AM 06: Kollisionserkennung

Dieser Wiki-Beitrag ist Teil eines Projektes, welches im Rahmen vom Fachpraktikum Elektrotechnik im 5. Semester Mechatronik absolviert wurde. Ziel des Beitrags ist es, eine nachhaltige Dokumentation zu schaffen, welche die Ergebnisse festhält und das weitere Arbeiten am Projekt ermöglicht.

Das Ardumowerprojekt in Kooperation mit dem Masterstudiengang Business and System Design Engineering hat zum Ziel, einen voll funktionsfähigen autonomen Rasenmähroboter in Betrieb zu nehmen. Dazu werden die notwendigen Aufgaben für die Erfüllung des Projektes auf einzelne Projektgruppen aufgeteilt.

Autoren: Michael Hofscheuer, Martin Hinteregger

Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Die Kollisionserkennung des Ardumowers soll eine Beschädigung von Objekten, im schlimmsten Fall Menschen oder Tieren, sowie am Ardumower selbst, vermeiden.

Beim Kontakt mit einem Objekt sollen die Antriebe schnellstmöglich abgestellt und eine Umfahrung eingeleitet werden.

Einleitung

Bumper-Duino Board von Ardumower

Der Ardumower soll mit einer Kollisionserkennung ausgestattet werden, um ungewollte Unfälle, Ausfälle und Schäden zu vermeiden. Hierbei ist es wichtig, dass der Ardumower eine Kollision mit einem Objekt erkennt und entsprechende Maßnahmen unternimmt, um sich selbst und das Objekt nicht zu beschädigen. Die Anbringung einer solchen Erkennung Erfolg in Fahrtrichtung. Mögliche Störfaktoren sind:

• zu hohes Gras
• starke Steigungen (Hügel)
• zu lange Einparkdauer (Akku leer)

Bei diesem Projekt wurde die Kollisionserkennung mit dem Bumper-Duino gewählt, welcher auf Druck reagiert. Weiter Ideen und Konzepte zur Kollisionserkennung sind im Unterpunkt "Ausblick" aufgeführt.

Schnittstellen zu anderen Projektgruppen

AM 01: Mechanischer Aufbau des Mähroboters - die erstellte Hardware soll an der Front angebracht werden

AM 05: Energieversorgung - Stromversorgung des Bumperduino

AM 07: Kartierung und Navigation - die Kollisionserkennung liefert Hinweise auf statische und dynamische Objekte, welche eingezeichnet werden müssen

AM 12: Ardumower Hauptplatine - Hardware - Hardwareinstallation der Signalübertragung

AM 13: Ardumower Hauptplatine - Software - Verarbeitung der Signale der Kollisionserkennung

AM 14: Mäher-Interface - Bedienelement zur Deaktivierung der Kollisionserkennung

AM 20: Mähstrategie - die Mähstrategie muss auf die Kollisionen angepasst werden

Erwartungen an die Projektlösung

• Einarbeitung in die bestehenden Ardumowers-Unterlagen
• Planung der Kollisionserkennung
• Beschaffen Sie die Bauteile
• Aufbau und Inbetriebnahme der Kollisionserkennung
• Umfassende Funktionstests
• Erstellen Sie ein faszinierendes Video, welches die Funktion visualisiert.
• Test und wiss. Dokumentation

Schwierigkeitsgrad

• Mechanik: **
• Elektrotechnik: **
• Informatik: *

Bumper-Duino

Der Bumper-Duino ist ein eigens entwickelte Board, welches Hindernisse sicher erkennt. Das Board arbeitet auf der Basis von zwei Drucksensoren, die wiederum ein geschlossenes Schlauchsystem überwachen. Ändert sich der Luftdruck in einem der Schläuche in einem bestimmten Maß, schlägt der Sensor über seine open collector Ausgänge Alarm. Der Sensor ist mit einer eigenen Mega328 MCU ausgestattet. Auf dem Mega328 befindet sich der Arduino Bootloader aus der UNO Serie. Somit ist es möglich in der Arduino IDE den Sketch zu bearbeiten und zu verändern.

Projektdurchführung

In einem Kick-Off Meeting teilen die Projektleiter des BSE-Masterstudiengangs die einzelnen Themen in größere Bereiche auf, um die Projektkoordination zu vereinfachen. Die Kollisionserkennung wird in die Gruppe Sensorik zusammen mit den Teilprojekten Anhebeschutz, DGPS, PID-Regler eingeordnet.

Zusätzlich wird bekannt gegeben, dass im Rhythmus von zwei Wochen ein Wochenbericht jeder Gruppe im SVN hochzuladen ist, um den aktuellen Projektfortschritt überwachen zu können und um mögliche Probleme möglichst früh erkennen zu können.

Projektplan

Das Gesamtprojekt wird in drei Meilensteine aufgeteilt. Zunächst soll die Beschaffung stattfinden, nach der Bestückung der Platine schließt sich ein Funktionstest an, gefolgt von einem Integrationstest. Am 14.01.2017 soll das Gesamtprojekt vorgestellt werden können.

1. Meilenstein - Beschaffung.

Anforderungen/Ergebnisse:

• Konzeptausarbeitung
• abstimmung mit anderen Gruppen (z.B. Stromversorgung/Hauptprogamm)
• bestimmung der zu verwendenden Bauteile/Komponenten
• Erstellung einer BOM
• Verifizierung der erhaltenen Teile

2. Meilenstein - Funktionstest.

Anforderungen/Ergebnisse:

• (elektrische) Kontrolle der Bauteile
• Konzeptumsetzung
• Zusammenbau
• Software/-Programmbearbeitung
• erste Funktionstests

3. Meilenstein - Integrationstest.

Anforderungen/Ergebnisse:

• Versuche der Kollisionserkennung unter realen Bedingungen

Verwendete Bauteile

Eine Liste der verwendeten Bauteile findet sich in der Datei:BOM006.pdf.

Projektverlauf

Morphologischer Kasten

Der Projektstart begann mit der Einarbeitung in die Unterlagen von Ardumower. Allgemeine Fragen zum Gesamtprojekt wurden mit allen Gruppen diskutiert, Schnittstellen zu anderen Gruppen definiert und Rücksprache mit diesen gehalten. Alle Ideen zu dem Teilprojekt Kollisionserkennung wurden im Morphologischen Kasten eingetragen, und somit die optimalen Lösungen herausgearbeitet.

Schaltplan Bumper-Duino Board

Die Erkennung über Ultraschallsensoren und über Luftdrucksensoren haben sich als effektiv erwiesen. Testberichte und Erfahrungen anderer Ardumower Projekte haben gezeigt, dass die Ultraschallsensoren sehr anfällig für Störungen sind. Der Bumper-Duino hat sich als Störungsunanfälliger und höchst präzise erwiesen. Eine zusätzliche Erkennung über Ultraschallsensoren sollte ebenfalls stattfinden, um noch vorausschauender und vorsichtiger Kollisionen erkennen und vermeiden zu können. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden alle benötigten Bauteile zusammengestellt und angefordert.

Die zur Kollisionserkennung genutzte Platine des Bumper-Duino wird unbestückt geliefert. Alle Bauteile, wie z.B. Kondensatoren, sind auf die Bumper-Duino Platine aufgelötet worden. Hierfür wurde die Platine eingespannt und die Bauteile einzeln nach Anleitung und Schaltplan aufgelötet.

Nach Fertigstellung der Hauptplatine des Bumper-Duinos und einigen Funktionstest konnte die Software erfolgreich aufgespielt werden. Eine Kollisionserkennung durch die komprimierte Luft im Schlauch wird über rote LED auf dem Board angezeigt. Gleichzeitig wird ein Signal an die Hauptplatine gesendet, welches von anderen Projektgruppen weiter verwendet werden kann.

Der Luftschlauch und die Platine wurden der Gruppe Mechanischer Aufbau des Mähroboters zum Einbau übergeben.

Software auf der Bumper-Duino Platine

Ein lauffähiges Programm besteht und kann auf der Seite des Shops als .zip Datei Heruntergeladen werden. Der Quellcode ist Open Source, welcher von jedem genutzt werden kann. Ardumower spezifische Einstellungen und eigene Ideen sind in den vorhandenen Quellcode eingefügt worden.

Zur Vermeidung von Komplikationen oder sogar Beschädigungen des Bumper-Duinos empfehlen wir die Verwendung des Originalen Quellcodes.

Wichtige Hinweise

Auf der Leiterkarte ist bei den Sensoren auf der linken Seite jeweils ein kleines Dreieck das scheinbar auf dem Kopf steht. Die Richtung zeigt an, an welchen der beiden Anschlüsse des Sensors der Druckschlauch angeschlossen wird. Die andere Seite ist für Vakuum und sollte mit einem kleinen Schaumstoff oder Styropor Teil als Filter geschützt werden.

Die Eingangsspannung muss zwischen min. 6V und max. 12V liegen. Bei einer stark schwankenden Versorgungsspannung sollte ein Wert von 9V angelegt werden.

Die Schaltung soll immer nur über eine Spannungsversorgung gespeist werden. Der Bumper muss entsprechend beim programmieren und bespielen anders gesteckt sein als beim Betrieb. Die Versorgung im Betrieb muss über VIN erfolgen.

Ergebnis

Die Bumper-Duino Platine ist fertig gelötet, ein Funktionstest der aufgelöteten Bauelemente hat stattgefunden. Zu dem bestehenden Lieferpaket wurden zusätzlich Klemmleisten auf dem Board angebracht, um einfach und schnell Verdrahtungen anbringen zu können. Durch die Klemmleisten mit Schraubeinspannung ist zusätzlich noch sichergestellt, dass sich die Verbindungen im Betrieb durch Vibrationen oder Erschütterungen nicht lösen können.

YouTube: Video zum Teilprojekt Kollisionserkennung über QR Code:

Zusammenfassung

Zum Abschluss des Projektes Kollisionserkennung für den Ardumower Mähroboter ist eine Lösung entstanden, welche den Anforderungen entspricht.

Durch die Bearbeitung des Teilprojektes konnten die durchführenden Studierenden Erkenntnisse und Erfahrungen aus dem bisherigen Studium anwenden, und frisch erlerntes Wissen festigen. Neue Erfahrungen im Bereich löten, Arduino Programmierung und Projektdurchführung haben zu einem erfolgreichen Praktikum beigetragen. Eine gute Grundlage für Weiterentwicklungen und Optimierung des bestehenden Teilprojektes ist geschaffen.

Ausblick

Eine Detektierung mittel Ultraschallsensoren ist möglich, allerdings sehr Fehlerbehaftet, da sie sehr empfindlich auf die Umgebung reagieren (z.B. Helligkeit). Es sind drei Ultraschallsensoren vorhanden, welche zusätzlich eingesetzt werden sollen. Ein Vorteil der Ultraschallsensoren ist das vorausschauende Fahren und das Erkennen des Hindernisses vor einer Kollision. Somit ist die Verwendung des Bumper-Duino und die Ultraschallsensoren und sehr gute Gesamtlösung.

Weiterführende Links

• Ardumower Wiki
• Web-Shop: Bumper-Duino
• YouTube: WTV020 Video-Vorstellung

YouTube-Video

YouTube: Video zum Teilprojekt Kollisionserkennung

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