AM 03: Elektrischer Aufbau einer Ladestation

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.

Autoren: Simon Kleineberg, Andreas Mertke

Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Elektrischer Aufbau einer Ladestation

Erwartungen an die Projektlösung

• Einarbeitung in die bestehenden Ardumowers-Unterlagen
• Mitwirken bei der Integration von Hardware im mechanischen Aufbau
• Beschaffen Sie die Bauteile
• Integrieren Sie den Perimeter-Sender in der Ladestation
• Verlegen Sie die Perimeter-Schleife (Induktionsschleife)
• An- und Abdocken an der Ladestation
• Mitwirkung bei der Inbetriebnahme und an der Schnittstelle zum Perimeter-Empfänger
• Erstellen Sie ein faszinierendes Video, welches die Funktion visualisiert.
• Test und wiss. Dokumentation

Schwierigkeitsgrad

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

Einleitung

Die elektrische Ladestation ist eine Erweiterung zum bestehenden ArduMower Bausatz und bislang noch nicht erhältlich. Diese soll zum automatischen Laden des Mähroboters und ebenfalls zur Energieversorgung der Perimeterschleife dienen. Im Teilprojekt „Elektrischer Aufbau Ladestation“ des GET-Fachpraktikums im 5. Semester des Mechatronik-Studiums, sollte im Wesentlichen die Kontaktierung des Roboters an die Ladestation realisiert werden. Ebenfalls sollten die Senderplatine und das Empfängermodul für die Perimeterschleife aufgebaut und in die Ladestation beziehungsweise in den Mähroboter integriert werden. Die Perimeterschleife ist im Wesentlichen ein Draht, welcher auf dem Boden verlegt und fixiert wird. In diesem wird eine Spannung induziert, die vom Empfängermodul, welches im Mähroboter eingebaut ist, detektiert wird. Sobald der Draht überfahren wird, verändert sich das empfangene Signal, sodass der Roboter dies erkennt und zum Beispiel ein Gegenlenken einleiten kann. Daher wird die Perimeterschleife umgangssprachlich auch als „elektronischer Zaun“ bezeichnet.

Projektdurchführung

Zu Beginn wurde die Senderplatine aus den im Bausatz enthaltenen Komponenten zusammengelötet. Der auf der Platine enthaltene Arduino Nano wurde mit der bereitgestellten Software bespielt. Die gesamte Senderplatine wurde in das Gehäuse eingebaut und verschraubt. Um den Anschluss von Versorgungsspannung und Perimeterschleife im späteren Verlauf zu vereinfachen, wurden Anschlussklemmen aus dem HiFi-Bedarf am Gehäuse montiert und mit den Kontakten auf der Platine verlötet. Die Perimeterschleife wurde auf dem vorgegebenen Testrasen mithilfe der Rasennägel verlegt und der Innenwiderstand des Drahts gemessen. Um einen Gesamtwiderstand im Bereich von 12-15Ohm zu erreichen, wurden Lastwiderstände in Gesamthöhe von 13,3Ohm in Reihe geschaltet. Die Spannung am DC-DC-Wandler der Senderplatine wurde, wie unter „Funktionsweise“ erläutert, bestimmt und eingestellt. Um ein auswertbares Signal am Empfängermodul zu erhalten, wurde der darauf enthaltene Kondensator, wie im ArduMower-Wiki erläutert, entfernt und überbrückt. Für die Kontaktierung für den Ladevorgang boten sich die Gehäuseschrauben den Mähroboters an, da diese ohnehin mit den Anschlüssen des Lademoduls verbunden sind. Die Kontaktstellen in der Ladestation wurden mithilfe von Metallblechstreifen realisiert. Diese wurden zuerst mithilfe einer CAD-Software konstruiert, gefertigt und letztlich in der Station montiert und angeschlossen. Die Form der Kontaktstreifen wurde individuell angepasst, sodass diese beim Ladevorgang stets eine gewisse Vorspannung aufweisen. Alle Informationen zu den verwendeten Komponenten und der Funktionsweise selbiger sind unter den Punkten „Bauteile“ beziehungsweise „weiterführende Links“.

Funktionsweise

Das Sendermodul wird mit einer Spannung von 24VDC betrieben. Über einen DC-DC-Wandler wird die Versorgungsspannung des Motortreibers, welcher das Sendersignal verstärkt, eingestellt. Dies ist notwendig, da der Motortreiber nur in einem Spannungsbereich von 6-24VDC optimal arbeitet. Zusätzlich sollte der Strom des Sendersignals nicht mehr als 1A betragen. Da ab einem Schleifenwiderstand unterhalb von 6Ohm die Arbeitsspannung des Motortreibers nicht weiter reduziert werden kann, um den maximalen Sendestrom von 1A nicht zu überschreiten, muss der Widerstand erhöht werden (s. Durchführung). Der Arduino Nano gibt über den PWM-Ausgang ein gepulstes Signal aus, welches dann durch den Motortreiber verstärkt und an die Schleife weitergegeben wird. Der Empfänger ist im Wesentlichen ein Operationsverstärker, an dessen Eingang eine Spule (150mH) angebracht ist. Das dort induzierte Signal wird verstärkt und an die Hauptplatine des ArduMowers weitergegeben und ausgewertet. Sobald der Mähroboter oder genauer gesagt die Spule den Perimeterdraht überquert, wechselt das Signal seine Polarität. Über das Hauptprogramm des ArduMowers wird anschließend ein Gegenlenkmanöver eingeleitet.

Verwendete Bauteile

Perimeter Sender Board mit Platinen Zubehör https://www.marotronics.de/Perimeter-Sender-Board-Prototyp-mit-Platinen-Zubehoer

DC-DC Spannungsregler https://www.marotronics.de/DC-DC-Spannungsregler-LM2596S-Step-Down-Regler-einstellbar

Pololu Dual MC33926 Motor Driver Carrier https://www.marotronics.de/Pololu-Dual-MC33926-Motor-Driver-Carrier

INA169 DC Strom Sensor https://www.marotronics.de/INA169-Analog-DC-Current-Sensor-Breakout-60V-25A-/-5A-Marotronics

Arduino Nano V3.0 https://www.marotronics.de/Nano-V30-ATmega328P-AU-MCU-Arduino-kompatibel-USB-CH340G

Schleifenempfänger Kit https://www.marotronics.de/Schleifenempfaenger-Kit-perimeter-receiver-Kit

Rasennägel https://www.marotronics.de/25-Rasennaegel-Heringe-fuer-Rasenroboter-zB-Robomow-STAFFELPREISE

Schleifendraht 1mm² https://www.marotronics.de/100-m-Kabel-Einzelader-1-x1-mm-H05V-K-schwarz

Empfänger Spule https://www.marotronics.de/Schleifenempfaenger-Spule-11P-Ferrit-150mH-Perimeter-Coil

Gehäuse für Senderplatine https://www.marotronics.de/Gehaeuse-120-x-70-x-50-mm-incWandbesfestigung

2x Anschlussklemmen https://www.marotronics.de/Lautsprecher-Anschlussklemmen-2pol-auch-als-Schleifenkabel-Anschluss-geeignet

Optional je nach Schleifenlänge:

50Watt Drahtwiderstand, Serie RH050 , 10 Ohm http://www.reichelt.de/50-Watt-axial/50W-METALL-10/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=110727&GROUPID=5274&artnr=50W+METALL+10

50Watt Drahtwiderstand, Serie RH050 , 3,3 Ohm http://www.reichelt.de/50-Watt-axial/50W-METALL-3-3/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=110726&GROUPID=5274&artnr=50W+METALL+3%2C3

Ergebnis

Zusammenfasung

Durch die Ladestation und die Kontakte innerhalb dieser ist es möglich, dass der ArduMower nicht nur autonom mäht, sondern auch selbstständig laden kann. Somit ist ein manuelles Ankontaktieren des Roboters nicht mehr nötig. Durch die Perimeterschleife kann mit relativ simplen und kostengünstigen Mitteln ein gewünschter Bereich mit beliebiger Außenkontur eingegrenzt werden. Zudem kann optional noch eine zweite Schleife an das Sendermodul angeschlossen werden und so ein weiterer Bereich abgegrenzt werden.

Ausblick

Um das Empfängermodul mit dem ArduMowers zu verknüpfen, muss dieses noch mit der Hauptplatine verbunden und eingebaut werden. Im Hauptprogramm wird das Signal gefiltert und für die weitere Nutzung verarbeitet. Optional lässt sich das Sendemodul noch während des Ladevorgangs vom Mähroboter ausschalten. Hierzu kann der bereits auf der Senderplatine enthaltene Stromsensor verwendet werden.

Weiterführende Links

• ardumOwer Wiki
• Ladegerät
• Induktionsschleifen Sender
• Web-Shop: Draht
• Web-Shop: Heringe

Unterlagen

Alle verwendeten Unterlagen wie beispielsweise Schaltpläne für die Senderplatine wurden aus dem ArduMower Wiki entnommen (siehe "Weiterführende Links").

YouTube-Video

https://www.youtube.com/watch?v=HQeMRytAcXc

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