Projekt 70b: Bau eines Labyrinths für EV3-Roboter

Autoren: Hinners Eileen, Klauke Patrick

Einleitung

Im Rahmen des Praktikums der angewandten Elektrotechnik im Modul ingenieurwissenschaftliche Vertiefung II des Masterstudienganges Business and Systems Engineering, soll ein Mindstorm EV3 Roboter durch ein selbst gebautes Labyrinth finden. Ziel des Artikels ist es, nachfolgenden Gruppen eine nachhaltige Dokumentation zum leichteren Einstieg zu hinterlassen.

Aufgabe

Im einfachsten Sinne soll der Roboter den Ausgang aus einem Labyrinth finden.

Das Projekt teilt sich in 3 Schritte auf. Im 1. Schritt (Kartographie) wird der Roboter willkürlich im Labyrinth ausgesetzt, von seiner zufälligen Startposition aus fährt der Roboter solange gerade aus bis er rechts eine Kreuzung vorfindet. Der Roboter biegt rechts ab und folgt weiter diesem Weg bis sich rechts wieder eine Kreuzung vorfindet(Rechte-Hand-Prinzip). Kreuzungen die sich links vom Roboter ergeben merkt er sich und erkundet diese unbekannten Wege nach dem Last in-first out Prinzip( nach dem der Roboter mit der rechten Hand Regel nicht mehr weiterkommt).

Im Zweiten Schritt der Ortung wird der Roboter willkürlich im Labyrinth positioniert. Von dieser Startposition aus folgt der Roboter der rechten Hand Regel, bis seine Position eindeutig innerhalb des Labyrinths bestimmt ist. Nach erfolgreicher Ortung sucht der Roboter wieder seine Startposition auf.

Im 3. und letzten Schritt „Schnellster Weg“ soll der Roboter den schnellsten Weg aus dem Labyrinth finden. Den Weg den der Roboter fahren soll wird durch die „Tiefensuche“ vorher errechnet. Von seiner eingenommen Position aus Schritt 2 aus, fährt der Roboter den schnellsten (kürzesten Weg) hinaus.

Erwartungen an die Projektlösung

Aufbau und Planung eines flexiblen Labyrinths (z.B. Styrodur)
Robotervorschlag wurde bereits aufgebaut
Recherche SLAM
SLAM Ortung und Navigation via US oder IR Sensor(en)
Inbetriebnahme mit Matlab/Simulink
Realisierung der Flucht aus dem Labyrinth durch SLAM.
Machen Sie spektakuläre Videos, welche die Funktion visualisieren.
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Stimmen Sie sich mit Projekt 70a bezüglich Roboterdesign und Labyrinth ab, so dass die Labyrinthteile kompatibel sind.

Schwierigkeitsgrad

Mittel (***)

Verwendete Bauteile

EV3 Medium Motor 1x
EV3 Large Motor 2x
EV3 Ultraschallsensor 1x
EV3 Gyrosensor 1x
EV3 Brick 1x
Diverses Zubehör von Lego
Styrodur 15cm x 30 cm x 5cm 30x
Styrodur 15cm x5cm x 5cm 15X
Holzdübel Ø6cm x 30mm ^ 50x
Holzplatten

Datei:Materialliste.png

Alternativer Text

Eileen der fügt kein foto ein

Projekt

Projektplan

Für die Umsetzung des Projekts bis hin zur Abschlusspräsentation sind 4 Monate innerhalb des Semesters eingeplant. Der Arbeitsaufwand sollte laut Modulplan bei 17 Stunden pro Student liegen (wurde deutlich überschritten). Um möglichst effizient über das Semester arbeiten zu können, wurde das Projekt in verschiedene Arbeitsvorgänge unterteilt. Als erstes musste bis zum 22.10.2017 innerhalb von 1,5 Wochen eine Bestellliste erstellt werden, da die HSHL viel Zeit für die Bearbeitung der Bestellvorgänge benötigt. Bauteile die am Anfang bei der Projektplanung nicht berücksichtigt wurden, können nachträglich nicht bestellt werden. Daher ist eine Vorabplanung äußerst wichtig. Für die Projektplanung wurde ein Gantt-chart erstellt um einen groben Überblick über einzelne Arbeitsvorgänge und eingeplante Zeit zu erhalten.

Labyrinth

Das Labyrinth für den Roboter ist modular aufgebaut d.h. die Position der Wände und die Größe des Labyrinths kann verändert werden. Die Modularität des Labyrinth wurde dadurch erreicht, dass die Wände aus Styrodur eine feste Bohrungsrasterung zu den Bodenplatten aufweisen. In den Wänden stecken Holzdübel und in den Bodenplatten sind die passenden Bohrungen.

Die Bodenplatte besteht aus mehreren einzelnen Platten, die wie ein Puzzel miteinander verbunden sind. Je nach Anwendung kann die Bodenplatte rechteckig oder quadratisch aufgebaut werden.

Roboter

grundlegendes über den Ev3 Roboter

Ultraschallsensor

Die Abstandsreglung zur Wand wird mit einem Ultraschallsensor realisiert. Eigenschaften des EV3 Ultraschallsensors:

Misst Entfernungen zwischen 3 und 250 cm (1 bis 100 Zoll)
Messgenauigkeit: +/- 1 cm (0,394 Zoll)

Der digitale EV3 Ultraschallsensor erzeugt Schallwellen und „liest“ deren Echos, um Objekte zu erkennen und deren Entfernung zu messen Ultraschallsensoren als Abstandssensoren sind in der Lage, Objekte berührungslos zu erkennen und ihre Entfernung zum Sensor zu messen. Die Abstandserfassung von Ultraschallsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von hochfrequenten Schallimpulsen. Der Ultraschallsensor strahlt zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus. Dieser pflanzt sich mit Schallgeschwindigkeit in der Luft fort. Trifft der Ultraschallimpuls auf einen Gegenstand, wird er reflektiert. Das so entstehende Echo wird vom Sensor wieder aufgenommen und aus der Zeitspanne zwischen dem Senden und dem Empfangen des Schallimpulses, wird der Abstand zum Objekt berechnet. Dieses Prinzip der Abstandmessung mithilfe von Ultraschallwellen verwenden im Tierreich Fledermäuse. Ultraschallsensoren sind unempfindlich gegenüber Lichteinstrahlung

BILD

Gyrosensor

Zur Kartographierung des Labyrinths und um genau 90 Grad Kurven zufahren wird ein Gyrosensor verwendet. Ein Gyrosensor ist ein Beschleunigungs- oder Lagesensor, der auf kleinste Beschleunigungen, Drehbewegungen oder Lageänderungen reagiert. Das Prinzip des Gyrosensors basiert auf der Massenträgheit.

Genauigkeit der Winkelmessung: +/- 3 Grad
Maximale Ausgabe: 440 Grad/Sekunde
Erfassungsrate: 1 kHz

Bilder Drift. Wird der Gyrosensor mit der EV3-Programiersofware verwendet, muss keine Drift Kompensation ausgeführt werden. Untenstehende Graphik stellt den Drift eines EV3 Gyrosensors außerhalb der EV3-Programiersoftware dar. Der Gyrosensor wurde auf einem mittleren EV3-Motor montiert und anschließend 90° nach links und 90° nach rechts (von der Ausgangsposition aus) geschwenkt.

BILD GYRO

Projektfortführung

Ergebnis

Zusammenfassung

Literatur

Monjazeb, A.: Autonomous Robot Navigation Based on Simultaneous Localization and Mapping. Carleton University (Canada), 2008. ISBN 978-049-4368-29-9
Nüchter, A.: 3D Robotic Mapping: The Simultaneous Localization and Mapping Problem. Heidelberg: Springer, 2009. ISBN 978-354-0898-83-2
Stachniss, C.: Robot Mapping. Uni Freiburg: Vorlesung, WS 13/14. URL: http://www2.informatik.uni-freiburg.de/~stachnis/. Stand: 01.01.15
Thrun, S.; u.A.: Probabilistic Robotics. Cambridge: MIT Press, 2005. ISBN 978-026-2201-62-9.
Thrun, S.; u.A.: FastSLAM: A Scalable Method for the Simultaneous Localization and Mapping Problem in Robotics. New York: Springer, 2007. ISBN 978-354-0463-99-3
Wang, Z. u.A.: Simultaneous Localization and Mapping: Exactly Sparse Information Filters. Singapore: 2011. ISBN 978-981-4350-31-0

Weblinks

Projektunterlagen

YouTube Video

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