Projekt 37: Keyless Entry – Schließmechanismus

Aus HSHL Mechatronik
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Keyless Entry

Autoren: Simon Krumm und Stefan Bergmann
Betreuer: Prof. Schneider


Thema

Betrachtet man seinen eigenen Schlüsselbund, so liegt der Wunsch nahe zukünftig Zugang zu seinem Haus, Büro, Fahrrad, Auto uvm. auf sicherem aber unkompliziertem Weg zu bekommen. Der Hersteller Nymi wirbt beispielsweise mit einem stylischen Armband, welches einem Tür, Tor und PC öffnet. Da an der Hochschule Hamm-Lippstadt jeder Studentin/ jedem Studenten ein Studierendenausweis ausgehändigt wurde, bietet es sich an diesen zur Öffnung von Schließfächern zu benutzen.

Aufgabe

In dieser Teilaufgabe soll der mechanische Anteil der Aufgabe realisiert werden. Darin ist sowohl die mechanische Befestigung des Mechanismus als auch die elektronische Realisierung des Schließens enthalten.

Erwartungen an die Projektlösung

  1. Recherchieren Sie welche Methoden es gibt, um sich ohne einen Schlüssel zu autentifizieren.
  2. Analysieren Sie das System, welches den Studierenden im L3 zur Verfügung steht, technisch.
  3. Identifizieren Sie Kriterien für einen Vergleich der Methoden.
  4. Vergleichen Sie die Methoden wissenschaftlich.
  5. Entscheiden Sie sich für eine Methode, planen Sie den Umbau der Fächer und fassen Sie die erforderlichen Bauteile in einer Bill of Material (BOM) zusammen.
  6. Technische Umsetzung der Lösung
  7. Schnittstelle zu den Teams Projekt 37b und Projekt 37c
  8. Test und wiss. Dokumentation
  9. Machen Sie spektakuläre Videos, welche die Funktion visualisieren.
  10. Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Leicht (**)

Einleitung

Verwendete Bauteile

mechanische Komponenten:

-Holzzuschnitte (nur für den Prototyp benötigt)
-Aluminiumblech (nur für den Prototyp benötigt)
-Polyethylen
-Schrauben
 -M3x16
 -M4x16 
 -Spaxschrauben (nur für den Prototyp benötigt)
-Nägel (nur für den Prototyp benötigt)

elektronische Komponenten:

-Arduino NANO (nur für den Prototyp benötigt)
-Verdrahungsleitung
-9V Ackumulator (nur für den Prototyp benötigt)
-Licht emittierende Diode (LED)
-Servo-Motor
-Taster (nur für den Prototyp benötigt)

Projekt

Projektplan

Der Projektplan beinhaltet die Abarbeitung der folgenden Schritte in der gegebenen Reihenfolge:

- Absprache mit dem Projektteam 37b & 37c über die möglichen Schnittstellen,
- Analyse der Ist-Situation der Schließfächer,
- Nachbau erstellen,
- Sockel für den Motor erstellen (Solid Work),
- Programierung,
- Prüfung des gesamten Ergebnisses

Projektziel

Erhalt eines Schließsystems, das einfach nachrüstbar und kostengünstig ist. Dabei soll das entstandene System auf die vorhandenen Schließfächer abgestimmt werden.

Projektdurchführung

Um den Schließmechanismus konstruieren zu können, musste zunächst das gegebene Schließfach begutachtet und vermessen werden. Anhand der örtlichen Gegebenheiten, wurden mehrere Lösungsansätze ausgearbeitet. Im Team wurden diese Ansätze basierend auf ihren Vor- und Nachteilen diskutiert. Ausschlaggebende Punkte waren dabei der entstehende Aufwand, das benötigte Material und die finanzielle Belastung der Lösungsansätze.

Aufgrund dieser Diskussionspunkte, wurde sich für eine Realisierung mit Servomotor entschieden, der an der Seite des Schließfaches installiert wird. Dieser Lösungsansatz ist aufgrund seines modularen Aufbaus sehr kostengünstig und kann einfach nachgerüstet werden, da sowohl die Stromversorgung als auch das Steuersignal nicht über das Scharnier geführt werden müssen, sondern fest im Schließfach installiert werden. Die Servomotoren können über eine zentrale Steuereinheit angesprochen werden und benötigen nur ein digitales Eingangssignal. Die Stromversorgung der Motoren kann Zentral über ein 5V-Netzteil realisiert werden und das Eingangssignal über ein Bussystem realisiert werden. Da mehrere Gruppen mit unterschiedlichen Lösungsansätzen mit der Ansteuerung beauftragt sind, wird im weiteren Verlauf des Projektes davon ausgegangen, dass ein binäres Eingangssignal übergeben wird. Dieses wird im Prototypen unabhängig von der Ansteuerung und der Identifizierung der anderen Gruppen ausgewertet.


Modell des für den Mechanismus relevanten Bereich des Schließfaches
Ausschnitt des Rahmens vom originalen Schließfach


Da die Schließfächer während der gesamten Projektdauer durch Studierende genutzt wurden, wurde ein Modell des Schließfaches (siehe Foto) erstellt. Das Modell modelliert jedoch nicht das gesamte Volumen des Schließfaches, sondern nur einen Ausschnitt, der für den Schließmechanismus relevant ist.

Das Modell besteht zu einem Großteil aus Holz. Die Front ist dabei dem Original entsprechend aus Blech gefertigt worden. Die Rückseite besteht zur besseren Visualisierung aus Plexiglas. Dadurch kann während der Vorstellung beobachtet werden, was im Inneren des Modells vorgeht.

In dieses Modell wurden wie geplant der Servomotor und der Arduino installiert. Das digitale Signal wird über eine Signalleitung durch eine Seitenwand zum Arduino geführt. In dem Modell wurden die Leitungen, aufgrund der erhöhten Verdrahtungsdichte und der Platzverhältnisse, fliegend verdrahtet. Im Schließfach können die Leitungen durch einen kleinen unauffälligen Verdrahtungskanal geführt werden.


Die Halterungen für den Servomotor werden mit Hilfe der additiven Fertigung in der Hochschule gefertigt und sind somit schnell und unkompliziert auch für das gesamte Schließsystem vorhanden. Sie können an vorhandenen Durchgangsbohrungen im Schließfach (siehe Foto) ohne weitere Bearbeitung installiert werden. Der Materialaufwand beschränkt sich im fertigen System also auf die Halteelemente, den Servomotor, ein paar Leitungen und einem Verdrahtungskanal.







Quellcode Arduino:

Für die Programmierung des Prototypen wurde auf einen Arduino zurück gegriffen. Der folgende Quellcode wertet dabei das Eingangssignal der anderen Gruppen aus und steuert den Schließmechanismus an. Diese Funktion kann im Serienbetrieb durch eine Zentrale Steuereinheit übernommen werden.


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%%%%           Hochschule Hamm- Lippstadt            %%%%
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%%%%     Mathematische Simulation (MTR-B-2-5.02)     %%%%
%%%%     GET Fachpraktikum                           %%%%
%%%%     Betreuer: Herr Prof. Schneider              %%%%
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%%%                  Langzeitprojekt                  %%%
%%%                   Keyless Entry                   %%%
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%%%                                                   %%%
%%%    Autoren:                                       %%%
%%%    Simon Alexander Krumm                          %%%
%%%    Matrikelnummer: 2150061                        %%%
%%%                                                   %%%
%%%    Stefan Bergmann                                %%%
%%%    Matrikelnummer: 2150863                        %%%
%%%  -----------------------------------------------  %%%
%%%    Beginn des Progekts: 04.11.2017                %%%                                 
%%%    Letzte Bearbeitung:  12.01.2018                %%%
%%%  -----------------------------------------------  %%%
%%%  Funktion des Langzeitprojekts (Keyless Entry)    %%%
%%%                                                   %%%
%%%  Die Funktion wertet ein boolsches Signal von     %%%
%%%  einer anderen Gruppe aus und steuert darauf      %%%
%%%  basierend einen Servomotor für den Schließme-    %%%
%%%  chanismus eines Schließfaches an                 %%%
%%%                                                   %%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/


#include <Servo.h>
int freigabe = 0 ; //erstellt eine Variable, die die Freigabe auswertet
Servo myservo; // erstellt ein Servo-Objekt um einen Servomotor zu steuern

void setup() 
{
  myservo.attach(6); // verknüpft den Servomotor an Pin 6 mit dem Servo-Objekt
  pinMode(3, OUTPUT); // Erstellt einen Ausgang für die Signal-LED 
  pinMode(4, INPUT); // Erstellt einen Eingang für die Übergabeschnttstelle /Taster
}

void loop() 
{
  //Abfrage
  freigabe = digitalRead(4); // Liest den Befahl zum Öffnen aus
  if(freigabe==HIGH)        // wenn NICHT geöffnet werden soll
  {
   myservo.write(95); // überträgt die Zielposition an den Servomotors
   digitalWrite(3,HIGH); //schaltet die LED aus um das geschlossene Schließfach anzuzeigen
  }
  else
  { 
    myservo.write(10); // überträgt die Zielposition an den Servomotors
   digitalWrite(3,LOW); // steuert LED an um das geöffnete Schließfach anzuzeigen
  }
}


Schaltplan

Schaltplan verbildlicht dargestellt (zur besseren Visualisierung)

Neben der oben beschriebenen Programmierung, musste der Prototyp auch verdrahtet werden. Um den Schaltplan ach für ungeübte Nutzer besser lesbar zu machen, wurde hier auf die Abbildungen der Bauelemente anstatt ihrer Schaltzeichen zurück gegriffen. Das zentrale Element bildet der Arduino, der über eine externe Stromversorgung betrieben wird. An ihm sind die weiteren Bauelemente angeschlossen. Zunächst ist das Stellglied (Servomotor) an der Spannungsversorgung 5V und GND sowie an einem Schaltdraht Digital Input 6 angeschlossen. Außerdem wurde zur Visualisierung eine LED am Diital Output 3 angeschlossen. Sie symbolisiert ob das Schließfach geöffnet oder geschlossen ist. Das Eingangssignal der zuarbeitenden Gruppen wird symbolisch durch einen Taster dargestellt. Im Prototypen ist der Taster dem entsprechend verdrahtet, um die Funktion unabhängig von den anderen Gruppen zu testen.






3D Modelle

Modellierte Abbildung der Befestigungselemente

Die Halteelemente wurden in Solid Works konstruiert. Diese konnten im Programm zu einer 3D-Drucker kompatiblen .STL-Datei exportiert werden. Um diese an den Spind zu befestigen, werden noch jeweils (Oben und Unten) zwei M3 und eine M4 Schraube benötigt. Aufgrund des Druckverfahrens in der Hochschule, müssen die Gewinde gegebenen Falls nachgearbeitet werden. Dies ist allerdings fertigungsbedingt und kann durch wenige Handgriffe ausgebessert werden.

Diese Dateien dürfen ausschließlich zum Nachdrucken verwendet werden.

Die 3D Druckmodelle können hier heruntergeladen werden: Medium:3DModelle.zip





Projektfortführung

Im Weiteren Projektverlauf müssen sich Gedanken um die endgültige Realisierung des Systems und der Endmontage gemacht werden. Es steht zur Entscheidung ob die Ansteuerung und Identifizierung für jedes Schließfach einzeln realisiert werden oder ob dies über ein zentrales Bussystem geschehen werden soll. Sollte es für jedes Schließfach realisiert werden sollen, muss ein weiteres Halteelement dafür geplant werden. Der Schließmechanismus an sich ist sofort umrüstbar. An dieses Halteelement muss dann auch der Schießhaken (gemäß Aufbau im Prototyp) konstruiert werden. Diese letzten Arbeiten nehmen nur wenige Arbeitsstunden in Anspruch und können nach den Planungsarbeiten ebenfalls im additiven Fertigungsverfahren gefertigt werden. Dadurch könnten durch einen Druckauftrag alle Schließfächer mit Hochschulinternen-Mitteln umgerüstet werden. Der Umrüstprozess wird voraussichtlich 2 Werktage in Anspruch nehmen, wenn alle Bauteile vorhanden sind.

Ergebnis

Es ist ein Schließsystem entstanden, das eine Verriegelung des Schließfaches über ein elektrisches Signal ermöglicht und ohne größeren Aufwand sofort umgerüstet werden kann.

Zusammenfassung

Weblinks

Literatur

  • Bernhard Lenk: Handbuch der automatischen Identifikation. Band 1-3: 2D-Codes, Matrixcodes, Stapelcodes, Composite Codes, Dotcodes. Lenk Monika Fachbuchverlag, Kirchheim unter Teck 2002, ISBN 978-3-935551-01-4.
  • ten Hompel, M., u.A.: Identifikationssysteme und Automatisierung. Heidelberg: Springer, 2008. ISBN 978-3-540-75880-8


Projektunterlagen

YouTube Video


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