Projekt 54b: Mission on Mars

Autoren: Meißner, Hane
Betreuer: Prof. Schneider

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Aufgabe

Nachbauen der „Mission On Mars Robot Challenge 2015“ von MathWorks

Erwartungen an die Projektlösung

Einarbeitung in die bestehenden MathWorks-Unterlagen
Beschaffung der elektronischen Komponenten (inkl. IR Entfernungsmessung)
3D-Druck der Bauteile
Aufbau und des Mars Rovers
Inbetriebnahme mit Matlab/Simulink
Machen Sie spektakuläre Videos, welche die Funktion visualisieren.
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Getting started

Lesen Sie die Unterlagen der Vorsemester (SVN Link)
Lesen Sie die Anleitungen von Mathworks (SVN Link). Darin finden Sie z.B. die BOM und Bauanleitung.
Bestellen Sie alle Teile. Beachten Sie, dass wir den Servomotor und den Infrarotabstandssensor für beide Modelle benötigen (vgl. Abb. 2).
Drucken Sie an der Hochschule die fehlenden Teile in Blau gemäß Abb. 1.
Halten Sie ich beim Aufbau an die Bauanleitung.
Für den Motortreiber finden Sie hier den Eagle Schaltplan. Setzen Sie den Schaltungsentwurf mit NI Ultiboard um.

Einleitung

Die Aufgabe des Projekts war es, ein weiteres Modell des Mars Rovers aus der „Mission on Mars Robot Challenge“ von Matlab zu erstellen, sodass die HSHL über zwei mechanisch aufgebaute Mars Rover verfügt.

Projekt

Projektplan

Der Projektplan in Abb. 3. wurde zu Beginn des Projektes erstellt. Er zeigt die vorgesehene Terminplanung.

Projektdurchführung

Beschaffung

Wie dem Projektplan zu entnehmen ist, startete das Projekt mit der Einarbeitung in die Dokumentationen der vorherigen Gruppen und die Zielsetzungen der Matlab – Mission on Mars Challenge. In der ersten Projektwoche wurden bereits vorhandene Teile gesichtet und die noch benötigten Teile der gemeinsamen BOM (Bill of material) aller Gruppen hinzugefügt.

Konstruktion

Abb 5: Fertige 3D Druckteile in der Farbe Pink.

In den von Matlab hinterlegten Projektdateien finden sich 3D-Modelle fast aller für den Rover benötigten Gehäuseteile im .stl-Format. Konstruktionsdateien für die Antriebsräder sind nicht hinterlegt, daher haben wir die Antriebsräder mittels SolidWorks konstruiert. Alle Teile wurden mittels Filamentdruck mit dem WANHAO Duplicator i3 Plus 3D Drucker gefertigt. Bei der Nachbearbeitung der Teile wurden überstehende Kanten abgefeilt, die Stützstrukturen entfernt und Gewinde geschnitten. Die Bodenplatte, sowie die Deckplatte des Rovers wurden aus dem Plexiglas einer ehemaligen Solariumsabdeckung (Liegefläche einer Sonnenbank) gefertigt und sind somit ein recyceltes Produkt. Sie mussten besonders vorsichtig händisch bearbeitet werden.

Schaltung

Abb 6: Schaltplan der Versorgungsplatine.

Die Spannungsversorgung des Mars Rovers ist ein 7,4V LiPo-Akku. Der Raspberry Pi und der Arduino Mega benötigen jedoch eine konstante Versorgungsspannung von 5V, welche durch eine Versorgungsplatine gewährleistet wird. Die Platine versorgt ebenfalls die beiden Antriebsmotoren; das Steuersignal der Antriebsmotoren kommt von dem Arduino Motor Shield.

In den von Matlab gestellten Projektdateien sind Materialliste, Schaltplan und Bilder einer Versorgungsplatine hinterlegt. Da die Dokumentationen vorheriger Gruppen nicht die Leiterplattenlayouts enthalten, musste das Leiterplattenlayout erneut erstellt werden. Den von Matlab hinterlegten Schaltungsentwurf haben wir in MultiSim übertragen (Abb. 6.) und mit Hilfe von Ultiboard ein Leiterplattenlayout erstellt, welches mittels eines Fräsbohrplotters gefertigt wurde. Die Platine wurde mit zwei 100-μF Kondensatoren, einem 300Ω-Widerstand, einem DC/DC-Wandler und diversen Stiftleisten bestückt. Vor und nach dem Bestücken wurde die Platine mittels Multimeter auf ihre Funktionstüchtigkeit geprüft.

Aufbau

Nach Erhalt der bestellten Teile und Fertigung der übrigen Teile, begann der mechanische Aufbau des Rovers. Da die Gehäuseteile aus pinken PLA-Filament den Anforderung nicht entsprachen, wurden alle generativ gefertigten Teile erneut gedruckt. Der schon von uns mechanisch aufgebaute Rover mit pinken Gehäuseteilen wurde wieder in seine Einzelteile zerlegt, um anschließend erneut mit weißen Gehäuseteilen aufgebaut zu werden (Abb. 7.). Die Montage mit den neu gedruckten Teilen gestaltete sich einfacher, weil sie sich einfacher nachbearbeiten ließen. Nachdem der mechanische Aufbau abgeschlossen war, startete der elektrische Aufbau. Die Mikrocontroller, Motoren, Schalter, Sicherung und die Kamera wurden nach der von Matlab gestellten Anleitung verbunden.

Ergebnis

Der mechanische Aufbau des Rovers ist nahezu abgeschlossen, jedoch wurden der Infrarotsensor und der dazugehörige Servomotor noch nicht befestigt. Vor Einbau des Motors muss für diesen noch ein Loch gebohrt werden. Alle anderen Gehäuseteile, Aktuatoren und Sensoren wurden korrekt nach Anleitung aufgebaut. Der elektrische Aufbau des Rovers ist, mit Ausnahme der Leitungen von Infrarotsensor und dazugehörigem Servomotor zur Versorgungsplatine, vollständig aufgebaut und wurde mittels Multimeter auf seine Funktionstüchtigkeit geprüft. Das von uns erstellte Leiterplattenlayout ist funktionstüchtig, jedoch wäre ein eleganterer Aufbau mit mehr Zeit möglich gewesen. In dem von uns gespeicherten Layout könnte z.B. die Tiefe der Leiterplatte vergrößert werden, sodass eine größere Leiterbahnbreite gewählt werden kann um die Lötarbeiten an der Leiterplatte zu erleichtern. Ebenso können die Positionen der Lötaugen des DC/DC-Wandlers angepasst werden, sodass er fest auf die Platine gelötet werden kann.

Zusammenfassung

Das Projekt „Mars Rover 2“ umfasst viele Disziplinen der Mechatronik und eignet sich daher gut als studentisches Projekt, jedoch ist der Workload für dieses Projekt unterschätzt. Die Einarbeitung in die bestehenden Unterlagen ist sehr zeitaufwendig, da die Ordner und Dateien unstrukturiert deklariert sind und einige Dateien mehrmals hinterlegt sind, jedoch andere Dateien fehlen. Das Erstellen des Leiterplattenlayouts nach einmaligem Laborpraktikum ist ebenfalls sehr zeitaufwendig und kompliziert. Ebenso erschweren die kurzen Laboröffnungszeiten und der damit verbundene Andrang auf Labor, Lötstationen und Werkzeug eine flüssige und strukturierte Arbeitsweise.

Lessons Learned

Projektunterlagen

Da bereits die MathWorks Unterlagen des Projektes die maximale Dateigröße von 2 MB überschreiten, ist es uns nicht möglich gewesen, die wichtigen Dokumente zum Nachbauen des Roboters als .zip- Datei hochzuladen. Bedauerlicherweise ist es uns daher nicht möglich, die Projektunterlagen von MathWorks und die Eigenleistungen zum Nachbauen des Roboters anzufügen. Selbstverständlich sind alle benötigten Unterlagen in dem SVN-Projektordner hinterlegt.

YouTube Video

Weblinks

Literatur