Projekt fahrerloses Transportsystem

[Cyrus777]

Hallo!

Ich weiß nicht so recht in welchen Bereich ich das hier posten soll, weshalb ich es einfach mal hier poste.

Für eine Projektarbeit sollen wir in diesem Semester mit einer Gruppe ein fahrerloses Transportsystem bauen, welches induktiv (passiv oder aktiv) einer physischen Leitline folgt und eine kleine Kunststoffkiste (Kleinladungsträger = KLT) mit den Maßen von 200 mm x 300 mm und 2 Kg Gewicht tragen kann. Das FTS soll zudem Hindernisse erkennen und anhalten können. Blöderweise studieren wir technische Logistik und haben quasi keine Ahnung von Elektrotechnik/Elektronik. Beim Zusammenlöten etc haben wir dann Unterstützung durch wissenschaftliche Mitarbeiter, Profs etc. Aber wir sollen uns vorher halt genau Gedanken dazu machen. Wir haben auch dank dieses Forum bzw dem RN-Wiki schon viel gelesen, aber ein paar Fragen haben wir trotzdem.

Wir haben uns nach einiger Überlegung für folgende Komponenten entschieden:
- den SPS-Ctlr 12V (http://www.ak-modul-bus.de/cgi-bin/iboshop.cgi?showd0!0,702087901225272,SPSCTRL) Microcontroller. Mit SPS sind die benötigten Funktionen wohl deutlich einfacherer zu realisieren als mit Java oder einer anderen Programmiersprache.
- das RP6 Fahrgestell (http://www.conrad.de/ce/de/product/191152/FAHRGESTELL-ROBBY-RP5-ROBOTER/2420180&ref=list). Die beiden 6V Motoren dürften genug Leistung für unseren Anwendungszweck haben haben
- irgend einen induktiven Näherungssensor, zb den hier
(http://www.conrad.de/ce/de/product/505732/Induktiver-Naeherungsschalter-GX-S-Serie-Panasonic-GXS-N040-BBCS-P-Baugroesse-M12-Schaltabstand-0-4-mm-Schliesser-PNP-200-mA/0231041&ref=list)- einen Distanzsensor (http://www.conrad.de/ce/de/product/504591/DISTANZ-SENSOR-GP2Y0A21YK0F/0231511&ref=list)
- mit Hilfe von Teilen aus einem Metallbaukasten von Metallus oder so soll dann noch ein Gehäse oder sowas montiert werden, damit das FTS den KLT transportieren kann.

Jetzt zu den Fragen:

1. Kann man die Sensoren und das Getriebe überhaupt an den µ-Controller ohne weiteres anschließen? Weil das Board verfügt ja über 8 optische Eingänge sowie 4 analoge Eingänge, aber was ist mit dem Getriebe?

2. Was für Akkus braucht man da? Würden da zb die hier (http://www.conrad.de/ce/de/product/206974/NIMH-2X-6V-RACING-PACK-2400MAH-T-BUCHSE/SHOP_AREA_20058)ausreichen?


Vielen Dank schonmal für eure Hilfe!

[TobiKa]

Den IR-Sensor kannst du ohne weiteres an einen ADC des µC anschließen.
Der Akku sollte auch reichen, kommt natürlich drauf an welche Fahrzeit du erwartest.

Und kauf nicht bei Conrad, die sind viel zu teuer.

[Cyrus777]

Hey TobiKa,

Danke für die Antwort. Die Fahrzeit muss nicht wirklich lang sein, da das FTS ja nur einem auf dem Boden geklebten Magnetband für 2-3 Meter mit ein paar Kurven drin oder so folgen soll. Was für eine Fahrzeit kann man denn so erwarten? 2 Stunden? Bis das Teil das macht was es soll muss man ja auch erstmal eine gewisse Zeit testen und die Fehler beseitigen. Da wäre es dann ungünstig wenn man das Ding dann alle 30 Minuten oder so wieder laden muss. Einen Ersatzakku werden wir uns denke ich auf alle Fälle zulegen.

Oh wusste ich gar nicht dass die so teuer sind. Welchen Shop würdest du denn empfehlen?

[TobiKa]

Da kommen noch soviele Faktoren zu, sodass man jetzt noch nicht wirklich abschätzen kann, wie lang die Akkus halten werden.
Es kommt drauf an was du für Bauteile( Spannungsregler, H-Brücken.....) du benutzt.

Zu den Preisen (als Beispiel):
Ir-Sensor: http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/product_info.php?cPath=71&products_id=233 selbst mit Versand noch günstiger!

Ich bestell meist bei www.Reichelt.de , ansonsten gibts bei eBay immer mal wieder Schnäppchen was z.B. das RP6-Chassis angeht, oder halt hier im "Verkaufe,Suche,Tausche" Bereich. Kommt drauf an wie eilig ihr das habt.

Und noch was zum Gewicht, mit mehr als 2Kg sollte man das Chassis wohl nicht belasten. Hatte den selbst mal. Ist für solch ein Gewicht einfach nicht ausgelegt, da ist nichts gelagert, einfach nur dünne Stangen die durchs Plastik gehen.

[Sebas]

als fahrgestell könntet ihr auch einen henglong panzer nehmen die gibts bei ebay
die sollten die zwei kilo aushalten v.a wenn ihr eines der besseren nehmt
ist vom preis her ähnlich
mfg Sebastian

[Cyrus777]

Die Idee mit den Henglong Panzer Chassis ist nicht schlecht, zumal das Metallgetriebe sicher auch einiges aushält. Aber ich find das doch schon recht teuer. Geil wäre ja das Teil hier, aber ich glaub da bekommen wir vom Dekan eins auf den Deckel ^^ Roboterplattform (http://www.conrad.de/ce/de/product/191428/ALLRAD-GELAeNDE-ROBOTERPLATTFORM/SHOP_AREA_37371&promotionareaSearchDetail=005) Aber da könnte man schön mit Teilen aus nem Metallbaukasten Teile anbauen. Aber 300 Euro ist schon krass.

Nochmal zu den Akkus: wäre es sinnvoller wenn man gleich nen 5000 mAh Akku nimmt, wie z.b. den hier? Racing Akku (http://www.amazon.de/5000mAh-Racing-Stecker-Akkupack-Modellbau/dp/B003PAABJM) Der müsste doch ausreichend sein um sowohl das Board als auch die Motoren über eine ausreichend lange Zeit mit Strom zu versorgen.

[TobiKa]

Roboterplattform Aber da könnte man schön mit Teilen aus nem Metallbaukasten Teile anbauen. Aber 300 Euro ist schon krass.
Das Ding von Conrad wäre für euer Projekt weniger geeignet. Das Chassis ist für andere Einsatzzwecke konstruiert.


Nochmal zu den Akkus: wäre es sinnvoller wenn man gleich nen 5000 mAh Akku nimmt, wie z.b. den hier? Racing Akku Der müsste doch ausreichend sein um sowohl das Board als auch die Motoren über eine ausreichend lange Zeit mit Strom zu versorgen.
Definiere "ausreichend"... Klar hält der etwa doppelt so lang wie der den du oben gepostet hast, kostet aber auch ne Menge mehr und ist etwa 4cm länger als das RP6 Chassis.

[ranke]

Ich sehe noch ein paar Unstimmigkeiten zwischen Steuerung und Antriebskonzept. Wählt man ein RP6 Chassis, wäre es günstig für jeden Antriebsmotor PWM zur Verfügung zu haben um die Motordrehzahl kontinuierlich zu regeln (Fahrtrichtungsumschaltung könnte man per Relais machen). Die Steuerung bietet aber nur einen PWM Ausgang.
Zur vorgeschlagenen Steuerung würde eher ein Konzept mit nur einem Antriebsmotor passen, also z.B. ein Dreiradkonzept mit einem angetriebenen und gelenkten Rad und zwei ungelenkten, nicht angetriebenen Rädern. Alternativ auch ein angetriebenes, ungelenktes Rad und zwei nichtangetriebene, gelenkte Räder. Bei dem zweiten Konzept ist die Lenkung mechanisch etwas aufwändiger (eine Kopplung des Lenkausschlags der beiden Räder, ähnlich wie bei jedem Auto, wäre notwendig, dafür muss die Lenkung nicht auch den ganzen Antriebsmotor mitdrehen).
Bei den beiden vorgeschlagenen Konzepten würde man den PWM Ausgang für die Fahrgeschwindigkeit nutzen (es braucht noch zusätzlich einen Motortreiber für die Leistungsverstärkung, das PWM Signal der Steuerung ist nur ein schwaches Datensignal). Fahrtrichtung kann man mit Relais umschalten (man wird dafür evt. zwei Relais benötigen).
Die Lenkung kann man mit einem kleinen Getriebemotor (evt. gehacktes Servo), (nochmal 2 Relaisausgänge für Rechtslauf, Linkslauf, Stillstand) bewegen.
Die Sache mit dem induktiven Näherungssensor ist mir auch noch nicht klar. Solche Sensoren sprechen auf die Annäherung von Metall an. Wird die Führungslinie aus Metall auf nichtmetallischem Boden? Ein Sensor wird auch nicht reichen, wenn das FTS die Fahrspur verläßt, weiss die Lenkung ja nicht, ob sie nach rechts oder nach links korrigieren soll, da braucht es dann wenigstens zwei Sensoren, in einem seitlichen Abstand, der der Breite der Führungslinie angepasst ist.

[Cyrus777]

@ TobiKa: Die 20 Euro mehr wären jetzt nicht das Problem. Ich hab einfach mal festgelegt dass wir mit 500 Euro insgesamt hinkommen müssten. Da hatte der Dekan nichts dagegen eingewendet als ich das ins Lastenheft geschrieben hatte ;)
Das mit der Größe wäre auch nicht das Problem, da wir ja eh einen kleinen Aufbau anbringen müssen wegen der Kiste die das FTS tragen soll. Blöderweise ist das RP6 nur 19cm lang und 13 cm breit, die Kiste aber 30 cm lang und 20 cm breit. Der große Akku ist auch nur knapp 130 g schwerer. Wir müssen dann eh gucken dass die Lasten dann so verteilt sind dass uns das Teil nicht umkippt. Du hast ja erwähnt dass das Teil mit 2 Kg Zuladung schon arg an seine Belastungsgrenze kommt. Das ist im Moment auch eine Sorge, dass das Gewicht des Akkupacks sowie den Metallteilen mit den ganzen Rest einfach zu viel für die Achsen sind... Dann müsste man wohl doch nochmal über ein anderes Chassis nachdenken, auch aus den von ranke genannten Gründen.

@ ranke: Oh das ist blöd. Das war ja eigentlich genau der Hintergedanke als wir das RP6 Chassis gewählt haben, weil das ja zwei Motoren hat. Falls wir uns wirklich für das Konzept mit den passiv induktiven Näherungssensoren entscheiden, brauchen wir natürlich zwei Sensoren (für das andere dann wohl auch), die den linken und den rechten Rand des Metallbandes erkennen. Das Band soll dann auf den Boden oder auf Holzstücke oder so verklebt werden, sodass man die Strecke dann modular aufbauen kann.
Mit einem SR Flipflop wollten wir das dann steuern. Wenn zb nur der rechte Sensor ein Signal hat und der linke nicht, soll dann der rechte Motor stoppen und der linke Motor solange laufen, bis wieder beide Sensoren ein Signal haben. Aber wenn wir nur einen PWM Ausgang haben ist das echt ungünstig. Es gibt ja leider nicht so viele fertige Plattformen mit Motor, Getriebe etc., weswegen wir ja das RP6 Chassis in Betracht gezogen haben. Eine Plattform aus Einzelteilen zusammenzubauen hielten wir für viel zu kompliziert und zeitaufwendig. Wir haben noch bis KW 18 Zeit. Bis dahin sollten wir dann spätestens wissen wir wir das Teil nun bauen, sodass man dann die Teile bestellen kann.
Das von dir vorgeschlagene Dreirad Konzept klingt interessant. Das wird auch bei richtigen FTS eingesetzt. Und das würde dann also mit dem SPS µC funktionieren? Und wäre es sehr aufwendig sowas aus Einzelteilen zu bauen? Der Vorteil wäre dann allerdings dass man die Teile und vor allem die Größe des Modells genau auf unsere Bedürfnisse anpassen könnte.

[ranke]

Wenn zb nur der rechte Sensor ein Signal hat und der linke nicht, soll dann der rechte Motor stoppen und der linke Motor solange laufen, bis wieder beide Sensoren ein Signal haben.

Diese einfache Steuerung wäre auch mit den Relaisausgängen der von Dir vorgeschlagenen Steuerung möglich (2 Relais pro Motor). Es gibt für jeden Motor dann nur drei Zustände: Vorwärtslauf, Rückwärtslauf und Stillstand. Man braucht dann den PWM Ausgang gar nicht und auch keinen zusätzlichen Motortreiber. Die Fortbewegung wird dann eben etwas ruckelig und weniger flüssig. Außerdem werden die Relaiskontakte nicht ewig halten, aber es soll wohl keinen wartungsfreien Dauerbetrieb aushalten.
PWM ist nur interessant, wenn man eine stufenlose Geschwindigkeitssteuerung haben will, diese Option gibt es bei der vorgeschlagenen Steuerung eben nur für einen Motor. Da müsst Ihr nochmal die Vor- und Nachteile der verschiedenen Konzepte abwägen (sicherlich gibt es auch Steuerungen mit mehr als einem PWM-Ausgang). Die Diskussion der verschiedenen Konzepte soll sicher auch in die Dokumentation der Projektarbeit eingehen.
Ein noch nicht erwähnter Nachteil der Raupenfahrwerke ist ihr großer Fahrwiderstand in Kurven, was die Akkulaufzeit heruntersetzt (speziell bei Beladung). Man kann aber ähnliche Fahrwerke auch mit Rädern bauen, als Drei- oder Vierrad mit jeweils 2 angetriebenen Rädern. Bei vier Rädern kann man eine bessere Symmetrie und Kippsicherheit erreichen, muß aber aufpassen, dass die Antriebsräder auch bei Unebenheiten nicht den Bodenkontakt verlieren. Die Symmetrie ist nicht nur ein Schönheitsaspekt, bedenkt dass, falls das Gefährt in beide Richtungen fahren können muß, je nach Anordnung der Sensoren und der Bauart der Lenkung es in Kurven verschieden ausscheren und mehr Platz brauchen wird, um die Kurve zu bekommen.

[Cyrus777]

Wir hatten heute ein Gespräch mit dem wissenschaftlichen Mitarbeiter der FH. Der hat von Elektronik etc recht viel Ahnung. Und nachdem wir ihm unsere Ideen vorgestellt haben und darüber diskutiert hatten, kamen wir zu dem Entschluss, dass das RP6 Chassis und das SPS Board ungünstig aus mehreren Gründen sind. Zum einen sind es die geringen Abmessungen des Chassis, was für unsere Bedürfnisse eigentlich zu klein ist. In Verbindung mit der ruckartigen Relais-Ansteuerung der Motoren und dem hohen Schwerpunkt und allgemein dem hohen Gewicht wegen der schweren Batterien ist das alles ungünstig. Auch in Hinblick an kommende Studenten, die dann das FTS in einer weiteren Projektarbeit zb mit einer Hubvorrichtung oder oder so erweitern sollen, bietet das RP6 einfach nicht genug Reserven. Aber so sind Projekte ebend, es läuft nicht immer alles perfekt.

Wir wollen deshalb erstmal ein größeres Chassis nehmen. 20 cm * 50 cm sollten ausreichend sein, um alles nötige unterzubekommen und dem FTS auch genug Stabilität zu geben. Dies werden wir entweder mit Fischertechnik, Holz oder aus Kunststoff bauen. Die Kunststofftechniker sitzen direkt im Nachbargebäude, die können uns da bestimmt ein paar Teile geben ;) Und dann macht es auch mehr Sinn direkt Bauteile zu nehmen, die eher für Roboter geeignet sind. Ich hab da speziell an folgendes gedacht:
- den RN-Microcontroller (http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/product_info.php?cPath=64&products_id=10). Da gibts ja jede Menge Infos im RN-Wiki zu mit Beispielen wie sowas aussehen kann.
- entweder einen Raupenantrieb aus Fischertechnik oder das bereits vorgeschlagene Dreiradkonzept mit angetriebener Vorderachse und einem Lenkrad, dass man mit einem Servormotor (http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/product_info.php?cPath=70&products_id=48)drehen könnte. Da müssen wir uns nochmal Vor- und Nachteile herausarbeiten. Wäre es dann grundsätzlich besser, Schrittmotoren anstatt Getriebemotoren zu nehmen?
- der IR Sensor bleibt wie gehabt
- die induktiven Näherungssensoren sind viel zu groß und zu schwer. Der Techniker will uns da welche bauen die für unsere Zwecke ausreichen.

Die Energieversorgung dürfte jetzt auch nicht mehr so dramatisch sein, da er RN µC auch mit 7 V auskommt.

[ranke]

Zum Raupenfahrwerk:
Nachteilig ist die schlecht definierte Kinematik bei Kurvenfahrt. Zwangsläufig muss dabei immer ein Teil der Kette gleiten. Dadurch braucht man eine höhere Antriebsleistung und der Drehpunkt des Fahrzeugs ist nicht sauber definiert (bzw. er hängt z.B. von der Verteilung der Last und Zufälligkeiten ab). Wenn in einer späteren Ausbaustufe vielleicht eine Odometrie hinzukommen soll, wäre eine kinematisch saubere Lenkung vorteilhafter. Tatsächlich sieht man ja so ein Fahrwerk eher selten, es wird eigentlich nur dann angewandt, wenn die kleine Aufstandsfläche eines Rades zum Einsinken des Fahrzeugs in den Boden führen würde. Das sind dann meistens Fahrzeuge, die besonders schwer sind, oder die sich auch auf schlecht befestigtem Untergrund noch fortbewegen müssen.
Zur Motorwahl:
Wenn Schrittmotoren innerhalb der Grenzen des zulässigen Drehmoments betrieben werden, haben sie den Vorteil, dass man über die Ansteuerung auch den gesamten Drehwinkel kennt. Wenn die Grenzen aber überschritten werden dann stimmt das eben nicht mehr. Außerdem kann man manchmal auf das Getriebe verzichten, weil sie eher eher für langsame Drehzahlen bei höherem Drehmoment ausgelegt sind. Nachteilig ist der etwas höhere Aufwand zum Ansteuern (braucht 2 H-Brücken), die RN-control Karte kann nur einen Schrittmotor ansteuern (eine Erweiterung mit einem zusätzlichen Motortreiber sollte aber problemlos möglich sein).
DC-Motoren sind eher schnellaufend, brauchen also praktisch immer ein Getriebe. Von der Ansteuerung kann man nicht direkt auf den Drehwinkel schließen, den müsste man mit einem zusätzlichen Sensor messen, wenn man ihn (für spätere Odometrie) wissen will. Ansteuerung ist einfacher (RN-Control kann 2 Motore ansteuern, allerdings nicht sehr kräftige).

[Cyrus777]

Danke nochmal an alle für die vielen Tipps! Besonders das RN Wiki war sehr hilfreich bisher, genauso wie die ausführlichen Beiträge hier. Ich glaub ohne die Seite stünden wür immer noch am Anfang. RN-Control ist für uns Anfänger wirklich ein klasse Controller und die detaillierten Beschreibungen mit Fotos sind klasse. So hat der Anschluss des µC an den PC mit ISP Kabel und Bascom problemlos geklappt.

Wir haben diese Woche jeden Tag mehrere Stunden gearbeitet und nun den mechanischen Teil in einer Woche komplett abgeschlossen. Es fehlen nur noch Kleinigkeiten. Als Gehäuse haben wir zwei Plexiglasplatten genommen, welche mit Stützen aus Fischertechnik gehalten werden. Dazwischen haben wir dann das RN Board, einen RB 35 Motor mit einer Untersetzung von 1:200, zusammengelötete Batterien und für die Lenkung einen Fischertechmotor mit Tastern links und rechts für den Endanschlag und kleine Räder von einem RC Auto genommen. Die 2 Kg Gewicht sind kein Problem. Wir wollten eigentlich einen Servo für die Lenkung nehmen, aber das war baulich problematisch. Für die Geradeausfahrt müssen wir dann noch einen Taster für die Mittelstellung einbauen, damit sich die Lenkachse in eine neutrale Stellung drehen kann und man dass programmiertechnisch abfragen kann.
Gestern haben wir auch schon ein wenig programmiert. der IFR Sensor erkennt nun Hindernisse und das FTS verringert die Geschwindigkeit über PWM bis zum kompletten Stillstand, je nachdem wie weit sich Objekte vor dem FTS befinden. Zusätzlich haben wir die Dioden so programmiert, dass sie erstmal alle leuchten und dann nacheinander ausgehen, je näher dass FTS einem Objekt kommt. Als nächstes werden wir dann die Lenkung programmieren. Der technische Assistent ist nächste Woche leider im Urlaub, weshalb wir nicht weiter bauen können. Daher werden wir erstmal die Lenkung so programmieren, dass der Motor für einige Sekunden läuft, bis er in der Mitte ist.

Ich werde nächste Woche wenn Zeit ist mal Bilder und ein Video machen.

Ein Problem machen aber noch die Sensoren für die Spurführung. Die Metallsensoren haben normalerweise einen Schaltabstand von 4 mm, was eigentlich okay ist. Bei Aluminiumfolie sind es aber nur 2 mm was zu gering ist. Es wird dann schwierig bei dem geringen Schaltabstand die Alufolie so sauber auf den Boden zu verkleben, dass da keine Unebenheit ist. Wäre ja blöd, wenn die Sensoren dann hängenbleiben und sich verbiegen oder abreißen. Vielleicht geht Kupferfolie besser, müssen wir mal testen. Falls das nicht klappt, muss man sich ein anderes Konzept überlegen, vielleicht dann doch wieder Magnetfeldsensoren.

[Cyrus777]

Heute beim Test ist ein weiteres Problem aufgefallen. Der Fischertechnik Motor für die Lenkung ist etwas schwach. Selbst bei nur einem Kilo und Verlagerung des Gewichts auf die Antriebsachse haben bei mehreren aufeinanderfolgenden Lenkeinschlägen irgendwann die Zahnräder durchgedreht. Vielleicht müssen wir doch einen Servo mit Metallzahnrädern nehmen der zudem kräftiger ist. Aber der IFR-Sensor funktioniert super.


Hier mal ein Bild des FTS:
http://www.ld-host.de/uploads/thumbnails/c70c91a8328a8b7d5db9265093371b63.jpg (http://www.ld-host.de/uploads/images/c70c91a8328a8b7d5db9265093371b63.jpg)

Und ein Video:
http://www.youtube.com/watch?v=9poz1qeBy7A