Projekt 82: 3D-Schwenkeinheit für einen LiDAR-Lite v3

Autoren: Pia Dommen (2160205); Luca Riering (2160261)
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 (2160205) und Luca Riering (2160261) 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 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 3D-Druck des Riemens	Das Bild zeigt den Druckvorgang bei dem Drucken des Riemens mit dem Material PLA.
3. Zahnrad Halterung LiDAR-Sensor 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 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 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 Befestigung des Sensors an der Halterung	An dieser Befestigung wird der LiDAR-Sensor mit der Halterung verbunden.
7. Befestigungsplatte 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 Riemen	Der Riemen sorgt für die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Encoder, dem Schrittmotor und der Halterung des Sensors.
9. Halterung Encoder Halterung Encoder	An dieser Halterung wird der Encoder befestigt.
10. Einzelteile des 3D-Drucks Einzelnen 3D-Druckteile	Dies ist eine erste Übersicht über die Bauteile aus dem 3D-Drucker, diese werden im nächsten Schritt zusammengebaut.
11. Zwischenschritt Zusammenbau 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 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 Schrittmotor Motortreiber Schleifring Servo-Motor (LiDAR)

Programmierung

// Erster Versuch den Werte aus dem absoluten Encoder auszulesen:
// 19.11.2018
// Pia Dommen und Luca Riering

const int CS = 5;
const int CLOCK = 9;
const int DATA = 6;

void setup() {
 Serial.begin(9600);
 pinMode(CS, OUTPUT);
 pinMode(CLOCK, OUTPUT);
 pinMode(DATA, INPUT);
 digitalWrite(CLOCK, HIGH);
 digitalWrite(CS, LOW);
}

void loop() {
 digitalWrite(CS, HIGH);
 digitalWrite(CS, LOW);
 int position = 0; // from 0 .. 1023
 for (int i=0; i<10; i++) {
   digitalWrite(CLOCK, LOW);
   digitalWrite(CLOCK, HIGH);
   
   byte b = digitalRead(DATA) == HIGH ? 1 : 0;
   position += b * pow(2, 10-(i+1));
 }
 for (int i=0; i<6; i++) {
   digitalWrite(CLOCK, LOW);
   digitalWrite(CLOCK, HIGH);
 }
 digitalWrite(CLOCK, LOW);
 digitalWrite(CLOCK, HIGH);
 Serial.println(position);
}