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. 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.“
Inhaltsverzeichnis
2 Einleitung
3 Aufgabenstellung
4 Bestandteile des Roboterfahrzeugs
4.1 Robotergestell (Plattform)
4.2 Beschaltung der Bestandteile
4.3 Mikrocontroller
4.3.1 Eigenschaften des PK2100
4.3.2 Technische Daten des PK2100
4.3.3 Einsatz des PK2100
4.4 Optosensoren
4.4.1 Technische Daten des OPB718
4.4.2 Funktionsweise des OPB718
4.4.3 Steuerungskonzept auf Basis der Optosensoren
4.5 Multiplexer
4.5.1 Belegung
4.5.2 Funktionsweise
4.5.3 Beschaltung
4.6 Motorverstärker-Karten
4.6.1 Technische Daten
4.6.2 Verstärkerschaltung
4.6.3 Funktionsweise
4.6.4 Verstärkungseinstellung
4.7 Strom- und Spannungsversorgung
4.8 Getriebemotoren
4.9 LED-Anzeige-Karte
5 Regelung des Roboterfahrzeugs
5.1 Grundlagen der Regelungstechnik [7]
5.2 P-Regler
5.3 I-Regler
5.4 PI-Regler
5.5 PID-Regler
5.6 Berechnung der PID-Regler-Koeffizienten mit Ziegler- Nichols- Methode
6 Digitale Filterung der Messwerte
6.1 Filterung
6.2 Digitale Filter
6.3 Messwerte der Optosensoren
6.4 Filterentwurf
6.4.1 Überblick
6.4.2 Vorüberlegungen
6.4.3 Bestimmung der Grenzfrequenz
6.4.4 Berechnung der Filterkoeffizienten
7 Echtzeitsysteme
7.1 Betriebsystem
7.2 Multitasking
7.3 Task
7.4 Multitasking Betriebssystem
7.4.1 Taskverwaltung
7.4.2 Speicherverwaltung
7.4.3 Kommunikation zwischen Tasks
7.5 Echtzeitsysteme
8 Programmierung
8.1 Programmiersprache „Dynamic C“
8.2 „Dynamic C“- Installation
8.3 Programmierung des Mikrocontrollers PK2100
8.4 C-Programm
8.4.1 Liste der Variablennamen
8.4.2 Struktogramme der Module
8.4.3 Programm
8.4.4 kommentiertes Programm
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und Bau eines Roboterfahrzeugs, das in der Lage ist, einer weißen oder schwarzen Linie auf kontrastierendem Untergrund autonom zu folgen. Die zentrale Forschungsfrage liegt in der Implementierung einer stabilen, in Echtzeit arbeitenden Steuerung unter Verwendung eines Mikrocontrollers, um eine präzise Bahnführung ohne unerwünschte Schwingungen zu gewährleisten.
- Regelung der Antriebsmotoren zur Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung.
- Digitale Signalverarbeitung durch Filterung von Sensormessdaten.
- Einsatz eines Multitasking-Betriebssystems zur Echtzeit-Programmsteuerung.
- Entwicklung und Implementierung der Steuerungslogik in der Programmiersprache "Dynamic C".
- Technische Integration von Optosensoren, Multiplexern und Motorverstärkern.
Auszug aus dem Buch
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.
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 durchschalten (Ausgang = 0).
Zusammenfassung der Kapitel
2 Einleitung: Beschreibt die theoretische Relevanz und das allgemeine Ziel der mobilen Robotik sowie die Notwendigkeit von Roboterfahrzeugen für autonome Aufgaben.
3 Aufgabenstellung: Definiert das konkrete Projektziel, die Bahnführung eines Roboters zu automatisieren, und listet die benötigten Hardware-Komponenten auf.
4 Bestandteile des Roboterfahrzeugs: Erläutert detailliert den Aufbau, die elektronische Verschaltung sowie die Spezifikationen von Mikrocontroller, Sensoren, Multiplexern und Antriebseinheiten.
5 Regelung des Roboterfahrzeugs: Führt in die Grundlagen der Regelungstechnik ein und beschreibt die Implementierung von P-, PI- und PID-Reglern zur Spurhaltung.
6 Digitale Filterung der Messwerte: Behandelt die Notwendigkeit und den Entwurf digitaler Tiefpassfilter zur Störunterdrückung der Sensordaten.
7 Echtzeitsysteme: Vermittelt die theoretischen Grundlagen des Multitaskings, der Taskverwaltung und der Anforderungen an ein echtzeitfähiges System.
8 Programmierung: Dokumentiert die Entwicklungsumgebung "Dynamic C", das Vorgehen bei der Programmierung und die konkrete Umsetzung der Algorithmen für die Fahrzeugsteuerung.
Schlüsselwörter
Roboterfahrzeug, Mikrocontroller, PK2100, Echtzeitsystem, Regelungstechnik, PID-Regler, Optosensoren, Digitale Filterung, Multitasking, Dynamic C, Spurführung, Signalverarbeitung, Getriebemotoren, Sensorik, Steuerungssoftware.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit dokumentiert das Design, den Aufbau und die softwareseitige Steuerung eines autonomen Roboterfahrzeugs, das einer markierten Linie auf einem Untergrund folgen soll.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf der mechanischen Konstruktion, der elektronischen Sensor- und Verstärkertechnik sowie der Implementierung eines regelungstechnischen Software-Programms in Echtzeit.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Realisierung einer schnellen, präzisen und schwingungsfreien Bahnsteuerung durch den Einsatz effizienter Regelungsalgorithmen unter Echtzeitbedingungen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein regelungstechnischer Ansatz (PID-Regelung) verfolgt, dessen Parameter mithilfe der Ziegler-Nichols-Methode experimentell bestimmt und zur Optimierung angepasst wurden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die detaillierte Hardwarebeschreibung (Mikrocontroller, Optosensoren, Multiplexer), die regelungstechnischen Grundlagen und die methodische Entwicklung der digitalen Filterung sowie die Softwareimplementierung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Roboterfahrzeug, PK2100, Echtzeitsystem, PID-Regler, Digitale Filterung, Dynamic C, Spurführung.
Wie werden die Signale der zwölf Optosensoren effizient verarbeitet?
Da der Mikrocontroller PK2100 nur über sieben digitale Eingänge verfügt, werden zwei Multiplexer (Typ 74LS153) eingesetzt, um die zwölf Sensorsignale zu verarbeiten und an den Controller weiterzuleiten.
Welche Rolle spielt das Multitasking-Betriebssystem für den Roboter?
Das Betriebssystem ermöglicht die quasi-parallele Ausführung verschiedener Aufgaben (Tasks), wie die Sensorabfrage, die Berechnung der Regelabweichung und die Motoransteuerung, in einem definierten Zeittakt.
Wie wird das Problem der störbehafteten Messwerte der Sensoren gelöst?
Durch den Entwurf eines digitalen rekursiven Filters (Butterworth-Tiefpass) werden hochfrequente Störsignale aus den Messdaten der Optosensoren herausgefiltert.
- Quote paper
- Houssaine Lehna (Author), 2004, Steuerung eines Roboterfahrzeugs, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/54170
