Aktuelle Version vom 28. Februar 2018, 15:05 Uhr

Autoren: Phillip Blunck, Tom Niehaus, Marius Schaffer

Einleitung

Für den ArduMower muss ein Notaus entwickelt werden, sodass vom Mähwerk keine Gefahr für den Nutzer oder Lebewesen auf der Rasenfläche ausgeht. Bei Betätigung soll das Mähwerk seine Funktion innerhalb von 0,5 s einstellen und wenn der Mäher im Betrieb angehoben wird oder fällt, ist der Notaus auszulösen.

Anforderungen

Spezifikations-ID	Anforderungs-ID	Anforderung
0180	REQ10.2300	2.2 Der Mäher muss über einen Notaus verfügen. Wird dieser betätigt stellt der Mäher innerhalb von 0,5s sein Funktion bis zum Stillstand der Mähklingen ein. Wird der Mäher im Betrieb angehoben oder fällt dieser um ist der Notaus auszulösen
0181	REQ10.2301	Strategie zur Motorbremsung umsetzen
0182	REQ10.2302	Gefahrenpotential bemessen/bewerten
0183	REQ10.2303	Strategie zur Motorbremsung entwerfen und simulieren
0184	REQ10.2304	Soft-Notaus Schnittstelle zur Software
0185	REQ10.2305	Roboter darf bei Kontaktverlust nicht "ausbüchsen"

Vorgehensweise

Zur Bewertung der Sicherheit und Konzeptentwicklung ist zunächst der Mähmotor in Betrieb genommen worden. Hierfür wurden die passenden Treiber bestellt. Für die Inbetriebnahme ist ein anderer Treiber verwendet worden, da der vorgesehene Treiber zwar bestellt aber noch nicht geliefert worden ist. Für die erste Inbetriebnahme ist dieses jedoch nicht weiter schlimm. Über den Motortreiber konnte der Motor angesteuert werden, um einen Test durchzuführen und die Stoppzeit des Motors zu messen. Aufgrund dieses Tests ist eine Bewertung mit Hinsicht auf die Sicherheit erstellt worden. Aufgrund der Bewertung ist ein Konzept entwickelt worden um den Motor innerhalb einer kurzen Zeit zu stoppen. Außerdem ist ein Schalter eingebaut worden um die Antriebe vom Strom zu trennen.

Der Mähmotor

Nennspannung V DC 24
Nenndrehzahl min-1 3300
Nennmoment mNm 140
Nennleistung W 46
Nennstrom A 2,7
Leerlaufdrehzahl min-1 3600
Leerlaufstrom A 0,36
Anlaufmoment mNm 1080
Trägheitsmoment gcm2 400
Masse kg 1,0
Radiale Wellenbel. N 150
Axiale Wellenbel. N 150

(Motordaten entnommen aus Link)

Beurteilung der Sicherheit

Zunächst wurde mit Hilfe einer Stoppuhr die Stoppzeit des Mähwerks gemessen. Dafür wurde bei mehreren Testläufen der Mähmotor von seiner Spannungsquelle getrennt und festgestellt, dass der Mähmotor bei maximaler Drehzahl von 3150 U/min bis zum tatsächlichen Stopp 30 Sekunden benötigt. Somit ist die Zeit von 30 Sekunden aufgrund der Anforderung REQ10.2300 nicht akzeptabel.

ID	Testfallbeschreibung	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson
1	Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.	Mähwerk stoppt nach 29 s.	Nicht bestanden.	Phillip Blunck, Tom Niehaus
2	Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.	Mähwerk stoppt nach 30 s.	Nicht bestanden.	Phillip Blunck, Tom Niehaus
3	Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.	Mähwerk stoppt nach 31 s.	Nicht bestanden.	Phillip Blunck, Tom Niehaus
4	Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.	Mähwerk stoppt nach 30 s.	Nicht bestanden.	Phillip Blunck, Tom Niehaus

Konzeptentwicklung

Im Folgenden sind Konzeptlösungen für einen Hardware und einen Software Notaus dargestellt. Diese müssen in Zukunft noch umgesetzt und anschließend auf Ihre Funktion getestet werden.

Hardware Notaus

Ein 24 Volt Relay wird über den Notausknopf des Ardumower angesteuert. Der Notaus schaltet den Kanal um, wodurch der Motor vom Protectorboard getrennt wird und dann kurzgeschlossen wird. Die Energie die dabei erzeugt wird, da der Motor nun als Generator funktioniert, wird über einen Widerstand in Wärme umgewandelt.

Software Notaus

Die Relaykarte wird über einen Digitalpin des Arduino Megas angesteuert. Dadurch wird der Motor vom Protectorboard getrennt und die Energie, die der Motor erzeugt, über einen Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt.

Spezifikation Relaykarte
Schaltspannung	5V DC
Steuerstrom	15-70mA
Lasten	AC250V 10A, DC30V 10A
Schaltpegel	Low == An

Die folgende Abbild stellt die Umsetzung in Simulink dar. Das Eingangssignal vom Hauptprogramm schaltet somit die Relaykarte ein oder aus. Jedoch sollte der Digitalpin angepasst und eine Schnittstelle zur Hauptplatine festgelegt werden.

Meilenstein 3

50% der Gesamtlösung
Absprache des Konzepts ausstehend
Praktische Umsetzung ausstehend

Meilenstein 4

80% erledigt
Strategie zur Motorbremsung entworfen
Simulation der Motorbremsung in Simulink
Modell in Simulink entworfen
Einbindung ins Hauptprogramm offen
Einbau des Konzepts offen

Zusammenfassung

Es lässt sich festhalten, dass zunächst Testläufe durchgeführt wurden, um die tatsächliche Stoppzeit des Mähwerks zu ermitteln. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anfordeungen nicht erfüllt wurden und somit ein Konzept für eine Motorbremsung für den Hardware- als auch Software-Notaus entworfen werden musste.

Ausblick

Einbau der Schaltung fehlt
Einbindung ins Hauptprogramm fehlt
Festlegung der Schnittstelle mit Hauptplatine offen (freien Digitalpin für Notaus)
Absprache mit Hauptprogramm/Strategie -> Verhalten bei Kontaktverlust der Perimeterschleife
Test der Umsetzung in Realität -> erfüllt es alle Anforderungen?

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 Zunächst wurde mit Hilfe einer Stoppuhr die Stoppzeit des Mähwerks gemessen. Dafür wurde bei mehreren Testläufen der Mähmotor von seiner Spannungsquelle getrennt und festgestellt, dass der Mähmotor bei maximaler Drehzahl von 3150 U/min bis zum tatsächlichen Stopp 30 Sekunden benötigt. Somit ist die Zeit von 30 Sekunden aufgrund der Anforderung REQ10.2300 nicht akzeptabel.
+{| class="mw-datatable"
+! style="font-weight: bold;" | ID
+! style="font-weight: bold;" | Testfallbeschreibung
+! style="font-weight: bold;" | Erwartetes Ergebnis
+! style="font-weight: bold;" | Testergebnis
+! style="font-weight: bold;" | Testperson
+|-
+| 1
+| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
+| Mähwerk stoppt nach 29 s.
+| Nicht bestanden.
+| Phillip Blunck, Tom Niehaus
+|-
+| 2
+| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
+| Mähwerk stoppt nach 30 s.
+| Nicht bestanden.
+| Phillip Blunck, Tom Niehaus
+|-
+| 3
+| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
+| Mähwerk stoppt nach 31 s.
+| Nicht bestanden.
+| Phillip Blunck, Tom Niehaus
+|-
+| 4
+| Mähwerk wird bei maximaler Drehzahl von der Spannungsquelle getrennt.
+| Mähwerk stoppt nach 30 s.
+| Nicht bestanden.
+| Phillip Blunck, Tom Niehaus
+|}
 = Konzeptentwicklung =
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 *Einbindung ins Hauptprogramm offen
 *Einbau des Konzepts offen
+= Zusammenfassung =
+Es lässt sich festhalten, dass zunächst Testläufe durchgeführt wurden, um die tatsächliche Stoppzeit des Mähwerks zu ermitteln. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anfordeungen nicht erfüllt wurden und somit ein Konzept für eine Motorbremsung für den Hardware- als auch Software-Notaus entworfen werden musste.
 = Ausblick =

ArduMower: Notaus des Mähantriebs: Unterschied zwischen den Versionen