AlphaBot: Motoren und Inkrementalgeber

Abb. 1: Lichtschrankenzustände CNTL/CNTR

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

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion können Sie

Versuchsdurchführung

Aufgabe 5.1: 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. Stellen Sie beide Lichtschrankenzustände CNTL/CNTR über der Zeit in MATLAB^® dar.

Lernzielkontrollfragen:

• Wie funktioniert eine Lichtschranke?
• Wo befinden sich die Lichtschranken?
• Wo ist rechts und wo links?
• An welchen Ports sind die linke und rechte Lichtschranke angeschlossen?
• Welche IO-Pins sind beim Arduino Uno interruptfähig?
• Wie entsheidet die Lichtschranke zwischen Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung?
• Wieviele Flanken erhalten Sie für eine Radumdrehung?

Arbeitsergebnisse: testeLichtschranke.ino, testeLichtschranke.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. Legen Sie für eine langsame Raddrehung keine Akkus ein.

Tipp 2  Ergebnisplot:

Abb. 4: Ergebnisdarstellung CNTL vs. CNTR

Abb. 2: CNTL/CNTR über der Zeit

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Aufgabe 5.2: 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. Stellen Sie die gefahrene Strecke über der Zeit in MATLAB^® dar.

Lernzielkontrollfragen:

• Was ist ein Interrupt und wozu dient er?
• Wozu dient die Funktion attachInterrupt()?
• Wie lässt sich die die gefahrene Strecke berechnen?

Arbeitsergebnis: testeRadInkrementalgeber.ino, zeigeRadInkrementalgeber.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: $U=\pi \cdot d = 3,14\cdot 6,4\,cm=20,1\,cm$. Drehen beider Räder um 360 °, dann fährt der Roboter 20,1 cm vorwärts.

Tipp 2  Ergebnisplot:

Abb. 4: Ergebnisdarstellung CNTL vs. CNTR

Abb. 3: CNTL/CNTR über der Zeit

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Aufgabe 5.3: 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. Stellen Sie die gefahrene Strecke auf dem OLED Display dar.
5. Der AlphaBot inkrementiert die Strecke bei Vorwärtsfahrt und dekrementiert bei Rückwärtsfahrt.

Lernzielkontrollfragen:

• Wie kann die Fahrtrichtung bei der Streckenbestimmung berücksichtigt werden?
• Zeigt das Display 1 m an? 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.

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Aufgabe 5.4: 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.
4. Stellen Sie die gefahrene Strecke als X-Y-Plot in MATLAB^® dar (vgl. Abb. 5).

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. 4: Ergebnisdarstellung CNTL vs. CNTR

Abb. 2: CNTL/CNTR über der Zeit Für den Kurswinkel $\Psi$ gilt: $\Psi=\frac{s_R-s_L}{l}$ mit $l$: Spurweite

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Aufgabe 5.5: 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

• Uni Ulm: Differentialantrieb.pdf
• HU-Berlin Kognitive Robotik
• The Rossum Project: Differential Steering System

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