signalleitungen haben wir über ein gemeinsames Bus-System zwischen allen beteiligten Gruppen realisiert. Dieses Bus-System soll uns vor
einem Kabelchaos zwischen den einzelnen Gruppen schützen. Des weiteren steigert das die Modularität der Gesamtschaltung und ermöglich ohne
weiteres abstöpseln von Kabelleitungen eine Kontrolle oder Fehlersuche in
der Schaltung. Die einzelnen Teilgruppen
66
Das gemeinsame Bus-System hat folgenden Aufbau:
Abbildung G3_23: Gemeinsames Bussystem
4.5 Bedienungsanleitung:
4.5.1 Wartung:
In zeitlich regelmäßigen Abständen gehören die Zahnräder am Getriebe
augenscheinlich geprüft und gegebenenfalls mit ein wenig Öl geschmiert.
Ansonsten ist keine Wartung für den Logik- und Leistungsansteuerung
notwenig.
4.5.2 Gerätespezifikation, technische Daten
Für den Betrieb unseres Logikteils unserer Schaltung benötigen wir eine
fünf Volt Versorgungsspannung. Für den Leistungsteil benötigen wir eine
Gleichspannungsversorgung von 24 Volt. Die H-Brücke des Leistungsteils
wurde mit Darlingtontransistoren realisiert.
67
4.6 Bestückungsliste der Antriebsgruppe
Bauteil
Bauteilname
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R1
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R2
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R3
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R4
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R5
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R6
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R7
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R8
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R9
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R10
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R11
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R12
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R14
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R15
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R16
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R17
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R18
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R19
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R20
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R21
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R22
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R23
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R24
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R25
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R26
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R28
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R29
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R30
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R31
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R32
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R33
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R34
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R35
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R36
Spindeltrimmer
R37
Spindeltrimmer
R38
Spindeltrimmer
R39
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R40
Widerstand, ¼ Watt, Metallschicht
R41
Kondensator 50V
C1
Kondensator 16V (Elektrolyt)
C2
Kondensator 50V
C3
Kondensator 50V
C4
Wert
5,6 k Ω
9,09 k Ω
475Ω
1 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
470Ω
1 kΩ
100 kΩ
1 kΩ
2,74 kΩ
2,74 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
909Ω
909Ω
1 kΩ
1 kΩ
100 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
470Ω
1 kΩ
2,74 kΩ
2,74 kΩ
1 kΩ
1 kΩ
909Ω
909Ω
5 kΩ max
2 kΩ max
1 kΩ max
25 kΩ
25 kΩ
100nF
100µF
100nF
100nF
68
Kondensator 16V (Elektrolyt)
Kondensator 50V
Kondensator 50V
Kondensator 50V
Kondensator 50V
Kondensator 50V
Kondensator 50V
Operationsverstärker (4fach)
Diode
Transistor
Transistor
Transistor
Transistor
Transistor
Integrierte Schaltung (AND)
Integrierte Schaltung (NOT)
Europlatinen
Lenkrollen
Modelbaugetriebe (Variogetriebe)
Schmelzsicherungen
Metallzahnrad
Metallzahnrad
Plastikzahnrad
Stiftleiste
Kabelklemmen
IC-Fassungen
IC-Fassungen
Sicherungsclips
Busstecker
C5
C6
C7
C8
C9
C10
C11
2x
8x
4x
4x
4x
6x
4x
3x
2x
2x
2x
2x
2x
2x
2x
2x
2x
3x
5x
2x
4x
1x
100µF
100nF
100nF
100nF
2,2µF
2,2µF
2,2µF
LMC6484IN
SB560
BDW84
BDW83
IRF9530
BC546
BC338
4081N
4009N
2,5A 250V
11 Zähne Modul 0,5
22 Zähne Modul 1
11 Zähne Modul 1
10 polig
ConWago W237-102
14 polig
16 polig
Print 2 pins inline
MAC32L
Tabelle G3_4: Bestückungsliste der Antriebsgruppe
Bei den Spindeltrimmern sind die Ohmangaben die maximal Ohmwerte.
69
4.7 Funktionsweise eines Gleichstrommotors
Ein Gleichstrommotor setzt sich im Prinzip aus einem feststehenden Stator, an dem die Feldmagneten angebracht sind, und einem rotierenden
Anker, zusammen. In Bild 1 sind die Pole des Feldmagneten durch N =
Nordpol und S = Südpol gekennzeichnet. Der Anker, der sich im Luftspalt
des Feldmagneten dreht, wird in der Abbildung mittels eines Balkens und
zweier Kreise dargestellt, die in Bild 1 a) die beiden Spulenhälften der Ankerwicklung und in den Bildern 1 b), c) und d) die jeweilige Stromrichtung
symbolisieren sollen. Das elektrodynamische Gesetz besagt, dass auf eine
stromdurchflossene Leiterschleife im Magnetfeld die Kraft F = I— l — B wirkt
und das ein stromdurchflossener Leiter von einem kreisförmigen Magnetfeld umgeben ist. Kombinieren wir nun das Magnetfeld des Feldmagneten
mit dem Magnetfeld der Leiterschleife, so können wir eine Überlagerung
der beiden Felder sowie eine daraus resultierende Kraftwirkung feststellen.
Bild 1 a) b) c) d) e)
In Bild 1 a) erkennen wir, dass der Anker parallel zu den Feldlinien ausgerichtet ist. Die Ankerwicklung setzt sich aus zwei Spulenhälften zusammen, die als Kreise am jeweiligen oberen und unteren Ende des Ankers
dargestellt sind (siehe Bild 1 a). Legen wir nun eine Gleichspannung an
die beiden Enden der Ankerwicklung (Bild 1b), können wir uns vorstellen,
dass die bewegten Ladungsträger in die untere Spulenhälfte hineinfließen
(Kreis mit Punkt) und aus der oberen Spulenhälfte wieder herausfließen
(Kreis mit Kreuz). Eine jede stromdurchflossene Spule entwickelt ein eigenes Magnetfeld, so dass es nun zu einer Überlagerung des Erregerfeldes
mit dem Feld der unteren Spulenhälfte und dem Feld der oberen Spulenhälfte kommt. Die Feldlinien des Erregerfeldes sind immer gleich gerichtet, sie zeigen stets vom Nordpol zum Südpol. Die Felder der beiden Spulenhälften hingegen, in Bild 1 b) durch Kreise mit je einem Pfeil dargestellt, haben entgegengesetzte Richtung. Betrachten wir in Bild 3.2 c) die
untere Spulenhälfte, so erkennen wir, dass auf der linken Seite des Feldes
der Spulenhälfte die Feldlinien von Erregerfeld und Spulenfeld die gleiche
Richtung aufweisen. Man sieht deutlich, wie es auf dieser Seite zu einer
Verdichtung der Feldlinien kommt. Die zusammengedrängten Feldlinien
haben die Eigenschaft, sich voneinander abzustoßen, so dass es zu einer
Kraftwirkung in Richtung des verminderten Feldbereichs (in Bild 1 c), d),
e) durch einen weiße Pfeile dargestellt) kommt. Betrachten wir nun in Bild
1 c) die obere Spulenhälfte: Die Feldlinien dieser Spulenhälfte zeigen auf
70
ihrer rechten Seite in die gleiche Richtung wie die Feldlinien des Erregerfeldes. Es kommt hier wiederum zu einer Verdichtung der Feldlinien und
zu einer Ablenkung des Ankers in Richtung des geschwächten Feldbereichs (ebenso durch weiße Pfeile dargestellt). Aufgrund dieser Kraftwirkung in die jeweils entgegengesetzte Richtung am unteren und am oberen
Ende des Ankers entsteht ein Drehmoment. Dieses Drehmoment wiederum verursacht die Rotationsbewegung des Ankers. Bild 1 e) stellt die
Kraftwirkung auf einen Trommelanker dar, der bei zahlreichen handelsüblichen Gleichstrommotoren eingesetzt wird. Wir erkennen unschwer, dass
dieser Anker nicht nur eine Leiterschleife bzw. Ankerwicklung aufweist,
sondern gleich mehrere. Demzufolge muss sich auch die Kraftwirkung auf
den Anker sowie das von ihm abgegebene Drehmoment vergrößern. Bei
Elektromotoren wird das Drehmoment durch das Zusammenwirken von
Ständermagnetfeld und Ankermagnetfeld gebildet. Der durch die Ankerwicklungen fließende Strom erzeugt nämlich um jede einzelne Windung
der Ankerspule ein durch konzentrische Kreise darstellbares Magnetfeld.
Die Gesamtheit dieser Magnetfelder erzeugt das Ankerfeld. Dieses bewirkt
im Ständermagnetfeld eine Kraft F, so dass sich ein Drehmoment bildet.
Durch Messung der Kraft F am Umfang der Antriebsscheibe des Motors
kann das abgegebene Drehmoment bestimmt werden.
Die Teilnehmer der Gruppe „Antrieb“ haben sich für das Fortbewegen des
Roboters für permanenterregte Gleichstrommotoren entschieden. Ein
Hauptgrund war die deutlich einfachere Ansteuerung der Motoren im Vergleich zu Schrittmotoren.
4.7.1 Permanenterregte Gleichstrommotoren
Strom und Drehzahl sind bei permanenterregten Gleichstrommotoren linear Abhängig vom Drehmoment. Durch die Ankerwicklung sind die jeweiligen Steigungen der Geraden festgelegt und können nicht unabhängig
voneinander beeinflusst werden. Die Leerlaufdrehzahl verhält sich proportional zur Versorgungsspannung. Dadurch ergibt sich durch eine Änderung
der am Motor anliegenden Spannung eine Parallelverschiebung der Drehzahlkennlinie. Die Kennlinie des Stroms bleibt davon unberührt.
Durch Bildung des Quotienten aus der an der Motorwelle mechanisch angebebener Leistung und der vom Motor aufgenommenen elektrischen
Leistung berechnet sich der Wirkungsgrad des Motors. Betrag und Lage
es Maximums der Wirkungsgradkurve werden im Wesentlichen von der
Baugröße des Motors, der Betriebsspannung und den Ankerwiderstand
beeinflusst.
Der permanenterregte Gleichstrommotor ist aufgrund seines linearen
Kennlinienfeldes ein anpassungsfähiger und gut regelbarer Antrieb. Bei
einem beliebigen Drehmoment kann der Motor mit unterschiedlichen
Spannungen betrieben werden.
71
4.7.2 Zusammenhang zwischen Drehzahl und Stromaufnahme
Diese Funktion ergibt sich durch
Auflösen der Leistungsbilanz nach
der Drehzahl n:
n = (U - I — R) / (c — 2 — π)
n = f (I)
4.7.3 Zusammenhang zwischen Leistung, Drehmoment und Stromaufnahme
Der Leistungsverlauf ergibt sich
durch Einsetzen obiger Gleichung für
die Drehzahl in die Gleichung für die
mechanische Nutzleistung
Pmech Nutz = (U - R — I) — (I - ILeerlauf)
Der Drehmoment-Verlauf ergibt sich
aus
MNutz = c — (I - ILeerlauf)
Pmech Nutz = f (I), MNutz = f (I)
Demnach liefert der Motor seine max. mechanische Leistung nicht bei angenommener Nennlast I = 1,7 A, sondern etwa bei I = 3,55 A; die mechanische Leistung erreicht bei diesem Strom einen Wert von ca. 8,5W.
4.7.4 Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Stromaufnahme
Der Verlauf des Wirkungsgrades ergibt sich aus dem Quotienten der
mechanischen
Nutzleistung
zur
elektrischen Leistungsaufnahme:
η = (U - R — I) — (I - ILeerlauf) / (U — I)
η = f (I)
Wie die Funktion der Leistung, so hat auch der Verlauf des Wirkungsgrades bei einem bestimmten Strom ein Maximum; diese beiden Ströme sind
aber nicht identisch.
72
Um das Maximum einer Kurve zu ermitteln, werden üblicherweise die Methoden der Differentialrechnung angewendet. Differenzieren der Kurve
(Bildung der ersten Ableitung) führt zunächst auf den Verlauf der Steigung dieser Kurve in Form einer neuen Funktion. Da die Steigung in einem Maximum Null ist, wird diese Funktion ebenfalls mit Null gleichgesetzt, und man erhält dadurch den zum Maximum gehörenden Wert auf
der x-Achse (in diesem Fall den Strom I).
4.7.5 Ermittlung der Kenngrößen
Für den Antrieb unseres Projekts SoSe 2004 werden zwei permanterregte
Gleichstrommotoren verwendet, bei denen elektrische und mechanische
Kenngrößen mehr oder weniger unbekannt sind. Während Angaben zur
maximalen Leistung und Stromaufnahme vorliegt, findet man entsprechende Werte bei Belastung nicht mehr. Brauchbare Angaben über Drehzahl, Drehmoment und Wirkungsgrad sind ebenfalls nicht vorhanden.
Aber gerade die Kenntnis des Drehmoments bei unterschiedlichen Lastbedingungen kann sinnvoll sein, um die Eignung eines Motors als Antrieb für
ein bestimmtes Modell beurteilen zu können.
Zur Charakterisierung eines Motors werden nur wenige Daten benötigt,
aus denen sich praktisch alle anderen Kenngrößen errechnen lassen.
Grundlage dafür ist die Leistungsbilanz eines Motors:
Ermittlung der Maschinenkonstante c und das maximale Drehmoment
Mmax:
Die zu ermittelnden Größen des Motors werden mit der Leistungsbilanz
ermittelt
U = Versorgungsspannung in V (Volt)
U — I = I2 — R + c — I — 2 — π — n
I = Stromaufnahme in A (Ampere)
R = ohmscher Widerstand der
und daraus folgend
Ankerwicklung in Ohm
c = Maschinenkonstante in Vs
U=I—R+c—2—π—n
n = Drehzahl pro Sekunde in 1/s
73
4.7.6 Messwerte zur Ermittlung der Kenngrößen:
Nennspannung U = 23 V, Leerlaufdrehzahl n Leerlauf = 70 1/s
Leerlauf:
(4190 1/min), Stromaufnahme I Leerlauf = 0,089 A, R = 7,6 Ω
(Wert 1)
Nennspannung U = 23 V, Nennlastdrehzahl n Nennlast 1 = 65 1/s
Nenn(3900 1/min), Stromaufnahme I Nennlast 1 = 0,2 A, R = 7,6 Ω
ast 1:
(Wert 2)
NennNennspannung U = 23 V, Nennlastdrehzahl n Nennlast 2 = 58 1/s
ast 2:
(3475 1/min), Stromaufnahme I Nennlast 2 = 0.5 A, R = 7,6 Ω
(Wert 3)
Wert 1:
U — I Leerlauf
= (I Leerlauf)2 — R + c1 — I Leerlauf — 2 — π — n Leerlauf
23 V — 0,089 A
= (0,089 A)2 — 7,6 Ω + c1 — 0,089 A — 2 — π — 70
1/s
U
23 V
22,324 V
c1
=
=
=
=
Wert 2:
U — I Nennlast 1
=(I Nennlast 1)2 — R + c2 — I Nennlast 1 — 2 — π — n Nennlast
I Leerlauf — R + c1 — 2 — π — n Leerlauf
0,089 A — 7,6 Ω + c1 — 2 — π — 70 1/s
c1 — 2 — π — 70 1/s
0,0508 Vs
1
23 V — 0,2 A
= (0,2 A)2 — 7,6 Ω + c2 — 0,2 A — 2 — π — 65 1/s
U
23 V
21,48 V
C2
Wert 3:
U — I Nennlast 2
=
=
=
=
I Nennlast 1 — R + c2 — 2 — π — n Nennlast 1
0,2 A — 7,6 Ω + c2 — 2 — π — 65 1/s
c2 — 2 — π — 65 1/s
0,0526 Vs
= (I Nennlast 2)2 — R + c3 — I Nennlast 2 — 2 — π — n Nennlast 2
23 V — 0,5 A
= (0,5 A)2 — 7,6 Ω + c2 — 0,2 A — 2 — π — 58 1/s
U
23 V
19,2 V
C3
=
=
=
=
I Nennlast 2 — R + c3 — 2 — π — n Nennlast 1
0,5 A — 7,6 Ω + c3 — 2 — π — 58 1/s
c3 — 2 — π — 58 1/s
0,0527 Vs
74
4.7.7 Mittelwert für die Maschinenkonstante c:
cMittelwert
= (c1 + c1 + c2) : 3
cMittelwert
cMittelwert
= ( 0,0508 + 0,0526 + 0, 0527) Vs : 3
= 0,0520 Vs
4.7.8 Maximales Drehmoment des Motors Mmax
M = Drehmoment in Nm bzw. Ws
P = Leistung in W
n = Drehzahl pro Sekunde in 1/s
ω = Kreisfrequenz 2 — π — n in 1/s
M=P/ω=P/2— π—n=c—I
Von praktischer Bedeutung ist noch das max. Drehmoment bei blockierter
Motorwelle. Es ergibt sich ebenfalls aus Mmax = c — (Imax - ILeerlauf).
Für Imax wurde ein Wert von 3,05 A ermittelt. Bezugspunkt war die Motorwelle (ganz) kurz vor dem Stillstand!
Mmax
Mmax
Mmax
= c — (Imax - ILeerlauf)
= 0,0520 Vs . (3,05 A – 0,089 A)
= 15,39 Ncm
Die Berechnungen der Kenngrößen mussten für unser Projekt erstellt
werden, um ein passendes Getriebe zu dimensionieren.
4.8 Getriebe
Um die gewünschten Fahrleistungen unseres Roboters zu erreichen ist es
notwendig den Motor mit einem Getriebe zu koppeln. Doch nicht nur die
gewünschte Endgeschwindigkeit sondern auch die nötige Kraft, welche wir
benötigen um unseren Roboter anfahren zu lassen, fließen in Berechnung
des Getriebes mit ein.
Für die Berechnung des Getriebes waren uns nicht alle Daten bekannt.
Hier haben wir in Nachschlagewerken einen Wert für die Haftreibungszahl
nachgeschlagen, und den Wert mit 0,6 angenommen.
4.8.1 Berechnungen von Getrieben:
Die Berechnungen von Getrieben folgen einfache Gesetzmäßigkeiten.
Die Übersetzung eines Radpaares ist das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten.
Da bei der Berechnung der Wegstrecke bei einer Umdrehung (Umfang eines Kreises) nur lineare Kenngrößen Einfluss nehmen und man diese
Kreisgleichung auf in eine lineare Bewegung überführen kann, ergibt sich
75
die einfache Bewegungsgleichung der Kinematik für unbeschleunigte Körper und konstante Geschwindigkeiten.
Für einen Kreis gilt:
U = 2*π*r
(wobei U der Umfang und r der Radius des betrachteten Kreises ist.)
v=s/t
(hier ist s der Weg und v die Geschwindigkeit)
Die Frequenz ist in unserem Fall gleich die Anzahl der Umdrehungen pro
Sekunde. Hierzu bestimmen wir die Anzahl der Umdrehungen pro Minute
dividieren diese durch 60 und erhalten dann die Frequenz.
Die Winkelgeschwindigkeit ist definiert als:
|ω| =2*π*f
Da die beiden miteinander gekoppelten Zahnräder sich durch den Radius
unterscheiden, erhalten wir auch eine andere Frequenz (Drehfrequenz).
Diese Frequenz f’ hat eine andere Winkelgeschwindigkeit zur Folge.
Bei den folgenden Betrachtungen liegt wird nach DIN 868 Indexiert, wo
definiert ist dass das kleinere Ritzel mit dem Index „1“ und das größere
mit dem Index „2“ indiziert wird.
Da die Übersetzung das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten ist, ergibt
sich:
Übersetzung: i = ω1 /ω2
Hierbei kann man 2*π aus der Gleichung kürzen (da ω = 2*π*f)und erhält:
Übersetzung: i = f1/f2
Da die Frequenz nur die Anzahl der Umdrehung pro Zeiteinheit ist kann
man dies auch schreiben als:
i = f1/f2 = n1/n2
somit ergibt sich schließlich:
i = ω1 /ω2 = f1/f2 = n1/n2 = rw2/rw1 = dw2/dw1 = z2/z1
Hierbei ist r der Radius des Wälzdurchmessers und d der Wälzdurchmesser des jeweiligen Rades.
Unter z versteht man die Anzahl der Zähne eines Zahnrades.
76
4.8.2 Mehrstufige Getriebe:
Möchte man die Übersetzung mehrstufige Getriebe errechnen, so reicht es
lediglich die Einzelübersetzungen der Teilgetriebe mit einander zu multiplizieren.
igesamt= i1*i2*i3 …
4.8.3 Das Drehmoment
Definition: Das Drehmoment M ist das Produkt aus der Kraft F und dem
Abstand r ihrer Wirkungslinie von der Drehachse:
mit
mit
die zum Moment dazugehörige Si-Einheit:
Wird ein starrer Körper durch das Drehmoment M = r * F um den Winkel
∆ϕ gedreht, so hat die äußere Kraft längs des Weges ∆s = r*∆ϕ gewirkt.
Die Verrichtete Arbeit ist
∆W = F*r*∆ϕ
oder
∆W = M*∆ϕ.
Geschieht dies in der Zeit ∆t, so beträgt die Leistung
P = ∆W/∆t = M ∆ϕ/∆t =Mω
Ist bei einem Fahrzeug die Leistung bekannt, so kann man mit der Umrechnung der Drehzahl des Motor in die Winkelgeschwindigkeit das Drehmoment M = P/ω bestimmen. Berücksichtig man nun noch die Gangübersetzung i des Getriebes so erhält man das Drehmoment des Antriebrades
Ma = i*M= i*P/ω .
Nun kann man noch die Antriebkraft des Rades bestimmen indem man die
Ausgangsgleichung für das Drehmoment nach der Kraft umstellt:
Fa = i*M/ra (wobei ra der Radius des Antriebsrades ist)
77
4.8.4 Unser Getriebe:
Da wir von einer Masse unseres Roboters ca. von 8 kg ausgehen Erhalten
wir eine Gewichtskraft von
F = g* F
G
F = 78,5 N
Diese Kraft multipliziert mit der Haftreibungszahl für unsere Räder, welche
wir auf 0,6 abgeschätzt haben ergibt die Kraft welche maximal wirken
kann und wir nicht in Gleitreibung übergehen. Nimmt man nun noch die
Formel M = F * r so kann man bei bekannten Radgrößen das maximale
Drehmoment errechnen. In unserem Fall haben die Räder einen Durchmesser von 0,1 Meter. Somit ergibt sich einmaximales Drehmoment von
2,4 Nm.
Nach den Berechnungen und Messungen unseren Motors ergab sich ein
Drehmoment von 0,154 Nm. Das resultierende Getriebe hat somit eine
Übersetzung von 15,3:1.
Das von uns verbaute Getriebe hat jedoch eine höhere Übersetzung, da in
dieser Kalkulation noch nicht die Reibung der Zahnräder berücksichtigt ist.
Diese schlägt sich bei unserem Getriebe aufgrund seiner Mehrstufigkeit
und seiner preiswerten Plast Komponenten in einem Wirkungsfaktor um
0,72 nieder. Somit haben wir eine Getriebeübersetzung von 20:1 realisiert. Somit kommen wir auf eine Übersetzung von 20*0,72 = 14,4. Nehmen wir beim belastetem Motor 58 Umdrehungen pro Sekunde an (vgl.
Ermittlung der Kenngrößen), so erreichen wir mit unserem Getriebe 4,02
Umdrehungen pro Minute. Multipliziert man dies mit 2*π*r (wobei r der
Radius unserer Reifen ist) so erhalten wir den zurückgelegten Weg pro
Sekunde. Unser Radius beträt 0,05 m somit erhalten wir eine Maximalgeschwindigkeit von 4,5 km/h.
4.9 Reflexion der Gruppenarbeit und des Labors
Das Arbeiten in der Gruppe wurde von allen Teilnehmern als angenehm
empfunden. Die Kooperation und Hilfsbereitschaft zwischen den Laborteilnehmern war sehr gut und wurde positiv aufgenommen. Der Umgang miteinander und die Vorgehensweise im Labor steigerte die Freude am Studium der Elektrotechnik. Grundsätzlich gestaltete sich das Projektlabor aus
selbständigem Lernen und freiem Arbeiten.
So konnte jeder entscheiden, für welche Arbeit er sich einsetzte und engagierte. Dies funktionierte unter anderem auch, weil jeder die Eigeninitiative in unserem Studieren begriffen hat und motiviert seine Lerninhalte
selbstständig erschloss und den wesentlichen Inhalt weitergab. Die Themengebiete beschränkten sich nicht nur auf die Elektrotechnik, sondern
78
deckten auch andere Fachgebiete, wie z.B. technische Mechanik. Für alle
kann gesagt werden, dass eine Verbindung zwischen dem theoretischen
Wissen und der praktischen Ausführung gelegt wurde.
Leider wurde das Ausscheiden vom Projekt von Marcus Reinecke aus persönlichen Gründen bedauert und erhöhte den Arbeitsaufwand für die
verbleibenden Teilnehmer merklich. Zudem wurde die Dimension des Projekts deutlich unterschätzt, was sich daran äußerte, dass Projektlaboranten andere Studienfächer vernachlässigen mussten, um das Gesamtprojekt nicht zu gefährden.
79
5 Folge Sensorik des Roboters
Unsere Aufgabe war es, eine Schaltung zu entwerfen die der ZentralenSteuer-Einheit des Roboters sagt, in welcher Richtung das Ziel zu finden
ist.
Von der Idee her soll das Auto ein Sender verfolgen, z.B. dem Besitzer
hinterher fahren, der den Sender in der Tasche hat.
5.1 Unsere Idee
Es entstand dann bei uns in der Gruppe die Idee mit Sensoren festzustellen wie stark das Signal ist und damit zu entscheiden, wo das Signal her kommt.
Dazu haben wir und die verschiedenen möglichen Sendearten angeschaut, dann das Projekt in die Teile SENDER – EMPFÄNGER – DMGV –
LOGIC zu trennen. Wobei der DEMODULATIONSGLEICHRICHTERVERSTÄRKER uns die meisten Sorgen gemacht hat.
5.2 Die technischen Vorraussetzungen
Aus technischen Gründen mussten wir einige Vorraussetzungen schaffen, damit der Aufwand zu bewältigen ist. Wir benutzen einen feststehenden Sender, der an einer Seite an der Wand des Testgeländes stehen muss und mit einem Netzteil versorgt wird. Die maximale Entfernung zwischen Sender und Empfänger liegt bei 5m und minimal bei
80cm. Die Sender-Empfängerstrecke darf nicht durch Hindernisse gestört werden. Tischbeine sollten aber kein Problem darstellen, da das
Auto diese dann schnell umfährt.
Abbildung G4_1: Testgelände
80
5.3 Die Festlegung der Sensortechnik
Sensoren stellen eine Veränderung der Umgebungseigenschaften meistens als proportionale Veränderung einer zu Messenden Größe dar. (z.B:
Strom, Spannung, Widerstand)
Um eine Strecke von 5 Metern zu überbrücken muss unser Sender so
stark sein das der Sensor am Empfänger noch eine Veränderung spürt.
Licht und Schall sind für uns die einfachsten Techniken. Es währen natürlich auch andere Sender wie Radar oder Radioaktivität möglich.
5.3.1 Ultraschall
5.3.1.1
Erklärung
Der Ultraschall ist eine Schwingungserscheinung der sogenannten Längswellen mit Frequenzen zwischen 20 KHz und 1000 MHz. Ultraschall ist für
Menschen nicht hörbar, da das menschliche Ohr Frequenzen über 20 kHz
nicht wahrnimmt. Eine Reihe von Tieren, darunter Hunde, Delfine und einige Insektenarten, können Ultraschall hören.
Ultraschall findet in Technik und Medizin diverse Anwendungen:
Ultraschallschweißen
Informationenübertragung
Abtastung von Material
Zerstäuben, Vernebeln, Emulgieren und Mischen von Flüssigkeiten
(z.B. bei Luftbefeuchtern, Nebelmaschinen
weitgehend gefahrlose Untersuchung von Mensch und Tier mittels
Ultraschall = Sonografie
Er ist im Prinzip mit einem hörbaren Ton vergleichbar. Bis zu etwa 200kHz
kann sich der Ultraschall auch wie ein Ton in der Luft ausbreiten. Bei noch
höheren Frequenzen nimmt die Reichweite aber stark ab. Bei 1 MHz ist
eine Übertragung durch Luft schon fast unmöglich. Feste oder flüssige
Stoffe können jedoch auch noch diese Frequenzen weiterleiten.
81
5.3.1.2
Vor- und Nachteile von US
Nachteil
Ausweichsensoriker arbeiten mit US
Vorteil
Reichweite
Teuer 2€ pro Sensor
Probleme mit Echo
Zuverlässigkeit Nur 40kHz Bauteile erhältlich
Tabelle G4_1: Vor- und Nachteile von Ultarschall
Abbildung G4_1: Bild eines Ultraschallabstands Messgerätes
5.3.2 Infrarot
5.3.2.1
Erklärung
Es gibt verschiedene Möglichkeiten Infrarot Licht zu empfangen.
Infrarotlicht bedeutet eine Wellenlänge des Lichtes zwischen 800 und
1000nm.
Lichtempfindliche Bauelemente (Fotodetektoren) sind:
1. Hochvakuum- und gasgefüllte Zellen.
2. Fotohalbleiter ohne und mit pn-Übergang, z.B Fotowiderstände, Fotodioden, Fotoelemente, Fototransistoren und Siliziumtransistoren.
Da gasgefüllte Zellen zu teuer und unpraktisch sind haben wir uns die
Halbleiter genauer angeschaut.
Fotowiderstände bestehen aus homogenen Halbleiter-Mischkristallen.
Ihr Widerstandswert sinkt mit steigender Beleuchtungsstärke.
Fotodioden sind lichtempfindliche, bei Sperrspannung betriebene Halbleiterdioden mit einem kleinflächigen pn-Übergang. Ihr Sperrstrom dient als
Sensorsignal.
Fotoelemente (Solarzellen) sind großflächige, aktive Fotohalbleiter, die
Lichtenergie in nutzbare elektrische Energie umwandeln.
Fototransistoren und Siliziumtransistoren, sind Bauelemente deren
Basis-Kollektor-Sperrschicht vom Licht getroffen werden kann. Sie stellen
82
funktionell die Zusammenschaltung einer Fotodiode mit einem Verstärkertransistor dar.
5.3.2.1.1 Nutzbarkeitsstudie
Infrarotsender
Wir brauchen eine Menge Infrarotsender, um auf eine genügende Strahlungsleistung zu kommen. Zur näheren Auswahl kommen GaAs-IR-Dioden
mit einer Emissionswellenlänge von 950 nm. Conrad-Electronic bietet u.a.
folgende zwei Typen an:
Typ CQY 99:
Verlustleistung pro Diode 210 mW
Abstrahlwinkel 50°
Preis für 10 Stück: 10.80 €
Typ LD 271:
Verlustleistung pro Diode 220 mW
Abstrahlwinkel 40°
Preis für 10 Stück: 5.20 €
Abbildung G4_2: LD 271 Bild von Osram
Infrarotempfänger
Als Infrarotempfänger kommen superempfindliche Silizium-IR-Dioden
(SFH 205) aus dem Hause Siemens mit eingebautem Tageslichtsperrfilter
zum Einsatz. Ihr Sensibilitätsmaximum liegt bei 950 nm.
Die Verlustleistung beträgt maximal 150 mW pro Diode. Bei einem Winkel
von 30 ° beträgt die Empfindlichkeit noch 85% und bei
einem Winkel von 40° noch 75%.
Um 360° abzudecken sind 7 Dioden (3 rechts - 3 links - 1 vorne) notwendig.
5.3.2.2
Vor und Nachteile von Infrarot
Vorteile von IR
Günstigere Bauelemente
Nachteile von IR
Störstrahlung
Bauteile mit Tageslichtfilter Kleiner Abstrahlwinkel ca.20 grad
Reichweite
Tabelle G4_2: Vor- und Nachteile von Infrarot
83
5.3.3 Abschlussbetrachtung
Grundlegend für unsere Entscheidung Infrarotsensorik zu nutzen, waren
die Tatsachen, dass die Ausweichsenoriker Ultraschall verwenden, nur
40kHz Bauelemente erhältlich sind und die eingesetzten IR-EmpfängerDioden Tageslicht filtern.
5.4 Die theoretische Umsetzung der Schaltung
Nach Betrachtung der verschiedenen Bauteilkenndaten haben wir uns für
eine spezielle IR-Diode entschieden weil in dieser schon ein IR-Filter eingebaut ist.
IR-Filter: Durch Verwendung von einem Material was kein sichtbares Licht
durchlässt, wird das Umgebungslicht herausgefiltert. Zur Umsetzung unserer Infrarot-Senderverfolgung planen wir also einen 360°-Empfänger
bestehend aus 7 tageslichtgefilterten Photodioden. Um wirklich 360° abzudecken ist dabei wichtig, dass die Dioden dicht bei einander liegen. Dies
ist nur mit einem Kranz am höchsten Punkt realisierbar. Auf gleicher Höhe sollte der Sender arbeiten. Um Schatten und damit keinen Empfang zu
vermeiden, müssen Hindernisse auf eine Höhe unterhalb dieser SenderEmpfänger-Ebene beschränkt werden.
Um ein besseres Nutz-/Störsignalverhältnis zu erreichen, modulieren wir
das Sendesignal. Da keine Informationen übermittelt werden sollen,
reicht es aus das Signal auf eine Frequenz zu pulsen (Rechteck), die sich
genügend von Störstrahlungen, wie z.B. Leuchtstoffröhren und Monitoren
unterscheidet. Da unsere Modulationsfrequenz höher als die der
Störsignale definiert wird, ist die Demodulation auf Empfängerseite mit
Hilfe eines Hochpasses 1. oder 2. Ordnung realisierbar.
5.5 Das Block-Schaltbild
5m Entfernung
Auswertung
Auf dem Auto in
30 cm höhe
Verstärkung
Sender an der
Wand in 30 cm
höhe
Empfänger
+
Verstärkung
Filter
Sender
+
Rechteckgenerator
Im Rack am BUS angeschlossen
Abildung G4_3: vereinfachtes Blockschaltbild
84
5.6 Der Sender
Abbildung G4_4: Schaltplan Sender
Der Sender besteht aus 20 Sendedioden, immer 5 Dioden sind in Reihe
mit einem Leistungswiderstand, 2 Transistoren und 2 Widerständen. Die
ganze Schaltung wird mit +5 Volt betrieben. Davon fallen etwa 2,3 Volt
auf die Leistungswiderstand und etwa
1,2 Volt auf jede einzelne Diode ab.
Die Transistoren arbeiten als Schalter (Ein/Aus).
Aufgrund der beiden Widerstände wird die Ausgangsspannung des OP’s
geteilt. Ein Teil geht zurück zum positiven Eingang des OP’s geleitet.
Durch den Widerstand R3 wird ein Kondensator geladen. Dieser ist an
dem negativen Eingang geschaltet. Wenn dieser nun die geteilte Ausgangsspannung übersteigt schaltet der Op. Danach funktioniert alles entgegengesetzt.
Der Addierer Addiert zu der Ausgangsspannung des Oszilators eine Spannung von 9 Volt. Um zu verhindern das die Basis-Emitter Spannung nicht
unter null geht.
Um den Oszillator nicht zu stark zu belasten nutzen wir eine Darlington
Schaltung mit kleinen Eingangsströmen.
Die Vorwiderstände liefern kleine Basisströme, damit die Transistoren
schnell reagieren und schalten.
85
5.6.1 Bauteile
20 LD271 IR-Sendedioden
4 Leistungswiderstände 8,2 Ohm 5 Watt
4 x 2 Transistoren 2N222A und BD135-10
4 x 2 Vorwiderstände 162kOhm
1 x Kondensator 22nF C1
1 x Widerstand 2kOhm R3
1 x 400kOhm R12
3 x 100kOhm R13, R14, R15
Abbildung G4_5a: PSpice Schaltbild von dem Rechteckgenerator für den Sender
86
Abbildung G4_5b: PSpice Simulationsergebnisse von dem Rechteckgenerator für den
Sender ( V(R1:2) = Ausgangsspannung; V(Rf:1) = Spannung am Kondensator )
87
Abbildung G4_6: Platinen Layout des Senders
88
5.7 Der Empfänger
Abbildung G4_7: Empfängerstufe
Die Empfängereingangsstufe besteht pro Empfängerzweig aus 2 Operationsverstärkern, 3 Widerständen und einem Kondensator. Insgesamt gibt
es 7 Empfängerzweige; pro IR-Empfänger-Diode ist einer aufgebaut. Die
IR-Empfänger-Diode ist in Sperrichtung geschaltet. Durch Bestrahlung
verändert sich der Strom durch die Diode. Der Sperrstrom ist also lichtabhängig. Dieser Strom wird mit Hilfe eines Strom-Spannungswandlers in
eine proportionale Spannung umgewandelt, die dann weiter verarbeitet
wird. Der 2. OP verstärkt den Wechselanteil ca. 50-fach. Der erste OP
89
dient weiterhin zur Einstellung der Betriebsspannung von 5 Volt für die IREmpfänger-Diode.
5.7.1 Bauteileliste der Empfängereingangsstufe mit ungefährem
Anschaffungspreis
•
eine zweiseitig kupfer- und fotopositivbeschichtete Euro-Platine
100x160 mm 5,50 Euro
•
4 IC-Fassungen 14-polig 0,25 Euro pro Fassung
•
4 IC: TL 074 1 Euro pro IC IC2=IC4=IC5=IC7
•
7 Empfänger-Dioden: SFH 205 F 53 Cent pro Empfänger-Diode
•
7
Widerstände
:
68
k
10
Cent
pro
Widerstand
=
R1=R4=R7=R10=R13=R16=R19
•
7 Widerstände : 1,2 k = R3=R6=R9=R12=R15=R18=R21
•
7 Widerstände : 56 k = R2=R5=R8=R11=R14=R17=R20
•
7 Kondensatoren C= 22 nF 30 Cent pro Kondensator = C1-C7
•
eine Steckerleiste mit mindestens 10 Pins
90
Abbildung G4_8: Layout des Empfängers
91
5.8 Die Verstärker und Pässe
Abbildung G4_9: Die Analog Schaltung DMVG
92
Bevor das empfangene Signal von der Logikschaltung verarbeitet werden
kann, muss als erstes das auf 12,5 kHz gepulste Nutzsignal vom Gleichanteil und Störsignalen abgekoppelt werden. Dies geschieht mit Hilfe von
Hochpässen. Damit diese unbeeinflusst arbeiten können, benötigen wir
Impedanzwandler. Sie liefern Wechselsignale um 0 Volt. Zur Verfügung
stehen nur 5 und 12 Volt. Da die OP’s aber auch negative Signale verarbeiten müssen, legen wir die gesamte Signalverarbeitungsschaltung auf
eine virtuelle Masse von 5 Volt. Am Ende der Schaltung wird dieser Offsetspannung mit Hilfe eines Subtrahierers wieder abgezogen.
Nach den Hochpässen erhalten wir ein Wechselsignal, welches von den
Komparatoren der Logikschaltung jedoch nicht verglichen werden kann.
Das Ausgangssignal muss also nach den Hochpässen gleichgerichtet werden.
Da der OP im Subtrahiererbetrieb für ein kleines Eingangssignal gegen
Null, also seine negative Betriebsspannung (reale Masse), geht er aber
schon bei 1,5 Volt ungenau arbeitet, ist die geringste Ausgangsspannung
dieses Schaltungsteils auf 2 Volt festgelegt.
Um Bauteilschwankungen, insbesondere die der Empfängerdiode, auszugleichen, wird zwischen Gleichrichter und Subtrahierer ein einstellbarer
Elektrometerverstärker geschaltet. Dies konnte PSpice aufgrund der zu
hohen Knotenanzahl nicht mehr simulieren.
Im Steckbrettaufbau ergab sich dann, dass die Gleichrichterdiode kleine
Eingangssignale schluckt. Deshalb reduzierten wir den Hochpass zweiter
auf erste Ordnung. Mit dem frei gewordenen OP (4 OP’s pro Schaltungszweig = 1 IC) schalten wir einen Addierer und spannen so die Gleichrichterdiode mit etwas über 0,7 Volt vor.
In Verbindung mit der höheren Verstärkung gleich am Empfänger erhalten
wir mit dieser Schaltung auf 5m verwertbare Signale.
93
Abbildung G4_9: PSpice Simulation von einem Hochpass für die Analog Schaltung
94
( V(V1:+)= Ausgangssignal; V(C1:2) = Spannung am Kondensator;
V(C2:2) = Spannung am Kondensator ) [Diese Schaltung arbeitete noch
mit 2 Filtern, im Entwicklungsprozess haben wir einen Filter entfernt]
95
Abbildung G4_10: Ein Zweig der Analogschaltung im Detail
96
5.8.1 Bauteile
7 x 15nF C7, C8, C12, C15, C17, C19, C21
7 x 10kOhm R2, R18, R29, R40, R51, R63, R77
7 x 4,7kOhm R13, R28, R39, R50, R62, R76, R87
7 x 100 kOhm R70, R26, R 37, R48, R60, R74, R85
7 x 15 kOhm R69, R25, R36, R47, R59, R73, R84
7 x Gleichrichter Diode D1 – D7
7 x 4,7 µF (elko) C23 – C29
7 x 120kOhm R15, R20, R31, R42, R53, R65, R79
0-200kOhm Trimmpoti R88 – R 92, R1
7 x 5 x56kOhm R16, R17, R71, R54, R14
R21, R22, R27, R24, R19
R32, R33, R38, R35, R30
R43, R44, R49, R46, R41
R55, R56, R61, R58, R52
R66, R67, R75, R72, R64
R80, R81, R86, R83, R78
7 x IC 074 IC7, IC15 - IC20
7 x 100nF Kondensator für IC
97
Abbildung G4_11: Layout der Analog Filter (DMGV) Schaltung mit Steckerleiste für das
Rack
98
5.9 Die Logik
Abbildung G6_12a: Schaltbild der Logik
99
Sensor
R3
sor
R2
Sensor
R1
Sen-
L1
K
I
L3
K
DMV
G
K
DMV
G
K
Stoppspannung:
0-5V
K
DMV
G
AN
D
I
Oder
L2
Sensor
DMV
G
Oder
Sensor
K
DMV
G
Vorn
sor
DMV
G
V
I
Oder
Sensor-
K
Oder
Sen-
DMV
G
R
AN
D
L
AN
D
K
Abbildung G4_12b: Blockschaltbild
R = rechter Sensor
L = linker Sensor
Vorn = vorderer Sensor
DMVG = Demodulation-Verstärker-Gleichrichter
K = Komperator
I = Invertierer
Funktionen:
Stop: Maximaler Empfnag auf V (keine Ausgangssignale)
Sender Anpeilen (R oder L)
Entscheiden bei 180 Grad Lichteinfall (R oder L)
Die Eingänge kommen von der DMGV.
Es wird an den Eingängen R3 – L3 und für V ein Spannungspegel entsprechend der Entfernung zum Sender geliefert.
6 Komperatoren vergleichen immer ein Signal von Links oder Rechts mit
dem vorderen Sensor.
Wenn ein linker Sensor stärker ist als Vorne ist, schaltet der Komperator
auf ein high Pegel von 3.8Volt.
Die drei rechten und linken Komperatoren sind mit einem Oder-Gatter
verknüpft. Das schaltet am Ausgang auf high, wenn einer der drei auf
high geschaltet hat.
Um direkt von hinten kommende Signale richtig einzuordnen, vergleichen
wir noch mal die Spannungspegel der hinteren zwei Sensoren mit einem
Komperator.
Mit diesen Ausgängen haben wir anhand einer Wahrheitstabelle die bestmögliche Anordnung der Gatter bestimmt, um an den Ausgängen eindeutig ein R – L – V Signal zu erhalten.
100
Es kam eine Schaltung mit 2 ODER und 3 AND Gattern heraus.
Um ein Anhalten des Autos vor dem Ziel zu ermöglichen, schaltet ein weiterer Komperator beim Überschreiten eines einstellbaren Spitzenwertes
alle Ausgänge auf aus.
Um das Arbeiten der Schaltung zu kontrollieren gibt es eine Verbindung
mit der Frontplatte auf der Dioden das Arbeiten der Komperatoren und
der aktuellen Ausgänge anzeigen.
5.9.1 Bauteile
1
1
2
1
2
7
9
1
2
2
7
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
4075 drei Oder mit 3 Eingängen = IC4
4069 Inverter 6 fach = IC3
4081 4-UND mit 2 Eingängen IC2,IC1
4071 4-Oder mit 2 Eingängen IC14
LM324 mit 4 Op’s = IC5, IC6
Kondensatoren 100nF
Widerstände 470Ohm = R3-R9,R10,R12
Widerstand 250Ohm = R11
7Pin Pinleiste SV1,SV2
7Pin Stecker
IC Fassungen
5.9.1.1
Frontplatte
10 Dioden d=3mm
DrehPoti 100kOhm
101
Abbildung G4_13: Platinen Layout der Logik
5.10 Die Schnittstellen
Unsere Schnittstellen sind:
V
gibt ein Signal, wenn das Auto vorwärts fahren soll ( 5 Volt)
keine Signale bedeutet, das Ziel ist erreicht ( 0 Volt )
R
gibt ein Signal, wenn der Sender rechts vom Auto steht ( 5 Volt )
L
gibt ein Signal, wenn der Sender links vom Auto steht ( 5 Volt )
Tabelle G4_3: Ausgangssignale
102
Empfänger
KabelFarbe
Rot
Rot/blau
Weiß
Gelb
Rosa
Grün
Blau
Grau
Braun
Schwarz
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
+12 V
+5 V
R1
R2
R3
V
L1
L2
L3
Masse
Steckerleiste
Z=C
2
+5 V
4
+12
V
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
BUS
B=C
2
Masse
4
Masse
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
R
L
V
Tabelle G4_4: BUS Stecker
5.11 Reflexion der Gruppenarbeit
Unsere Gruppe bestand aus vier Teilnehmern mit dem Betreuer Olaf Ness,
und oft stand auch der Tutor Dirk Nötzelmann zur Verfügung.
Die gesamte Zeit arbeiteten wir gut zusammen, die Aufgaben wurden
sinnvoll verteilt.
Es gab selten Streit, eher Unbehagen, wenn es nur langsam voran ging.
5.11.1
Teilnehmer Liste
Tobias M.
Stefan Pelz
Mohamet
Sebastian
103
5.12 Fotos
Abbildung G4_14: Tobi am PC
Abbildung G4_15: 3 fach Sendeschaltung
104
Abbildung G4_16: Empfänger und Filterschaltung in der Entwicklungsphase
Abbildung G4_17: Der schöne Ausblick
105
Abbildung G4_18: Dirk beim hilfreich sein
Abbildung G4_19: Unser alter 48MB RAM Rechner tut sich schwer
106