Projekt 82: 3D-Schwenkeinheit für einen LiDAR-Lite v3: Unterschied zwischen den Versionen
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Dieser Wiki Artikel der Studenten [[Benutzer:Pia_Dommen| Pia Dommen | Dieser Wiki Artikel der Studenten [[Benutzer:Pia_Dommen| Pia Dommen]] und [[Benutzer:Luca_Riering| Luca Riering]] behandelt das den Bau einer 3D-Schwenkeinheit für einen LiDAR-Lite v3 (siehe Bild) im Rahmen des [[:Kategorie:ProjekteET_MTR_BSE_WS2018|GET-Fachpraktikums WS 18/19: Fachpraktikum Elektrotechnik (MTR)]] aus dem 5. Semester Mechatronik und stellt eine nachhaltige Dokumentation über Vorgehensweise der Bearbeitung des Projektes dar. Für den neuen LiDAR des Carolo Cup Wagens muss eine drehbare Halterung konstruiert und hergestellt werden. Dies beinhaltet die Konstruktion der Halterung, sowie den Zusammenbau der einzelnen 3D gedruckten Bauteile. Wie auch die Ansteuerung des Servo-Motors und des Schrittmotors über den Arduino. Diese Motoren sollen sich in angepasster Geschwindigkeit und Genauigkeit (1° genau) rotieren lassen und über einen Drehgeber überwacht werden. Der Umgang mit diesem Mikrocontroller wurde durch das Praktikum vermittelt. Durch dieses Projekt wurden die erlangten Fähigkeiten vertieft. Der grundlegende Aufbau und die Umsetzung dieses Projektes wird in den nachfolgenden Punkten genauer betrachtet und erklärt, des Weiteren befinden sich alle Inhalte und Dokumente zu diesem Projekt in dem dazugehörigen SVN-Verzeichnis. | ||
== Projekt == | == Projekt == |
Version vom 3. Januar 2019, 18:30 Uhr
Autoren: Pia Dommen; Luca Riering
Betreuer: Prof. Schneider
→ zurück zur Übersicht: WS 18/19: Fachpraktikum Elektrotechnik (MTR)
Aufgabe
Realisierung einer Schwenkeinheit für den LiDAR-Lite v3 Sensor des Carolo Cup Wagens (Projekt 81) mit Hilfe einer Baugruppe aus 3D-Bauteilen und einem Arduino UNO Mikrocontoller. Es soll eine „3D-Schwenkeinheit für einen LiDAR-Lite v3“ entwickelt und konstruiert werden. Die Tätigkeiten gliedern sich in diesem Projekt wie folgt: -mechanischer Aufbau -elektronischer Anschluss -umsetzung der Messung mit selbst entwickelter Software auf dem Arduino UNO
Erwartungen an die Projektlösung
- Planung einer stabilen mechanische Konstruktion der 3D-Schwenkeinheit
- Messung des horizontalen und vertikalen Rotationswinkels auf 1° genau (z.B. Drehgeber)
- Beschaffung der Materialien
- Realisierung des Aufbaus und der Elektronik
- Schnittstelle der 3D-Schwenkeinheit zu Arduino, Matlab und Simulink
- Inbetriebnahme der Schwenkeinheit
- Softwareentwicklung nach HSHL Standard in SVN
- Darstellung der Funktion des LiDARs in einem YouTube Video
- Test und wissenschaftliche Dokumentation
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Hinweis: Projekt 81 beschäftigt sich mit der Datenauswertung des LiDAR. Sprechen Sie die Schnittstellen frühzeitig ab.
Einleitung
Dieser Wiki Artikel der Studenten Pia Dommen und Luca Riering behandelt das den Bau einer 3D-Schwenkeinheit für einen LiDAR-Lite v3 (siehe Bild) im Rahmen des GET-Fachpraktikums WS 18/19: Fachpraktikum Elektrotechnik (MTR) aus dem 5. Semester Mechatronik und stellt eine nachhaltige Dokumentation über Vorgehensweise der Bearbeitung des Projektes dar. Für den neuen LiDAR des Carolo Cup Wagens muss eine drehbare Halterung konstruiert und hergestellt werden. Dies beinhaltet die Konstruktion der Halterung, sowie den Zusammenbau der einzelnen 3D gedruckten Bauteile. Wie auch die Ansteuerung des Servo-Motors und des Schrittmotors über den Arduino. Diese Motoren sollen sich in angepasster Geschwindigkeit und Genauigkeit (1° genau) rotieren lassen und über einen Drehgeber überwacht werden. Der Umgang mit diesem Mikrocontroller wurde durch das Praktikum vermittelt. Durch dieses Projekt wurden die erlangten Fähigkeiten vertieft. Der grundlegende Aufbau und die Umsetzung dieses Projektes wird in den nachfolgenden Punkten genauer betrachtet und erklärt, des Weiteren befinden sich alle Inhalte und Dokumente zu diesem Projekt in dem dazugehörigen SVN-Verzeichnis.
Projekt
Anforderungsanalyse
Lasten-/Pflichtenheft
Lasten | Pflichten |
---|---|
1. Planung einer stabilen mechanische Konstruktion der 3D-Schwenkeinheit | Solid Works |
2. Messung des horizontalen und vertikalen Rotationswinkels auf 1° genau (z.B. Drehgeber) | 1024PPR Industrieencoder, Schrittmotor, Servomotor |
3. Beschaffung der Materialien | HSHL, Carolocup-AG |
4. Realisierung des Aufbaus und der Elektronik | 3D-Druck, Bohren, Kleben |
5. Schnittstelle der 3D-Schwenkeinheit zu Arduino, Matlab und Simulink | Arduino, Matlab/Simulink, eigene Bibliothek |
6. Inbetriebnahme der Schwenkeinheit | Ardruino, Matlab/Simulink, eigene Bibliothek |
7. Softwareentwicklung nach HSHL Standard in SVN | Tortiose SVN |
8. Darstellung der Funktion des LiDARs in einem YouTube Video | Windows Movie Maker |
9. Test und wissenschaftliche Dokumentation | Zettel, Stift und Word |
10. Live Vorführung während der Abschlusspräsentation | Plakate, Fyler etc. |
Um den ersten Einblick über die Erwartungen zu bekommen die dieses Projekt zu erfüllen hat, wurde ein Lasten- und Pflichtenheft verwendet. Auf der Seite der Pflichten sind hier die verwendeten Ressourcen niedergeschrieben worden. Mit diesem Lasten- und Pflichtenheft kann nun zur Projektplanung übergegangen werden.
Projektplan
Der erste Schritt um dieses Projekt zu strukturieren war, einen Projektplan zu erstellen. Hierfür wurde eine Gantt-Chart (Bild oben) erstellt. Durch ein Gantt-Chart kann gut die Abhängigkeit der Vorgänger und Nachfolger visualisiert werden. Der Umgang mit dieser Form der Projektplanung wurde im 3. Semester des Mechatronik-Studium im Modul Steuerungskompetenzen erlernt. Für die Erstellung dieses Planes wurde zunächst die grobe Einteilung des Wasserfall-Modelles genutzt. Hier wird in die Planung, die Definition, der Entwurf, die Implementierung, das Testen und den Einsatz/Wartung eingeteilt. Um das Projekt mit den einzelnen Bearbeitungsstufen weiter einzuteilen, wurden zunächst alle anfallenden Aufgaben niedergeschrieben und dann in die richtigen Phasen unterteilt. Die zeitliche Abfolge wurde dann durch Erfahrungswerte aus der Praxis geschätzt. Auch wurde hierbei auf den im Modulhandbuch vorgeschriebenen Workload geachtet.
(BILD!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)
Um das Projekt konkreter zu planen, wurde außerdem das V-Modell (siehe Bild) verwendet. Diese Art der Projektplanung wurde auch im 3. Semester im Modul der Steuerungskompetenz erlernt. Insbesondere eignet sich das V-Modell beim Strukturieren von mechatronischen Systemen, da dort die drei Teilberieche der Mechatronik zur Geltung kommen. Die Mechanik, die Elektronik und die Softwareentwicklung.
(Tabelle der Bauteile (BOM)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)
Nach der Strukturierung des Projekts wird nun ein Überblick über die benötigten Komponenten gegeben. Diese sind in der Tabelle aufgelistet.
Projektdurchführung
Die gesamte Durchführung dieses Projektes wird in die drei Teilbereiche der Mechatronik unterteilt. Der Elektronik, der Mechanik und der Informatik.
- Mechanisch
Die erste Überlegung bei der Erstellung des mechanischen Teils des Projektes war es welches Material für die Erstellung der Schwenkeinheit verwendet werden kann. Es wurde sich für den 3D-Druck entschieden, dieser hat den Vorteil das Bauteile kostengünstig und schnell erstellt werden können. Der 3D-Druck ist eine additive Fertigung. Ein festes Material, Filament wird durch den Extruder aufgewärmt und auf das Druckbett aufgetragen. Dies geschieht Schicht für Schicht, durch diese schichtweise Herstellung können dreidimensionale Gegenstände gedruckt werden. Nach Absprache mit der Firma Trilux dürfen die Bauteile auf dem 3D-Drucker der Firma gedruckt werden. Es musste sich im nächsten Schritt über das Filament informiert werden. Besonders der Riemen stellte sich als schwierig heraus, da dieser elastisch sein muss um der dynamischen Belastung des Schrittmotors standzuhalten.
Für alle Bauteile wird das ABS abs steht für Acrylnitril-Butadien-Styrol verwendet, dieses hat die folgenden Eigenschaften (aus dem Datenblatt entnommen):
-hohe Zugfestigkeit- 1681,5 MPa
-Hohe Oberflächenqualität
-hohe Druckgeschwindigkeit sind möglich
-geringe biegefestigkeit-70,5 MPa
-gute Haftung am Druckbett
-geringes spezifisches Gewicht - 1,10
-niedrige schmelztemp-225 - 245˚C
Für den Riemen wurde sich für das Material PLA, steht für Polymilchsäure entschieden, da dieses elastischer ist als das ABS.
Die folgenden Eigenschaften zeigt das PLA (Datenblatt):
-hohe Zugfestigkeit- 2346,5 MPa
-Hohe Oberflächenqualität
-hohe Druckgeschwindigkeit sind möglich
-höhere Biegefestigkeit- 103,0 MPa
-schlechte Haftung am Druckbett
-geringes spezifisches Gewicht - 1,24
Fertigung der Bauteile
Bild | Beschreibung |
---|---|
1. 3D-Drucker | Die konstruierten Bauteile für das Projekt sind auf einem 3d Drucker gedruckt worden. Diese Art der Bauteil-Erstellung ist besonders für Prototypen wie in diesem Projekt geeignet. Da die Herstellung kostengünstig und besonders schnell ist. |
2. 3D-Druck des Riemens | Das Bild zeigt den Druckvorgang bei dem Drucken des Riemens mit dem Material PLA. |
3. Zahnrad Halterung LiDAR-Sensor | Das Zahnrad, das zwischen dem Slip-Ring und der Haltung für den LiDAR-Sensor angebracht ist, hat eine Stabilisierung in den Zwischenräumen. Dort sind kleine Stege eingebracht, diese haben die Aufgabe den Riemen zu führen. |
4. Zahnrad Encoder, Zahnrad Schrittmotor | Bei dem zweiten und dritten Zahnrad handelt es sich um die Verbindung über den Riemen, der Bauteile Encoder und Schrittmotor. |
5. Halterung LiDAR-Sensor | Dieses Bauteil ist die Halterung des LiDAR-Sensors. Unter der Halterung ist der Slip-
Ring angebracht, damit die Kabel sich bewegen können. Oben in der Nut ist der Servo-Motor verbaut, der für die vertikale Schwenkrichtung erforderlich ist. |
6. Befestigung des Sensors an der Halterung | An dieser Befestigung wird der LiDAR-Sensor mit der Halterung verbunden. |
7. Befestigungsplatte | An dieser Befestigungsplatte werden alle Bauteile festgeschraubt. Die beiden Aussparungen sind zum einen für den Schrittmotor und zum anderen für den Slip-Ring. |
8. Riemen | Der Riemen sorgt für die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Encoder, dem Schrittmotor und der Halterung des Sensors. |
9. Halterung Encoder | An dieser Halterung wird der Encoder befestigt. |
10. Einzelnen 3D-Druckteile | Dies ist eine erste Übersicht über die Bauteile aus dem 3D-Drucker, diese werden im nächsten Schritt zusammengebaut. |
11. Zwischenschritt des Zusammenbaues | Dies sind die ersten zusammengebauten Ergebnisse, hier werden die drei Zahnräder Befestigung und die „Befestigung des Sensors an der Halterung“ an den LiDAR angebracht. Der Schrittmotor wurde mit der „Befestigungsplatte“ verbunden. |
12. Mechanische Baugruppe im fertigen Zustand | Das Bild zeigt den mechanischen Aufbau im Endzustand, einige elektronische Arbeiten wurden außerdem schon erledigt. Dazu gehören das Löten der Anschlüsse und eine erste Verkabelung. |
- Elektrisch
Fritzing Skizze
EMS22A - Non-Contacting Absolute Encoder (Datenblatt)
Arduino (Offizielle Website)
Schrittmotor(Produkt auf der offizielle Website des Herstellers)
Motortreiber (Dokumentation)
Schleifring(Datenblatt)
Servo-Motor(Datenblatt)
(LiDAR)
- Programmierung
Funktion zum Auslesen des Encoders in der Arduino IDE:
void Encoder() { digitalWrite(PIN_CS, HIGH); digitalWrite(PIN_CS, LOW); pos_Encoder = 0; for (int i=0; i<10; i++) { digitalWrite(PIN_CLOCK, LOW); digitalWrite(PIN_CLOCK, HIGH); byte b = digitalRead(PIN_DATA) == HIGH ? 1 : 0; pos_Encoder += b * pow(2, 10-(i+1)); } for (int i=0; i<6; i++) { //status bits des Encoders "überspringen" digitalWrite(PIN_CLOCK, LOW); digitalWrite(PIN_CLOCK, HIGH); } digitalWrite(PIN_CLOCK, LOW); digitalWrite(PIN_CLOCK, HIGH); Serial.println(pos_Encoder); }
Mit einer positiven Flanke auf den Eingang "CS" des Encoders wird die Kommunikation angetriggert.
Mit einer negativen Flanke auf den Eingang "Clock" des Encoders wird angefordert, dass der Encoder über den "Data" Ausgang einen Wert der 16 Bit Datenübertragung überträgt.
"In" den ersten 10 Bit steht die aktuelle Position des Encoders in Dezimal 2^10 = 1024. Das entspricht einer Auflösung von 360/1024 = 0,3515625. Diese 10 Bits werden von der ersten for-Schleife gelesen und zu einer Dezimalzahl zusammengerechnet. Die letzten 6 Bit die der Encoder überträgt, sind Zustands- oder auch Status-Bits. Für dieses Projekt ist das Auslesen dieser Bits nicht notwendig, daher werden diese mit der zweiten for-Schleife übersprungen.
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
YouTube Video
Weblinks
- LIDAR-Lite v3 - 3D-Scan
- Projekt 81: Inbetriebnahme und Objekttracking des LiDAR-Lite_v3
- Controlling a Stepper Motor without stepper.h
Literatur
1. Buch HSHL-Bibliothek: Die elektronische Welt mit Arduino entdecken, Autor: Bartmann,Erik
2. Buch HSHL-Bibliothek: Arduino - Physical Computing für Bastler, Designer und Geeks, Autor: Mauel Odendahl; Julian Finn; Alex Wegner
3. Buch HSHL-Bibliothek: Arduino : Praxiseinstieg. Behandelt Arduino 1.0, Autor: Thomas, Brühlmann
4. Buch HSHL-Bibliothek: Arduino-Workshops : eine praktische Einführung mit 65 Projekten, Autor: Bartmann,Erik
5. Buch HSHL-Bibliothek: Handbuch der Robotik-Einsatz intelligenter Roboter, Autor: Mathias Haun
6. Buch HSHL-Bibliothek: Die elektronische Welt mit Arduino entdecken, Autor: John Boxall
7 Buch: Buch zu 3D-Druck: 3D-Druck-Verfahrensauswahl und Wirtschaftlichkeit Entscheidungsunterstützung für unternehmen ISBN:978-3-658-15196-6
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