Das Projekt 3D‐Drucker von GermanRepRap ist ein Teilprojekt des Praktikum 3-D-Bearbeitungsmaschine (Projekt des Schwerpunkts GPE im Studiengang MTR), welches im siebten Semester im Studienschwerpunkt Global Production Engineering im Studiengang Mechatronik durchgeführt wurde. Es behandelt die Problemlösung eines bereits vorhanden mechatronischen Systems, die fehlerhafte Motoransteuerung des 3D-Druckers von GermanRepRap.

Projektmitglieder:

Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel
Autor: Benedikt Röper
Autor: Sven Söbbeke

Aufgabenstellung

Ziel des Praktikums ist des Praktikums ist es den 3-D Drucker von German RepRap in einen funktionsfähigen Zustand zuversetzen.

Erwartungen an die Projektlösung

Bestandsaufnahme des besteheneden Systems.
Fertigstellung der Montage
Fehlersuche
Beschaffung und Einbau neuer Teile.
Verzahnung mit dem Team des Projektes Computer Aided Manufacturing (CAM)
Wissenschaftliche Dokumentation der Lösung

Planung

Projektplanung

Zu Beginn des Projektes wurde zunächst ein Projektplan erstellt, dieser wurde in sechs Phasen aufgeteilt, diese Aufteilung findet sich auch in Abbildung XX wieder:

Bau des Roboters
Erstellung des Algorithmus für die Bildverarbeitung in Matlab
Ansprechen der Motoren
Erstellung des Algorithmus für die Bildverarbeitung in Simulink
Erstellung der Projektpräsentation
Erstellung der Projektdokumentation

Durchführung

Roboter

Der Roboter, wie er in Abbildung 1 zu sehen ist, wurde mithilfe der Anleitung vom "Tankbot"(Name des Modells) nachgebaut. Allerdings wurden anstatt der Ketten, Reifen verwendet, was den Vorteil besitzt, dass das Kamerabild nicht verwackelt. Des Weiteren wurde an der Stelle des Gyrosensors eine Webcam montiert. Dies waren die einzigen Änderungen, die am "Tankbot" durchgeführt worden sind. Der Link zur Bauanleitung befindet sich unter den weiterführenden Links.

Software

Abbildung 3: Programmablaufplan: Detektion von Zebrastreifen

Bild/Videoverarbeitung

Die Anforderungen an die Bildverarbeitung war es, ein Zebrastreifenmuster auf einer Fahrbahn zu erkennen. Ist dies der Fall, wird ein high am Ausgang der Funktion angelegt, welches z.B. einen langsamen Bremsvorgang auslösen könnte. So wurde zunächst ein Programmablaufplan geschrieben (siehe Abbildung 2), welcher folgende Schritte enthält:

Vorbereitung:
- Wahl eines geeigneten ROI je nach Position und Neigungswinkel der Kamera
- Einstellung der Mindestanzahl an zu detektierenden Streifen, damit es sich dabei um einen Zebrastreifen handelt
- Wahl eines passenden Schwellwertes für die Binarisierung des Grauwertbildes. Hier stellte sich raus, dass höhere Werte gute Ergebnisse erzielen, da so dunklere Gebiete herausgefiltert werden und die weißen Zebrastreifen gut detektiert werden können.
Laden eines neuen Frames
Bildbearbeitung:
- Umwandlung eines RGB-Bildes in ein Grauwertbild
- Kantenglättung mit einem Median-Filter
- Binarisierung des Bildes mit einem vorher eingestellten Schwellwert
Zebrastreifendetektion:
- Horizontales Scannen des Bildes zum Erfassen von Kanten
- Bei Detektion von der eingestellten Mindestanzahl an Streifen mit einer Mindestpixelhöhe von 10 (experimentell ermittelt), wird ein "1" zurückgegeben, sonst eine "0"

Anhand dieses Programmablaufes wurde ein Simulinkmodell erstellt (siehe Abbildung 3) mit einem selbstgeschriebenen Matlabfunktionblock, der als Eingabeparameter die Koodrdinaten für die ROI, die Mindestanzahl an zu detektierenden Streifen und das Binärbild erhält. Die Ausgabe "1" (Zebrastreifen detektiert) oder "0" (kein Zebrastreifen) wird dann auf einem Display angezeigt. Für die Anbindung des Raspberry Pi in Matlab/Simulink wurde das Simulink Support Package von MathWorks installiert (siehe unter weiterführende Links).

Motoransteuerung

Für das Ansteuern der Lego Mindstorm Motoren über den BrickPi entstanden einige Probleme. So ist es nicht möglich die Motoren über Matlab/Simulink anzusprechen, da es weder interne noch externe öffentliche Bibliotheken bzw. Toolboxen für den BrickPi gibt. Jedoch gelingt das Ansteuern der Motoren über C/C++ oder Phyton auf einer Linux Distribution (abgewandeltes Raspbian Betriebssystem von Dexter Industries: Tutorial unter weiterführende Links). Für die Bildverarbeitung wurde hierfür die Open Source Bildverarbeitungsbibliothek: OpenCV genutzt (Webseitenlink unter weiterführende Link). Dabei stellte sich heraus, dass die Kompatibilität zwischen der BrickPi- und OpenCV Bibliothek nicht gewährleistet war. Aufgrund dessen wurde die Motorsteuerung zunächst vernachlässigt und das Hauptaugenmerk auf die Bildverarbeitung in Matlab/Simulink gelegt.

Fazit und Ausblick

Erfüllte Aufgaben des Projektes

Auslesen einer Webcam mit dem BrickPi und Matlab/Simulink
Verarbeiten eines Videobildes mit Matlab/Simulink und Erkennung eines Zebrastreifens
Bau eines NXT oder EV3 Roboters
Modellbasierte Programmierung der Hardware via Target Installer (Simulink Support Package für Raspberry Pi Hardware)
Wissenschaftliche Dokumentation der Lösung und Funktionsnachweis
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Lernerfolge

Verbesserungsmöglichkeiten

Algorithmus Bildverarbeitung

Implementierung einer dynamischen Schwellwertermittlung für die Binarisierung

Entwicklungsumgebung mit dem BrickPi

Kompatibilität zwischen Matlab/Simulink erzeugen
Kompatibilität zwischen den BrickPi Treibern von Dexter-Industries und der Bildverarbeitungsbibliothek OpenCV schaffen

Hardware

Verwenden des Raspberry Pi 2 zur Verbesserung der Performance (benötigt in der Bildverarbeitung)
Verwendung der Kamera von Raspberry Pi
Einrichtung einer WIFI Verbindung zwischen Raspberry Pi und PC

Weiterführende Links

→ zurück zum Hauptartikel: 3-D-Bearbeitungsmaschine (Projekt des Schwerpunkts GPE im Studiengang MTR)

3D-Druck mit dem GermanRepRap X400

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