AlphaBot: Motoren und Inkrementalgeber

Abb. 1: Lichtschrankenzustände CNTL/CNTR

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul II
Lehrveranstaltung:	Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester

Inhalt

• Ansteuerung der Motoren
• Auslesen der Lichtschranken via Interrupt
• Berechnung der gefahrenen Strecke
• Fahrt einer definierten Strecke und Figur.
• Berechnung des Kurswinkels aus diffenentieller Odometrie

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion können Sie

• die Fahrstrecke des linken und rechten Rades aus den Lichtschrankensignale berechnen.
• eine definierte Strecke und Figur fahren.
• die Position und Lage eines mobilen Roboters mittels diffenentieller Odometrie schätzen.

Lernzielkontrolle

• Wie funktioniert eine Lichtschranke?
• Wo ist beim AlphaBot rechts und wo links?
• Wo befinden sich die Lichtschranken beim AlphaBot?
• An welchen Pins des Arduino sind die Lichtschranken angeschlossen?
• Wie werden die Lichtschranken eingelesen?
• Was ist ein Interrupt und wozu dient er?
• Wozu dient die Funktion attachInterrupt()?
• Welche IO-Pins sind beim Arduino Uno Plus interruptfähig?
• Werden die steigenden oder fallenden Flanken ausgewertet?
• Wie errechnet man aus Lichtschrankenflanken die gefahrene Strecke?
• Wie unterscheiden die Lichtschranke zwischen Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung?

Versuchsvorbereitung

• Arbeiten Sie sich anhand der Tutorials mit der Hardware Alphabot, Motoren und Lichtschrankenvertraut.
• Beachten Sie besonders die Ausrichtung der Akkus. ACHTUNG BRANDGEFAHR!
• Versuchen Sie die Lernzielkontrollfragen anhand der Wiki-Artikel und Tutorials zu beantworten.
• Nutzen Sie MATLAB als seriellen Monitor.

Warnung

Der AlphaBot verwendet sehr viele Sensoren, daher sind Ports mehrfach verwendet. Es kann somit zu Komplikationen kommen. Entfernen Sie einfach die Steckbrücken der Mehrfachbelegung. Schützen Sie den Ultraschallsensor vor Verpolung! Beachten Sie die Beschriftung. Falls der Ultraschallsensor keine vernünftigen Werte liefert, versorgen Sie diesen zusätzlich über die Akkus.

Versuchsdurchführung

Aufgabe 4.1: Lichtschranke

1. Bitte aktualisieren Sie ihre Arduino / librarie.
2. Machen Sie sich mit dem Demo E13_Lichtschranke vertraut, so dass Sie jede Zeile erläutern können.
3. Kopieren Sie das Beispiel in Ihren Ordner und erweitern Sie es.
4. Lassen Sie als Test beide Motoren langsam vorwärts drehen.
5. Flankenwechsel von CNTL/CNTR sollen einen Interrupt auslösen.
6. Optional: Stellen Sie beide Lichtschrankenzustände CNTL/CNTR über der Zeit in MATLAB^® dar (vgl. Abb. 2).

Arbeitsergebnisse: testeLichtschranke.ino, testeLichtschranke.m, leseArduinoDaten.m

Tipp 1  Nutzen Sie die Demos E13_Lichtschranke und E01_MotorenTest im SVN-Verzeichnis. Nur die IO-Pins D2 und D3 sind beim Arduino Uno interruptfähig. Entfernen Sie die Multisensorerweiterung. Legen Sie für eine langsame Raddrehung keine Akkus ein. Manche USB-Ports sind zu schwach um die Motoren zu betreiben. Dann müssen Sie die Akkus nutzen.

Tipp 2  Legen Sie ein Bit an, welches Vorwärts- und Rückwärtsfahrt unterscheidet. Setzen Sie das Bit bei Vorwärtsfahrt und löschen Sie es bei Rückwärtsfahrt. Inkrementieren Sie einen long-Zähler im Interrupt, wenn der Motor vorwärtsfährt und dekrementieren Sie den Zähler bei Rückwärtsfahrt. Rechnen Sie im loop bei der Ausgabe die Inkremente in eine Strecke um.

Tipp 3  Ergebnisplot:

Abb. 2: Ergebnisdarstellung CNTL vs. CNTR

Abb. 2: CNTL/CNTR über der Zeit

Aufgabe 4.2: RadInkrementalgeber

1. Machen Sie sich mit E15_RadInkrementalgeberFahrt vertraut, so dass Sie jede Zeile erläutern können.
2. Kopieren Sie das Beispiel in Ihren Ordner und erweitern Sie es.
3. Rechnen Sie die Radumdrehungen in gefahrene Strecke um.
4. Optional: Stellen Sie die gefahrene Strecke über der Zeit in MATLAB^® dar (vgl. Abb. 3).

Arbeitsergebnis: testeRadInkrementalgeber.ino, zeigeRadInkrementalgeber.m, leseArduinoDaten.m

Tipp 1  Nutzen Sie die Demos E14_RadInkrementalgeber und E15_RadInkrementalgeberFahrt im SVN-Verzeichnis. Legen Sie den Akku korrekt an, um die Motoren anzusteuern. Aus den gemessenen Motorumdrehungen lässt sich die gefahrene Strecke berechnen: $U=\pi \cdot d=3,14\cdot 6,4cm=20,1cm$. Drehen beider Räder um 360 °, dann fährt der Roboter 20,1 cm vorwärts. Erreichen Sie die Strecke nicht, entfernen Sie als Test die Multisensorerweiterung.

Tipp 2  Nutzen Sie switch...case um zwischen den Fahrzuständen (1: vorwärts/2: rückwärts/3: Stopp) zu wechseln. Nutzen Sie die Lösung aus Aufgabe 5.2, um die Zähler zu dekrementieren und inkrementieren.

Tipp 3  Ergebnisplot:

Abb. 3: Strecke des linken und rechten Rades

Abb. 3: Strecke des linken und rechten Rades über der Zeit

Aufgabe 4.3: 1 m Fahrt

1. Machen Sie sich mit dem Demo E15_RadInkrementalgeberFahrt vertraut, so dass Sie jede Zeile erläutern können.
2. Fahren Sie mit Ihrem Fahrzeug genau 1 m geradeaus vorwärts.
3. Fahren Sie wieder zum Startpunkt zurück. Wenden Sie das Fahrzeug nicht!
4. Der AlphaBot inkrementiert die Strecke bei Vorwärtsfahrt und dekrementiert bei Rückwärtsfahrt.
5. Stellen Sie die gefahrene Strecke im seriellen Monitor dar.

Lernzielkontrollfragen:

• Wie kann die Fahrtrichtung bei der Streckenbestimmung berücksichtigt werden?
• Wurde 1 m gefahren? Steht der AlphaBot wieder am Startpunkt? Begründen Sie ggf. die Abweichung.

Arbeitsergebnis: fahreVorZurueck.ino

Tipp 1  Nutzen Sie die Demos E01, E15, E22 im SVN-Verzeichnis. Legen Sie den Akku korrekt an, um die Motoren anzusteuern. Wenn Ihr AlphaBot bei gleicher Ansteuerung der Motoren nicht geradeaus fährt liegt dies an den unterschiedlichen Motoren.
Nutzen Sie das Potentiometer der Multisensor-Erweiterung, um den „Gleichlauf der Motoren“ mit anzupassen. Fazit: Eine perfekte Gerade ist nur durch Ansteuerung von Rädern nicht möglich. Die Fehler (Anfahrtmoment, unterschiedliche Motoren, Schlupf der Reifen,...) summieren sich systematisch auf. Hier hilft nur eine geregelte Geradeausfahrt (Lektion 8).

Aufgabe 4.4: Differentielle Odometrie

Odometrie bezeichnet eine Methode der Schätzung von Position und Orientierung (Lageschätzung) eines mobilen Roboters anhand der Daten seines Vortriebsystems. Durch Räder angetriebene Systeme benutzen dafür die Anzahl der Radumdrehungen, während laufende Systeme (z. B. Roboter) die Anzahl ihrer Schritte verwenden. Ein Gerät, das die Odometrie zur Lageschätzung verwendet, ist ein Odometer. Die Odometrie ist im Zusammenspiel mit der Koppelnavigation ein grundlegendes Navigationsverfahren für bodengebundene Fahrzeuge aller Art (Kraftfahrzeuge, Roboter), allerdings wird es auf Grund seiner Fehlereigenschaften selten als alleiniges Verfahren eingesetzt. In dieser Aufgabe werden die Raddrehzahlen der beiden Räder zur Lageschätzung verwendet.

1. Erweitern Sie Ihr bisheriges Programm, um die Seiten eines Quadrates im Uhrzeigersinn abzufahren (vgl. Abb. 4).
2. Die Seitenlänge a ist eine Variable und soll 30 cm betragen.
3. Führen Sie eine Schleife 4x aus, die aus Geradeausfahrt und Drehung besteht.

Abb. 4: Fahren Sie im Uhrzeigersinn die Seiten eines Quadrates ab

Lernzielkontrollfragen:

• Kommen Sie wieder am Startpunkt an?
• Begründen Sie ggf. eine Abweichung.

Arbeitsergebnis: fahreQuadrat.ino

Tipp 1  Nutzen Sie die Demos E01, E15, E22 im SVN-Verzeichnis. Legen Sie den Akku korrekt an, um die Motoren anzusteuern. Nützlicher Artikel: Navigation mit Differenzialantrieb

Tipp 2 

Abb. 5: Kursbestimmung aus differentieller Odometrie

Abb. 5: Kursbestimmung aus differentieller Odometrie Für den Kurswinkel $\mathrm{\Psi }$ gilt: $\mathrm{\Psi }=\frac{s_R-s_L}{l}$ mit $l$: Spurweite

Tipp 3  Mitteln Sie bei Geradeausfahrt die links und rechts gefahrene Strecke. Drehen Sie 90° in dem Sie ein Rad vorwärts und das andere rückwärts laufen lassen. Die Kinematik der Platzdrehung ist hier beschrieben. Kapseln Sie die Platzdrehung in die Funktion dreheRoboter(Winkel), wobei eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn positiv ist.

Aufgabe 4.5: Nachhaltige Doku

Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.

• Halten Sie die Regeln für den Umgang mit SVN ein.
• Halten Sie die Programmierrichtlinie für C und die Programmierrichtlinien für MATLAB^® ein.
• Versehen Sie jedes Programm mit einem Header (Header Beispiel für MATLAB, Header Beispiel für C).
• Kommentiere Sie den Quelltext umfangreich.

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log

Demos

• SVN: E13_Lichtschranke
• SVN: E14_RadInkrementalgeber
• SVN: E15_RadInkrementalgeberFahrt

Literatur

• Lokalisierung und Odometrie eines Roboters mit differentiellem Antrieb
• Uni Ulm: Differentialantrieb.pdf
• HU-Berlin Kognitive Robotik
• The Rossum Project: Differential Steering System

Ausblick zur nächsten Lektion

In der nächsten Lektion findet die Zwischenprüfung statt.

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