Inhaltsverzeichnis 1

1  Inhaltsverzeichnis  

1  Inhaltsverzeichnis  1

2  Einleitung  4

3  Aufgabenstellung  5

4  Bestandteile des Roboterfahrzeugs  6

4.1  Robotergestell (Plattform)  6

4.2  Beschaltung der Bestandteile.  9

4.3  Mikrocontroller  11

4.3.1  Eigenschaften des PK2100.  11

4.3.2  Technische Daten des PK2100.  13

4.3.3  Einsatz des PK2100.  16

4.4  Optosensoren  16

4.4.1  Technische Daten des OPB718.  16

4.4.2  Funktionsweise des OPB718  17

4.4.3  Steuerungskonzept auf Basis der Optosensoren  21

4.5  Multiplexer  23

4.5.1  Belegung  23

4.5.2  Funktionsweise  26

4.5.3  Beschaltung  27

4.6  Motorverstärker-Karten  31

4.6.1  Technische Daten  31

4.6.2  Verstärkerschaltung  33

4.6.3  Funktionsweise  35

4.6.4  Verstärkungseinstellung.  35

4.7  Strom- und Spannungsversorgung  36

4.8  Getriebemotoren  37

4.9  LED-Anzeige-Karte  39

5  Regelung des Roboterfahrzeugs.  41

5.1  Grundlagen der Regelungstechnik 7  41

Inhaltsverzeichnis 2

5.2  P-Regler.  42

5.3  I-Regler  44

5.4  PI-Regler.  45

5.5  PID-Regler  46

5.6  Berechnung der PID-Regler-Koeffizienten mit Ziegler- Nichols-  

Methode   48

6  Digitale Filterung der Messwerte.  52

6.1  Filterung.  52

6.2  Digitale Filter.  53

6.3  Messwerte der Optosensoren  55

6.4  Filterentwurf  56

6.4.1  Überblick.  56

6.4.2  Vorüberlegungen  57

6.4.3  Bestimmung der Grenzfrequenz  58

6.4.4  Berechnung der Filterkoeffizienten.  60

7  Echtzeitsysteme.  62

7.1  Betriebsystem  62

7.2  Multitasking.  62

7.3  Task.  62

7.4  Multitasking Betriebssystem.  63

7.4.1  Taskverwaltung.  64

7.4.2  Speicherverwaltung  64

7.4.3  Kommunikation zwischen Tasks  65

7.5  Echtzeitsysteme.  66

8  Programmierung  68

8.1  Programmiersprache „Dynamic C“  68

8.2  „Dynamic C“- Installation.  68

8.3  Programmierung des Mikrocontrollers PK2100  70

8.4  C-Programm  73

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8.4.1  Liste der Variablennamen  73

8.4.2  Struktogramme der Module.  75

8.4.3  Programm  79

8.4.4  kommentiertes Programm.  85

9  Literaturverzeichnis  104

2 Einleitung

Den Traum, dass Maschinen menschliche Fähigkeiten besitzen und insbesondere menschlich handeln können, gibt es schon lange. Man denke an die vielen Science-Fiction Romane, in denen immer wieder intelligente, menschenähnliche Systeme auftreten, wenn auch meistens als böswillige Aggressoren. In der mobilen Robotik arbeitet man an Entwicklungen, um Roboter Aufgaben zukommen zu lassen, die bisher nur von Menschen ausgeführt werden konnten. [1], [2]

Roboter gewinnen zunehmend an Bedeutung in Industrie- und Dienstleistungsbereichen. Dabei bilden die so genannten Roboterfahrzeuge eine wichtige Klasse. Für diese Roboter wird unter anderem gefordert, dass sie sich selbständig in einer unbekannten realen Umgebung bewegen und Aufträge ausführen können.

„Um einen Roboterfahrzeug mit autonomen Fähigkeiten auszustatten, ist es das grundsätzlichste Problem, den Roboter in seiner Umgebung an-hand von Sensor-Daten zu lokalisieren. Roboterfahrzeuge haben Computer eingebaut, die ihnen dezentrale Intelligenz geben, und Sensoren, die die Grundlage der selbständigen Entscheidungsfindung sind.“ [3]

Es ist für einen Roboterfahrzeug sehr schwer, sich in seiner Umgebung zu orientieren. Selbst wenn das Umfeld bekannt ist, braucht er spezielle Sensoren, um sich zurechtzufinden. Die einfachste Möglichkeit zur Orientierung sind auf dem Boden aufgebrachten Markierungen. Indem ein Roboter einer Linie folgt, kann er sehr einfach und mit großer Sicherheit den Weg von einem Punkt zu einem anderen finden.

3 Aufgabenstellung

Unser Projektziel ist es, ein Roboterfahrzeug zu entwerfen und zu bauen, das einer weißen Linie auf einer schwarzen Oberfläche oder einer schwarzen Linie auf einer weißen Oberfläche so schnell wie möglich folgen kann. Die Bahn des Fahrzeugs soll so geregelt werden, dass es Kurven und Bogen ohne Zickzack oder Schwingungen folgen kann. Hierzu ist ein C-Programm zu entwickeln, das folgende Punkte berücksichtigt:

• Regelung der Geschwindigkeit der beiden Rechts- und Linksmotoren,

• Digitale Filterung der Messwerte, die von den Optosensoren ausgegeben werden.

• Ausführen des Programms in Echtzeit durch ein so genanntes „Multitasking-Betriebsystem“. Als Hilfsmittel stehen zur Verfügung:

1. ein fertig aufgebautes Vierradfahrzeug, dessen Hinterräder mit zwei 12 V-Gleichstrommotoren angetrieben werden,

2. eine programmierbare CPU Controller-Karte des Typs PK2100 der Firma Z-World,

3. zwei Verstärker-Karten des Typs MICD9010,

4. zwölf Optosensoren (Reflexlichtschranken) des Typs OPB718 der Firma OPTEK,

5. zwei Batterien des Typs Yuasa 12 V-7 Ah.

4 Bestandteile des Roboterfahrzeugs

4.1 Robotergestell (Plattform)

Das Robotergestell ist die wichtigste "Stütze" des Roboters, auf dem die Räder, die Sensoren, die elektronischen Karten, die Batterien usw.…montiert werden. Das Robotergestell wird aus einem stabilen, gleichzeitig leichten Werkstoff gebaut, z. B. Holz, Aluminium oder Plexiglas.

Der im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit entwickelte Roboter ist aus Aluminium gebaut, er besteht nach Bild 4.1 und 4.2 aus einer viereckigen Plattform, an der in jeder Ecke ein Kunststoff-Rad montiert ist. Die Vorderräder sind leicht dreh- und lenkbar, und die Hinterräder sind durch 2 Achsen und Zahnriemen an je einem zwei Motor befestigt.

Bild 4.1: Vorderansicht des Roboters

4.2 Beschaltung der Bestandteile

Bild 4.6: Sub-D1 Bild 4.7: Sub-D2

Bild 4.8: Sub-D3 Bild 4.9: Sub-D4 Bild 4.10: Sub-D5

4.3 Mikrocontroller

Der Mikrocontroller ist der wichtigste Teil des Roboters. Er besteht aus einer programmierbaren elektronischen CPU-Karte,die den Mikroprozes-sor enthält. Eine solche Karte ist unerlässlich, wenn man einen Roboter "klug" machen will.

Hier kam eine CPU-Karte der Firma „Z-World“ zum Einsatz, ein Mikrocontroller des Typs PK2100, der frei programmierbar ist, insbesondere mit der Programmiersprache „Dynamic C“, eine Sprache, die von der Standard C-Sprache abgeleitet wurde.

4.3.1 Eigenschaften des PK2100

Das Bild 4.11 zeigt den PK2100 mit Gehäuse. Das Bild 4.12 zeigt die Platine.

Der PK2100 ist der am weitesten entwickelte Controller der „Z-World“ Controller-Serien, der direkt mit vielen Sensoren und peripheren Geräten verbunden werden kann, ohne weitere Signalvorverarbeitung zu benötigen.

Eine typische Anwendung des PK2100 ist die Erkennung von Kontakten, Impulsen und die Messung analoger Werte, wie Temperatur oder Druck. Der PK2100 hat zwei eingebaute Relais und kann direkt 10 externe Relais oder Spulen steuern. Er kann analoge Signale ausgeben. Der PK2100 hat als Option ein eingebautes Tastenfeld und eine Flüssigkeits-Kristall-Anzeige (LCD).

Durch den PLC-Bus kann der PK2100 erweitert werden, d. h, er kann mit anderen Mikrocontrollern kommunizieren. Dazu hat der PK2100 drei Kommunikationsmöglichkeiten über die seriellen Schnittstellen der Ty- pen RS-232, RS-485 und RS-422.

4.3.2 Technische Daten des PK2100

Der PK2100 hat

• sieben digitale Eingänge ( „0“ = 0 V, „1“ = 5 V),

• sechs universelle Eingänge, die als Digital- oder Analogeingänge benutzt werden können,

• einen Analogeingang in Differenzschaltung mit hoher Verstärkung,

• zehn Hochstrom Ausgänge zur Ansteuerung induktiver Bauelemente, wie Relais oder Spulen,

• zwei SPDT-Relais 3 A, 48 V (Single Pole Double Throw, siehe Bild 4.13),

• zwei analoge Ausgänge (Spannungsbereich: 0 bis 10 V),

• eine LCD-Anzeige mit 2×20 Zeichen,

• ein Tastenfeld mit 2×6 Tasten,

• eine Schnittstelle als Erweiterung des PLC-Busses,

• eine RS-232 Schnittstelle oder eine RS-485/RS-422 Schnittstelle,

• eine Batterie für das 512 KBytes-RAM,

• ein EPROM bis zu 512 KBytes zur Speicherung von Programm und Daten,

• eine Batterie zur Pufferung von Zeit/Datum. Das Bild 4.14 und die Tabelle 4.2 zeigen die Bedienelemente und Schraubklemmen des PK2100 und deren Belegung.

Bild 4.14: PK2100-Bedienelemente und Lage der Schraubklemmen

Tabelle 4.2: Schraubklemmenbelegung des PK2100

4.3.3 Einsatz des PK2100

Der Mikrocontroller erhält die Signale von den Optosensoren C 0 …C ¹¹ und steuert die Motoren M1 und M2 an. Da 12 Optosensoren im Einsatz sind, braucht man 12 digitale Eingänge. Der PK2100 hat aber nur sieben digitale Eingänge, deshalb wurden zwei Multiplexer benutzt.

4.4 Optosensoren

4.4.1 Technische Daten des OPB718

Die Sensoren sollten so gewählt werden, dass sie einen TTL-Ausgang haben, dazu muss jeder Sensor zwischen schwarz und weiß unterscheiden können, d. h.,

• weiß (helle Oberfläche) ergibt 0 V am Ausgang,

• schwarz (dunkle Oberfläche) ergibt 5 V am Ausgang, Von der Firma OPTEK liegen die gewünschten Reflexlichtschranken vor, und zwar der Typ OPB718 nach Bild 4.15.

Die technischen Daten des Typs OPB718 lauten:

• fokussiert für maximale Empfindlichkeit,

• maximale Empfindlichkeit liegt bei 12,7 mm (Brennweite),

• 114,3 mm Anschlussdrähte.

4.4.2 Funktionsweise des OPB718

Jeder Sensor besteht aus einer Leuchtdiode (Sender), die nach Bild 4.16 einen IR-Strahl zum Boden sendet, der reflektiert wird, wenn die Oberfläche hell ist oder eine weiße Farbe hat. Der reflektierte IR-Strahl wird von einer zweiten IR-empfindlichen Diode empfangen.

Bild 4.16: IR-Reflexion des OPB718, nach Bild 4.18 beschaltet

Der Fotostrom steuert nach Bild 4.17 einen Operationsverstärker an und wird verstärkt. Durch den Schmitt-Trigger wird das verstärkte Signal in ein Rechtecksignal umgewandelt, so dass die beiden Schalttransistoren bei schwarz nicht durchschalten (Ausgang = 1) und bei weiß durchschal- ten (Ausgang = 0).

Um den gewünschten TTL-Ausgang zu bekommen, wird nach Bild 4.18 ein kleiner Widerstand R4=180 zwischen die Betriebsspannung Us und den Ausgang geschaltet, so dass die Versorgungsspannung Us = 5 V am Ausgang liegt, wenn die Transistoren T1 und T2 nicht durchgeschaltet sind. Beim Einschalten der Transistoren liegt das Bezugspotential am Ausgang.

Wegen des sehr kleinen Stroms am Ausgang (I a = 20 mA) ist der Spannungsabfall am Widerstand vernachlässigbar: Gleichung 4.1: V Abfall = 20 mA .180 = 360 mV.

Das Bild 4.19 zeigt die 12 Widerstände R4, die auf einer Platine zwischen zwei 15 poligen SUB-D Buchsen eingesetzt sind.

Bild 4.19: R4-Karte für “open collector“ -Widerstände

Die Belegung der beiden Buchsen SUB-D1 und SUB-D2 ist in Tabelle 4.3 gegeben:

Tabelle 4.3: Belegung der Buchsen SUB-D1 und SUB-D2

Die 12 Sensoren sind nach Bild 4.5 parallel geschaltet und werden durch einen Spannungsregler des Typs L78S05CV mit 5V versorgt. Sie sind in einer Aluminium Profilleiste in U-Form in gleichen Zwischenabständen montiert. Der Abstand zwischen 2 benachbarten Sensoren ist 2 cm. Die Profilleiste ist durch zwei Distanzhülsen vorne auf der Roboterplatform fixiert. Durch zwei kleine Gewindestangen und 2 kleine Federn kann man den Abstand zwischen dem Boden und den Lichtschranken justieren, denn die Empfindlichkeit dieser Sensoren verändert sich stark mit diesem Abstand und ist maximal bei einer Höhe von etwa 12 mm. Von den Sensoren werden 12 TTL-Signale zu den beiden Multiplexern übertragen.