Der Hersteller und Vertriebspartner sind nicht haftbar für Schäden als Folge des Misbrauchs, Montagefehlern
oder Missachtung der Anweisungen dieses Handbuchs.
Dieses Manuskript kann jederzeit ohne Benachrichtigung geändert werden.
Technische Unterstützung:
WWW.AREXX.COM
Hersteller:
AREXX Engineering
Europäischer Importeur
AREXX Engineering
ZWOLLE The Netherlands
Das Wild Thumper Ansteuerungsmodul bildet die komplette Ansteuerungselektronik für den Wild Thumper “ALLRAD GELÄNDE CHASSIS JSR-6WD”. D
Die Steuerungsplatine basiert auf zwei ATMEL Mikroprozessoren, die miteinander kommunizieren. Einer dieser Prozessoren kümmert sich um die
Kommunikation und das Ablesen der Sensoren. Der zweite Prozessor ist zus-
tändig für die Ansteuerung der sechs Motoren mittels hochefzienten
H-Brücken.
Zur Ansteuerungselektronik gehören standardmäßig zwei APC-220 Funktransceivers für das 433MHz Frequenzband. Außerdem liefern wir zum
System einen Programmieradapter einschließlich der benötigten Loader-Software, sodass beide Prozessoren auf einfacher Weise programmiert werden
können. Die Ansteuerungsprogramme werden in C geschrieben, mit Hilfe des
WINAVR compiliert und anschließend in eine HEX-Datei verwandelt.
Wie bei allen AREXX-Robotersystemen stehen auch für den Wild Thumper
wieder viele Anschlüsse für Ein-/Ausgänge und ein I2C-Bus zur Verfügung,
damit sie am System selbst verschiedene Applikationen anschließen können.
Lieferumfang.
1 Stück. Hauptplatine
1 Stück. Frontplatine mit Berührungsschalter, Licht- und Infrarot-Strahlungssensoren
1 Stück. Programmieradapter mit USB- und Funkkommunikation
2 Stück. APC-220 Module
6 Stück. Rad-Encoder-Module mit HALL Sensoren
6 Stück. Encoder-Magnetringe zur Befestigung auf de Radachse
1 Stück. CD mit der Betriebsanleitung und Software
Montageteile, Anschlusskabel und Steckverbinder
Warnungen
* Das Rückgaberecht erlischt nach dem Öffnen der Plastikverpackungen der Bauelementen.
* Lesen die das Handbuch bitte vor der Aufbauphase vollständig bis zum Schluss.
* Wir bitten Sie vorsichtig mit den Werkzeugen zu arbeiten.
* Bauen Sie den Roboter bitte nicht in Anwesenheit von kleinen Kindern auf.
Diese können sich an den Werkzeugen verletzen oder kleine Bauteile verschlucken.
* Überprüfen Sie die korrekte Polarität beim Einlegen der Batterien.
* Sehen Sie zu, dass die Batterien und die Batteriehalter immer trocken sind. Falls das System
Feuchtigkeit aufnimmt sollten Sie die Batterien entfernen und alle Teile gut trocknen.
* Entfernen Sie bitte die Batterien falls Sie das Gerät mehr als 1 Woche nicht benutzen.
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1.2. Spezikationen:
Stromversorgung: 7,2 Volt sub C Batterie Pakete (nicht im Lieferumfang
enthalten)
2 St. ATMEGA 644 Prozessoren
6 St. Magnet-Drehzahlgeber für Odometrie
6 St. HAL Odometrie Sensoren
Motor-Stromwächter für alle 6 Motoren
Spannungsüberwachung
Lichtsensoren
IR-Sensoren
Tastsensoren
Zahlreiche Externe I/O und I2C-Anschlüsse
12 LEDS
Hauptplatine mit APC-220 drahtlosem Transceiver-Module
USB-Schnittstelle mit APC-220 drahtlosem Transceiver-Module
Beide Prozessoren sind frei programmierbar in der Hochsprache “C“
Die Programme können mit dem mitgelieferten USB-interface und der AREXX
Robotloader Software einfach in den Mikroprozessor geladen werden.
Abmessungen: (LxB) 360 x 120 (mm)
Hinweis: Max 2 St. 7,2V sub C Batteriepakete
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1.3. WILD THUMPER
- Selbst Programmieren in C mit WINAVR
- Beispiel- und Neuprogramme in den Wild Thumper übertragen.
- Den Wild Thumper mit einem PC und WTC Software drahtlos
kontrolieren
- Ihre eigene drahtlose Kamerabilder in WTC PC Software einfügen
- Den Wild Thumper mit Erweiterungsmodulen ausbauen, so dass er
hören, fühlen und sehen kann und somit auf seine
Umgebung reagiert
- Mittels I2C Schnittstelle kann der Wild Thumper mit seinem
Umfeld und vielen anderen Geräten kommunizieren.
- Künstliche Intelligenz: mit Hilfe von selbstlernender Software kann
der Wild Thumper seine Software ständig selbsttätig verbesseren.
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2. Benötigte Werkzeuge
Spitzzange
Selbstschneidende Schrauben
Seitenschneider
Schraubenziehersatz
Inbusschlüssel
Kontermutter
Selbstschneidende Schrauben verhalten sich wie
Holzschrauben, d.h. sie schneiden ein spiralförmiges Gewinde ins Material, das sich wie eine Mutter
verhält. Zum Ende weist dieser Schraubentyp ein
größeres Gewinde und eine schärferen Spitze auf
als eine normale Schraube.
2
3
1
Selbstschneidende Schrauben haben einen
Spalt an der Spitze, so dass man sie besser
ins Material eindrehen kann. Am einfachsten
dreht man die Schrauben wie folgt fest:
Falls die Schrauben zu oft gelöst und wieder festgeschraubt werden, kann das Loch im Laufe der zeit
immer größer werden und passt die Schraube irgendwann nicht mehr richtig.
1 Drehen Sie die Schraube fest
2 Lockern Sie die Schraube
3 Jetzt nochmals festschrauben.
Kontermutter
Das Festschrauben einer
Kontermutter
Kontermutter
Schraubenschlüssel:
Der Bausatz enthält einen Doppelmaulschlüssel, den Sie
(anstatt der Zange) für die M2 und M3 Mutter verwenden
sollten.
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Gewaltanwendung beim Schrauben
würde das Plastik zerstören !
3. TEILLISTE
Hauptplatine
O 1x
Magnet-Encoder-Ring
O 6x
Flachbandkabel
Programmieradapter
O 1xO 1x
Abstandshalter(Scheibe)
Encoderkabel
Wild Thumper chassis
Encoderplatine
O 6xO 6x
Frontplatine
O 1x 10 Pol
O 1x 14 Pol
Power-Anschluss
O 2x
O 6x
Motorstecker
O 6x
USB-Kabel
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O 1x
O 1x
APC-220
O 2x
RundkopfSchraube M3x6
Inbus
schraube
Mutter
M3
Abstandshalter
M3
O 24x
O 6x
Vorbereitung des Chassis für den Wild Thumper:
Folgende Teile werden benötigt
Entferne die Abdeckung des WT Chassis.
Befestige die 6 Motorstecker an die Motorkabel.
Die ROTE Ader wird immer zur
Frontseite des Steckers gepolt.
1x WT Chassis
6x Motorstecker
O 12xO 4x
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4. ZUSAMMENBAU des WT
Vorzugsweise sollte man alle Mechanikteile in folgender Reihenfolge einbauen
- Entferne die Abdeckung
- Befestige die Motorstecker (Rot + gehört zur Frontseite)
- Befestige die Abstandshalter der Leiterplatte
- Befestige die Abdeckung (Befestigen mit Abstandshalter)
- Montiere die Achsen an den Rädern
- Schraube den Inbusschraube vollständig in die radachse
- Befestige die Magnetringe
- Befestige den Abstandshalter und die Hall-Encoderplatine auf den Motoren
- Befestige die Leiterplatten (Front- und Hauptplatine)
- Verdrahte alle Kabel
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Montage der WT-CK1 Leiterplatte:
Ehe Sie die Montage der Leiterplatte des Wild Thumpers starten sollten Sie das
Chassis des Wild Thumpers teilweise entfernen um einen guten Zugang zu den
Motoren zu bewerkstelligen.
Die Montage der Räder:
Folgende Teile werden benötigt:
Befestige die Radachse zum Rad (6 x).
Befestige auch eine Inbusschraube in die
Radachse und drehe die Schraube ganz hinein.
Siehe die Detailzeichnung!
Montiere den Magnetring auf die Radachse und
befestige diesen mit einem Kleber oder Siegellack
an das Rad
Magnetring
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So sollte der Magnetring auf
die Radachse befestigt werden.
Anschließend wird der Magnetring
mit Kleber an die Achse oder an
das Rad befestigt.
Die Montage der Encoder:
6x Encoder-Platine
Folgende Teile werden benötigt:
Vor der Befestigung der Räder müssen wir die Encoder einbauen. Die Steckerstifte stecken am
Encoder ein wenig heraus und müssen zuerst maßgerecht gestutzt werden. Schneiden Sie mit
einem Seitenschneider die Konnektorstifte so kurz wie möglich ab. Die Stifte können nie ganz bis
zur Leiterplatte abgeschnitten werden. Deshalb benötigen wir einen Abstandshalter.
Auch der Abstandshalter muß maßgerecht vorbereitet werden. Die Löcher im Abstandshalter sind
bereits an der richtigen Stelle vorgebohrt worden. Sie müssen noch etwas nachgebohrt werden.
Benutzen Sie zum Nachbohren bitte einen kleinen 2mm Bohrer.
Siehe die Fotoserie für Details zu diesen Arbeiten
Schneiden Sie die Konnektorstifte so
kurz wie möglich ab
Benutzen Sie zum Nachbohren bitte
einen kleinen 2mm Bohrer
Vor dem Einbauen der Encoder und Abstandshalter müssen wir
überprüfen ob die Konnektorstifte nicht über den Abstandshalter
herausragen und das Motorgehäuse berühren können. Sollte das
der Falls sein müssen die Stifte weiter gekürzt werden. Nach dem
Einbau des Encoders muss der Magnetring noch auf der Achse
befestigt werden.
Befestigen Sie die Leiterplatte auf der oberen Platte. Schließen Sie alle Kabel zur
Leiterplatte an und befestigen Sie die Räder auf den Achsen. Bestücken Sie zum Schluss
die APC-220 in den Sockel wie es in der Abbildung skizziert wird.
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Wild Thumper Platine
Front Platine
Haupt Platine
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5. WILD THUMPER ELECTRONIK BESCHREIBUNG:
5.1. Stromversorgung
Der Wild Thumper soll drahtlos gelenkt werden und deshalb müssen wir das
System mit Akkus speisen. Die Batterien liefern eine 7,2 Volt Spannung.
Da die Elektronik nur maximal 5 Volt verträgt müssen wir die Spannung mit
einem Spannungsregler auf einen geringeren Wert herabsetzen.
Um den geringen Spannungsbereich optimal zu regeln verwenden wir einen
Regler L4940V5 von STMicroelectronics mit einem Spannungsabfall von nur
0,5 Volt.
Die Stromversorgung wird beim Anschließen gegen falscher Verpolung
geschützt mit einer Diode (D2). Diese Diode sperrt den Strom bei falscher
Polarität. Zur Entstörung wurden Entstörungskondensatoren (C7 und C8)
vorgesehen. Auch wurden am Ein- und Ausgang zwei Pufferkondensatoren
(C6 und C9) eingebaut.
5.2. Ladeschaltung
Die angeschlossenen Akkus können in eingebautem Zustand aufgeladen werden. Dazu wurde eine Stromquelle auf der Basis eines einstellbaren Reglers
LM317 eingebaut. Bei Auaden wird dieser Regler als Stromquelle geschaltet.
Sobald das Akku aufgeladen ist wird der Strom abgeschaltet und wechselt die
Schaltung mittels Transistor T1 von Stromquelle in eine Spannungsquelle.
5.3. Motorsteuerung
Die Motorsteuerung enthält sechs identischen Module die jeweils einen Motor
ansteuern. Jedes Modul enthält eine H-Brücke, eine Logikschaltung (zwei
NAND-Gatter) zur Einsparung der Mikroprozessorausgängen und eine Strommessungsschaltung. Die Schaltung erlaubt die Links- und Rechtsdrehrichtung sowie die Abbremsung. Die H-Brücke verwendet Pulsbreitenmodulation
(PBM) zur Geschwindigkeitssteuerung.
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5.4. Motorstrommessung
Jedes Modul zur Motorstrommessung enthält einen Leistungswiderstand.
Das Ohmsche Gesetz besagt dass der Strom durch den Leistungswiderstand
sich proportional zum Spannungsabfall verhalten wird. Zur Begrenzung des
Spannungsabfalls wählen wir einen geringen Widerstandswert, der in unserem Entwurf 0,1 Ohm beträgt. Bei diesem Wert ist der Spannungsabfall gering
(d.h. 0,1V bei einer Stromstärke von 1A) und dieser muss daher angehoben
werden. Diese Verstärkung wird geleistet von einem sogenannten Operations-
In dieser Schaltung wird die Verstärkung mit den Widerständen R1 und R2
festgelegt. Folgende Formeln werden benötigt um die Schaltung zu dimensionieren:
U_ein=I_motor×R_3
U_aus=A_((Verstärkung))×U_ein
A_((Verstärkung))=1+R_1/R_2
Dimensionierung:
R_3=0,1Ω
I_(motor_max )=5,5A
U_(aus_max )=4V bei einer Stromversorgungsspannung von 5V.
Auf der Basis der oben stehenden Formel wählen wir die Werte für R1 und R2.
Aus wirtschaftlichen Gründen wählen wir Widerstandswerte aus der E12,
beziehungsweise E24-Reihe. Mit folgenden Werten erreicht der Operationsverstärker die optimale Verstärkung:
In diesem Fall ist die Abweichung zum Sollwert sehr gering: (7,29 – 7,27 =
0,02), was wir akzeptieren dürfen.
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5.5. Encoder
Hoofd-
Controller
controller
Zur Geschwindigkeitsmessung jedes Einzelrades erhält Rad einen eigenen
Encoder. Dieser Encoder besteht aus einem Magnetring mit einem HallSensor. Der Magnetring enthält 6 Magnetpolpaare. Ein drehender Magnetring
erzeugt ein magnetisches Wechselfeld.
Sobald der angewandte Hall-Sensor einen Südpol detektiert wechselt der
Ausgang zu 5V und bei einem Nordpol zu 0V. Eine Pulsbreitenmessung der
eingehenden Impulsen liefert die Geschwindigkeit jedes Einzelrades.
5.6. Motorsynchronisation
Die Spezikationstoleranzen der Motoren können +/- 10% betragen. Aus
diesem Grund erhält jeder Motor ein eigenes Steuerungsmodul, dass eine
einheitliche Geschwindigkeit für alle Motoren sicherstellt. Das Steuerungsmodul funktioniert wie folgt:
Der gewünschte Geschwindigkeitswert wird (mittels I²C) aus der Zentralsteuerung vorgegeben und in der Motorsteuerung mit einem PID-Regler in
eine Sollvorgabe umgesetzt. Mit diesem Wert berechnet das System einen
PBM-(PulsBreitenModulation)-Wert, der den Motor ansteuert. Danach wird
die Motorgeschwindigkeit wieder gemessen, wobei ein neuer Steuerungswert
festgelegt wird.
5.7. Mikrokontroller
Wie in der Spezikation bereits erläutert verwendet der Roboter zwei Mikrokontroller. Es handelt sich um zwei Prozessoren des Herstellers Atmel, wobei
wir einfachheitshalber den gleichen Typ ATmega644 gewählt haben. Beide
Mikrokontroller verwenden I²C zur internen Kommunikation. Eine Übersicht
des Systems wird in Abb. 16 abgebildet.
PC
Abb. 16 : Darstellung Motordata Strom
Main
- 17 -
I2CFunk
Motor
5.7.1. Hauptkontroller
Der Hauptkontroller verwaltet alle Aufgaben im Bereich des Wild Thumpers
und trifft alle Entscheidungen, die anschließend gegebenenfalls zu Aktionen
führen. Zu den Aufgaben des Hauptkontrollers gehören:
• Verarbeitung der eingehenden PC-Daten
• Zusammensetzung der Berichten, die an den PC versandt werden,
wenn der Auftrag dazu vorliegt.
• Kommandos an die Motorkontroller zur Ansteuerung der Motoren.
• Der Betrieb der I²C Schnittstelle.
• Regelmäßige Aktualisierung der Messdaten der Motorkontroller.
• Aktualisierung der Sensordaten.
Der Hauptkontroller arbeitet mit zwei Schnittstellen, und zwar einem extra
UART Interface beziehungsweise einem JTAG Interface. Das UART Interface steht zur Verfügung zur Kommunikation mit einem dritten system. Die
JTAG Schnittstelle steht zur Verfügung zum Debuggen des Hauptkontrollers.
5.7.2. Motorkontroller
Der Motorcontroller erledigt Aufgaben, die aus dem Hauptkontroller stammen und mittels I²C-Schnittstelle bereitgestellt werden. Aus den Aufträgen
wird mit einer in Software aufgebauten PID-Regler für jeden Motor einen
Regelwert berechnet. Der Wert stellt sicher, dass jeder Motor mit der gleichen Drehzahl arbeitet.
Abgesehen von diesen Aufgaben aus dem Hauptkontroller misst der Motorkontroller regelmässig den Strom und die Geschwindigkeit. Die Stromwerte
und Drehzahlwerte können vom Hauptkontroller jederzeit abgelesen werden.
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5.7.3. Kommunikation zwischen Haupt- und Motorkontroller (I2C)
Die Kommunikation zwischen beiden Mikrokontroller verwendet das serielle
I2C-Bussystem. Es handelt sich dabei um einem Zweidraht-Systembus, der
einen Draht (SDA) für Daten und einen anderen Draht (SCL) für das Systemtaktsignal verwendet.
Beide Datenleitungen sind mit einem Pullup-Widerstand auf der Stromversorgungsspannung angeschlossen. Im passiven Zustand ist der Signalpegel
deshalb hoch. Sobald ein Mikrokontroller Daten versenden möchte wird zuerst
eine Startbedingung generiert. Danach folgen acht Bits für die Adresse, die
gefolgt wird von einer Information für das zuständige IC. Jede 8 Bitreihe wird
mit einem Bestäigungs (Acknowledge)-Bit abgeschlossen, womit das System
den korrekten Eingang der Daten überprüft. Nach dem Transfer aller Daten
generiert das System ein Stopsignal, womit der Transfer abgeschlossen wird.
Im Motorkontroller stehen zwei Register zum Ablesen zur Verfügung. Diese
Register enthalten Messdaten und den Status des Motorkontrollers. Außerdem
gibt es einige Kommandos zur Generierung von Steuerungskommandos für
den Wild Thumpers.
5.8. Schieberegister
Weil der gewählte Mikrokontroller nicht genügend Ein- und Ausgänge zur
Verfügung stellt wurden einige externe Ausgänge hinzugefügt. Dazu werden
Schieberegister verwendet. Ein Schieberegister besteht aus einer Reihe
zusammengeschalteten D-Flipops womit serielle Daten in Paralleldaten
umgesetzt werden. Das D-Datensignal wird bei jeder positiven Flanke des
Taktsignals auf den Ausgang übertragen. Indem man nun acht D-Flipops folgendermassen in Serie zusammenschaltet kann ein serielles Datensignal auf
parallel geschalteten Ausgänge bereitsgestellt werden.
D Q
D Q
D Q
D Q
D Q
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D Q
D Q
D Q
In diesem Projekt verwenden wir Schieberegister in der Form des ICs
HEF4094, das eine seriellen Schnittstelle mit drei Signalen bereitstellt:
• Daten
• Taktsignal
• Latch
Das zusätzliche „Latch“-Signal wird benutzt um Daten in die Ausgangsregister
zu übertragen. Solange dieses Signal 0V ist werden Daten intern gespeichert
aber noch nicht auf den Ausgang übernommen. Im folgenden Bild wird angedeutet wie die Daten übernommen werden, wobei Ausgang sechs aktiviert
wird.
Zur Ansteuerung eines Schieberegisters aus einem Mikrokontroller wird ein
sogenannter SPI-bus benutzt, der mit drei Datenleitungen arbeitet:
• MOSI (Master out, Slave in)
• MISO (Master in, Slave out)
• CLOCK (Taktsignal)
Man verwendet einen SPI-bus häug zur Kommunikation zweier Systemen.
Dabei sind zwei Datenleitungen im Einsatz und zwar für jedes Gerät eine
Leitung. Wie beim Schieberegister werden die Daten zur positiven Flanke des
Taksignals übertragen.
Weil die Schieberegister nichts zurücksenden ist eine Datenleitung zur Ansteuerung eines Schieberegisters ausreichend, das heißt die Signale MOSI
und CLOCK sind in der Lage das Schieberegister zu versorgen.
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5.9. Das RF-Modul (d.h. das Radio Frequenz Modul)
Das RF-Modul wird mit Hilfe einer seriellen Schnittstelle (UART) mit dem
Hauptkontroller verbunden. Zur Anpassung der Onboard-Einstellungen
wurde die SET-Signalleitung des Transceivers auch zum Mikrokontroller
geleitet.
5.10. Sensoren
Die Sensoren wurden auf zwei Leiterplatten aufgeteilt und zwar auf der vorderen Stoßstange des Wild Thumpers und auf der Leiterplatte mit dem Rest
der Elektronikbaugruppen. Der Wild Thumper verfügt über nachfolgenden
Sensoren.
5.10.1. LDR
Auf der vorderen Stoßstange des Wild Thumpers benden sich sowohl links
als rechts ein LDR. Ein LDR ist ein lichtempndlicher Widerstand. Sobald
ein LDR mehr Licht empfängt nimmt sein Widerstand zu. Wie beim Akkuspannungssensor verwenden wir auch in diesem Fall einen Spannungsteiler, nur wird jetzt eine 5V-Spannung anstatt einer Akkuspannung geteilt.
Wir verwenden im Teiler einen Festwiderstand und einen LDR, womit
wir wie im beigefügten Schaltbild die Lichtintensität messen können. Die
Ausgangsspannung des Teilers wird am ADC-Eingang des Mikrokontrollers
eingelesen.
5.10.2. Infrarot Kollisionsdetektor
Auf der Frontleiterplatte des Wild Thumpers benden sich Infrarot LEDs,
die Datenpakete versenden. Diese Datenpakete werden an Hindernisse
reektiert und in Infrarotsensoren auf der Hauptplatine empfangen. Falls ein
Hindernis entdeckt wird, treffen die Signale der reektierten Datenpakete
ein und kann der Roboter eine geeignete Aktion starten.
5.10.3. Die Stoßstange
Es wurde eine kleine Leiterplatte entworfen, die vorne am Wild thumper
befestigt wird. Auf dieser Platine wurden zwei Mikroschalter montiert, die auf
Hindernisse reagieren und im Roboter eine geeigneten Aktion auslösen.
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