Projekt 54b: Mission on Mars

Autoren: Meißner, Hane
Betreuer: Prof. Schneider

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Aufgabe

Nachbauen der „Mission On Mars Robot Challenge 2015“ von MathWorks

Erwartungen an die Projektlösung

Einarbeitung in die bestehenden MathWorks-Unterlagen
Beschaffung der elektronischen Komponenten
3D-Druck der Bauteile
Aufbau und des Mars Rovers
Inbetriebnahme mit Matlab/Simulink
Machen Sie spektakuläre Videos, welche die Funktion visualisieren.
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Getting started

Lesen Sie die Unterlagen der Vorsemester (SVN Link)
Lesen Sie die Anleitungen von Mathworks (SVN Link). Darin finden Sie z.B. die BOM und Bauanleitung.
Bestellen Sie alle Teile. Beachten Sie, dass wir den Servomotor und den Infrarotabstandssensor für beide Modelle benötigen (vgl. Abb. 2).
Drucken Sie an der Hochschule die fehlenden Teile in Blau gemäß Abb. 1.
Halten Sie ich beim Aufbau an die Bauanleitung.
Für den Motortreiber finden Sie hier den Eagle Schaltplan. Setzen Sie den Schaltungsentwurf mit NI Ultiboard um.

Einleitung

Die Aufgabe des Projekts war es, ein weiteres Modell des Mars Rovers aus der „Mission on Mars Robot Challenge“ von Matlab zu erstellen, sodass die HSHL über zwei mechanisch aufgebaute Mars Rover verfügt.

Projekt

Projektplan

Der Projektplan in Abb. 3. wurde zu Beginn des Projektes erstellt. Er zeigt die vorgesehene Terminplanung.

Projektdurchführung

Beschaffung

Wie dem Projektplan Abbildung 3. zu entnehmen ist, startete das Projekt mit der Einarbeitung in die Dokumentationen der vorherigen Gruppen und die Zielsetzungen der Matlab – Mission on Mars Challenge. In der ersten Projektwoche wurden bereits vorhandene Teile gesichtet und die noch benötigten Teile der gemeinsamen BOM (Bill of material) aller Gruppen hinzugefügt. Die bestellten Teile können der Abbildung 4. entnommen werden.

Abb 5: Fertige 3D Druckteile in der Farbe Pink.

Konstruktion

In den von Matlab hinterlegten Projektdateien finden sich 3D-Modelle fast aller für den Rover benötigten Gehäuseteile im .stl-Format. Konstruktionsdateien für die Antriebsräder sind nicht hinterlegt und hätten bestellt werden sollen. Da die Bestellung der Antriebsräder jedoch nicht den Anforderungen der Bill of Material entsprach, haben wir uns dafür entschieden, die Antriebsräder mittels der Software SolidWorks selbst zu konstruieren. Alle generativ gefertigten Teile wurden mittels Filamentdruck mit dem WANHAO Duplicator i3 Plus 3D Drucker gefertigt. Bei der Nachbearbeitung der Teile wurden überstehende Kanten abgefeilt, die Stützstrukturen entfernt und Gewinde geschnitten. Die Bodenplatte, sowie die Deckplatte des Rovers wurden aus dem Plexiglas einer ehemaligen Solariumsabdeckung (Liegefläche einer Sonnenbank) gefertigt und sind somit ein recyceltes Produkt. Sie mussten besonders vorsichtig händisch bearbeitet werden.

Abb 6: Schaltplan der Versorgungsplatine.

Schaltung

Die Spannungsversorgung des Mars Rovers ist ein 7,4V LiPo-Akku. Der Raspberry Pi benötigt jedoch eine konstante Versorgungsspannung von 5V, welche durch eine Versorgungsplatine gewährleistet wird, welche u.A. mit einem DC/DC-Wandler bestückt ist. Die Platine versorgt ebenfalls die beiden Antriebsmotoren, welche eine Spannung von 5V benötigen; die Steuersignale für die Antriebsmotoren kommen von dem Arduino Motor Shield und führen ebenfalls über die Versorgungsplatine. In der Schaltung sind auch die Leitungen und Pins implementiert, welche die Spannungsversorgung des noch fehlenden Infrarot-Sensors und dem dazugehörigen Servomotor gewährleistet.

In den von Matlab gestellten Projektdateien sind Materialliste, Schaltplan und Bilder einer Versorgungsplatine hinterlegt. Da die Dokumentationen vorheriger Gruppen nicht die Leiterplattenlayouts enthalten, musste das Leiterplattenlayout erneut erstellt werden. Der von Matlab hinterlegte Schaltungsentwurf wurde in MultiSim übertragen (Abb. 6.) und mit Hilfe von Ultiboard wurde ein Leiterplattenlayout erstellt, welches mittels eines Fräsbohrplotters gefertigt wurde. Die Platine wurde mit zwei 100μF Kondensatoren, einem 300Ω Widerstand, einem DC/DC-Wandler und diversen Stiftleisten bestückt. Vor und nach dem Bestücken wurde die Platine mittels Multimeter auf ihre Funktionstüchtigkeit geprüft.

Aufbau

Nach Erhalt der bestellten Teile und Fertigung der übrigen Teile, begann der mechanische Aufbau des Rovers. Da die Gehäuseteile aus pinken PLA-Filament den Anforderung nicht entsprachen, wurden alle generativ gefertigten Teile erneut gedruckt. Der schon von uns mechanisch aufgebaute Rover mit pinken Gehäuseteilen wurde wieder in seine Einzelteile zerlegt, um anschließend erneut mit weißen Gehäuseteilen aufgebaut zu werden (Abb. 7.). Die Montage mit den neu gedruckten Teilen gestaltete sich einfacher. Da die Teile aus weißem PLA-Filament härter waren, verzogen Sie sich während der Fertigung nicht und ließen sich leichter nach-bearbeiten. Nachdem der mechanische Aufbau abgeschlossen war, startete der elektrische Aufbau. Die Mikrocontroller, die Versorgungsplatine, Motoren, Schalter, Sicherung und die Kamera wurden nach der von Matlab gestellten Anleitung verbunden. Alle Leitungen wurden nach dem Abschluss des elektrischen Aufbaus auf ihre Funktionstüchtigkeit geprüft.

Ergebnis

Der mechanische Aufbau des Rovers ist nahezu abgeschlossen, jedoch wurden der Infrarotsensor und der dazugehörige Servomotor noch nicht befestigt. Vor Einbau des Motors muss für diesen noch ein Loch gebohrt werden. Alle anderen Gehäuseteile, Aktuatoren und Sensoren wurden korrekt nach Anleitung aufgebaut. Der elektrische Aufbau des Rovers ist, mit Ausnahme der Leitungen von Infrarotsensor und dazugehörigem Servomotor zur Versorgungsplatine, vollständig aufgebaut und wurde mittels Multimeter auf seine Funktionstüchtigkeit geprüft. Das von uns erstellte Leiterplattenlayout ist funktionstüchtig. Der von uns aufgebaute Rover kann der Abbildung 8. entnommen werden.

Lessons learned

In diesem Projekt konnten wir drei große Teilgebiete der Mechatronik vereinen; die Konstruktionstechnik, die Elektrotechnik und die Informatik. Der mechanische Aufbau, sowie die damit verbundene Konstruktion waren schnell erfüllt und stellten uns vor keine großen Probleme. Im Bereich der Elektrotechnik konnten wir durch dieses Projekt insbesondere unseren Umgang mit Lötwerkzeug verbessern; darüber hinaus konnten wir unser Verständnis von MultiSim und Ultiboard verbessern. Da die Dokumentation der vorherigen Gruppe kein Leiterplattenlayout für die benötigte Versorungsplatine enthielt, musste dieses neu erstellt werden. Die Generierung des Leiterplattenlayouts stellte uns vor viele Probleme. Für die Footprints des DC/DC-Wandlers, welcher auf der Leiterplatte montiert wurde, benötigt man eine Lizenz von National Instruments. Wir haben den DC/DC-Wandler vermessen und die Lötaugen an entsprechender Position im Leiterplattenlayout erstellt. Da vermutlich sowohl unsere Messungen der Pinabstände zu ungenau waren, als auch die Rasterabstände in Ultiboard konstant sind, liegen die Lötaugen nicht direkt unter den dazugehörigen Pins des DC/DC-Wandlers. Unsere Leiterplatte ist zwar funktionstüchtig, jedoch sollte in einer Fortführung dieses Projekts das Leiterplattenlayout überarbeitet werden. In dem von uns gespeicherten Layout könnte z.B. die Tiefe der Leiterplatte vergrößert werden, sodass eine größere Leiterbahnbreite gewählt werden kann um die Lötarbeiten an der Leiterplatte zu erleichtern. Ebenso können die Positionen der Lötaugen des DC/DC-Wandlers angepasst werden, sodass er fest auf die Platine gelötet werden kann; die Verbindungen zwischen Leiterplatte und DC/DC-Wandler sind in unserem Aufbau mit Kabeln improvisiert. Den Informatikteil dieses Projekts, also das Schreiben und Aufspielen einer Testsoftware für den Rover haben wir leider nicht mehr lösen können, da die Erstellung der Leiterplatte deutlich mehr Zeit in Anspruch nahm, als von uns eingeplant war.

Fazit

Das Projekt „Mars Rover 2“ umfasst viele Disziplinen der Mechatronik und eignet sich daher gut als studentisches Projekt, jedoch ist der Aufwand für dieses Projekt unterschätzt. Die Einarbeitung in die bestehenden Unterlagen ist sehr zeitaufwendig, sowie das Erstellen der Versorgungsplatine mit Einarbeitung in das Leiterplattenlayout und die dafür nötigen Programme. Eine klare Deklarierung der Projektunterlagen und eine Umstrukturierung des Projektordners würde die Einarbeitung in die Unterlagen vorheriger Gruppen erleichtern. Das Projekt war herausfordernd für uns, da wir vielen uns neuen Disziplinen gegenüberstanden, welche dieses Projekt jedoch auch neben seiner Abwechslungsreiche interessant machten. Wir konnten während des Projekts unseren Umgang mit Solidworks routinieren und diverse Funktionen von MultiSim und Ultiboard erlernen, sodass wir eine funktionstüchtige Leiterplatte von Schaltungsentwurf bis zur Bestückung fertigen konnten. Aufgrund der geringen verbleibenden Zeit wurde der Mars Rover 2 leider nicht mehr von uns in Betrieb genommen; die Inbetriebnahme kann nur nach gründlicher Einarbeitung in die Matlab/Simulink Unterlagen geschehen.

Projektunterlagen

Da bereits die MathWorks Unterlagen des Projektes die maximale Dateigröße von 2 MB überschreiten, ist es uns nicht möglich gewesen, die wichtigen Dokumente zum Nachbauen des Roboters als .zip- Datei hochzuladen. Bedauerlicherweise ist es uns daher nicht möglich, die Projektunterlagen von MathWorks und die Eigenleistungen zum Nachbauen des Roboters anzufügen. Selbstverständlich sind alle benötigten Unterlagen in dem SVN-Ordner der HSHL hinterlegt.

Weblinks