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Dokumentation PREN 2

1. Nr Art Bezeichnung Daten Beschreibung ke 34 F Stoppen des Fahrzeugs Autonomes Stoppen S 35 F Starten des Fahrzeugs Einfache Bedienung f r Startsequenz am H S Fahrzeug oder am PC 36 M Einstellbarkeit ber eine Konfigurations Datei am PC S 37 M Einstellbarkeit ber ein Programm mit visueller Darstellung S des Parcours 38 M Steuerungs Software Grundsteuerung anhand der Konfigurations S Datei f r jede Umgebung anwendbar Individuell auf Kundenwunsch programmierbar 4 4 Erweiterbarkeit Die Basisversion ist als Trockenkehrmaschine oder als Scheuersaugmaschine erh ltlich Beide Versionen k nnen individuell und beinahe unbegrenzt erweitert werden Nr Art Bezeichnung Daten Beschreibung 39 W Kamera durch zus tzliche Kamera kann ein 360 H S Blickfeld erreicht werden 40 W Aktoren durch zus tzliche Aktoren erweiterbar H S 41 W Softwarefunktionen durch zus tzliche Updates erweiterbar S 42 W Steuerungs Software je nach Einsatzbereich speziell S programmierbar 43 W Zus tzliche Akkus l ngere Laufzeit mehr Leistung H 44 W Zus tzlich Auffangbeh lter muss weniger geleert werden langer H Einsatz 45 W_ Sensoren neben der Tiefenkamera k nnen H zus tzliche Sensoren wie Infrarot Laser oder Ultra Schall angebracht werden Gesamtdokumentation 22 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 5
2. ccccceeeeeeeeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 11 2 3 MMALKISCCMGR ICRU ssi siis Si tate tad este Seca tatte ee Scayie Sa cede bested aide bassist daeeily 11 2 4 M gliche Einsatzqebi les 2 aanatienadienavanaincalianaiasaae 13 2 5 Konk ffenzanalyse essnienniies ie 13 2 6 lt SWOT Analyse nn nasser 14 2 72 WEtlDEWErDSVORtelld 2 15 2 8 Skalen und Mengeneffekt uusuusssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 16 3 Produktantorderungen ee ee ee 17 3 1 Eins tzbereich U mgebung 2 52 2 ae tieee ea Sieec cal deere s 17 3 2 Beispielumgebungen und Programme ceeeeeeeeeeeeeeeeeeeenneeeeeeeeeeeeeees 18 4 Abweichungen Prototyp marktf higes Produkt 20 41 Produktion Verkauf sesuusnsansagnenni anne 20 4 2 Fahrzeugeigenschaften und Funktionen ussssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 21 4 3 Bedienung Einstellbarkeit uuu 44424444444H0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 22 4 4 Erwelterb rkell res denne engeren 22 Bz ISSIGMSIUIG DEAERORSDERENIRBEIEEPEHENESEEEESPERUSERERPERFSEEEERUENEESERE EEG 23 5 1 Anforderungen an das Desian sr nee 23 5 2 Designanalyse uuuunsssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 23 5 3 Bestehende Modelle von Scheuersaug und Kehrmaschinen 24 5 4 Entw rfe f r NT a ee ee ee ee eb 25 5 97 Entw rfe f r Markt 225er 26 5 6 Be
3. Gesamtdokumentation 27 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Abbildung 25 Concept Car nzz ch Neue Designstudien von Fahrzeugherstellern gehen wieder auf abgerundete Formen zu Es zeigt sich also dass solche Modelle in Zukunft haufiger werden Obwohl eckige Formen mehr Platz gewahren wird mit runden Modellen gearbeitet Folglich kann damit gerechnet werden dass sich diese runden Formen auch bei anderen Geraten durchsetzen Nachdem die Designanalyse f r den Markt abgeschlossen war stellte sich heraus dass im Bereich der Reinigungsmaschinen nicht viel Abwechslung besteht ndert man die Farben k nnen die Marken kaum noch zugeordnet werden Es gibt jedoch Formtechnisch einige Punkte die noch verbessert werden k nnen Die Kehr und Scheuerb rsten k nnen besser in das Geh use integriert werden Die meisten autonomen Saugroboter weisen eine runde Form auf Diese suggeriert zwar Wendigkeit jedoch wird so Platz verschenkt welcher f r den Auffangbeh lter und gen gend Leistung gebraucht werden kann Speziell im B2B Bereich wo die R ume gr sser sind f llt dies ins Gewicht Herk mmliche Modelle besitzen oftmals eine knappe Laufzeit Der Roboter f r den Markt wird speziell f r den B2B Markt optimiert Gesamtdokumentation 28 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 6 Beschreibung des Prototyps In diesem Kapitel soll eine bersicht ber den hergestellten Prototyp und die Bew ltigung des PREN Parcour
4. Manchmal m chte man wichtige Hinweise akustisch signalisieren sodass diese gleich wahrgenommen werden Der Piezo Summer kann beispielsweise niedrige Akkuspannung anzeigen In der urspr nglichen Schaltung war der Summer relativ leise da er ein Rechteck Signal von nur 0 3 3V erh lt Die Schaltung wurde im Nachhinein Abbildung 48 Ansteuerung des Piezo Summers noch mit einem weiteren Schmitt Trigger versehen welcher mit 5V versorgt wird So erh lt der Summer ein Signal von 5V 5V und t nt dementsprechend auch lauter 8 8 3 Tasteranschl sse Mit den optionalen Taster Schalteranschl ssen kann zum Beispiel mit einem Taster das Startsignal an das Ger t gegeben werden 8 9 EMV Massnahmen Als Massnahmen f r gute EMV wurden an jeder Buchse Klemme Kondensatoren im Wert von einigen pico Farad angel tet Diese Kondensatoren sollen HF St rungen welche in die Schaltung ein oder aus der Schaltung austreten gegen eine Filter Masse EARTH kurzschliessen Diese Filter Masse ist mit einem OQ Widerstand mit Masse verbunden damit sie DC m ssig auf definiertem Potential liegt Weiter wurde versucht wichtige Punkte der EMV beim Layout zu beachten e Es sollten keine h heren Str me nahe empfindlicher Elektronik Prozessoren Analogteil fliessen e Es soll eine separate Filter Masse vorhanden sein e Leiterbahnen sollten immer direkt auf St tzkondensatoren gef hrt sein und von d
5. Abbildung 38 Screenshot Emulator Mit diesen Vereinfachungen war es m glich das Blockdiagramm auf der n chsten Seite zu erstellen Gesamtdokumentation 46 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 robotermodell 4 File Edit View Simulation Format Tools Help Fi scope er voltag par g battery Floating Scope pwminL pwmSail PRML ve oe Pee 1 gt bss uml dWheelL lossGainL m E Discrete Time Scatter Plot FriSum a pwminR pwmSaiR Scope ABE e a bssSumR dWheelR wFrot bssGainR s aae 9 wFlim 1avebut FoiGain encoder encoderOut encRint encRGain encLint encLGain vGain travel Abbildung 39 Blockdiagramm des Roboters in Simulink Gesamtkonzept 47 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 8 Elektronik 8 1 Blockschaltbild der gesamten Elektronik 4 ARM9 Prozessor RS232 2 Bluetooth Modem Mainboard Kinect Kamera Abbildung 41 Blockschema der Elektronik Das Blockschema zeigt die Hauptplatine des Fahrzeugs Das Kernst ck ist ein Single Board Computer SBC mit einem ARM9 Prozessor einem FPGA und Schnittstellen wie Ethernet und USB Das FPGA eignet sich f r zyklische Aufgaben welche f r den Prozessor zu viel Rechenzeit in Anspruch nehmen w rden wie beispielsweise C Interface
6. 5K FPGA 2xUSB Ethernet Linux Betriebssystem Umgebungssensor Kinect von Microsoft Tiefenkamera einstellbare Halterung Stromversorgung LiPo Akkumulator mit 4 Zellen und 2200mAh Gesamtdokumentation 65 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 10 3 Inbetriebnahme 10 3 1 Demontieren der Abdeckhaube Die Abdeckhaube ist in einen vorderen und einen hinteren Teil getrennt Grundsatzlich muss nur die vordere Abdeckhaube entfernt werden Es ist nicht n tig irgendwelche Schrauben zu l sen die vordere Abdeckung wird durch Magnete am Chassis festgehalten Die Haube muss vorsichtig demontiert werden um sie nicht zu besch digen 1 Haube bei vorderem Servo nach oben ziehen bis der vordere Magnet sich l st 2 Haube schr g nach rechts oder links ziehen damit sich einer der beiden hinteren Magnete l st 10 3 2 Einsetzen des Akkus Nachdem die Abdeckhaube demontiert ist kann der Akku eingesetzt werden 1 Den Akku unterhalb der weissen Platte mit den Klettverschl ssen befestigen siehe Bild 2 Akkukabel anschliessen Der SBC beginnt mit dem Bootvorgang der ca 90s dauert und mit zwei kurzen Piept nen endet 10 3 3 Laden des Akkus Laden Sie den Akku nur mit einem daf r vorgesehenen Ladeger t 10 4 Starten des Programms 10 4 1 Allgemein Wenn keine neue Konfiguration erforderlich ist kann das Programm direkt mit dem Starttaster gestartet werden Die Kinect wird gestartet und
7. B cow nm E 10 4 5 Programmstart Nach dem Loginvorgang kann das Roboterprogramm gestartet werden Dieses befindet sich typischerweise in home eclipse auf dem SBC und tr gt den Namen robot Es kann mittels robot gestartet werden x phip phiptp phipsfiles documents study pren1 pren31 software ts 7500 File Edit View Search Terminal Tabs Help phip phiptp p X phip phiptp p 9 phip phiptp p X phip phiptp p ts7500 home eclipse robot Driving params maxVel 0 8 maxCurveVel 0 25 maxRate 0 8 Accumulator voltage 15 7493V Image fetching took 45ms Processing object curvePylon Projected object definitions position 261 235 4257 dimensions 31 x 47 area 742 SearchBox 115 180 37 3 curvePylon candidates found Candidate 1 gt t1 198 180 0 br 277 244 0 center 251 205 0 centerWorld 500 250 140 candidate dropped center not in SearchBox Candidate 2 gt tl 183 180 0 br 194 196 0 center 187 187 3801 centerWorld 439 3535 487 dimensions 11x16 area 154 rating pos 32 form 12 proportion 6 area 79 total 182016 Candidate 3 gt t1 225 259 0 br 316 287 0 Nach dem Start wird der zu umfahrende Pylon im Tiefenbild gesucht Wird er gefunden wartet das Programm auf die Best tigung zum losfahren ansonsten bricht es ab Gesamtdokumentation 72 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 10 5 Problembehandlung 10 5 1 Der Roboter reagie
8. Kameras etwas h her und zur ckversetzt eingebaut Ein Vorteil kann durch schwenkbare Scheuerb rsten geschaffen werden Damit kommt man besser in die Ecken Das kleinere Modell ist die Kehrmaschine Diese haben bisher nur wenig Platz f r zus tzlich Komponenten wie Motoren und Hardware Ein zus tzlicher Aufbau w re hier eine L sung Auch hier m ssten Kameras weiter hinten montiert werden Das Prinzip bleibt das gleiche Mit den Tellerb rsten wird der Schmutz in den Sammelbeh lter im hinteren Bereich bef rdert Abbildung 22 Kehrprinzip www wetrok ch Gesamtdokumentation 26 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 5 6 Beispiele vom Markt _ Die Kehrmaschine von Haaga A weist zweckorientiertes Design auf Durch die fast gleiche H he des gesamten Gef hrts wird viel Platz bewahrt der bei anderen Designs verschenkt wurde Auf Abb 19 ist zu sehen dass es im vorderen Bereich aber gar keinen zus tzlichen Platz braucht Abbildung 23 Kehrmaschine von Haaga industriebedarf staplerteam de Der Scheuersauger von Tennant hat eine runde Form Die Farbgebung erinnert an Wetrok ist jedoch matt und das Grau ist heller Durch die gr ssere Anzahl an Komponenten als bei Kehrmaschinen sind Scheuersauger in der Regel gr sser Viele Modelle sind ausserdem mit Batterien ausgestattet und brauchen keinen Stromanschluss w hrend des Betriebs Abbildung 24 Scheuersaugmaschine von Tennant directindustry de
9. Minicom 2 5 _VT102 Online 00 06 Um die Verbindung zum Roboter herzustellen muss zuerst eine RFCOMM Verbindung aufgebaut werden Dazu sollte ein Konsolenfenster ge ffnet und folgender Befehl ausgef hrt werden sudo rfcomm connect 00 19 0e 0a 63 b7 1 phip phiptp phipsfiles documents study pren2 pren31_software ts 7500 File Edit View Search Terminal Tabs Help phip phiptp p 3 phip phiptp p 9 phip phiptp p 9 phip phiptp p ts 7500 sudo rfcomm connect 0 00 19 0e 0a 63 b7 1 Connected dev rfcomm to 00 19 0E 0A 63 B7 on channel 1 Press CTRL C for hangup Anschliessend sollte minicom in einem neuen Konsolenfenster als Superuser gestartet werden sudo minicom Gesamtdokumentation 68 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 phip phiptp phipsfiles documents study pren1 pren31_software ts 7500 File Edit View Search Terminal Tabs Help phip phiptp p 9 phip phiptp p X phip phiptp p phip phiptp p Welcome to minicom 2 5 OPTIONS I18n Compiled on May 2 2011 10 05 24 Port dev rfcomm Press CTRL A Z for help on special keys Debian GNU Linux 5 0 ts7500 dev rfcomm ts7500 login phip phiptp phipsfiles documents study prenl pren31_software ts 7500 File Edit View Search Terminal Tabs Help phip phiptp p 9 phip phiptp p X phip phiptp p X phip phiptp p Debian GNU Linux 5 0 ts7500 dev rfcomm ts7500 logi
10. e https rt wiki kernel org index php Main_Page 7 https www rtai org Gesamtdokumentation 38 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 3 Programmablauf 7 3 1 Booten des Betriebssystems Das Betriebssystem bootet direkt beim Anschliessen des Akkus F r den Roboter sind drei Startskripts unter etc init d abgelegt etc init d zstartjingle etc init d robot autostart etc init d bt console Uber zstartjingle werden zwei kurze T ne ausgegeben um das Ende des Bootvorgangs ca 90s zu signalisieren Der Daemon robot autostart hat die Aufgabe das Fahrzeug Uber den Hardware Knopf zu starten Ist also der Hardware Knopf gedr ckt so wird das Programm home eclipse robot gestartet Mittels bt console wird der Bluetooth Dongle und die Serial Port Emulation ber RFCOMM initialisiert bt consoled bin sh hciconfig reset hciconfig up sdptool add SP nohup rfcomm watch 1 gt dev null amp nohup bt consoled loop gt dev null amp Ausserdem sorgt der Daemon bt consoled loop daf r dass Terminalverbindungen angenommen werden bt consoled loop bin sh while true do while c dev rfcomm do sleep 3 done getty t 3608 115200 dev rfcomme done 7 3 2 Konfiguration amp Programmstart Der Programmeinstiegspunkt befindet sich in der main Funktion des robot main cpp Das Hauptprogramm bedient sich hier der Klasse robot Robot Diese bietet Methoden zum Initialisieren und Abschal
11. r die Abschaltspannung wurde 12V gew hlt dies ergibt 3V pro Zelle bei einem 4 Zellen Lipo Akku Als Spannungsreferenz dient ein LM431 mit einer Referenzspannung von 2 5V Mit einem Potentiometer kann die Ausschaltspannung genau abgestimmt werden Es handelt sich dabei um das einzige Potentiometer in der gesamten Schaltung Die Hysterese von etwa 0 5V welche aus den zwei Widerst nden R6 und R9 realisiert ist soll Oszillationen des Komparators unterdr cken Die zwei LEDs signalisieren die Funktion der Schaltung Bei rot liegt die Akkuspannung nicht an der Schaltung T1 sperrt also Bei gr n ist die Akkuspannung h her als 12V T1 leitet L1 C7 und C8 dienen zur Filterung von hochfrequenten St rungen auf der Speisespannung Vin Die Schottky Diode D3 agiert als Freilaufdiode von L1 beim Abschalten des FETs Abbildung 42 Unterspannungs Abschaltung undervoltage lockout 8 3 2 Spannungs und Strommessung Der Prozessor soll die Akkuspannung auch messen k nnen damit der Benutzer nicht von einer pl tzlichen Abschaltung berrascht wird Bei niedrigem Akkustand soll ber den eingebauten Piezo Summer ein Warnsignal ausgegeben werden k nnen Dazu wird mit dem AD Wandler AD7995 ber einen Spannungsteiler die Akkuspannung ADC _V gemessen zus tzlich wird ber einen 10mQ Shunt Widerstand die gesamte Stromaufnahme ADC_I_TOT der Schaltung gemessen Gesamtdokumentation 50 81 17 06 2012 T
12. 10uH 2 6A Step Down Conv TPS54140 Treiber DRV8412 Trimmer SMD 10kOhm Versand MWSt1 Versand2 Widerstand 10mOhm Widerstand 50mOhm Mech Antriebsmotor Fahrwerk Greifer Plexiglas Servomotor Stahlwelle Stirnr der Zahnradsortiment Div Spr hlsonn Gelb glanz Head Super Comp TOTAL Gesamtdokumentation Lieferant Art Nr Farnell 1607237 Distrelec 631004 Distrelec 631005 Farnell 1515671 Farnell 1782803 Distrelec 354417 TI Samples Farnell 1759453 Farnell 1844204 Farnell 9227873 Farnell 9451200 Farnell 1167997 Farnell 1215210RL supermagnete S O6 2 5 DHN Distrelec 129004 TI Samples Farnell 1502716 Technology Systems Distrelec 514829 Farnell 9594566 Farnell 1651114 Farnell 1653655 Farnell 1162740 Farnell 1782809 TI Samples TI Samples Farnell 1141474 Distrelec supermagnete Farnell 1470053 Farnell 1099913 COOP Kriens Ochsner Sport 5 304417 76 81 St ck Preis Stk 1 PPNUPRPRPRNN BN PO RP PRP RP RP RP RP HR NNPRPRPRPRPWNPRP RP BRP KP PB Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr 9 05 38 00 10 00 20 30 26 40 0 10 0 61 1 08 97 00 0 07 0 21 0 19 0 03 0 04 0 25 0 23 1 15 0 35 0 50 0 70 0 75 227 65 3 24 0 73 0 61 1 70 1 20 0 60 1 76 3 50 1 90 12 45 0 60 1 30 1 65 12 9
13. 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 10 5 4 3 Behebung Startknopf erneut bet tigen Das Programm ber die Konsole starten Den Roboter neu booten Gesamtdokumentation 74 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 11 Diskussion 11 1 Zeitlicher Aufwand Team 31 Teilgebiet Was Zust ndig Gesch tzt Effektiv Mechanik Konstruktion 110 106 Detailzeichnungen am su 24 3 Fertigung am su 20 4 Montage am su pb 16 8 Test am su 24 15 Optimierungen am su 20 15 Unvorhergesehenes am su 10 Total Mechanik 224 151 Elektronik Schema rf 28 32 Bauteilerfassung rf 8 10 Layout rf 30 40 Review rf pb 4 4 LP Fertigung pb 2 1 Best ckung rf pb 4 4 Inbetriebnahme rf pb 10 6 Test rf 8 8 Optimierungen rf pb 10 4 Total Elektronik 104 109 Software Softwarekonzepte jv pb 25 18 FPGA pb 20 28 Emulator pb 40 42 Bilderkennung jv 23 43 Antriebssteuerung jv pb 10 8 Orientierung jv pb 5 12 Konfigurationssoftware jv 25 0 Tests Optimierungen jv pb 30 50 Unvorhergesehenes Allgemein alle 10 5 Total Informatik 188 206 Markt A Markt bestimmen mr rr 6 5 Wettbewerbsvorteile mr rr 8 10 SWOT Analyse mr rr 4 3 Produktanforderungen mr rr 32 32 Abweichungen Prototyp Produkt mr rr 16 18 Verbesserungen mr rr 80 62 Total Markt 146 130 Design Designstudie mr rr 16 18 Modellierung am su mr rr 48 44 Fertigung am su mr rr 24 20 Total Design 88 82 Sonstiges Dokumentation alle 300 315 Zeitaufwand Total 1050 993 Die Sch tzung des Zeitaufwands Ende PREN1 war noc
14. 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Der gr sste Konkurrent im autonomen Bereich ist iRobot iRobot ist der gr sste Hersteller von autonomen Staubsaugern f r den Haushalt Zus tzlich bieten sie weitere Reinigungsroboter f r private Haushalte an wie Poolreiniger oder Dachrinnenreiniger Ausserdem stellen sie Roboter f r Milit r Unterwassereins tze und Forschung her Das Technische Know how um auch selbst ndige Reinigungsmaschinen f r die Industrie herzustellen w re vorhanden Abbildung 3 Dachrinnen Reiniger 2 6 SWOT Analyse Die SWOT Analyse zeigt die Starken Schwachen Chancen und Risiken auf Die Starken und Schw chen resultieren aus der internen Analyse die Chancen und Risiken aus der Umweltanalyse extern In der Matrix wird jedem externen Faktor ein interner Faktor gegen bergestellt Nachfolgend ist die SWOT Matrix abgebildet SWOT St rken S Schw chen W Industrieputzroboter Interdisziplinares Projektteam Bedrohung von Arbeitspl tzen Modifizierbar Budget von CHF 600 Chancen O SO Strategien WO Strategien Investieren ausgleichen Erster solenermopaien MarktfUhrerschaft f r Roboter f r Arbeiten die keiner Effizienz ne Hohes Wachst Lagerreinigungs Roboter gern macht m er nn Neue Verbesserte Unterst tzung der bisherigen H a 5 tial in der Looistik Orientierungstechnologien Reinigungskr fte durch i eg Effizienteres Putzen Roboter Leichte Marktzug nglichke
15. 3D Raum wo sich das Objekt befinden kann Definition ber Breite H he Tiefe sowie Mittelpunktkoordinaten So k nnen die beiden Pylonen und der W rfel definiert werden Die folgenden Schritte werden f r jedes bergebene Objekt vollzogen 7 4 3 Festlegen der Region of Interest Damit Performance gespart werden kann wird der Bildausschnitt berechnet in dem sich das zu suchende Objekt m glicherweise befindet Dazu wird die in den Objektdefinitionen festgelegte searchBox herangezogen Die Eckpunkte dieses Kastens liegen jedoch noch in Weltkoordinaten vor Far Plane Weltkoordinaten a Fyer 0 Pos z 9 y x Near Plane Tiefenbild AN Kamerakoordinaten Bildkoordinaten Abbildung 35 Zusammenhand der Koordinatensysteme Gesamtdokumentation 42 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Die Klasse utils Projector bietet Methoden an um Punkte auf die Bildebene zu projizieren Der Punkt muss zuerst in Kamerakoordinaten umgewandelt werden was mit einer Translation zur Kameraposition Pos und einer Rotation um den Kamerawinkel m glich ist Die Matrix Multiplikation sieht also wie folgt aus cos p sin 9 0 Posz sin 9 cos p 0 Posy 0 0 0 Posz 0 0 0 1 Pkamera Pweit Um die Kamerakoordinaten in Pxamera Bildkoordinaten Pz a zu berf hren folgt nun eine perspektivische Projektion Anhand des Frustums sieht man dass zur Berechnung von horizontalen und vertikalen Distanzen im Bil
16. 49 Mitarbeiter wird es schwierig Das grosse Potential liegt bei den mittleren und Grossunternehmen Die meisten Grossunternehmen sind nicht in der Industrie oder im Handel t tig und brauchen somit auch keinen Abbildung 1 Bisherige Putzroboter Industrieputzroboter Schaut man aber Detailh ndler wie Kehrmaschine Wetrok Gesamtdokumentation 11 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Migros Coop usw an so zahlen diese nur als ein Unternehmen Jeder dieser Unternehmen hat aber hunderte Filialen in der Schweiz Somit k nnten auch gr ssere Mengen an denselben Anbieter verkauft werden Um diese Abnehmer anzusprechen ist die Basisversion zu einem g nstigen Preis erh ltlich Mittlere Unternehmen welche in der Industrie t tig sind setzen vermehrt auf Qualit t und individuelle L sungen Deshalb werden Upgrades auf die Basisversionen angeboten Diese k nnten aus einem zus tzlichen Hebelarm 360 schwenkbarer Kamera extra langer Laufzeit Garantieleistungen usw bestehen Der Roboter kann beispielsweise nach Feierabend die Werkst tten wischen In der Forschung k nnte er als Transporter in sterilen R umen oder Reinr umen eingesetzt werden Gr ssenklassen Unternehmen Besch ftigte nach Vollzeit quivalenten Anzahl Anzahl KMU bis 249 311 707 99 6 2 327 802 66 6 Mikrounternehmen bis 9 272 346 87 1 869 206 24 9 Kleine Unternehmen 10 49 33 183 10 6 760 780 21 8 Mittlere Unternehmen 50 249 6178 2 0 697 8
17. Designstudie Das Design hat eine unterst tzende Funktion und soll einen Mehrwert f r das Produkt schaffen Hierbei spielt die sthetik eine wichtige Rolle Wobei zwischen Objekt und Subjekt sthetik zu unterscheiden ist Weitere Gestaltungsprinzipien sind aufgabengerechte Dimensionierung Einfachheit Eindeutigkeit F hrungshilfen und Konsistenz der Gestaltung Ausserdem sollte das Produkt m glichst selbsterkl rend sein Auf Grund der verwendeten Kinect und der Konsistenz wurde die Formgebung von der X Box inspiriert Deshalb wird das Ganze technomorph gestaltet Ausserdem sind bisher erh ltliche Kehrmaschinen und Scheuersauger eher technomorph gestaltet Abbildung 13 x box 360 mit Kinect 5 1 Anforderungen an das Design Das Gef hrt soll leicht und trotzdem stabil sein Aus diesem Grund wurde ein Geh use aus schwarz eingef rbter Glasfaser gew hlt Ausserdem soll ein leichter Zugang an die gesamte Elektronik gew hrleistet sein Durch eine abnehmbare Haube und weiteren Zug ngen am Unterboden ist eine einfache Wartung m glich 5 2 Designanalyse Das Design von Robotern ist abh ngig von deren Einsatzgebiet Funktionen und Komponenten Auf nebenstehender Abbildung sind die zwei meistverkauften Reinigungsroboter abgebildet Links der Neato welcher ber einen Laser verf gt und so R ume einscannen kann Der Roomba rechts verf gt ber Drucksensoren und reinigt nach dem Zufallsprinzip Beide Abbildung 14 Neato und
18. Roomba von iRobot Roboter zeigen eine gute bersicht ber das www blogcdn com 1 http articles businessinsider com 2010 12 10 tech 30000897_1_kinect xbox controllers Gesamtdokumentation 23 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 bliche Design Die meisten Roboter sind rund und hnlich wie der Roomba aufgebaut Roomba verf gt wie die meisten anderen ber ein futuristisches Design Neatos Design ist eher zweckm ssig und erzeugt nur wenig Emotionen Jedoch ist das Design bei beiden konsistent Die bedienbaren Kn pfe lassen sich jeweils schnell erkennen 5 3 Bestehende Modelle von Scheuersaug und Kehrmaschinen In diesem Unterkapitel werden die Designs von einigen wichtigen Herstellern im Bereich der Geb udereinigung gezeigt Wetrok setzt beim Design immer dieselben Farben ein Das sorgt f r Konsistenz in der Produktreihe und ihre Maschinen und Ger te sind dadurch auch schon von weitem erkennbar und als Produkte von Wetrok auszumachen Abbildung 15 Wetrok Kehrmaschine wetrok ch Der Scheuersauger von K rcher ist im Gegensatz zu Wetrok gelb Auch hier sorgt die Farbe daf r dass die Maschine von weitem als K rcher Produkt ausgemacht werden kann Die zweite Farbe ist allerdings wie bei Wetrok anthrazit Der Rest des Designs unterscheidet sich nicht gross W rde man die Farbe des einen Ger ts an das andere anpassen k nnte man erst bei n herem Betrachten oder sogar erst beim Lesen der Aufs
19. bei den St ckkosten betr gt gem ss der Boston Consulting Group mit der Verdopplung der kumulierten Produktionsmenge konstant 20 Kosten St ck 30 Dies ist auch in nebenstehender Abbildung ersichtlich Die Formel f r die Erfahrungskurve lautet Kn Kin K St ckkosten der n ten Kostenentwicklung Produktionseinheit bei 20 R ckgang K St ckkosten der 1 bei 30 R ckgang Protduktionseinheit n kumulierte Produktionsmenge 5 kumulierte b Degressionsfaktor 0 2 4 6 8 105 7272182516 18 Menge Erfahrung Abbildung 4 Erfahrungskurve M ller Stevens Lechner 2011 S 259 260 Die Erfahurngseffekte k nnen gem ss Prof Dr Hermann Jahnke der Universit t Bielefeld dynamischer oder statischer Natur sein Die dynamischen Faktoren sind va auf Lerneffekte technische Fortschritte und Rationalisierung zur ckzuf hren Die statischen Faktoren betreffen die Fixkostendegression und den Betriebsgr sseneffekt Somit ist ersichtlich dass auch noch die Kosten stark senken werden was den Roboter f r den Markt viel erschwinglicher machen w rde Da die Bestimmung des Degressionsfaktors kompliziert und mit diversen Unsicherheiten verbunden ist wird auf eine komplette Berechnung verzichtet Die Grafik zeigt jedoch dass die Kosten besonders am Anfang stark sinken werden was so eine schnelle Etablierung im Markt als first mover erm glicht Entscheidet sich ein Abnehmer daf r mehrere Filialen mit solchen Robotern auszustatten
20. dem SBC in einem normalen Linuxprozess Dies f hrt dazu dass der Scheduler jederzeit auf einen anderen Prozess umschalten kann was zu wesentlich l ngeren Durchlaufzeiten der Hauptschleife f hrt Ein Thread im Stackoverflow Forum behandelt ein hnliches Problem und zeigt die Verwendung der Echtzeit Prozessattribute in Linux So kann die Steuerung mit einer viel h heren Priorit t arbeiten als der Rest des Systems was die Zykluszeit deterministischer macht Es gibt nach wie vor Ausreisser mit einer Verz gerung von ca 100ms doch damit kann der Regler in den meisten F llen gerade noch arbeiten Weiterhin wurde versucht den Linuxkernel mit dem realtime patch RT Patch durch Aktivierung von kernel preemption echtzeitf hig zu machen Leider stellte sich heraus dass sich auch die Kernelsourcen des Herstellers des SBCs nicht ohne Weiteres kompilieren lassen So war nach dem Boot beispielsweise keine USB Unterst tzung mehr vorhanden Der Support von Technologic Systems h tte mit grosser Wahrscheinlichkeit helfen k nnen doch auf weitere Untersuchungen in diese Richtung wurde verzichtet Eine sauberere Alternative w re die Verwendung eines Echtzeit Betriebssystems bzw einer Echtzeit Erweiterung f r Linux wie beispielsweise RTAI doch dies w rde eine gr ssere nderung an der Softwarearchitektur erfordern und wurde daher vorerst auch nicht weiter verfolgt gt http stackoverflow com questions 9374653 real time scheduling in linux
21. erfolgt Dies weil sich die Anschaffung erst ab einer bestimmten Gr sse lohnt Der Absatz beschr nkt sich aber nicht nur auf die produzierende Industrie auch geh ren allgemein Betriebe mit R umlichkeiten dazu die entsprechender Reinigung bed rfen Die genauere Segmentierung erfolgt nach der Dominanzmatrix Anschliessend wurden die St rken Schw chen Chancen und Risiken in der SWOT Analyse analysiert Die Beschreibung der Wettbewerbsvorteile bildet den Schluss Gesamtdokumentation 9 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 2 1 Dominanzmatrix Legende Eingabefeld gt 0 besser 0 gleich gut lt 0 schlechter Betrag L sungsabstand a Haushaltsputzroboter b Industrieputzroboter c Strassenputzer d Touristenf hrer e Obst oder Datum 10 11 11 3 4 7 Rangfolge 1 Industrieputzroboter Aufkl rungs und 2 Bergungsroboter Obst oder 3 Golfballsammler 4 Haushaltsputzroboter 5 berwachungsroboter 6 Strassenputzer 7 Touristenf hrer Golfballsammler Summe 2 7 1 f Aufkl rungs und Rangfolge 5 6 4 Bergungsroboter g berwachungsroboter Gesamtdokumentation 10 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 2 2 Auswertung der Dominanzmatrix In einer Dominanzmatrix werden die verschiedenen Varianten miteinander verglichen um herauszufinden welches die optimale L sung w re Hier haben wir die Einsatzgebiete
22. in 3D eingescannt werden k nnen Die Technologie stammt aus dem Gameinterfacedesign Diese neuartige Technologie l sst sich auch bestens f r die Raumerkennung bei Putzrobotern nutzen Nachfolgend drei typische Umgebungen f r welche sich die Reinigungsprogramme unterschiedlich gut eignen 3 2 1 Lagerhallen Abbildung 6 Grundriss Lagerhalle Abbildung 7 Lagerhalle 123rf com Im Bereich der Lagerhallen eignet sich vor allem das Auto Programm mit der Raumspeicherung Dies haupts chlich da die Bereiche sehr bersichtlich wenig verwinkelt und die Wege lang sind Auch w re eine Konfiguration per Konfigurationssoftware denkbar da die Regale fest mit dem Boden verschraubt sind Die schwarzen Flecken stellen S ulen dar die sich ebenfalls nicht ndern werden Gesamtdokumentation 18 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 3 2 2 Produktionshalle Abbildung 8 Grundriss Produktionshalle Abbildung 9 Produktionshalle theaustin com In Produktionshallen ist ebenfalls die automatische Kartierung n tzlich wobei die Einstellungen nat rlich auch mit der Konfigurationssoftware vorgenommen werden k nnten Das weisse Rechteck zeigt typische Abstellfl chen Bei diesen kontrolliert der Reinigungsroboter automatisch ob sich Dinge auf der Fl che befinden um diese gegebenenfalls zu umfahren Bei der Produktionshalle auf Abbildung 9 Produktionshalle theaustin
23. montiert und demontiert werden k nnen Gesamtdokumentation 64 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 10 Bedienungsanleitung 10 1 Wichtige Sicherheitsanweisungen Um eine zuverlassige Funktion des autonomen Schnelltransporters im nachfolgenden Fahrzeug genannt zu gewahrleisten beachten Sie bitte folgendes Lesen Sie die Anleitung sorgf ltig durch und beachten Sie diese bei der Handhabung des Fahrzeugs Verwenden Sie das Fahrzeug nicht draussen Staub Schmutz und Wetter k nnen dem Fahrzeug schaden Falls das Fahrzeug von einem kalten in einen warmen Bereich umgestellt wurde warten Sie 2 bis 3 Stunden bevor Sie das Fahrzeug benutzen So kann das Kondenswasser das sich evtl im Fahrzeug gebildet hat verdunsten Benutzen Sie das Fahrzeug nicht wenn es besch digt ist Reinigen Sie das Fahrzeug mit einem weichen Tuch Verwenden Sie keine aggressiven L sungs oder Reinigungsmittel 10 2 Leistungsmerkmale Chassis Aluminium Antriebseinheit hinten 12V DC Motoren N2738 051 G5 11 4W links rechts spiegelbildlich Stirnr der 65mm Durchmesser 1 25 bersetzung Abst tzung vorne Kugelrollenhalter Drehzahlmessung Magnetische Encoder mit 10Bit 0 2mm Wegstrecke links rechts spiegelbildlich Aufl sung Greifmechanismus Greifzange mit Hebemechanismus je ein Modellbau Servo drehbar gelagerte Greiffl che Material ABS Steuerungseinheit TS 7500 von embeddedARM CPU 250MHz ARM9 Weiteres
24. 00 4000 Abbildung 33 Detaillierter Parcours Ablauf Gesamtdokumentation 40 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 7 3 3 Winkelkorrektur Zu Beginn und nach der Kurve wird ein Tiefenbild aufgenommen Mittels Bildverarbeitung werden darin Pylon und W rfel gesucht Dank der erwarteten und der realen Position des Kurvenpylons kann festgestellt werden in welchem Winkel das Fahrzeug zum Parcours steht Dazu wird die Winkeldifferenz zwischen den zwei Vektoren herangezogen Nachfolgend die Berechnung am Start gt gt VezuPReal X VrzuPErwartet gt gt rzupReall VezuPerwartet a 0 1 Ostartwinkel korrigiert Ostartwinkel sin gt gt gt wobei VFzuPReal 7 Bpyion erkannt 7 Brahrzeug gt gt gt VrzuPErwartet 7 p Pylon erwartet Brahrzeug _ Gags S p Pylon erwartet Kg 370mm 0 Ostartwinket 90 Prahrzeug 7 500mm Die W rfelposition wird ebenfalls zuverl ssig erkannt bei diesem Schritt aber noch nicht miteinbezogen Sobald der Winkel korrigiert wurde ert nt ein Signal und der Start kann mittels Taster ausgel st werden 7 3 4 Fahrroutine Der Kern des Programms ist die Routine zum Fahren und Einhalten eines beliebigen Parcours Pfades Diese ist wie folgt implementiert Zeit seit dem letzten Durchgang messen Zur ckgelegte Distanzen am rechten und linken Rad anhand der Encoder feststellen Zeit und Distanzen dem Modul robot Navigation bergeben robot Navigati
25. 12 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 6 2 Parcours Ablauf Der PREN Parcours wird wie folgt abgearbeitet Abbildung 27 6 5 Scannen mit Kinect 3 Regelung Uber 4 180 Kurve 1 Bootvorgang die gesamte Strecke Programmstart Abbildung 27 Ablauf des Parcours 1 Betriebssystem und Programm starten Das Linux System bootet und startet die Bluetooth Verbindung Das Programm kann entweder Uber Taster oder Terminal serielle Schnittstelle Uber Bluetooth gestartet werden Startbild aufnehmen und auswerten Ein Kinect Tiefenbild wird aufgenommen und nach Pylon und W rfel untersucht Daraus kann der Startwinkel korrigiert werden Mit dr cken des Tasters startet das Fahrzeug Geradeaus fahren bis zum Kurvenpylon Das Fahrzeug f hrt 4m geradeaus bis H he Pylon Kurz davor wird f r die Kurve verlangsamt 180 Kurve fahren Der Pylon wird im Radius eines halben Meters umfahren W rfel und Endpylon im Tiefenbild suchen Das Fahrzeug h lt kurz nach dem Pylon an und nimmt ein Tiefenbild auf um Endpylon und W rfel zu suchen Die Suche beschr nkt sich auf eine definierte Box im 3D Raum Sind mehrere Kandidaten vorhanden werden diese nach Gr sse Form und Position bewertet S Kurve bis zum W rfel fahren und diesen aufheben Die S Kurve wird so berechnet dass das Fahrzeug kurz vor dem Ergreifen 100mm nur noch geradeaus fahren muss Erkennt die Lichtschranke am Greifer den W rfel so wird er gepackt und gehoben
26. 16 20 0 Grosse Unternehmen 250 und mehr 1 154 0 4 1 166 269 33 4 Total 312 861 100 0 3 494 071 100 0 Tabelle 1 Marktwirtschaftliche Unternehmen und Besch ftigte nach Gr ssenklassen 2008 Gesamtdokumentation 12 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 2 4 M gliche Einsatzgebiete Kehr Scheuer maschine sauger Metallindustrie Holzindustrie Chemische Industrie Zement Glas Kunststoff Papier Konsumg terindustrie M bel Textil Spielwaren A Recycling und Abfallindustrie 4 Vv Vv 4 Hallenreinigung Lagerhallen Handel und Logistik 5 Messehallen f Turnhallen Detailhandel Verbrauchsg ter zy 44 Gebrauchsg ter 4 4 Die Lebensmittelindustrie wird vorerst nicht beachtet da es dort zu viele und strenge Regelungen im Bereich der Hygiene gibt Auch der Gesundheitsbereich wie Krankenh user Pharmaindustrie usw wird aufgrund der strengen Richtlinien als Absatzsegment nicht angestrebt 2 5 Konkurrenzanalyse Gr sste Konkurrenten im B2B Bereich f r Reinigungsmaschinen sind Wetrok K rcher und Hako Wobei Hako auf gr ssere Maschinen spezialisiert ist Weiter gibt es noch diverse kleinere und weniger bekannte Anbieter wie cleanfix Nilfisk Nilco Oertzen Steiners usw Keiner der erw hnten Anbieter hat eine autonome Reinigungsmaschine im Angebot Abbildung 2 Hako Scheuersaugmaschine Gesamtdokumentation 13 81 17 06
27. 2244444444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 40 Abbildung 35 Zusammenhand der Koordinatensysteme 444444444snnnnnnnnnn nennen 42 Abbildung 36 Connected Component Labeling 44444ussnnnnsnennnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnn 44 Abbildung 37 Kinect Tiefenbild mit Debug Infos u ssnnssssennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 45 Abbildung 38 Screenshot Emulator nn eek ka 46 Abbildung 39 Blockdiagramm des Roboters in Simulink 4444444sHnennn nn 47 Abbildung 40 Blockdiagramm Systemaufbau uuuuu2244444444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 47 Abbildung 41 Blockschema der Elektronik 4444444444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 48 Abbildung 42 Unterspannungs Abschaltung undervoltage lockout 2 24444444e en gt 50 Abbildung 43 5V Speisung f r den SBC uuusms444244nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 51 Abbildung 44 12V Speisung f r die Logik des DRV8412 uuueeeesssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 52 Abbildung 45 Beschalteter Motorentreiben DRV8412 uuussssssssennnnnnnnennnnnnnnennnnnn nenn 53 Abbildung 46 Encoderbaustein AS5040 222440uunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 54 Abbildung 47 Strommessung eines Servos uussusssnsssennnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnn nenn 55 Abbildung 48 Ansteuerung des Piezo Summers 424444444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn
28. 4444sssnnnnssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 26 Abbildung 22 Kehrprinzip www wetrok ch suuu444444nnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnannnnnnnnennnnnnnnnnnn 26 Abbildung 23 Kehrmaschine von Haaga industriebedarf staplerteam de 27 Abbildung 24 Scheuersaugmaschine von Tennant directindustry de 4 27 Abbildung 25 Concept Gar nzz Chan Ace e hnanstw gees tan Saee 28 Abbildung 26 bersicht Funktionsmuster cccccccccesescsescscescsescseeecsescsesecasseseeeeatseneaeasseens 29 Abbildung 27 Ablauf des Parcours 2444444440nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 31 Abbildung 28 Grobe Sicht auf die Softwarearchitektur 44444444RRRRRRRn nn nn nennen 32 Abbildung 29 Klassendiagramm der SteuerUngSSOPtWALE ccccccceccceceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 33 Abbildung 30 Blockschema des Regelkreises 44444444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 35 Gesamtdokumentation 5 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 Abbildung 31 Virtuelle Linie im Emulator ccc ceeeeeeeee eee eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeceaaeeeeeeeeeeeeeneaaees 36 Abbildung 32 Richtungsbestimmung 44444usssnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 36 Abbildung 33 Detaillierter Parcours Ablauf uuuu2224444444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 40 Abbildung 34 Blockdiagramm Systemaufbau uu 2
29. 5 21 60 7 00 2 95 8 95 4 50 9 90 Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Fr Team 31 Kosten 9 05 38 00 10 00 20 30 26 40 0 10 0 61 1 08 97 00 0 56 0 21 1 34 0 12 0 25 0 50 0 23 1 15 1 75 1 00 0 70 0 75 227 65 3 24 0 73 2 44 1 70 1 20 1 20 5 28 3 50 1 90 12 45 0 60 1 30 3 30 25 90 21 60 14 00 2 95 8 95 4 50 9 90 565 41 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 11 3 Lessons Learned Viele der Lessons learned Punkte aus PREN1 best tigten sich auch in PREN2 Ohne ein funktionierendes Team ist jedes Projekt zum Scheitern verurteilt oder hat zumindest mit erheblich mehr Problemen zu kampfen In diesem 2 Semester bestatigte sich dass ein gutes Team aus einem Teamleiter bestehen muss welcher die Faden in den Handen halt und den Uberblick nicht verliert Somit wird das Projekt auf der korrekten Bahn gehalten und die Gefahr in eine Sackgasse einzubiegen wird reduziert Allerdings besteht das Team auch nicht nur aus einer Person Jede weitere muss ihren Beitrag dazugeben und daf r sorgen dass aus dem Gegebenen das Beste herausgeholt wird Jede Person hat ihr Spezialgebiet auf dem sie ihre St rken ausspielen kann Trotzdem ist es von Vorteil wenn auch grenz bergreifend Wissen ausgetauscht wird da
30. A BA_PREN2 F1201 Team 31 8 4 Spannungsregler 8 4 1 Getaktete Speisung Getaktete Speisung wurde berall dort eingesetzt wo etwas h here Str me 0 5A bis 1 5A ben tigt werden Die drei Hauptverbraucher sind die Kinect Kamera 12V Speisung der SBC 5V und die Servos 6V Bei allen drei Speisespannungen regelt jeweils ein TPS54140 ein Step Down Converter der bis 42V und 1 5A arbeitet Die Bauteile rings um die Regler sind identisch bis auf einige f r die jeweilige Speisspannung individuellen Werte Die Speisung f r die Kinect erhielt zudem einen zus tzlichen Transistor T2 um den Spannungsregler bei Nichtbenutzung der Kinect abschalten zu k nnen Der EN Eingang enable braucht eine gewisse Spannung damit der Regler berhaupt arbeiten kann Diese Unterspannungs Abschaltung undervoltage lockout kann mit dem Spannungsteiler eingestellt werden Am SS TR Pin bestimmt der Kondensator die Ausgangsanstiegszeit output rise time Der Widerstand am RT CLK Pin gibt die Taktfrequenz der Speisung vor Die Bauteile am COMP Pin dienen als Kompensations Netzwerk Die Werte m ssen so gew hlt sein dass der Regler nicht schwingt Am Schaltausgang PH Ausgangsseite dienen eine Speicherdrossel ein 10uF Kondensator und eine Schottky Diode zur Vervollst ndigung des Tiefsetzstellers Buck Converter Die Ausgangsspannung wird mit dem Spannungsteiler am VSENSE Pin eingestellt Alle drei getakteten Regler signalisieren mit einer LED dass sie
31. Ansonsten wird er zuerst noch max 300mm geschoben Ins Ziel fahren Je nach Position kann direkt geradeaus beschleunigt und ins Ziel gefahren werden Ist das Fahrzeug zu nah am Rand oder der Mittellinie wird auf die Mitte des Ziels zugesteuert Gesamtdokumentation 31 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 Software 7 1 Komponenten 7 1 1 bersicht robot Plattformunabh ngig Robotersteuerung utils Plattform unabh ngige Hilfsfunktionen Emulator PC Roboter ARM emulator driver Funktionen f r Hardwarezugriff Emulation des Roboters blocksim stlloader kinect Physiksimulation Parser f r STL Dateien Kinect Zugriff Abbildung 28 Grobe Sicht auf die Softwarearchitektur Die Software kann in drei Hauptteile unterteilt werden Einen hardwareunabhangigen Teil oben bestehend aus dem Hauptprogramm robot sowie der Bibliothek mit Hilfsfunktionen utils Einen Teil zur Ausf hrung auf einem normalen x86 Rechner in emulierter Form Einen Teil zur Ansteuerung der Roboterhardware zur Ausf hrung auf dem Singleboardcomputer mit der Zielarchitektur ARM S mtlicher Code ist in C C verfasst und f r die Kompilierung unter Linux mit der GCC GNU compiler collection vorgesehen F r die Erstellung des Programms f r den Gesamtdokumentation 32 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Singleboardcomputer kann die Cross Toolchain von Technologic Systems verwendet werden Weit
32. Gesamtdokumentation 61 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 auf dem W rfel zu erreichen ist die e Greiffl che drehbar gelagert Um eine gleichm ssige Auflagefl che Abbildung 55 Greifarm Bei den ersten Testl ufen wurde festgestellt dass die Greifarme f r eine sichere Ergreifung des W rfels l nger sein sollten Die Greifarme wurden darum vorne verl ngert um den W rfel besser einfangen zu k nnen Abbildung 56 Verl ngerter und gef rbter Greifer Um den W rfel sicher greifen zu k nnen muss der Roboter den W rfel innerhalb des Greifers treffen und ihn ein St ck vor sich her schieben damit der W rfel in die Mitte des Greifers rutscht Erst dann kann der Greifer geschlossen und der W rfel gehoben werden Gesamtdokumentation 62 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 9 4 Kinect und Verschalungsbefestigung Damit die Kinect am Fahrzeug befestigt werden konnte mussten an der Kamera noch einige Umbauten getatigt werden Das Problem war dass sich an der Kinect keine M glichkeit befand an der sie befestigt werden konnte Aus diesem Grund wurde in erster Linie der Fuss der Kamera entfernt um unter der Verschalung eine M glichkeit zur Abbildung 57 Fuss der Kinectkamera Befestigung zu finden Sp ter jedoch wurde der Wunsch immer gr sser dass die Kinect in der H he gek rzt werden soll Die Kamera funktioniert am besten je n her sie dem Boden ist Zudem soll das Fahrzeug damit auc
33. H1101 Team 31 7 4 5 Filtern nach ung ltigen Kandidaten Fl che Zentrum Aus den erhaltenen Regionen bzw Kandidaten werden nun Treffer gesucht Dazu wird zuerst das geometrische Zentrum berechnet Mittelwert aller x und y Positionen der zugeh rigen Pixel int sumX int sumY int count for int y y y lt y1 y for int x x x lt x1 x if cclData y IMGRECOGNITION WIDTH x gt sumX X sumY y count int cx int cy sumX count sumY count Der Mittelpunkt wird schliesslich ber den Projector in Weltkoordinaten zur cktransformiert Liegt das Zentrum nicht in der definierten Suchbox fallt der Kandidat weg 7 4 6 Suchen des besten Treffers Bei genau einem Treffer wird keine Bewertung vorgenommen Wenn mehrere Treffer vorhanden sind wird mit folgenden Kriterien eine Bewertung vorgenommen Position Minimale Distanz zwischen Objektposition und Suchbox Mittelpunkt Form Differenz erwartete Form und gemessene Form Beim W rfel Vergleich effektive Fl che und Fl che d Bounding Box Beim Pylon Vergleich effektive Fl che und Fl che eines Kegelquerschnitts Proportionen Differenz erwartetes und gemessenes Breiten H hen Verh ltnis Fl che Differenz erwartete und gemessene Querschnittsfl che Als Ergebnis wird der Treffer mit der besten Wertung gespeichert Abbildung 37 Die Skala oberen Rand des Debug Bildes zeigt die Tiefe in Metern an Das Bild wur
34. PWM Generator und Encoder Auswertung Der Prozessor bernimmt die Aufgaben f r die Regelung der Strecke und die Auswertung der Bilder welche von der Kinect Tiefenkamera ausgegeben werden Gesamtdokumentation 48 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 F r die Spannungsversorgung wird ein Modellbau Akku Pack mit 4 LiPo Zellen 14 8V verwendet aus welchem direkt die Motortreiber versorgt werden Ein 5V Spannungsregler stellt eine stabile 5V Versorgung f r den SBC zur Verf gung Ein 6V Spannungsregler speist die beiden Servos und der 12V Regler wird fur die Kinect verwendet Als Antriebsmotoren dienen zwei DC Motoren an den beiden Hinterradern An beiden R dern sitzt jeweils ein magnetischer Encoder mit einer Aufl sung von 10Bit Die Signale dieser Encoder werden im FPGA ausgewertet und f r die Regelung verwendet Die Konfiguration und Steuerung des Fahrzeugs kann entweder kabelgebunden ber Ethernet RS232 oder kabellos ber Bluetooth vorgenommen werden 8 2 Anschl sse der Hauptplatine 2x Encoder 12V f r Kinect Taster Schalter nicht sichtbar USB f r Kinect und Bluetooth Single Board Computer SBC Ethernet RS232 Schnittstelle 2x DC Motor 2x Servo Akku 14 8V Gesamtdokumentation 49 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 8 3 Funktion der Schaltung 8 3 1 Eingangsteil Die Hauptaufgabe des Eingangsteils ist es bei zu niedriger Akkuspannung den Akku elektrisch von der Schaltung zu trennen F
35. Roboter Zus tzliche Baugruppen wie Auffangbehalter f r Schmutz m ssen noch eingebaut werden Ausserdem braucht es noch Warnleuchten Kn pfe und Schalter f r ein sicheres Handling Die Laufzeit m sste erheblich gesteigert werden und die Zuverl ssigkeit muss gesichert sein Auch die Konfigurationssoftware bedarf Anpassung damit diese Marktf hig wird Nr Art Bezeichnung Daten Beschreibung bake 44 te Arbeitsstunden Max 30h Elektrowerkstatt H i Werkstattpersonal Max 50h Maschinentechnik 12 W Arbeitsstunden 300h PREN1 pro Teammitglied T Teammitglieder 300h PREN2 pro Teammitglied 13 W_ Geh use Fertigung 40h H ia IF Budget HSLU max CHF 600 T Budget f r Prototypen CHF 50 000 4 1 Produktion Verkauf F r das marktf hige Produkt m ssen diverse Anpassungen vorgenommen werden Das ganze Gef hrt wird gr sser und muss mit zus tzlichen Features ausgestattet werden Durch h here St ckzahlen kann der Arbeitsaufwand trotzdem stark verringert werden Ein Putzroboter sollte weniger als 20 Arbeitsstunden f r die Produktion beanspruchen Die Basisversion soll in gr sseren Mengen an verschiedene Abnehmer verkauft werden k nnen Der abgebildete Scheuersauger ist ab 3000 erh ltlich Der autonome Putzroboter soll bei derselben Gr sse ab ca 8 000 CHF erh ltlich sein Weil der Roboter seine Arbeit autonom macht ist die Investition nach kurzer Zeit wieder kompensie
36. TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 Projekt Autonomer Schnelltransporter Dokumentation PREN 2 Team 31 Philipp Burch Remo Frank Adrian Marti Ramon Rohner Matthias R egg Sven Ulrich Jean Marc Vogel Horw 17 Juni 2012 Gesamtdokumentation 1 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 Management Summary Die Ausgangslage dieser Arbeit bildet die Aufgabenstellung des Moduls TA BA_PREN1 H1101 Diese Arbeit stellt die Fortsetzung des Moduls dar Es wird die Realisation des autonomen Schnelltransporters der auf einem vorgegebenen Parcours einen W rfel aufhebt und ins Ziel bef rdert aufgezeigt Neben der eigentlichen Umsetzung des Konzeptes aus PREN1 wird in dieser Arbeit auch der Bezug zum evaluierten Zielmarkt der Industrieputzroboter beleuchtet Es wurde ersichtlich dass mit der Marktanwendung die Marktf hrerschaft im Bereich der autonomen Putzroboter angestrebt werden kann Dies nicht zuletzt aufgrund der innovativen Orientierung mittels Tiefenbild und der hohen Nachfrage nach effizienten Reinigungsl sungen Die nderungen und Abweichungen zum Parcours Roboter sind vor allem die Gr sse und die W rfelaufnahme W hrend im Parcours noch auf einen Greifer gesetzt wird muss das marktf hige Fahrzeug mit B rsten Kehrmaschine oder mit Scheuertellern und Sauger Scheuersaugmaschine ausgestattet sein Zudem kommt die Implementierung von drei Reinigungsprogrammen welche mit der 3D Raumerkennung einhergehen m sse
37. Urfelerkennung rechts 1m X 14 06 pb Pylonerkennung mittig 1m X 14 06 pb Pylonerkennung mittig 3m x 14 06 pb 5 _ 200ms 6 Gesamtverhalten Verhalten mit W rfel x pre aA a N Re Verhalten ohne W rfel x Fahrt direkt ins Ziel 14 06 pb a SENOS x Keine Melodie im Ziel Die Gemessene schnellste Zeit x 10 55 14 06 pb Gesamtdokumentation 79 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 13 Literaturverzeichnis e de engadget com verf gbar unter http de engadget com 2011 07 04 project mimicry neuartige sandkastenspiele dank kinect Stand 22 03 2012 e de engadget com verf gbar unter http de engadget com 2011 07 04 project mimicry neuartige sandkastenspiele dank kinect Stand 22 03 2012 e Europ ische Sicherheitsnormen f r Maschinen 2007 verf gbar unter ftp ftp cen eu cen Sectors List Machinery ENsonsafetyofmachinery pdf Stand 02 03 2012 e Europ ische Sicherheitsnormen f r Maschinen 2007 verf gbar unter ftp ftp cen eu cen Sectors List Machinery ENsonsafetyofmachinery pdf Stand 02 03 2012 e Hako Scheuersaugmaschine verf gbar unter http www hako com de_de Produkte index php Stand 09 03 12 e robot Angebote verf gbar unter www irobot com Stand 09 03 12 e Karcher Scheuersaugmaschine www karcher ch e Kehrmaschine Wetrok von Abbildung 5 verf gbar unter http www wetrok ch cms cmsAdmin modules popup cfm picfile images database katbil der big 71500 SpeedmaticTwister_V1 0 jog amp w
38. auf ihre Marktzug nglichkeit und ob die Funktionen mit denen des Parcours bereinstimmen ber cksichtigt Der Industrieputzroboter hat am besten abgeschnitten Wir sehen dort das gr sste Potential Die n tigen Funktionen sind auch mit denen des Parcours vergleichbar Als zweitbestes hat der Aufkl rungs und Bergungsroboter abgeschnitten Dieser Roboter m sste aber nicht autonom sein da er stets berwacht wird Beim Obstsammler sehen wir kein grosses Marktpotential Er w re allerdings einfach zu modifizieren und als Golfballsammler einzusetzen F r den Haushaltsputzroboter gibt es einen grossen Markt aber auch eine grosse Konkurrenz Aus diesem Grund hat dieses Produkt nicht gut abgeschnitten Beim Strassenputz berwachungs und Touristenf hrer Roboter sehen wir keine grosse Verbindung zwischen den Parcours Anforderungen in PREN und dem was er sp ter k nnen muss Aus diesem Grund haben diese nicht so gut abgeschnitten Den Strassenputzer kann man nicht alleine arbeiten lassen Zudem scheint der Markt nicht lukrativ 2 3 Marktsegmentierung Es wird eine Basisversion des Roboters geben um den Massenmarkt zu erreichen Zudem besteht die M glichkeit den Roboter zu modifizieren um auch im Premium Markt Fuss zu fassen In der Schweiz hat es ber 300 000 KMUs Von diesen sind aber ca 270 000 Kleinst Unternehmen bis 9 Mitarbeiter Ein Kleinstunternehmen k me kaum als Abnehmer in Frage Auch bei kleinen Unternehmen 10
39. b Akkustrommessung 0 5A 5A Nicht gepr ft an 2x X 20mA 27 04 pb 2 Unit Tests der Software Subsystem blocksim x 14 06 pb Subsystem stlloader x 14 06 pb Subsystem emulator X en ist nicht mehr ne Subsystem kinect Keine Unittests vorhanden 14 06 pb Subsystem driver Keine Unittests vorhanden 14 06 pb Subsystem utils x 14 06 pb Gesamtprojekt robot X 14 06 pb 3 Mechanik Getriebe drehen gleichmassig X 14 06 pb Keine losen Schrauben x 14 06 pb St tzrolle dreht leichtg ngig X 14 06 pb Antriebsmotor rechts l uft x 14 06 pb Gesamtdokumentation 78 81 17 06 2012 Antriebsmotor links l uft x 14 06 pb Servomotor Greifer x 14 06 pb Servomotor Heber x 14 06 pb W rfel klemmen amp aufheben x 14 06 pb Kinect hat freie Sicht x 14 06 pb Ausrichtung der Kinect X ca 1 verdreht 14 06 pb 4 Navigation Gerader Pfad X 14 06 pb Kurve 180 0 5m Radius 60 X Winkelfehler ca 6 14 06 pb Beschleunigen 0 80 x maxRate 0 8 1 1s 14 06 pb Abbremsen 80 0 X maxRate 0 8 1 1s 14 06 pb Parcours bei 20 X 14 06 pb Parcours bei 50 X 14 06 pb Parcours bei 80 x 14 06 pb 5 Bilderkennung W rfelerkennung mittig 1m x 14 06 pb W rfelerkennung mittig 3m x 14 06 pb W rfelerkennung mittig 0 6m X 14 06 pb W rfelerkennung links 1m X 14 06 pb W
40. chkeit l uft muss der Betrieb wieder H ordnungsgem ss aufgenommen werden k nnen Einhalten von Normen gem ss den 25 F Betriebssicherheit Europ ische Sicherheitsnormen f r H Maschinen 2007 Not Stop bei Fehler usw Gewicht der max 30 kg ohne Erweiterungen 26 M H Kehrmaschine 07 M Gewicht der max 100 kg Leergewicht H Scheuermaschine 28 M Lautst rke Max 67dB bei 20Hz 20kHz H Sg Durchf hren von Reinigungsarbeiten am 29 F Aenigungsarbeiien Boden trocken oder nass H Bis zu einer Gr sse von L B H 30 F Gegenstande aufheben 7cm 7cm 30cm Je nach Einsatzgebiet und H Aufsatz Keine physische Verbindung zum Fahrzeug 31 F Autonomie z B f r die Speisung Steuerung 1 30 Orientierung bei Keine physische Verbindung zum Fahrzeug T i Dunkelheit z B f r die Speisung Steuerung 33 Objekterkennung Objekte m ssen erkannt werden S Gesamtdokumentation 21 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 4 3 Bedienung Einstellbarkeit Die Bedienung soll am Ger t selber und extern an einem Computer ber W LAN m glich sein Die aufgezeichneten Daten k nnen direkt auf dem Single Board Computer oder auf dem externen Steuerungscomputer gespeichert werden Fehler w hrend des Betriebs k nnen am PC und ortsunabh ngig behoben werden Die Konfigurationssoftware ist f r verschieden Szenarien und je nach Gebrauch vorprogrammiert Somit kann sich der Roboter in praktisch allen Hallen v llig autonom zurechtfinden
41. chrift erkennen welches Produkt von welchem Hersteller Abbildung 16 K rcher Scheuersaugmaschine stammt k rcher ch Gesamtdokumentation 24 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 5 4 Entw rfe f r PREN Da als Sensor eine Kinect Kamera von Microsoft favorisiert wurde mussten die Entw rfe von PREN1 angepasst werden um den Anforderungen der Kinect zu gen gen Die Formsprache wurde aufgegriffen und in einem technomorphen Aussehen skizziert um die Kinect Kamera optisch gut zu integrieren Durch die Tatsache dass Kinect erst brauchbare Bilder ab einem Abstand von ca 50 cm liefert ist es vorteilhaft diese im hinteren Bereich des Fahrzeugs anzubringen Ebenfalls wurde anschliessend Platz f r die einzelnen Komponenten des autonomen Schnelltransporters eingeplant Nachfolgend wird der Entwurfsprozess dargestellt I Abbildung 17 Entwurf Geh use f r PREN Abbildung 18 Entwurf Fahrzeug f r PREN Das fertige Produkt f r PREN sieht wie in Kapitel 5 1 erkl rt folgendermassen aus de L Abbildung 19 Fahrzeug von der Seite und von vorne Gesamtdokumentation 25 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 5 5 Entw rfe f r Markt Abbildung 20 Entwurf f r Marktanwendung gross Abbildung 21 Entwurf f r Marktanwendung klein Bei den gr sseren Scheuersaugern ist schon gen gend Platz f r die zus tzliche Elektronik vorhanden Da die Bilderkennung erst ab einem gewissen Abstand funktioniert werden die
42. com zeigt sich das Problem dass die H he der Produktionsstrasse zu niedrig ist um dort reinigen zu k nnen Auch hierf r gibt es eine L sung Ein optionaler Wischarm der den Schmutz mit einer Wischbewegung hervor holt Das Funktionsprinzip hnelt dem eines Scheibenwischers F r die glatte Oberfl che eignet sich der Scheuersauger besonders gut 3 2 3 Werkstatt Abbildung 10 Grundriss Werkstatt Abbildung 11 Werkstatt metallbau boehringer de Diese Beispielwerkstatt weist typische Merkmale auf festmontierte Regale Lagerfl chen in der Mitte einer Treppe am Ende und einige feste Arbeitspl tze bzw Werkb nke Zudem wurde im Grundriss noch ein Gang eingebaut Hier w rde sich eine Konfiguration per Software lohnen da so das Reinigen effizienter gestaltet werden k nnte Die Schwierigkeit besteht in der Unterscheidung zwischen den ver nderlichen Hindernissen und den festen Stufen und Treppen k nnen mittels Bodensensor erkannt werden Die Reinigung mit der Kehrmaschine w re hier von Vorteil da es sich beim Schmutz prim r um Holzstaub handelt Gesamtdokumentation 19 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 4 Abweichungen Prototyp marktfahiges Produkt Durch die Vorarbeit die in PREN 1 und 2 gemacht wurden steht die Grundfunktion der Lager und Hallenreinigung In diese Richtung fliesst also kaum mehr Entwicklungsaufwand Trotzdem muss in einen marktfahigen Prototyp erheblich mehr investiert werden als fur den PREN
43. d folgender Faktor angewendet werden kann Bildbreite Bildh he xFact yFact _ 2 tan horizontal FOV 2x tan vertical FOV horizontal FOV horizontaler Bildwinkel in rad 58 f r Kinect vertical FOV vertikales Bildfeld in rad 45 f r Kinect Zur Berechnung des Bildpunktes fehlt nur noch eine Koordinatentransformation auf die obere linke Bildecke Pkameray XFact Bildbreite Pkamerax 2 Psild Pkameraz YFact n Bildh he Pkameray 2 Pxamerax Einfachheitshalber wird nun die Region of Interest auf die ussersten Eckpunkte der transformierten SearchBox festgelegt Bei der weiteren Bildverarbeitung werden nur die Pixel ber cksichtigt die sich innerhalb dieses Bildausschnitts und innerhalb Minimal und Maximaltiefe befinden Gesamtdokumentation 43 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 4 4 Connected Component Labeling Im zu untersuchenden Bildbereich werden nun zusammengeh rige Flecken bzw Regionen gesucht Dies erfolgt ber ein Connected Component Labeling CCL Dabei werden die Pixel mit ihren Nachbarn verglichen und mit Labels Nummern markiert Geh ren die Pixel zusammen d h berschreitet die Differenz der Tiefenwerte einen definierten Schwellwert nicht so erhalten die Pixel dasselbe Label Der Algorithmus besteht aus folgenden Schritten Iteriere zeilenweise durch den zu untersuchenden Bildausschnitt Nachbaren suchen West links Nordwest links oben Nord oben Nordos
44. das erste Tiefenbild wird aufgenommen Nach einigen Sekunden ist der Roboter bereit f r den Parcours und signalisiert dies durch einen kurzen Piepton Ein weiterer Druck auf den Startknopf l sst den Roboter sofort losfahren Gesamtdokumentation 66 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 F r die Konfiguration des Roboters stehen folgende Schnittstellen zur Verf gung Bluetooth RFCOMM Schnittstelle RS232 Root Konsole des Kernels Ethernet SSH Jede Variante stellt einen Zugriff auf die Linux Konsole des SBCs zur Verf gung Uber welche die Steuerung konfiguriert und Programme gestartet werden k nnen Als Login sind die Benutzer root und eclipse eingerichtet beide mit eclipse als Passwort Der Roboter hat eine statische IP Adresse von 192 168 1 150 und eine Bluetooth MAC von 00 19 0E 0A 63 B7 10 4 2 Anforderungen F r RS232 und SSH kann ein beliebiges Betriebssystem verwendet werden erforderlich ist nur ein serielles Terminal bspw Hyperterminal unter Windows oder minicom unter Linux bzw ein SSH Client bspw PuTTY f r Windows oder ssh f r Linux F r Bluetooth Zugriff wird ein Betriebssystem mit Unterst tzung von seriellen Schnittstellen ber Bluetooth ben tigt Daf r eignen sich sowohl Linux Betriebssysteme wie bspw Ubuntu als auch Windows Mac OSX wurde nicht getestet 10 4 3 Setup unter Linux Falls minicom noch nicht installiert ist kann es in einem Konsolenfenster mittels sudo apt get
45. de nach der Kurve aufgenommen wobei der W rfel recht nahe Endpylon und in der Ecke des m glichen Bereichs liegt Die blauen Rechtecke markieren den Bereich in dem W rfel grosses Rechteck und Pylon kleines Rechteck erwartet werden Die weissen Rechtecke umranden die gefundenen Objekte Abbildung 37 Kinect Tiefenbild mit Debug Infos Gesamtdokumentation 45 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 5 Emulator Zur Unterst tzung der Softwareentwicklung wurde bereits in PREN1 mit dem Schreiben eines Hardwareemulators begonnen Dieser sollte es ermdglichen auch ohne Zugriff auf den Roboter an der Steuerungssoftware zu arbeiten Die zentralen Aufgaben welche der Emulator erf llen muss sind Modellierung des physischen Verhaltens des Fahrzeuges bei gegebenen Steuersignalen zu den Motoren Generierung eines Datenstroms mit Tiefenwerten wie auch die Kinect erzeugt wird Volle Kompatibilit t zur Robotersteuerung so dass m glichst keine Anweisungen zur bedingten Kompilierung im Code ben tigt werden Gerade die Programmierung eines m glichst guten physikalischen Modells des Roboters ist eine relativ komplexe Aufgabe Daher wurden zur Vereinfachung einige Annahmen getroffen Der Roboter wird mit homogener Masseverteilung modelliert Der Schwerpunkt liegt in der Mitte zwischen den beiden Antriebsradern Die R der bertragen das Drehmoment ohne Schlupf auf den Boden PREN11 12 Team 31 hardware emulator
46. eingeschaltet sind USENSE SS TR St RT CLK comp GND P PWRGD THERMAL PGND Abbildung 43 5V Speisung fur den SBC 8 4 2 Linearregler Die Logik des Motortreibers ben tigt eine Spannung von 12V Diese Spannung wird mit einem Linearregler LP2951 erzeugt Dieser Regler ben tigt ausser einem Spannungsteiler zur Einstellung der Ausgangsspannung und St tzkondensatoren keine weitere Peripherie Gesamtdokumentation 51 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 IC11 LP2951 INPUT ERROR SHUTDOWN FEEDBK Q SENSE UTAP OUTPUT 10u 25V Abbildung 44 12V Speisung f r die Logik des DRV8412 Gesamtdokumentation 52 81 Team 31 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 8 5 Motorentreiber Der Motorentreiber DRV8412 ben tigt einige zus tzliche Bauteile in erster Linie St tzkondensatoren An den Treiber Ausg ngen befinden sich im aktuellen Schema noch 0Q Widerst nde in Serie zu 1nF Kondensatoren Dies darf so aber nicht best ckt werden weil die Kondensatoren AC m ssig also bei jedem Schalten der internen Leistungstransistoren einen Kurzschluss gegen Masse darstellen Weil die Kondensatoren an den Klemmen best ckt sind m ssen die Widerst nde durch Spulen ersetzt werden eingel tet sind nun 2uH Spulen Der DRV8412 besitzt vier Halbbr cken oder zwei Vollbr cken welche mit vier PWM Eing ngen angesteuert werden Die zwei Reset Eing nge RESET_AB und RESET_CD beide active low dienen zur Abschaltung de
47. enKinect zur Verwaltung der Kinect Kamera http www opengl org http openkinect org wiki Main_Page Gesamtdokumentation 34 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 2 Bewegungssteuerung 7 2 1 bersicht Die Bewegungssteuerung regelung wird als Linienfolger ausgef hrt Weil jedoch kein echter Liniensensor vorhanden ist wird eine virtuelle Linie konstruiert Dies passiert beim Programmstart und ist gegeben durch den Aufbau des Parcours Abbildung 30 zeigt die Architektur der Bewegungssteuerung Der Sollwert f r den Richtungsregler ist immer 0 dies entspricht einer Ausrichtung des Fahrzeugs auf die Solllinie Abbildung 31 zeigt die konstruierte Linie im Emulator f r den PREN Parcours Im ersten Schritt f hrt der Roboter bis zum Ende der Linie und nimmt dort ein Bild auf Nach der Auswertung ist die Position des W rfels bekannt und die Linie wird entsprechend erweitert Anhand der Encodersignale ist die aktuelle Position und der Winkel des Roboters bekannt wodurch ebenfalls ein virtueller Liniensensor konstruiert werden kann Dieser liefert anschliessend den IST Wert f r den Regler Abbildung 30 Blockschema des Regelkreises Gesamtdokumentation 35 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 2 2 Streckenf hrung Die Vorgabe der Strecke wird zur einfacheren Verarbeitung als Liste von Vektoren mit geraden Verbindungsst cken ausgef hrt Wird der Liniensensor ebenfalls als Gerade interpretie
48. erhin ist es m glich den Code direkt auf dem SBC zu kompilieren Als Buildsystem wird GNU Make verwendet Die Buildrules sind projekt bergreifend erstellt so dass Komponenten auch dann neu kompiliert werden wenn sich ein Teil eines untergeordneten Projekts ver ndert hat Aus diesem Grund kann eine beliebige IDE oder auch ein einfacher Texteditor zum Bearbeiten des Quellcodes verwendet werden Der Code des Emulators ist weitgehend betriebssystemunabh ngig geschrieben weshalb auch eine Ausf hrung auf einem anderen System als Linux beispielsweise Windows denkbar w re Dies wurde jedoch nicht weiter verfolgt 7 1 2 Klassen bersicht Das nachfolgende Klassendiagramm zeigt die Abh ngigkeiten der einzelnen Softwaremodule N i 4 a Abbildung 29 Klassendiagramm der Steuerungssoftware ftp ftp embeddedarm com ts arm sbc ts 7500 linux cross toolchains crosstool linux gcc 4 5 2 gclibc 2 9 oabi tar gz Gesamtdokumentation 33 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 1 3 robot Das Teilprojekt robot enthalt die eigentliche Robotersteuerung Hier ist die Programmlogik zum Absolvieren des Parcours enthalten sowie die dazu ben tigte Bewegungssteuerung und die Bilderkennung Bei der Kompilierung dieses Teilprojekts entsteht die ausf hrbare Datei robot welche die gesamte Intelligenz des Roboters enthalt Alle Unterprojekte sind als statische Bibliotheken dazugelinkt 7 1 4 utils Diese Komponente enthalt ein
49. et werden F r solche F lle sind die Personen gefragt welche in solchen zeitfressenden Diskussionen das Zepter in die Hand nehmen und daf r sorgen dass vorw rts gearbeitet wird Alles in allem kann man sagen dass im Team sehr viele positive wie auch negative Erfahrungen gesammelt werden konnten welche alle Teammitglieder im beruflichen Leben etwas weiter gebracht haben Dass das Projekt dann auch noch so positiv abgeschlossen werden konnte gibt einen zus tzlichen Motivationsschub f r die n chsten Projekte Gesamtdokumentation 77 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 12 Testprotokoll 4 x Es Beschreibung s 2 Bemerkungen s 3 1 Elektronik Unterspannungs Abschaltung X aus 12 20V ein 12 60V ne Spannungsregler 5V SBC X 5 14V PD Spannungsregler 5 5V Servos X 5 52V re 12 18V bei Ubat lt 13 7V wird 7704 Pb Spannungsreglert2V Kinect x Gey Ausgana m unbeisteten Mittelwert ab Spannungsregler 12V DRV x 11 82V 27 04 pb Motoransteuerung 0 100 X Geringe Uberschwinger 27 04 pb Servoansteuerung 0 100 X 27 04 pb Abschaltung 12V Kinect X 27 04 pb RS232 Kommunikation x 115200 8 n 1 27 04 pb Piezo Buzzer 20Hz 10kHz X ee ee eee e et Encoder Auswertung X 27 04 pb Encoderfehler werden erkannt Nicht gepr ft 14 06 pb Tastereingange 27 04 pb Spannungsmessung 12V 18V X 20mV 27 04 p
50. g auf dem Single Board Computer SBC Sie beinhaltet getrennte Software Module zur Ablaufsteuerung Bilderkennung Navigation und Antriebssteuerung Zur Bewegungsregelung wird der vordefinierte Pfad mit einem virtuellen Liniensensor geschnitten Die Regelgr sse f r den PID Regler ist die Richtungsabweichung Damit die Software auch ohne Hardware getestet werden kann wurde ein Emulator geschrieben der die Physik und das Kinect Tiefenbild berechnet Zur Trennung von Programmlogik und Hardware Ansteuerung wird eine Treiberschicht Hardware abstraction layer HAL implementiert Die Programmlogik kann dann entweder mit den Treibern zur Ansteuerung der realen Komponenten oder mit dem Emulator zusammengeschaltet werden F r die Kinect Kamera wird der Open Source Treiber libfreenect verwendet 6 1 3 Konzept nderungen Zur Konfiguration des Roboters war urspr nglich die Erstellung eines Programms zur grafischen Eingabe des Parcours geplant Darauf wurde aus Zeitgr nden verzichtet Die Einstellungen zur Objekterkennung sowie allgemeine Optionen werden stattdessen in einer Konfigurationsdatei gespeichert Das Verhalten und der zu fahrende Weg sind hartcodiert jedoch auf einem relativ hohen Abstraktionsniveau implementiert Neu in PREN2 wurde eine Lichtschranke am Greifer montiert die erkennen soll wann der W rfel aufgehoben werden kann Ausserdem dient ein Taster am Geh use zum Starten des Programms Gesamtdokumentation 30 81 17 06 20
51. h kompakter erscheinen was vom Design her gew nscht wurde Aus diesem Grund wurde der gesamte Fuss der Kamera entfernt so dass nur noch das Verbindungsst ck zwischen Fuss und Kamera vorhanden war An dieses Verbindungsst ck wurde dann seitlich je eine Platte montiert Eine M3 Schraube verbindet die beiden Platten inklusive der Kamera und h lt diese somit fest Die beiden Platten werden dann mit der oberen Querverbindung verschraubt und somit am Fahrzeug befestigt Der Vorteil dieser Befestigung ist dass der Winkel zwischen Kamera und Boden eingestellt werden kann Sp ter wurden zus tzlich noch 2 Schrauben von unten montiert ber diese kann jetzt die Neigung der Kamera eingestellt Abbildung 58 Kinectbefestigung von werden denn ein konstanter Winkel ist die unten Voraussetzung f r konstantes erfolgreiches Abschliessen des Parcours Gesamtdokumentation 63 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 9 5 Optimierungsvorschlage fur Serienmodell Fur ein Serienmodell m ssen einige Bedingungen erf llt werden damit das Preis Leistungsverh ltnis m glichst optimiert werden kann Dabei soll das Produkt m glichst wenig und m glichst einfache Teile enthalten Dies reduziert die Herstell und Lagerkosten Zudem sollte auch der Zeitaufwand f r die Montage minimiert werden Was die Anzahl und die Einfachheit der Teile betrifft so kommt man mit dem Fahrzeug schon sehr nahe ans Optimum Je nach St ckzahl k nnen jedoch noch ei
52. h zu ungenau W hrend der Zeitplanung anfangs PREN2 wurden die Zeitaufw nde erneut gesch tzt und den Arbeitspaketen zugeteilt In der Tabelle sind nur fest zurechenbare Aufw nde aufgelistet d h Besprechungen und nicht zuteilbare Zeit sind nicht eingerechnet In PREN2 gab es wesentlich weniger Diskussionen w hrend den Teamsitzungen als in PREN1 Das liegt daran dass mehr in den einzelnen Disziplinen gearbeitet wurde Grobe Mehraufw nde traten nicht auf Der Teilbereich Software ben tigte im Vergleich recht viel Aufwand Da passte es ganz gut dass der Elektroniker wichtige Teile bei der Software Entwicklung bernahm und dem Informatiker half Nicht zu untersch tzen ist der Aufwand f r Tests und Optimierungen Die 80 zu 20 Regel hat sich damit ein weiteres Mal best tigt Gesamtdokumentation 75 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 11 2 Entwicklungskosten Beschreibung Et ADC 10bit SOT23 8 4CH 12C Akku Bluetooth Dongle Dist sens GP 2D120JOOOF Dist sens GP 2YOAO2YKOF Inductor 0603 1kOhm Inductor 6x6mm 1uH Inductor 6x6mm 47uH Kinect Xbox 360 Klemmen Akku Motor Komparator TL331KDBVR Kondens 10u 25V Kondens 1u 10V 0603 Kondens 1u 25V 1206 Kondens 470u 25V 5mm Kondens 47u 50V LM431AIM3 shunt Reg Magnet 6x2 5mm NdFeB Modularstecker 6 6 6RJ12 OpAmp TLV2374IDR PiezoTransducer KPEG169 SBC TS7500 Schirmkabel 6x0 055mm 2 Schmitt inverter 74HC14 Schottky 3A 40V SI4435DY MOSFET Sicherungshalter 5x20 Spule
53. idth 400 amp height 400 Stand 23 02 12 e Kobold VR100 2012 verf gbar unter http www golem de 1111 88038 html Stand 01 03 12 e Kobold VR100 2012 verf gbar unter http www golem de 1111 88038 html Stand 01 03 12 e Lagerhalle verf gbar unter http de 123rf com photo 2400282 in einer lagerhalle html Stand 09 03 2012 e M ller Stevens Lechner 2011 M ller Stevens G nter und Lechner Christoph Strategisches Management 4 Auflage Stuttgart 2011 e Produktionshalle verf gbar unter http www theaustin com Portals 0 CS_fabrik_halle1 jpg Stand 9 3 2012 e Raum erkennung mit Route von http aktion kobold vorwerk com Stand 15 03 2012 e Saugroboter 24 2012 verf gbar unter http saugroboter 24 de Stand 01 03 12 Gesamtdokumentation 80 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 Scheuersaugmaschine verf gbar unter http www reinigungsberater de scheuersaugmaschine_numatic_ttb 3450 100s p 49776084 html stand 02 03 2012 Schraft R D H gele M Wegener K 2004 Service Roboter Visionen M nchen Hanser Verlag Tabelle 1 Marktwirtschaftliche Unternehmen und Besch ftigte nach Gr ssenklassen 2008 verf gbar unter http www bfs admin ch bfs portal de index themen 06 02 blank key 01 groesse html Stand 16 02 12 Universitat Bielefeld Prof Dr Hermann Jahnke http www wiwi uni bielefeld de fileadmin ctrl download Koma_SS10 Kapitel 7 pdf Stand 12 06 2012 Werkstatt verf gbar unter http www
54. iesen dann wieder weg damit die St tzwirkung am besten ist Gesamtdokumentation 56 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 8 10 FPGA 8 10 1 Ubersicht Neben dem ARM9 Prozessor ist auf dem SBC auch ein FPGA verbaut In der Standardkonfiguration kimmert sich dieses um die Verwaltung einiger Systemkomponenten wie SD Speicherkarte RTC serielle Schnittstelle etc Im Rahmen des PREN wurde diese Konfiguration um weitere Komponenten erganzt um den Prozessor zu entlasten SBUS Interface SPI to WISHBONE bridge SD Controller PREN PWM Motoren Erweiterungen Generatoren Servos Quadratur decoder Encoder Summer DDS l C Master E Abbildung 49 FPGA bersicht Gesamtdokumentation 57 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 8 10 2 PWM Generatoren Sowohl die Antriebsmotoren wie auch die Servos f r den Greifer werden mit PWM Signalen gesteuert Daf r wurden je zwei PWM Kan le mit 25kHz und 10 Bit Aufl sung f r die Motoren und 50Hz bei 16 Bit Aufl sung f r die Servos implementiert 8 10 3 Quadraturdecoder Zur Erfassung des gefahrenen Weges sind an beiden Antriebsr dern des Fahrzeugs magnetische Encoder angebracht Die erzeugten Quadratursignale werden im FPGA dekodiert und in einem vorzeichenbehafteten 16 Bit Z hlregister akkumuliert 8 10 4 DDS F r die Ansteuerung des Piezo Summers ist in der FPGA Konfiguration ein DDS Block implementiert Damit l sst sich ein Rechtecksignal im Bereich von OHz bis 20
55. ige Hilfsklassen mit allgemein einsetzbaren Algorithmen und Datenstrukturen Zwei und dreidimensionale Vektoren mit den gebr uchlichen Operationen 4x4 Matrix f r Koordinatentransformationen Projektor Klasse zur Projektion von Koordinaten von 2D nach 3D und umgekehrt Allgemeine Linien Klasse Pfad Klasse zur Darstellung eines Pfades aus einzelnen Linienstucken PID Regler 7 1 5 hal Der HAL Hardware Abstraction Layer dient als Schnittstelle zwischen dem plattformunabhangigen Code und den darunterliegenden Komponenten Die Klasse Hal wird einmal vom emulator und einmal vom driver implementiert 7 1 6 emulator blocksim stlloader Diese Teilprojekte stellen den Hardwareemulator dar stlloader enth lt einen Parser f r STL Dateien womit 3D Modelle aus dem CAD System eingelesen und mittels OpenGL gerendert werden k nnen blocksim ist ein Simulationsframework womit Blockdiagramme mittels Funktionen und Signalen beschrieben und anschliessend simuliert werden k nnen Damit wird das physikalische Verhalten des Roboters modelliert Der emulator ist schliesslich f r die Darstellung der ganzen 3D Szene verantwortlich und stellt die PC basierte Implementierung des HAL zur Verf gung 7 1 7 driver kinect Der driver ist das Gegenst ck zum Emulator f r den Roboter Er implementiert den HAL mit den Funktionen zur Ansteuerung der Motoren Servos Encoder etc Das Teilprojekt kinect enth lt den Treiber von Op
56. in Verfahren zur digitalen Erzeugung von Signalverl ufen EMV Elektromagnetische Vertr glichkeit FPGA Field programmable gate array programmierbarer Logikbaustein HAL Hardware abstraction layer Abstrahierung der Hardware IC Integratec circuit Integrierter Schaltkreis LED Light emitting diode Leuchtdiode PWM Pulse width modulation Pulsbreitenmodulation RTC Realtime clock Echtzeituhr mit St tzbatterie SBC Single board computer Einplatinencomputer Gesamtdokumentation 7 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 1 Einfuhrung Die Ausganslage bildet die Aufgabenstellung aus dem Projektmodul Produktentwicklung 1 PREN1 Das Konzept f r den autonomen Schnelltransporter welcher auf einem vorgegebenen Parcours einen W rfel aufladen und m glichst schnell ins Ziel bringen soll wurde im vergangenen Herbstsemester in PREN1 erstellt Nun geht es in PREN2 um die Realisierung des Konzeptes welche diese Arbeit dokumentiert Um diese exemplarische Aufgabenstellung zu l sen wurde das Know how aus allen Disziplinen ben tigt Um eine bersicht ber die geplante Marktanwendung zu erhalten beginnt die Arbeit mit dem Marktteil Bei den Anforderungen an das Produkt werden die potentiellen Einsatzbereiche Beispielprogramme und Umgebungen spezifiziert In der Designstudie werden bestehende Produkte analysiert und anschliessend Entw rfe f r die PREN sowie Marktanwendung abgebildet Den Kern der Arbeit bildet die Umsetzung der einze
57. install minicom installiert werden gilt f r Debian basierte Systeme wie Ubuntu Nach der Installation sollte die Default Konfiguration von minicom angepasst werden damit diese nicht bei jedem Start neu vorgenommen werden muss Dazu sollte minicom als Superuser in den Konfigurationsmodus gestartet werden sudo minicom s Anschliessend m ssen die Schnittstellenparameter eingestellt werden 115200 Baud 8 Datenbits 1 Stopbit Keine Paritat Keine Flusssteuerung Als serial port muss die Ger tedatei der zu verwendenden Schnittstelle eingetragen werden Diese ist abh ngig vom einzusetzenden bertragungskanal Gesamtdokumentation 67 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 dev rfcomm f r Bluetooth dev ttys e f r eine echte serielle Schnittstelle Desktop PC COM1 dev ttyUSB f r einen USB RS232 Adapter phip phiptp phipsfiles documents study pren1 pren31_software ts 7500 File Edit View Search Terminal Tabs Help phip phiptp p Pphip phiptp p phip phiptp p 9 phip phiptp p Debian GNU Linux 5 0 ts7500 dev rfcomm Serial Device dev rfcomm Pass Lockfile Location var lock Callin Program Callout Program Bps Par Bits 115200 8N1 Hardware Flow Control No Software Flow Control permitted by Screen and keyboard Save setup as dfl TS image Aug Save setup as eclipse ts75 Exit Password _ CTRL A Z for help 115200 8N1 NOR
58. ispiele vom M rkt was nassen 27 6 Beschreibung des Protolyps u un umein 29 Gesamtdokumentation 3 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 6 1 bersichten Sa RTE REO ETET 29 6 2 Patcolrs Ablauf snsns nee es 31 Ve SON WAN Oasis 32 7 1 Komponenten Eee ee ee een nee ee 32 7 2 Bewegungssieuering 3 ni 35 Poy Programmablaubr Arne 39 TAs Bildverarbeil ng setsns seen ae 42 7298 SEMUA Ne nnn AN EHRE 46 Ss Elektronik asien 48 8 1 Blockschaltbild der gesamten Elektronik 4444444444Hnnnnn nennen 48 8 2 Anschl sse der Hauptplatine 444440000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 49 8 3 Funktion der SchallUng s rss be 50 8 4 SPahnlingsregler n use2rs erteilen 51 8 5 Molorenlreiber 2 ee teteuel ape tee tetauas ates 53 foo iil mel 61010 21 Le ae eee a etre SO eee eR eae See ADEE ae RO RTE ete eg SEAR 54 8 7 Strommessung der Servos ccccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeesseaeeeaeeeeeeeeeeeeee 55 8 8 Optionale Baugrppeny oc c aiacaianaiesavaneiea aaa 56 8 9 EMV M assnahmen anna led deen ce sdedicted dagtedecdeadetaldedecsendedinsenbeel 56 8 10 FP Gn an ea een 57 Oe Mechanik 2er EE R 59 SUR BEN 0 6 cs 01 been REECE CPR araon aAA AR RANA 59 9 2 Antrieb und Fahrgestell ceeeccecscecceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeeaeaeeeeeeeeeeeeees 60 9 3 Greif und Hebemechanismus 444244444000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn
59. it Innovation durch einzigartige Orientierung Tiefenbild Risiken T ST Strategien Absichern WT Strategien Basisabsicherung Mehrere Roboter aufgrund tiefer Kosten einsetzbar Neue Wettbewerber Innovativ und vorausschauend i 2 Se Anwenderfreundlich Steigende Ressourcenkosten Umbr che fr hzeitig erkennen SEEN Neue Arbeitspl tze im Bereich Strengere Gesetzgebung anpassen der Wartung Politik Subventionen Da es bisher keine autonomen Industrieputzroboter gibt ist die Marktzug nglichkeit gew hrleistet und hohe Wachstumsraten sind m glich Speziell bei Logistikbetrieben Lagerhallen Werkst tten und Produktionsbetrieben gibt es Potential bei der Optimierung der Reinigungskosten Die Akzeptanz kann beim Management als St rke gewertet werden Die Modifizierbarkeit bietet sich zudem vor allem im Premiumsegment an Aus den St ken und Chancen l sst sich eine Investitions Strategie ableiten So w re die Marktf hrerschaft im Bereich der autonomen Industrieputzroboter denkbar Die Orientierung durch das Tiefenbild der Kinect Kamera w rde ein effizienteres Putzen durch das Vorausschauen auch in Gesamtdokumentation 14 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Dunkelheit erm glichen Durch ein benutzerfreundliches HMI kann die Marktf hrerschaft unterst tzt werden Eine weitere Abmilderung der Schw che durch Bedrohung der Arbeitspl tze kann mit neuen Arbeitspl tzen im Bereich der War
60. k nnen Rabatte und oder Dienstleistungen wie Wartung Garantie und hnliches angeboten werden Ausserdem kann bei einem teuren Upgrade auch eine Wartungsgarantie mitgekauft werden Der Anreiz eine gr ssere Investition zu t tigen wird somit erh ht Gesamtdokumentation 16 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 3 Produktanforderungen In PREN 1 wurde bereits eine Anforderungsliste erstellt Auf diese aufbauend und erg nzend werden nun die Anforderungen an das marktf hige Produkt abgeleitet Ein normaler Betrieb soll in allen Einsatzbereichen erm glicht werden Im Angebot sind zwei Basisversionen Eine Kehrmaschine die leichter und g nstiger ist Diese wird vorwiegend in Lagerhallen Werksbetrieben und hnlichem zum Einsatz kommen An diesen Orten ist es nicht n tig dass der Boden feucht gewischt wird Des Weiteren gibt es einen Scheuersauger der gr sser schwerer und auch teurer wird Das Einsatzgebiet des Scheuersaugers wird vorwiegend in Filialen von Detail und Grossh ndlern sein Beide Versionen k nnen mit verschiedensten Upgrades erg nzt werden 3 1 Einsatzbereich Umgebung Der Einsatzbereich ist prim r in Firmen und deren Lagerhallen bzw R umlichkeiten Die Festforderungen F sind der normale Betrieb unter normalen Verh ltnissen Darunter wird verstanden dass die Wetterbedingungen trocken sind und eine maximale Windst rke bis zu 4 Beaufort herrschen darf Im normalen Betrieb m sse
61. kHz in 1Hz Schritten generieren 8 10 5 I C Master Der weiter oben erw hnte Analog Digital Konverter ADC AD7995 besitzt eine C Schnittstelle zur Konfiguration und zum Auslesen der Messwerte Der Prozessor enth lt bereits ein I C Interface doch die regelm ssigen Transaktionen w rden die Hauptanwendung dauernd unterbrechen und dadurch eine unn tig hohe Prozessorlast verursachen Aus diesem Grund wurde die FPGA Konfiguration noch um einen einfachen C Master erweitert der die Messwerte des ADCs zyklisch ausliest den Mittelwert ber einige Samples bildet und diesen der CPU bergibt Gesamtdokumentation 58 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 9 Mechanik 9 1 bersicht Kinectkamera Greifmechanismus Antrieb Das Fahrzeug besteht im Wesentlichen aus drei Teilbereichen Dies sind erstens die beiden Antriebe je einer links und rechts welche f r die Fortbewegung und Steuerung verantwortlich sind An zweiter Stelle ist der Greifmechanismus welcher f r die Ergreifung und das Anheben des W rfels zust ndig ist Als Drittes ist die Kinectkamera mit ihrer Befestigung Sie ist f r die Erkennung der Pylone und des W rfels verantwortlich Gesamtdokumentation 59 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 9 2 Antrieb und Fahrgestell Das Getriebe zur bersetzung der Motorenleistung auf das Antriebsrad konnte man auf Grund der gegebenen Motorendrehzahl und der gew nschten Fahrzeuggeschwindigkeit entspreche
62. liert was als zus tzliche berwachungskamera eingesetzt werden k nnte Der Industrieputzroboter w re der erste vollst ndig autonome Reinigungsroboter auf dem Markt Dadurch wird eine Vorreiterstellung eingenommen Konkurrenten m ssten sich zuerst die Technologie aneignen Vor allem die Orientierung per Tiefenbildkamera ist eine grosse Erneuerung Ein weiterer Vorteil ist dass f r einen K ufer weniger Personalkosten entstehen In einer Werkstatt m ssten die Arbeitnehmer weniger Zeit f r Reinigungen aufwenden Die Reinigungskr fte werden trotzdem nicht sofort verschwinden Vorerst w rden die autonomen Reinigungsroboter eher in grossr umigen Hallen eingesetzt Der Sammelbeh lter muss regelm ssig geleert werden und Ecken k nnen nur bedingt gereinigt werden Hierf r w re ein Saugaufsatz denkbar Der Kobold VR100 2012 funktioniert z B mit einer Saugvorrichtung Dies zeigt die Realisierbarkeit Als Upgrade w re ebenfalls ein automatisches Ausleeren des Sammelbeh lters erh ltlich wie es bei Saugrobotern laut Saugroboter 24 2012 blich ist Neue Arbeitspl tze im Bereich der Wartung und Fertigung w rden entstehen Gesamtdokumentation 15 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 2 8 Skalen und Mengeneffekt Durch Abnehmer wie Migros k nnen viele Produkte an ein Unternehmen verkauft werden Wird mehr verkauft kann mehr produziert werden was wiederum die Kosten pro St ck reduzieren w rde Dieser Einsparungseffekt
63. lnen Disziplinen Software Elektronik Mechanik und Design Kapitel 6 bis 9 Dort wird genauer auf die realisierte L sung eingegangen und die verschiedenen Komponenten der Teill sungen beschrieben Kapitel 10 ist die Bedienungsanleitung f r das Funktionsmuster In der Diskussion werden abschliessend der zeitliche Aufwand Entwicklungskosten und Erfahrungen beschrieben Den Schluss bildet das Testprotokoll und das Literaturverzeichnis Gesamtdokumentation 8 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 2 A Markt Im Gesamtkonzept des Moduls TA BA_PREN1 H1101 wurde im Kapitel 3 Markt eine Umfeldanalyse durchgef hrt Basierend auf der Umfeldanalyse wurden die lukrativen M rkte eruiert Diese wurden in der Dominanzmatrix untereinander verglichen Die Kriterien bildeten die Zug nglichkeit sowie die Abweichungen der Funktion des Roboters mit den Vorgaben des Wettbewerbs Die Dominanzmatrix ist auf nachfolgender Seite abgebildet Der Industrieputzroboter schnitt am besten ab In diesem Segment liegt das gr sste Potential Die Abweichungen scheinen gering die Zug nglichkeit gut und Konkurrenzprodukte sind wenig vorhanden Auch gibt es viele potentielle Abnehmer Der A Markt wurde somit anhand der Situationsanalyse in PREN1 und der Dominanzmatrix als das Segment der autonomen Industrieputzroboter festgelegt Der Name Industrieputzroboter wurde so gew hlt weil sofort ersichtlich ist dass der Absatz auf business to business B2B Ebene
64. metallbau boehringer de bilder 500_breit werkstatt 1 500 gif Stand 15 03 2012 Gesamtdokumentation 81 81 17 06 2012
65. mit jeder berall mitreden kann Damit es zu einem positiven Projektabschluss kommen kann muss zudem von Anfang an an alles gedacht werden Keine Details und scheinen sie auch noch so unwichtig sollten vernachl ssigt oder gar nicht ber cksichtigt werden Das beginnt bei der Hauptfunktion und h rt bei der einzelnen Schraube auf Der Teufel liegt nun mal im Detail Je besser man die Details kennt desto besser k nnen auftretende Probleme behoben werden So hat es sich ausgezahlt dass der Regler des Fahrzeuges schon von Beginn an sehr genau betrachtet und ausgelegt wurde Dies wurde im Bereich der Karosserie zu wenig gemacht Aus diesem Grund war hier der Bastelfaktor etwas gr sser und es mussten fters verschiedene Varianten probiert werden was mehr Zeit in Anspruch genommen hat als wenn dies von Beginn weg klar gewesen w re Allgemein sollte in einem Projekt auch das Design von Anfang an genau unter die Lupe genommen werden Dazu geh ren auch vermeintlich vernachl ssigbare Kleinigkeiten wie Befestigungsteile Aber gerade diese sind es bei denen man sich schlussendlich den Kopf zerbricht da meist der Platz in der Konstruktion fehlt Weitere Knackn sse sind die viel zu vielen M glichkeiten die man hat um ein Problem zu l sen Hier wird gefordert dass diese M glichkeiten auch genau berpr ft und mit einander verglichen werden Zeichnet sich eine L sung als nicht realisierbar ab so darf auf keinen Fall noch damit Zeit verschwend
66. n 7 2 4 Geschwindigkeitsvorgabe i n irn c gt Pent xr bei gt Wel 30cm kzi kzi 1 Usp Vmax Ky mit c gt 0 Vsp Vorgabewert f r Geschwindigkeitsregler steuerung Vmax Maximalgeschwindigkeit K Steuerfaktor f r die Geschwindigkeit 7 2 5 Steuergrossen Der Roboter wird einzig ber die zwei Antriebsmotoren gesteuert deren relative Leistungen im Folgenden als f links und fr rechts bezeichnet werden r hvid ii h v 1 d f Geschwindigkeitsfaktor v Geschwindigkeitsvorgabe d Steuergr sse f r die Richtung 1 1 7 2 6 Regelung Der Reglerentwurf f r die Richtung gestaltete sich als relativ schwierig weil sich der Roboter nicht linear verh lt Als Regler wurde ein generischer PID Regler eingesetzt welcher mit Hilfe des Simulink Modells Abbildung 39 des Emulators und experimentell parametrisiert wurde Das gr sste Problem ist die begrenzte Bodenhaftung weshalb direkt vor den Motoren eine Beschleunigungsrampe eingesetzt werden musste Diese f hrt sehr schnell zu instabilem Verhalten was durch die teilweise variierende Zykluszeit des Reglers noch versch rft wird F r die Geschwindigkeit wurde komplett auf einen Regler verzichtet da diese nicht kritisch und nur geringen St reinfl ssen unterworfen ist Es wird also direkt der Term f v gesteuert Gesamtdokumentation 37 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 2 7 Echtzeitproblematik Die Robotersteuerung l uft auf
67. n Zum Softwareteil geh ren die Module der Robotersteuerung und des Emulators Dazu geh rt auch die Bewegungssteuerung mittels eines virtuellen Liniensensors die Verarbeitung des Tiefenbilds der Kinect und die Modellierung des kompletten Roboters in einem Emulator zur Vereinfachung der Softwareentwicklung Die Elektronik des Roboters umfasst einerseits den Single Board Computer TS 7500 und andererseits die Hauptplatine Neben dem Eingangsteil mit Unterspannungsabschaltung und dem DC Motortreiber sind auch verschiedene Schnittstellen zum Anschluss von Servos und Tastern vorhanden Zu berwachungszwecken sind ein RS232 Interface und ein ADC zur Spannungs und Strommessung eingebaut um die Tiefentladung des Akkus zu verhindern Der mechanische Aufbau ist als zweir driges Fahrzeug mit einer Kugelrolle als vorderer Abst tzung ausgef hrt Die beiden R der kombinieren die Navigation als Panzersteuerung mit dem eigentlichen Antrieb bei einer Maximalgeschwindigkeit von ber 2m s Zur Ergreifung des W rfels dient ein Zangengreifer an der Front des Roboters Besonderes Augenmerk wurde auch auf die Befestigung der Kinect Kamera am hinteren Teil des Fahrzeugs gelegt Gesamtdokumentation 2 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 Inhalt Management SUMMArY aa A eRe 2 AbBild ngsverzeichnis rei 5 ABK UrZungsverzeiehnis Giis ee aoe aa 7 T ENUM een 8 2s Markise rer 9 2 1 DORIAN ZI ALIN ee 10 2 2 Auswertung der DominanzZmaltrix
68. n eclipse Password Last login Sat Jun 2 12 14 43 UTC 2012 on rfcomm Linux ts7500 2 6 24 4 1 Wed Jun 8 10 37 39 MST 2011 armv4l The programs included with the Debian GNU Linux system are free software the exact distribution terms for each program are described in the individual files in usr share doc copyright Debian GNU Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY to the extent permitted by applicable law TS image Aug312011 eclipse ts7500 su root Password ts7500 home eclipse Zu diesem Zeitpunkt ist root Zugriff auf das Linuxsystem verf gbar Gesamtdokumentation 69 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 10 4 4 Setup unter Windows Die folgenden Schritte beziehen sich auf Windows 7 mit englischer Spracheinstellung und PuTTY als Terminalprogramm Falls noch nicht vorhanden sollte PUTTY heruntergeladen werden http www chiark greenend org uk sgtatham putty download html Das Programm erfordert keine Installation es kann direkt die ausf hrbare Datei gestartet werden F r eine Bluetooth Verbindung muss vor dem Verbinden im Control Panel Systemsteuerung ein neues Bluetooth Ger t hinzugef gt werden o 2 gu Add a device Select a device to add to this computer Windows will continue to look for new devices and display them here a pren31 Bluetooth mw Other Damit der Roboter gefunden wird muss er eingeschaltet und vollstandig gestartet zwei kurze Piepser
69. n alle Funktionen ohne Verz gerung ausgef hrt werden k nnen Dazu geh ren das Aufheben von Gegenst nden die Orientierung auch bei Dunkelheit und das autonome Ausf hren von Aufgaben wie Aufheben bzw Einsammeln von Gegenst nden und Schmutz Der Betrieb in privaten Haushalten geh rt zu den Wunschforderungen W da diese nicht prim r zum gew hlten A Markt geh ren Die Mindestforderungen M sind der normale Betrieb im Innenbereich und berdachten Aussenbereich Verant Nr Art Bezeichnung Daten Beschreibung wortlich Aufgaben wie Aufheben von Objekten und be Balllone Reinigen von Oberfl chen B den T l z B mit den Aufgaben Aufr umen 2 88 Eee Pausnalle Transportieren Spielen Unterhaltung v 3 M Uberdachter Bei normalen Wetterverhaltnissen dh T i Aussenbereich Windst rke bis zu 4 Beaufort Bei trockenem Wetter und Wind bis zu 4 4 W Aussenbereich Beaufort T 5 IM Innenbereich Normaler Betrieb T Linoleumboden Parkett nur 6 F Basen Kehrmaschine Asphalt er 7 M Temperatur 0 40 C P H 8 M Luftfeuchtigkeit Nicht kondensierend max 80 P 9 W Lichtverh ltnisse Max 5000Ix bei homogener Verteilung P St rfestigkeit nach EN 61000 6 1 2007 19 19 EMN St raussendung nach EN 61000 6 3 2007 Gesamtdokumentation 17 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 3 2 Beispielumgebungen und Programme Der autonome Kehr und Scheuersa
70. nd auslegen Somit wurde eine bersetzung von 1 25 errechnet Dies hatte zur Folge dass die Getriebe zweistufig werden mussten Aus dem Sortiment der Firma Conrad erh lt man die passenden Stirnr der wodurch ein Getriebe mit der ersten Stufe von 10 auf 50 Z hnen und der zweiten Stufe von 12 auf 60 Z hnen entstand Der Modul betr gt 0 5mm Das letzte Stirnrad wurde zus tzlich ber Stifte mit einem Stellring verbunden damit das Stirnrad auf der Welle Abbildung 50 Getriebe das volle Drehmoment problemlos bertragen kann Das Rad wird ber einen Gewindestift auf die Antriebsachse montiert Am anderen Ende der Antriebsachse wird ein Magnet welcher diametral magnetisiert ist befestigt ber diesen kann der absolute Winkel des Rades gemessen werden Genauere Infos dazu sind im Kapitel Elektronik zu finden Die vordere Abst tzung des Fahrzeuges erfolgt ber eine Kugelrolle damit diese eine so geringe Auswirkung auf die Steuerung hat wie nur m glich In der Montage wurden zuerst die beiden Getriebe zusammengesetzt Einerseits ist es der aufw ndigste Teil des Fahrzeugs und anderseits treten hier die gr ssten Komplikationen auf Das Getriebe sollte direkt auf die Grundplatte montiert werden so dass gerade alles zusammen passte Die Schwierigkeit bestand darin die 2 gelagerten Wellen genau ausgerichtet zu montieren Damit die Wellen besser positioniert werden konnten wurden die Lagerbohrungen noch um einen Zehntelmillimeter aufgeb
71. nige Teile optimiert werden Zum Beispiel kann das Fahrgestell aus einem einzigen Kunststoffteil hergestellt werden Somit w re die Anzahl der Teile schon wieder reduziert Ab einer gewissen St ckzahl w rde sich ebenso lohnen einen Motor mit integriertem Getriebe herstellen zu lassen Dies w rde Platz im Fahrzeug schaffen und zus tzlich die Anzahl der Teile senken Was sicher noch reduziert werden muss ist der Montageaufwand Bei diesem Fahrzeug wurde noch zu viel gebastelt Jedoch w rde der Montageaufwand schon wesentlich kleiner wenn die obengenannten Optimierungen durchgef hrt werden Im Falle dass das Getriebe weiterhin selbstgemacht ist ist hier bestimmt am meisten Verbesserungspotential Die einzelnen Bestandteile m ssen klarer und einfacher montiert werden k nnen Dazu muss sicher die Lagerung formschl ssig befestigt werden und nicht mehr geklebt wie bisher Was die Kamera und Karosseriebefestigung betrifft ist sicher auch noch Optimierungsbedarf vorhanden Die Kamera sollte dann nur noch in einer Position befestigt werden k nnen ohne dass noch Einstellungen vorgenommen werden m ssen Je nachdem kann man sich auch berlegen ob man die Kameraelemente welche jetzt in der Kinect enthalten sind im Fahrzeug integrieren kann Dies w rde dann aber wieder einen Mehraufwand in der Konstruktion und somit auch in der Fertigung und der Montage bedeuten Die Verschalung des Fahrzeugs sollte nur ber einfache Steckverbindungen
72. nnnnn 61 9 4 Kinect und Verschalungsbefestigung ceeeeceeeeeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeeeeeeees 63 9 5 Optimierungsvorschl ge f r Serienmodell 2444440004nnn nn 64 10 Bedienungsanleitung 4 444444444HHRRRRnn nn nn nn nn nn 65 10 1 Wichtige Sicherheitsanweisungen uuussssssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 65 102 Leistungsmerkmale u ehe 65 10 3 INBOMIGDNARMG 2 2222 66 10 4 Starten des Programs ecccccccccceeeeseseecceeeeeeeeeeeeseecaacaeeeeeeeeeeeeessneeeeeeeees 66 10 5 Problembehandlung 2 22 ei 73 11 DISKUSSION aran a 75 Gesamtdokumentation 4 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 11 1 Zeitlicher Aufwand 2 0 0 2 cc cece cecccecceeccecceeececceceaeececcuecaueceeeaeeseecuecaeeceecueeneeeeeens 75 11 2 Entwicklungskosten 222 tacos hace k eta ue Nace eke pc hee te tse ie 76 11 3 Lessons Learned 2 0 0 cece ccc eeceececcecceceeceeceeceeaecueceeceeaesaecueceeaeeaecaecueseeaesneeneaes 77 12 1Es1protoKlles meet 78 13 Literaturverzeichnis cccccceceecscececucaecucaececucaecueaeceeueaess 80 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Bisherige Putzroboter Kehrmaschine Wetrok cccccecceeseeceeeeeeeeeeeeeenaaees 11 Abbildung 2 Hako Scheuersaugmaschine uususssssss4ssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 13 Abbildung 3 Dachrinnen Reiniger 4444444400RHHHnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn
73. nnnnnn nennen 56 Abbildung 49 FPGA bersicht u a anna 57 Abbildung 50 Getriebe sirosis rnga see ne nenne 60 Abbildung 54 FEN S mulal nzssna Hase ee ehe 61 Abbildung 51 Ansicht von Oben nee ee ee 61 Abbildung 52 Ansicht von Unten 244444444snnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 61 Abbildung 53 Seitenansicht see 61 Abbildung 56 Verl ngerter und gef rbter Greifer unn44444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 62 Abbildung 55Grelarn ns ee ent eier 62 Abbildung 57 Fuss der Kinectkamera uus4444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 63 Abbildung 58 Kinectbefestigung von unten uuussssssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 63 Gesamtdokumentation 6 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 Abkurzungsverzeichnis F Festforderung M Mindestforderung W Wunsch P Parcours Leiter f r PREN Modulleitung f r Produktivbereich Benutzer T Teammitglieder S Teammitglieder Software jv pb rf H Teammitglieder Hardware pb rf am rr su W Teammitglieder Wirtschaftsingenieur Innovation mr rr pb Philipp Burch rf Remo Frank am Adrian Marti rr Ramon Rohner mr Matthias R egg su Sven Ulrich jv Jean Marc Vogel ADC Analog to digitial converter Analog digital Wandler ARM Advance RISC machine eine Prozessorarchitektur CPU Central processing unit zentrale Recheneinheit Mikroprozessor DDS Direct digital synthesis e
74. nnnnnnnannnnnnnnnnannnnn 14 Abbildung 4 Erfahrungskurve u ee 16 Abbildung 7 Lagerhalle 123i COM ee ee en 18 Abbildung 5 Raum erkennung mit Route aktion kobold vorwerk COM ccceeeeeeeenees 18 Abbildung 6 Grundriss Lagerhalle rau ee en ai 18 Abbildung 8 Grundriss Pr d ktionsh lle 14 ee Ra ka 19 Abbildung 9 Produktionshalle theaustin com 444ssssnnnnnrnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnn 19 Abbildung 10 Grundriss Werkst tte ree e eel 19 Abbildung 11 Werkstatt metallbau boehringer de srns44444nnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnn 19 Abbildung 12 Scheuersaugmaschine reinigungsberater de rsnnnn sr 20 Abbildung 13 x box 360 mit Kinect nee ee een enge 23 Abbildung 14 Neato und Roomba von iRobot www blogcdn com seeeeeeeeeeeeeeteees 23 Abbildung 15 Wetrok Kehrmaschine wetrok ch ssssssssesrensssssssrrrnrnssserrrnrrnnrrsserrrnrrnnensset 24 Abbildung 16 Karcher Scheuersaugmaschine k rcher ch 44444444nnn nennen 24 Abbildung 17 Entwurf Geh use f r PREN sa 2 8 er ae 25 Abbildung 18 Entwurf Fahrzeug f r PREN use nabs deeeead ieee teers asia tees 25 Abbildung 19 Fahrzeug von der Seite und von vorne nnsssssssnnsssssnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 25 Abbildung 20 Entwurf f r Marktanwendung groSS 44444444nsnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnn nenn 26 Abbildung 21 Entwurf f r Marktanwendung klein
75. ohrt Nicht gerade von Vorteil war dass die Lagerungen der Welle beidseitig eingeklebt werden mussten Dazu kam dass der Leim fast eine Stunde brauchte bis er getrocknet war W hrend dieser Zeit konnte nicht weiter montiert werden Ein weiteres Problem war die Genauigkeit der Stirnr der Einige Z hne waren etwas gr sser als die anderen was dazu f hrte dass das Getriebe nicht rund lief Dies konnte man jedoch mit einem Messer sehr gut zurechtschneiden Gesamtdokumentation 60 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 9 3 Greif und Hebemechanismus Als Greifer wurde eine einfache Zange mit einem Modellbauservo als Aktor konstruiert Ein zweites Servo steuert den Hebemechanismus Die Hebelverhaltnisse der Zangenkonstruktion wurden so gew hlt dass mit dem verf gbaren Drehwinkel von etwa 120 den n tigen ffnungswinkel der Zangenarme erreichen l sst Modellbauservos haben den Vorteil dass sie g nstig sind gen gend Drehmoment haben schnell genug und einfach anzusteuern sind Die Abbildung 51 Ansicht von Oben gesamte Zangenkonstruktion wurde aus ABS im 3D Printer hergestellt Abbildung 52 Ansicht von Abbildung 53 Seitenansicht Unten Eine kurze FEM Simulation hat gezeigt dass die Belastungen des Materials sehr gering sind 2 2727e6 Max 2 020286 1 7677e6 L5152e6 1 2627e6 1 010286 7 576485 5 051285 2 5261e5 90 612 Min x 0 0 015 0 03 m EEE gg 0 0075 0 022 Abbildung 54 FEM Simulation
76. okumentation 54 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 8 7 Strommessung der Servos 8 7 1 Beschreibung Wenn das Fahrzeug den W rfel ergreift soll es erkennen k nnen ob es den W rfel in der Zange h lt oder ob es danebengegriffen hat Falls sich der W rfel in der Zange befindet ist der Servostrom h her Wenn er sich nicht in der Zange befindet befindet sich das Servo im Leerlauf folglich ist der Strom kleiner Die Strommessung wurde gleich f r beide Servos realisiert um alle vier Operationsverst rker des TLV2374 und alle ADC Kan le zu ben tzen Die Minus Anschl sse der Servos laufen anstatt direkt auf Masse zuerst ber jeweils einen 50mQ Shunt Widerstand Es wird die am Shunt im Bild R50 abfallende Spannung gemessen verst rkt und so als Strom interpretiert PGND PGND Abbildung 47 Strommessung eines Servos 8 7 2 Messbereich 390k im Loe Die Verstarkung des nicht inv Verstarkers betragt V Mit einem Range von OV bis 3 3V des ADC s ergibt sich f r die Shunt Spannung 3 3V Ushunt 20 82 5mV und f r den Servostrom Iseryo 1 65A Der Servostrom kann also von OA bis 1 65A pro Servo gemessen werden Gesamtdokumentation 55 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 8 8 Optionale Baugruppen 8 8 1 RS232 Interface Eine weitere Kommunikationsm glichkeit bietet die RS232 Schnittstelle Ein geeignetes IC ICL3232 wird hierf r verwendet 8 8 2 Piezo Summer
77. on berechnet anhand des festgelegten Pfades die aktuelle Fahrzeugposition die aktuelle Fahrzeugausrichtung Schnittpunkt und Winkel IST Wert f r PID Regler zwischen virtuellem Liniensensor und Pfad die neue Fahrzeuggeschwindigkeit die neue Richtung anhand des PID Reglers SOLL Wert die Geschwindigkeiten PWM Werte der beiden Antriebsmotoren Neue PWM Werte den Motoren bergeben Falls sich das Fahrzeug seit 188 Durchg ngen nicht mehr bewegt d h Ziel erreicht Routine beenden Gesamtdokumentation 41 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 7 4 Bildverarbeitung Das Modul Bildverarbeitung hat die Aufgabe nach Objekten im Kinect Tiefenbild zu suchen und deren Position zur ckzugeben Die Bildverarbeitung besteht aus folgenden Schritten 7 4 1 Einlesen des Bildes Die HAL liefert das zu untersuchende Bild entweder vom darunterliegenden Kinect Treiber oder der OpenGL Ausgabe des Emulators Die Abmessungen betragen 480x680 Pixel Die Bildpunkte repr sentieren bereits den Tiefenwert an dieser Position in mm Dieser Wert bewegt sich zwischen 400 und 10000mm 7 4 2 Festlegen der zu suchenden Objekte Die Bildverarbeitung kann im Tiefenbild nach mehreren beliebigen Objekten suchen Diese k nnen wie folgt ber die Klasse robot ObjDef definiert werden position Welt Koordinaten des Objektmittelpunktes width Breite des Querschnitts height H he des Querschnitts area Querschnittsfl che searchBox Kasten im
78. r jeweiligen H Br cken Weitere Features des DRV8412 sind die Unterspannungs berstrom und bertemperatur Abschaltung welche mit zwei Ausg ngen OTW und FAULT signalisiert werden Als bertemperatur gilt typischerweise ein Wert von 125 C PGN Abbildung 45 Beschalteter Motorentreiben DRV8412 Gesamtdokumentation 53 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F1201 Team 31 8 6 Encoder Um der Steuerung eine schnelle Ruckmeldung Uber die Bewegung des Roboters zu geben wurde an beiden Radachsen je ein Encoder angebracht Anders als urspr nglich geplant kommen dabei keine selbst gebauten optischen Encoder zum Einsatz sondern integrierte Bausteine mit einem magnetischen Messprinzip Es handelt sich dabei um Encoder des Typs AS5040 vom Hersteller Austria Microsystems AMS Der Winkel des zylindrischen und diametral magnetisierten Abbildung 46 Magnets wird mit 10 Bit 1024 Schritte aufgel st und als Encoderbaustein AS5040 Quadratursignal ausgegeben Bei einem Raddurchmesser von ca 65mm ergibt dies eine Wegaufl sung von 0 2mm Den Ausschlag zur Verwendung dieses Bauelements gab die grosse Aufl sung welche mit einer selbst gefertigten Lochscheibe kaum m glich gewesen w re Ausserdem ist der AS5040 mit einem Preis von 6 51 verglichen mit optischen Encodern sehr g nstig und konnte direkt bei AMS als kostenloses Muster bezogen werden 8 http www ams com eng content download 1285 7214 Gesamtd
79. rt Neben dem Produkt selber werden ausserdem Dienstleistungen wie Wartung Einf hrung und Garantieleistungen angeboten Abbildung 12 Scheuersaugmaschine reinigungsberater de Gesamtdokumentation 20 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Nr Art Bezeichnung Daten Beschreibung I 15 W Verkaufspreis Ab CHF 7 993 W 16 M Qualitat Max 2 fehlerhafte Produkte T 17 M Herstellerkosten CHF 5000 bei einer Serie von 500 Sttick T 4 2 Fahrzeugeigenschaften und Funktionen In nachfolgender Tabelle werden die wichtigsten Eigenschaften und Masse des autonomen Industrieputzroboters aufgef hrt und erl utert Grossen Wert wird auch auf die Sicherheit gem ss den Europ ischen Sicherheitsnormen f r Maschinen 2007 gelegt Nr Art Bezeichnung Daten Beschreibung bebe 18 W Akkulaufzeit 4 Stunden H 19 M Akkulaufzeit 2 Stunden H Automatisches Aufsuchen der Ladestation 20 M Auflagen bei Stromknappheit 5 M glichkeit zur nachtr glichen Montage eines Saugaufsatzes 360 Kameras 21 F Anpassbarkeli B rsten Zusatztanks f r Schmutz gr ssere Akkus Sensoren usw usf i max 100cm breit 22 F e i max 100cm lang H max 70cm hoch i max 90cm breit 23 F a an max 140cm lang H 9 max 100cm hoch Akkulaufzeit eingehalten stabiles Geh use wenn eine Person bis zu 100kg dagegen 24 F Verl ssli
80. rt so kann ber die Schnittpunktberechnung relativ einfach auf den aktuellen IST Wert f r den Regelkreis geschlossen werden Durch die Berechnung der Kreuzprodukte von Roboter aufeinanderfolgenden Richtungsvektoren l sst sich etwas ber die Kr mmung der Strecke aussagen W rfel womit ein Sollwert f r die Geschwindigkeit vorhanden ist Um den Rechenaufwand zu minimieren werden zu jedem Zeitpunkt nur die n chsten paar Streckenabschnitte ab der aktuellen Position Virtuelle ausgewertet Die analysierte L nge sollte damit ca Linie 30cm betragen Abbildung 31 Virtuelle Linie im Emulator 7 2 3 Richtungsbestimmung R P B 7 el LO P t n mit t 0 7 S u So u S S u Lit a ey Ey te Te Soy Ty Sox gt Ty Spx Sry Per Sry Py Srx Sox Sry Soy Srx R Ty Sra Tx Sry Bedingung 0 lt t lt F P Position des Wegpunkts i So Mittelpunkt des Liniensensors in Absolutkoordinaten Abbildung 32 Richtungsbestimmung S Ausrichtung des Liniensensors 90 zur Fahrtrichtung Gesamtdokumentation 36 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Die Variable u enthalt damit den Abstand des Schnittpunktes zum Mittelpunkt des Liniensensors und kann direkt als IST Wert f r den Positionsregler verwendet werden WICHTIG Diese Regelung ist nur f r Vorw rtsfahrt m glich Bei R ckw rtsfahrt muss der virtuelle Liniensensor hinter das Fahrzeug platziert werde
81. rt Uberhaupt nicht 10 5 1 1 Beschreibung Es ist kein Zugriff ber irgendeine Schnittstelle m glich und es leuchtet keine LED auf der Hauptplatine oder nur die rote direkt neben der Sicherung 10 5 1 2 M gliche Ursachen Die Sicherung ist defekt Die Versorgungsspannung liegt unter 12 5V 10 5 1 3 Behebung Kurzschluss entfernen und Sicherung ersetzen 5AT oder 10AT Eine Versorgungsspannung von 13 20V verwenden 10 5 2 Der W rfel wird nicht gefunden 10 5 2 1 Beschreibung Bei der Auswertung des Tiefenbildes wird der W rfel nicht erkannt Der Roboter f hrt direkt ins Ziel ohne zu versuchen den W rfel aufzunehmen 10 5 2 2 M gliche Ursachen Die Kinect ist nicht am r ckseitigen Anschlag und nach vorne geneigt 10 5 2 3 Behebung Den Sensorbalken so nach hinten dr cken dass er auf den beiden Schrauben aufliegt 10 5 3 Regelm ssiger Piepton 10 5 3 1 Beschreibung Der eingebaute Summer piept im Abstand von ca 5s 10 5 3 2 M gliche Ursachen Die Akkuspannung ist unter 14 5V gefallen Das FPGA wurde nicht korrekt zur ckgesetzt 10 5 3 3 Behebung Den Akku laden Den Roboter neu starten 10 5 4 Ein Druck auf den Starttaster hat keine Auswirkung 10 5 4 1 Beschreibung Der Bootvorgang ist abgeschlossen doch ein Druck auf den Starttaster bewirkt nichts 10 5 4 2 M gliche Ursachen Die Kinect konnte nicht gestartet werden Der robot autostartd Deamon wurde beendet Gesamtdokumentation 73 81
82. s gegeben werden 6 1 bersicht 1 Greifarme 2 Lichtschranken 3 Greif Servo 4 Kugelrolle 5 Hebe Servo 6 SBC TS 7500 FPGA 7 Bluetooth Ethernet 3 Gree Tor Sse Abbildung 26 Ubersicht Funktionsmuster 6 1 1 Hardware Der Roboter wird als zweir driges Fahrzeug mit einer Kugelrolle als Vorderst tze realisiert Er wird ber eine Panzersteuerung an den Hinterr dern gelenkt Dazu dienen zwei DC Motoren Die W rfelergreifung erfolgt mittels einer Zange mit zwei Greifarmen die durch einen Servo Motor betrieben werden Das Geh use besteht aus schwarz eingef rbter Glasfaser Der vordere Teil ist mit Magneten befestigt und kann abgenommen werden Zur Objekt und Positionserkennung wird die Tiefenkamera der Microsoft Kinect Sensorleiste eingesetzt Diese liefert ein Tiefenbild 640x480x1 1Bit des Sichtfeldes ab 0 45m bis 6m Die Leiste wird am hinteren Fahrzeugteil m glichst tief montiert Zur Wegmessung werden zwei Encoder an den R dern eingesetzt Als Stromversorgung dient ein Lithium Polymer Akkumulator mit 4 Zellen und einer Nennkapazit t von 2200mAh Gesamtdokumentation 29 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 6 1 2 Software Die zentrale Recheneinheit des Fahrzeugs ist ein Single Board Computer TS 7500 von embeddedARM 250Mhz ARM9 CPU 64MB DDR RAM 4MB Flash 5K FPGA 2xUSB Ethernet Als Betriebssystem ist bereits ein Debian Linux vorinstalliert Die Steuerungssoftware l uft eigenst ndi
83. sein und sich in Reichweite ca 10m je weniger desto besser des Computers befinden Der Roboter hat einen fix eingestellten Schl ssel von 2718 welcher im n chsten Bildschirm eingegeben werden sollte Alternativ kann auch eine Verbindung ohne Schl ssel hergestellt werden Wenn die Verbindung korrekt durchgef hrt wurde erscheint im Device Manager Ger temanager mindestens ein Standard Serial over Bluetooth link Gesamtdokumentation 70 81 17 06 2012 Team 31 TA BA_PREN2 F 1201 File Action View Help en E Display adapters gt fj DVD CD ROM drives b Human Interface Devices b 5 IDE ATA ATAPI controllers b IEEE 1394 Bus host controllers lt 2 Keyboards gt A Mice and other pointing devices E Monitors amp Network adapters Fi Ports amp LPT me Processors 22 SD host adapters Die dort angegebenen Schnittstelle COMx kann anschliessend in PuTTY wie ein normaler serieller Port verwendet werden F r Bluetooth ist die Ubertragungsrate Speed nicht wichtig fur einen regularen seriellen Port muss 115200 Baud eingestellt werden Basic options for your PuTTY session Specify the destination you want to connect to Serial line Speed comel 9600 Comedian type Raw Telnet Rlogin SSH Seral Load save or delete a stored session Saved Sessions Default Settings Gesamtdokumentation 71 81 17 06 2012 TA BA_PREN2 F 1201 Team 31 r
84. t rechts oben Geh ren West und aktuelles Pixel zusammen Dem aktuellen Pixel das Label von West zuweisen Geh ren Nordwest und West zusammen und haben unterschiedliche Labels Labels von Nordwest und West zusammenf hren Geh ren Nord und Nordwest zusammen und haben unterschiedliche Labels Labels von Nord und Nordwest zusammenf hren Geh ren Nordost und Nord zusammen und haben unterschiedliche Labels Labels von Nordost und Nord zusammenf hren Sonst geh ren Nordwest und aktuelles Pixel zusammen Dem aktuellen Pixel das Label von Nordwest zuweisen Geh ren Nord und Nordost zur selben Region und haben unterschiedliche Labels Labels von Nordost und Nord zusammenf hren Sonst geh ren Nordwest und aktuelles Pixel zusammen Dem aktuellen Pixel das Label von Nordwest zuweisen Sonst Dem aktuellen Pixel ein neues Label zuweisen Zusammengef hrte Labels bilden eine Region Pro Region Fl che Koordinate oben links und unten rechts speichern Die Zusammengeh rigkeit von Labels wird in einer doppelt verketteten Liste gespeichert Zwei Labels bzw Labelgruppen werden zusammengef hrt indem Ende und Anfang verkn pft werden In Abbildung 36 wird der Algorithmus abgebildet Das rote K stchen ist das aktuelle Pixel und erh lt das Label 1 seines linken Nachbars Ausserdem wird festgestellt dass der Nachbar oben zur selben Region geh rt Abbildung 36 Connected Component Labeling Gesamtdokumentation 44 81 17 06 2012 TA BA_PREN1
85. ten der Roboterkomponenten sowie eine Routine zur Fahrtsteuerung Gesamtdokumentation 39 81 17 06 2012 TA BA_PREN1 H1101 Team 31 Ausserdem werden im main cpp folgende Einstellungen geladen und festgelegt e abzufahrender Pfad ber Punkte und Bezier Kurven e Geschwindigkeiten auf den einzelnen Pfadabschnitten e zu erkennende Objekte bei der Bildverarbeitung e Verhalten an bestimmten Pfadpositionen ber sog Trigger und Callback Funktionen Abbildung 33 zeigt die aktuellen Parcours Einstellungen Der Ursprung des Koordinatensystems liegt beim Endpylon Vom Fahrzeug aus gesehen zeigt x nach rechts y nach vorne und z nach oben Die Fahrzeugposition bezieht sich immer auf die Mitte der hinteren Achse Die blauen bzw orangen Bereiche stellen die Suchboxen von Pylonen und W rfel Die S Kurve nach dem 2 Tiefenbild darf nicht zu kurz oder zu lang ausfallen da sich sonst die Reglung aufschaukelt oder Abweichungen in x Richtung auftreten Deswegen ist das Ende der S Kurve fr hestens bei 3m sp testens bei 2 2m aber optimal 0 1m vor dem W rfel Bei den Pylonen ist angegeben welche Breite und H he des Querschnitts erwartet wird Der W rfel ist 50 71mm breit und 50mm hoch Max Bereich 3000 3600 S Kurven Ende VE es cee nee es CEEE EEE 870 4 Sr 1 1000 Zt 5 s a g ne l SN Tiefenbild 210 7 J h 850 oO 0 7 N 1 r 500 erlangsa 500 4000 h 700 1000 L en se ae ey eee 10
86. tung erfolgen Weniger Akzeptanz werden Putzfirmen und Reinigungsbetriebe aufbringen denn durch diese autonomen Putzroboter w rden Arbeitspl tze bedroht werden Das Thema Akzeptanz wird auch im Buch Service Roboter Visionen aufgegriffen Ein wichtiger Aspekt dabei ist auch die Akzeptanz dieser Systeme in der ffentlichkeit Diese Akzeptanz wird mit der Sicherheit steigern Schraft 2004 S 31 In der Entwicklung kann auch das Budget von CHF 600 zu den Schw chen gez hlt werden Ausgleichende Strategien ergeben sich durch die Kombination der Schw chen und Chancen Durch das hohe Marktpotential k nnen Skaleneffekte ausgenutzt werden welche im folgenden Kapitel erl utert werden Im Bereich der Risiken sind die neuen Wettbewerber und die Ressourcenkosten wichtig Durch das hohe Wachstumspotential und der Modifizierbarkeit w re eine vorausschauende Vorgehensweise n tig um Umbr che fr hzeitig zu erkennen 2 7 Wettbewerbsvorteile Durch die Basisversion und die zahlreichen Upgrades kann ein grosser Markt anvisiert werden Die Schweiz gilt allgemein als innovativ so auch die Unternehmer Somit ist es m glich schnell viele Abnehmer zu finden Die Orientierung erfolgt mittels Bilderkennung Das heisst dass keine weiteren Installationen wie Linien auf dem Boden oder Laserschranken n tig sind Die Tiefenbildkamera gew hrleistet auch eine Orientierung bei Dunkelheit Zudem ist dadurch bei jedem Ger t auch eine Kamera Instal
87. uger ist f r verschiedene Einsatzgebiete programmierbar Es gibt drei verschiedene Programme e Auto Programm e Auto Programm mit Raumspeicherung e Konfiguration von R umen Das Auto Programm erm glicht die konfigurationsfreie Nutzung des Putzroboters Der Putzroboter kann die Umgebung mit einem Algorithmus welcher die Umgebung schrittweise erkennt aufbauen Im Vergleich zum Hauptkonkurrenten Kobold VR100 welcher den Raum per Laser Erkennung aufbaut und eine Programmierung ben tigt erm glicht der entwickelte Putzroboter eine sofortige Nutzung F r fortgeschrittene Nutzer die feste Fl chen programmieren m chten was in den ersten amp Reinigungszyklen einen Performance Gewinn erm glicht Das Auto x RS a Programm wird dann verwendet wenn die R ume oft umgestellt werden und immer neue Hindernisse auftreten Das Auto Programm mit Raumspeicherung kommt zum Einsatz bei wenig variablen R umen wie z B Lagerhallen mit im Boden verankerten Regalen Auch eine Konfiguration von R umen ist in der mitgelieferten dip U Konfigurationssoftware m glich so kann schon beim ersten Einsatz ss die bestm gliche Route genutzt werden Dies ist vor allem bei Abbildung 5 Raum verwinkelten R umen mit G ngen von Vorteil Ein erkennung mit Route Objekterkennungsalgorithmus erm glicht die Wahl einer effizienten ktion kobold vorwerk com Route wie in Abbildung 5 Das Projekt Mimicry de engadget com zeigt dass mit der Kinect R ume

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