ArduMower: Notaus des Mähantriebs: Unterschied zwischen den Versionen

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Betreuer: [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]], [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Göbel]]
Betreuer: [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]], [[Benutzer:Mirekgoebel| Prof. Göbel]]


= Termine =
Hauptartikel: [http://193.175.248.52/wiki/index.php/Projekt_ArduMower Projekt: Ardumower]
* Analyse des bestehenden Sytems - Optimierungskonzept erstellen
* Vorstellung der Ergebnisse bis 30.06.2017
* Optimierung umsetzen und Vorstellung bis 21.07.2017
 
 
= Aufgabe =
# Beschaffen Sie den Motortrteiber für den Mähmotor.
# Nehmen Sie den Mähmotor '''OHNE KLINGEN''' in Betrieb.
# Fragestellung: Wie lange benötigt der Motor vom digitalen Stopp-Signal bis zum tatsächlichen Stopp?
# Messen Sie die Zeit in verschiedenen versuchen mit Motor auf maximaler Umdrehungszahl (Worst Case)
# bewerten Sie diese Zeit mit Sicht auf Sicherheitsaspekte.
# Entwickeln Sie Konzepte zur Optimierung der Stopp-Zeit (Bremsung).
# Setzen Sie das Konzept praktisch um.
# Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse fortlaufend im Wiki.


= Einleitung =
= Einleitung =
Für den ArduMower muss ein Notaus entwickelt werden, sodass vom Mähwerk keine Gefahr für den Nutzer oder Lebewesen auf der Rasenfläche ausgeht. Bei Betätigung soll das Mähwerk seine Funktion innerhalb von 0,5 s einstellen und wenn der Mäher im Betrieb angehoben wird oder fällt, ist der Notaus auszulösen.


Für den ArduMower muss ein Notaus entwickelt werden, sodass vom Mähwerk keine Gefahr für den nutzer oder Lebewesen auf der Rasenfläche ausgeht. Bei Betätigung soll das Mähwerk seine Funktion innerhalb von 0,5 s einstellen und wenn der Mäher im Betrieb angehoben wird oder fällt, ist der Notaus auszulösen.
= Anforderungen =
{| class="mw-datatable"
! style="font-weight: bold;" | Spezifikations-ID
! style="font-weight: bold;" | Anforderungs-ID
! style="font-weight: bold;" | Anforderung
|-
| 0180
| REQ10.2300
| 2.2 Der Mäher muss über einen Notaus verfügen. Wird dieser betätigt stellt der Mäher innerhalb von 0,5s sein Funktion bis zum Stillstand der Mähklingen ein. Wird der Mäher im Betrieb angehoben oder fällt dieser um ist der Notaus auszulösen
|-
| 0181
| REQ10.2301
| Strategie zur Motorbremsung umsetzen
|-
| 0182
| REQ10.2302
| Gefahrenpotential bemessen/bewerten
|-
| 0183
| REQ10.2303
| Strategie zur Motorbremsung entwerfen und simulieren
|-
| 0184
| REQ10.2304
| Soft-Notaus Schnittstelle zur Software
|-
| 0185
| REQ10.2305
| Roboter darf bei Kontaktverlust nicht "ausbüchsen"
|-
|}


= Vorgehensweise =
= Vorgehensweise =
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= Der Mähmotor =
= Der Mähmotor =
Ardumower_mower_motor.jpg
[[Datei:Ardumower_mower_motor.jpg|thumb|250px|right|Abb. 1: Mähmotor]]
* 3150 Umdrehungen pro Minute
*Nennspannung V DC 24
* 140 mNm / 46
*Nenndrehzahl min-1 3300
* 24V ~ 1.0 A
*Nennmoment mNm 140
*Nennleistung W 46
*Nennstrom A 2,7
*Leerlaufdrehzahl min-1 3600
*Leerlaufstrom A 0,36
*Anlaufmoment mNm 1080
*Trägheitsmoment gcm2 400
*Masse kg 1,0
*Radiale Wellenbel. N 150
*Axiale Wellenbel. N 150
(Motordaten entnommen aus [https://www.marotronics.de/DC-Motor-63-25-24-V-8mm-Welle Link])
 
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= Beurteilung der Sicherheit =
= Beurteilung der Sicherheit =


Der Mähmotor benötigt bei maximaler Drehzahl (3150 U/min) bis zum tatsächlichen Stopp 30s. Die Zeit von 30 Sekunden ist aufgrund von Sicherheitsaspekten nicht akzeptabel.
Zunächst wurde mit Hilfe einer Stoppuhr die Stoppzeit des Mähwerks gemessen. Dafür wurde bei mehreren Testläufen der Mähmotor von seiner Spannungsquelle getrennt und festgestellt, dass der Mähmotor bei maximaler Drehzahl von 3150 U/min bis zum tatsächlichen Stopp 30 Sekunden benötigt. Somit ist die Zeit von 30 Sekunden aufgrund der Anforderung REQ10.2300 nicht akzeptabel.
 
{| class="mw-datatable"
! style="font-weight: bold;" | ID
! style="font-weight: bold;" | Testfallbeschreibung
! style="font-weight: bold;" | Erwartetes Ergebnis
! style="font-weight: bold;" | Testergebnis
! style="font-weight: bold;" | Testperson
|-
| 1
| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
| Mähwerk stoppt nach 29 s.
| Nicht bestanden.
| Phillip Blunck, Tom Niehaus
|-
| 2
| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
| Mähwerk stoppt nach 30 s.
| Nicht bestanden.
| Phillip Blunck, Tom Niehaus
|-
| 3
| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
| Mähwerk stoppt nach 31 s.
| Nicht bestanden.
| Phillip Blunck, Tom Niehaus
|-
| 4
| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
| Mähwerk stoppt nach 30 s.
| Nicht bestanden.
| Phillip Blunck, Tom Niehaus
|}


= Konzeptentwicklung =
= Konzeptentwicklung =
Im Folgenden sind Konzeptlösungen für einen Hardware und einen Software Notaus dargestellt. Diese müssen in Zukunft noch umgesetzt und anschließend auf Ihre Funktion getestet werden.
== Hardware Notaus ==
== Hardware Notaus ==
Ein 24 Volt Relay wird über den Notausknopf des Ardumower angesteuert.
Ein 24 Volt Relay wird über den Notausknopf des Ardumower angesteuert. Der Notaus schaltet den Kanal um, wodurch der Motor vom Protectorboard getrennt wird und dann kurzgeschlossen wird. Die Energie die dabei erzeugt wird, da der Motor nun als Generator funktioniert, wird über einen Widerstand in Wärme umgewandelt.


== Software Notaus ==
== Software Notaus ==
[[Datei:5V_Relay.jpg|thumb|right|Abb. 2: 5V Relaykarte]]
Die Relaykarte wird über einen Digitalpin des Arduino Megas angesteuert. Dadurch wird der Motor vom Protectorboard getrennt und die Energie, die der Motor erzeugt, über einen Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt.
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{| class="mw-datatable"
! style="font-weight: bold;" | Spezifikation Relaykarte
!
|-
| Schaltspannung
| 5V DC
|-
| Steuerstrom
| 15-70mA
|-
| Lasten
| AC250V 10A, DC30V 10A
|-
| Schaltpegel
| Low == An
|-
|}
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[[Datei:Relaykarte.jpg|500px]]
<br/>
[[Datei:SW Notaus Schaltplan.png|500px]]
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Die folgende Abbild stellt die Umsetzung in Simulink dar. Das Eingangssignal vom Hauptprogramm schaltet somit die Relaykarte ein oder aus. Jedoch sollte der Digitalpin angepasst und eine Schnittstelle zur Hauptplatine festgelegt werden.
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[[Datei:Simulink Modell SW Notaus.PNG|700px]]
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= Meilenstein 3 =
*50% der Gesamtlösung
*Absprache des Konzepts ausstehend
*Praktische Umsetzung ausstehend
= Meilenstein 4 =
*80% erledigt
*Strategie zur Motorbremsung entworfen
*Simulation der Motorbremsung in Simulink
*Modell in Simulink entworfen
*Einbindung ins Hauptprogramm offen
*Einbau des Konzepts offen
= Zusammenfassung =
Es lässt sich festhalten, dass zunächst Testläufe durchgeführt wurden, um die tatsächliche Stoppzeit des Mähwerks zu ermitteln. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anfordeungen nicht erfüllt wurden und somit ein Konzept für eine Motorbremsung für den Hardware- als auch Software-Notaus entworfen werden musste.
= Ausblick =
*Einbau der Schaltung fehlt
*Einbindung ins Hauptprogramm fehlt
*Festlegung der Schnittstelle mit Hauptplatine offen (freien Digitalpin für Notaus)
*Absprache mit Hauptprogramm/Strategie -> Verhalten bei Kontaktverlust der Perimeterschleife
*Test der Umsetzung in Realität -> erfüllt es alle Anforderungen?

Aktuelle Version vom 28. Februar 2018, 15:05 Uhr


Autoren: Phillip Blunck, Tom Niehaus, Marius Schaffer

Betreuer: Prof. Schneider, Prof. Göbel

Hauptartikel: Projekt: Ardumower

Einleitung

Für den ArduMower muss ein Notaus entwickelt werden, sodass vom Mähwerk keine Gefahr für den Nutzer oder Lebewesen auf der Rasenfläche ausgeht. Bei Betätigung soll das Mähwerk seine Funktion innerhalb von 0,5 s einstellen und wenn der Mäher im Betrieb angehoben wird oder fällt, ist der Notaus auszulösen.

Anforderungen

Spezifikations-ID Anforderungs-ID Anforderung
0180 REQ10.2300 2.2 Der Mäher muss über einen Notaus verfügen. Wird dieser betätigt stellt der Mäher innerhalb von 0,5s sein Funktion bis zum Stillstand der Mähklingen ein. Wird der Mäher im Betrieb angehoben oder fällt dieser um ist der Notaus auszulösen
0181 REQ10.2301 Strategie zur Motorbremsung umsetzen
0182 REQ10.2302 Gefahrenpotential bemessen/bewerten
0183 REQ10.2303 Strategie zur Motorbremsung entwerfen und simulieren
0184 REQ10.2304 Soft-Notaus Schnittstelle zur Software
0185 REQ10.2305 Roboter darf bei Kontaktverlust nicht "ausbüchsen"

Vorgehensweise

Zur Bewertung der Sicherheit und Konzeptentwicklung ist zunächst der Mähmotor in Betrieb genommen worden. Hierfür wurden die passenden Treiber bestellt. Für die Inbetriebnahme ist ein anderer Treiber verwendet worden, da der vorgesehene Treiber zwar bestellt aber noch nicht geliefert worden ist. Für die erste Inbetriebnahme ist dieses jedoch nicht weiter schlimm. Über den Motortreiber konnte der Motor angesteuert werden, um einen Test durchzuführen und die Stoppzeit des Motors zu messen. Aufgrund dieses Tests ist eine Bewertung mit Hinsicht auf die Sicherheit erstellt worden. Aufgrund der Bewertung ist ein Konzept entwickelt worden um den Motor innerhalb einer kurzen Zeit zu stoppen. Außerdem ist ein Schalter eingebaut worden um die Antriebe vom Strom zu trennen.

Der Mähmotor

Abb. 1: Mähmotor
  • Nennspannung V DC 24
  • Nenndrehzahl min-1 3300
  • Nennmoment mNm 140
  • Nennleistung W 46
  • Nennstrom A 2,7
  • Leerlaufdrehzahl min-1 3600
  • Leerlaufstrom A 0,36
  • Anlaufmoment mNm 1080
  • Trägheitsmoment gcm2 400
  • Masse kg 1,0
  • Radiale Wellenbel. N 150
  • Axiale Wellenbel. N 150

(Motordaten entnommen aus Link)




Beurteilung der Sicherheit

Zunächst wurde mit Hilfe einer Stoppuhr die Stoppzeit des Mähwerks gemessen. Dafür wurde bei mehreren Testläufen der Mähmotor von seiner Spannungsquelle getrennt und festgestellt, dass der Mähmotor bei maximaler Drehzahl von 3150 U/min bis zum tatsächlichen Stopp 30 Sekunden benötigt. Somit ist die Zeit von 30 Sekunden aufgrund der Anforderung REQ10.2300 nicht akzeptabel.

ID Testfallbeschreibung Erwartetes Ergebnis Testergebnis Testperson
1 Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt. Mähwerk stoppt nach 29 s. Nicht bestanden. Phillip Blunck, Tom Niehaus
2 Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt. Mähwerk stoppt nach 30 s. Nicht bestanden. Phillip Blunck, Tom Niehaus
3 Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt. Mähwerk stoppt nach 31 s. Nicht bestanden. Phillip Blunck, Tom Niehaus
4 Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt. Mähwerk stoppt nach 30 s. Nicht bestanden. Phillip Blunck, Tom Niehaus

Konzeptentwicklung

Im Folgenden sind Konzeptlösungen für einen Hardware und einen Software Notaus dargestellt. Diese müssen in Zukunft noch umgesetzt und anschließend auf Ihre Funktion getestet werden.

Hardware Notaus

Ein 24 Volt Relay wird über den Notausknopf des Ardumower angesteuert. Der Notaus schaltet den Kanal um, wodurch der Motor vom Protectorboard getrennt wird und dann kurzgeschlossen wird. Die Energie die dabei erzeugt wird, da der Motor nun als Generator funktioniert, wird über einen Widerstand in Wärme umgewandelt.

Software Notaus

Abb. 2: 5V Relaykarte

Die Relaykarte wird über einen Digitalpin des Arduino Megas angesteuert. Dadurch wird der Motor vom Protectorboard getrennt und die Energie, die der Motor erzeugt, über einen Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt.

Spezifikation Relaykarte
Schaltspannung 5V DC
Steuerstrom 15-70mA
Lasten AC250V 10A, DC30V 10A
Schaltpegel Low == An




Die folgende Abbild stellt die Umsetzung in Simulink dar. Das Eingangssignal vom Hauptprogramm schaltet somit die Relaykarte ein oder aus. Jedoch sollte der Digitalpin angepasst und eine Schnittstelle zur Hauptplatine festgelegt werden.

Meilenstein 3

  • 50% der Gesamtlösung
  • Absprache des Konzepts ausstehend
  • Praktische Umsetzung ausstehend

Meilenstein 4

  • 80% erledigt
  • Strategie zur Motorbremsung entworfen
  • Simulation der Motorbremsung in Simulink
  • Modell in Simulink entworfen
  • Einbindung ins Hauptprogramm offen
  • Einbau des Konzepts offen

Zusammenfassung

Es lässt sich festhalten, dass zunächst Testläufe durchgeführt wurden, um die tatsächliche Stoppzeit des Mähwerks zu ermitteln. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anfordeungen nicht erfüllt wurden und somit ein Konzept für eine Motorbremsung für den Hardware- als auch Software-Notaus entworfen werden musste.

Ausblick

  • Einbau der Schaltung fehlt
  • Einbindung ins Hauptprogramm fehlt
  • Festlegung der Schnittstelle mit Hauptplatine offen (freien Digitalpin für Notaus)
  • Absprache mit Hauptprogramm/Strategie -> Verhalten bei Kontaktverlust der Perimeterschleife
  • Test der Umsetzung in Realität -> erfüllt es alle Anforderungen?
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