FPGA basierter Saugroboter

**FPGAfan** · 04.07.2020, 12:35

Hallo!
In diesem Beitrag möchte ich kurz meinen Eigenbau-Saugroboter vorstellen. Ich arbeite seit circa 6-7 Monate an diesem Projekt. Die Version aus diesem Beitrag basiert auf drei Prototypen. Mit der Saugleistung bin ich soweit ganz zu frieden.

Der Saugroboter besteht aus 3D-gedrucktem Kunststoff (PLA) und wird aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Dadurch ist es auch möglich defekte Teile einfach auszutauschen. Die Profile der Räder bestehen aus dem flexiblen Kunststoff TPU. Die Mechanik bzw. die Konstruktion des Roboters habe ich in Fusion 360 erstellt und anschließend mit einem Prusa i3 mk3s ausgedruckt.

Der Roboter besitzt zwei Ultraschallsensoren vom Typ HC-SR04, die frontal am Fahrzeug befestigt sind. Mit diesen Sensoren soll das Fahrzeug einen Großteil der Hindernisse erkennen.
Falls Hindernisse nicht in den Messbereich der Ultraschallsensoren fallen, kann durch zwei selbstgebaute Drehzahlmesser, an den Antriebssträngen der Motoren, ein Stillstand der Räder erkannt werden. Auf den Antriebsachsen befindet sich jeweils eine Platte mit Neodym-Magneten. Die positiven Magnetfelder werden von einem omnipolaren Hallsensor erkannt woraufhin ein elektrisches Signal an das FPGA weitergegeben wird.

Um Treppenstufen oder Abgründe zu erkennen habe ich zwei Abgrundsensoren gebaut. Diese bestehen aus einer Infrarot-Leuchtdiode und einem Fototransistor, welcher die ausgesendeten Infrarotstrahlen wieder empfängt. Ragt der Roboter 2-3cm über eine Kante wird durch die fehlenden Infrarotstrahlen am Fototransistor das Ausgangssignal in einen leitenden Zustand versetzt. Ein BC337-Bipolartransistor formt das lineare Signal des Fototransistors dann in ein Rechtecksignal um. Da das von mir verwendete FPGA Eingangsspannungen mit maximal 3.7V verarbeiten kann, musste ein Spannungsteiler an den Ausgang der Schaltung eingesetzt werden.

Das Herz des Saugroboters bildet ein Cyclone 10 FPGA von Intel, welches sich auf einem TEI0003-Board von der Firma Trenz Electronic befindet. Das FPGA bzw. die in dieses IC geladene Schaltung steuert alle Prozesse im Roboter. Die Schaltung habe ich mit der Hardwarebeschreibungssprache VHDL entworfen. Das FPGA wertet die Sensoren aus und kann auf dieser Grundlage das Verhalten des Roboters an die äußeren Umstände (wie Hindernisse) anpassen.

Damit der Roboter nicht bei jedem erkanntem Hindernis das gleiche Manöver mit einem konstanten Drehwinkel ausführt, werden Daten von einer Zustandsmaschine aus einem Array geladen, indem mehrere mögliche Manöver gespeichert wurden. Die Zustandsmaschine des Navigationsalgorithmus beinhaltet einen Counter, der nach jedem Manöver die Adresse des Arrays um 1 erhöht, sodass unterschiedliche Rotationswinkel zum Ausweichen eines Hindernisses genutzt werden können.

Um Schmutz- und Staubpartikel einzusaugen wird ein Radialgebläse verwendet, welches durch Pulsweitenmodulation vom FPGA angesteuert wird.
Dabei werden Staub- und Schutzpartikel im vorderen Bereich des Roboters durch eine Öffnung angesaugt und gelangen in einen Behälter. Am Auffangbehälter befindet sich ein kleiner zweilagiger Filter, welcher die Staubpartikel von der Luft trennt. Die Luft wird vom Radialgebläse weiterhin angesaugt und anschließend am Heck des Roboters durch Lüftungsschlitze ausgestoßen. Die Staubpartikel bleiben im Auffangbehälter und können vom Nutzer entsorgt werden.

Die Platinen für den Bordcomputer, Abgrundsensoren, und Stromversorgung habe ich in Autodesk Eagle erstellt und dann herstellen lassen.

Die Steuerung des Roboters kann manuell über einen Taster am Roboter oder über eine Webapp erfolgen. Um die letztere Idee umzusetzen habe ich eine JavaScript basierte Webanwendung konzipiert, die über ein Bluetooth-low-energy-Modul und einer UART-Schnittstelle direkt mit dem FPGA kommuniziert.

Folgende Funktionen sind noch in der Entwicklung:
• Mapping Algorithmus
• Eigenes Ladegerät (ggf. auch als Ladestation)

Ich freue mich über Fragen oder Anmerkungen!

**piggituX** · 04.07.2020, 14:19

hi, schönes Project.

besonders die Lösung mit den Ansaugen des Schmutzes ist interessant, ich will mit meinem Sohn aus Pappe auch was nachbauen, eine Idee zum Ansaugen fehlte mir bisher

die meisten haben ja Bürsten. Von daher kam dein Bericht gerade recht.

**inka** · 05.07.2020, 09:00

hi, gefält mir...

frage: macht sich der unterschied zwischen glattem boden und teppich durch die fehlende bürste bemerkbar?

**FPGAfan** · 05.07.2020, 18:33

Zitat von inka

hi, gefält mir...

frage: macht sich der unterschied zwischen glattem boden und teppich durch die fehlende bürste bemerkbar?

Überraschender Weise funktioniert die Konstruktion auf glattem Boden sowie Teppich relativ gut. Der Vorteil ist natürlich, dass sich lange Teppichflusen nicht in einer Bürste verfangen können.

Ein Problem an dem ich noch arbeite ist allerdings das Fahrverhalten auf unterschiedlichen Böden.
Da bei mir zuhause größtenteils dünner Teppich als Bodenbelag vorhanden ist, habe ich die Fahrgeschwindigkeit auf diesen Untergrund angepasst.
Wenn ich nun aber in der Küche (also auf Fliesen) fahre, ist der Roboter etwas zu schnell.
Dadurch kommt es vor, dass er manchmal gegen Schränke prallt, obwohl die Sensoren das Hindernis erkennen, aber kein genügend langer Bremsweg vorhanden ist.

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Zitat von piggituX

hi, schönes Project.

besonders die Lösung mit den Ansaugen des Schmutzes ist interessant, ich will mit meinem Sohn aus Pappe auch was nachbauen, eine Idee zum Ansaugen fehlte mir bisher

die meisten haben ja Bürsten. Von daher kam dein Bericht gerade recht.

Das freut mich
Die Saugeinheit habe ich in einem Stück gedruckt, sodass weniger Luftschlitze entstehen welche die Ansaugkraft verringern könnten.
Das Gebläse habe ich bei Digikey bestellt. Der Hersteller hat momentan allerdings Lieferschwieriegkeiten(ich erwarte auch noch welche).

Hier der Link:

https://www.digikey.de/product-detai...378-ND/6192094

Gruß

**piggituX** · 06.07.2020, 21:05

ich habe aus alten Servern noch von denen https://www.infinity-electronic.hk/p...BFB1012HH.aspx einige, der Staubflusentest / Salzkörner Test war damit auch schon mal erfolgreich, ich muss das nun alles mal zusammenfrickeln.

Mir würde es reichen, er saugt den Staub ein vom Parkett.

**Robzilla** · 18.09.2020, 14:25

Sehr cooles Projekt. Auch beeindruckend dass du mit 17 schon so weit bist.

**FPGAfan** · 22.10.2020, 19:45

Danke für euer Lob und die Anregungen.
Ich bin bereits an einem neuen Prototypen, der einige Verbesserungen bekommen soll. Natürlich soll alles weiterhin auf einem FPGA+VHDL basieren.
Außerdem soll das neue Fahrzeug einen 2d-Lidar Scanner fürs Mapping sowie neue Abgrundsensoren bekommen, um auch schwarzen Bodenbelag von Treppenstufen unterscheiden zu können.
Für letztere Anwendung habe ich schon etwas interessantes gefunden:

https://www.elektronikpraxis.vogel.d...chen-a-875509/

Den gibts bei Mouser und Digikey, mal schauen ob sich damit was anfangen lässt. Hat jemand schon Erfahrung mit dem Sensor?

**Moppi** · 22.10.2020, 20:08

Erfahrung nicht, aber schau Dir die Daten an:

B5W-LB2101

Erfassungsabstand: 10 bis 55mm
Analogausgang mit Spannung von 3.3V bei 5.5cm
Spannungsversorgung: 21,6V bis 26,4V

MfG