Kapitel IV: Hardware. Inhalt

Transkript

1 Kapitel IV: Hardware Inhalt Kapitel IV: Hardware Hardware allgemein Sensorik Einführung analog vs. digital aktiv vs. passiv Beispiele Effektoren Motoren allgemein Antriebsarten Stabiler Bau Zahnräder, Getriebe, Riemen Hardware Lego Das RCX Legosensoren Copyright: RoCCI e.v. Seite 17

2 1. Hardware allgemein 1.1. Sensorik Einführung Ein Sensor nimmt physikalische Phänomene seiner Umwelt wahr und wandelt diese in elektrische Signale um. Physikalisches Phänomen wie zum Beispiel: Licht, Schall,Temperatur, Gewichtskraft, Magnetfelder,... Sensor wie zum Beispiel: Lichtsensor, Bumper, Lichtschranke,... Elektrisches Signal Die vom Sensor erzeugten elektrischen Signale werden an die angeschlossene Recheneinheit (z.b. RCX) weitergeleitet. Alle Sensoren können in aktiv oder passiv und in analog oder digital eingeteilt werden. Copyright: RoCCI e.v. Seite 18

3 analog vs. digital Digitale Sensoren haben nur zwei Zustände. Ein Bumper ist zum Beispiel entweder gedrückt oder nicht gedrückt. Im Zeit-Spannungsdiagramm ist zu sehen, dass am Ausgang eines digitalen Sensors entweder die maximale Spannung oder gar keine Spannung anliegt. V cc Widerstand Signal Sensor U Signal Analoge Sensoren dagegen haben eine unbegrenzte Anzahl von Zuständen, die lediglich durch das Abtastungsverfahren (Quantisierung) limitiert werden. Ein Lego- Lichtsensor zum Beispiel gibt je nach Helligkeit verschiedene Werte an den Controller weiter. Das Zeit-Spannungsdiagramm zeigt, dass am Ausgang des analogen Sensors eine Vielzahl von Spannungen anliegen kann. V cc Widerstand Signal Sensor U Signal Copyright: RoCCI e.v. Seite 19

4 aktiv vs. passiv Unabhängig davon, ob ein Sensor analog oder digital ist, lässt er sich weiter unterscheiden: Aktive Sensoren verändern ihre Umwelt aktiv (z.b. durch einen Sender), um die gewünschte Messung durchzuführen. Sender Umgebung Empfänger Passive Sensoren nehmen Umweltphänomene auf, ohne auf diese einzuwirken. Umgebung Empfänger Beispiele Beachte: aktiv vs. passiv hat nichts mit analog vs. digital zu tun! aktiv passiv analog Lego-IR-Sensor Abstandsmesser Temperatursensor Magnetfeldsensor digital Lichtschranke Bumper Copyright: RoCCI e.v. Seite 20

5 1.2. Effektoren Motoren allgemein Gleichstrommotor Abbildung 1. Schema eines Gleichstrommotors Je nach Anschluss des Plus- bzw. Minuspols dreht sich der Motor links oder rechts herum. Die Drehgeschwindigkeit hängt von der angelegten Spannung ab. Diese Art von Motoren zeichnet sich besonders durch einfache Ansteuerung, hohe Leistungsfähigkeit, ein großes Angebot an verschiedenen Motoren und den relativ günstigen Preis aus. Einen Nachteil stellt jedoch die sehr geringe Präzision dar. Außerdem gibt es keine Möglichkeit der Wegkontrolle. Der Motor kann nur eine gewisse Zeit ein-, bzw. ausgeschaltet werden. Wenn er in dieser Zeit blockiert wird oder durchdreht wird dies nicht berücksichtigt. Man bekommt keine Rückmeldung, ob der gewünschte Weg auch tatsächlich zurückgelegt wurde. Schrittmotor Abbildung 2. Schema eines Schrittmotors - ist in vier Schritten fertig Copyright: RoCCI e.v. Seite 21

6 Ein Schrittmotor ist ein Gleichstrommotor, bei dem der Rotor (drehbares Motorteil mit der Welle) bei geschickter Wahl der angesteuerten Statorspulen (nichtdrehbarer Motorteil) gezielt um einen Winkel gedreht werden kann. Auf diese Weise kann man in mehreren Schritten jeden Drehwinkel, wenn er ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels ist, anfahren. Da Schrittmotoren (solange sie nicht überlastet werden) exakt dem außen angelegten Feld folgen, können sie ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung (Encoder, Drehgeber o.ä.) genutzt werden (Synchronmotorverhalten). Daher können sie im Gegensatz zu Servomotoren gesteuert betrieben werden. Servos müssen auf Position geregelt werden. Der Schrittmotor weist die selben positiven Eigenschaften wie der Gleichstrommotor auf. Zusätzlich besteht die Möglichkeit die gewünschte Position sehr präzise anzusteuern. Servomotor Ein Servomotor ist ein Elektromotor, der nur bestimmte vorgegebene Winkel ansteuern kann und diese Winkelpositionen auch bei Gegendruck halten kann. Dies wird über ein spezielles Getriebe realisiert. Damit ist eine sehr präzise und auch sehr schnelle Ansteuerung der gewünschten Position möglich Antriebsarten Roboter mit Rädern: Autoantrieb Leerlauf Lenken + Fahren Tricycle Fahren Lenken Copyright: RoCCI e.v. Seite 22

7 Synchronantrieb Alle Räder lenken und fahren Omnidirektionaler Antrieb 120 Roboter mit Ketten: Auf unebenem Gelände besser einsetzbar Höhere Reibung Schwieriger zu bauen Kann keine Treppen steigen Roboter mit Beinen: Können Treppen steigen Sehr viel größerer Konstruktionsaufwand Schwieriger zu kontrollieren und zu programmieren Copyright: RoCCI e.v. Seite 23

8 1.3. Stabiler Bau Eine wesentliche Eigenschaft eines guten Roboters ist seine Stabilität. Folgende Ratschläge können Dir helfen deinen Roboter zu verbessern. Bauteile so verbauen, dass sie nicht abbrechen oder wegfallen können Einzelne Bauteile nicht direkt übereinander, sondern versetzt anbringen Querverbindungen von Trägern schaffen zusätzliche Stabilität (Abb. 3) Plattformen bilden stabile Strukturen (Abb. 4) Falls möglich den Roboter mit einem Griff zum Hochheben versehen Plattform Abbildung 3 Abbildung 4 10 cm Test Zur schnellen Überprüfung der Stabilität eines Roboters kann der 10 cm Test dienen. Hierbei wird der Roboter angehoben und muss einen freien Fall aus 10 cm Höhe unbeschadet überstehen. Copyright: RoCCI e.v. Seite 24

9 1.4. Zahnräder, Getriebe, Riemen Zahnräder: Bei einer Untersetzung nimmt die Geschwindigkeit ab, die Kraft jedoch zu. Untersetzung Zahnrad (8 Zähne) der Motorachse Zahnrad (24 Zähne) der Radachse Bei einer Übersetzung nimmt die Geschwindigkeit zu, die Kraft jedoch ab. Übersetzung Zahnrad der Motorachse Zahnrad der Radachse Getriebe: Es können auch mehrere Zahnräder miteinander kombiniert werden; dann spricht man von einem Getriebe. Copyright: RoCCI e.v. Seite 25

10 Riemen: Riemenscheibe Keilriemen Man kann die Riemenscheiben wie Zahnräder benutzen. Während zwei Zahnräder immer entgegengesetzte Drehrichtung haben, drehen sich zwei Riemenscheiben, die durch einen Keilriemen verbunden sind, immer in die gleiche Richtung. Im Gegensatz zu den Zahnrädern kann man bei den Riemenscheiben aufgrund des Schlupfes (zwischen Riemenscheibe und Keilriemen) kein Übersetzungsverhältnis angeben. Vorteil der Riemenscheibe-Keilriemen-Konstruktion gegenüber Zahnrädern: Kann der Motor, aus welchem mechanischen Grund auch immer, sich nicht weiter drehen, obwohl er angeschaltet ist, so wird der Motor bei der Zahnräder-Konstruktion sehr stark belastet (Abwürgen des Motors). Bei der Riemenscheibe-Keilriemen-Konstruktion verhindert der Schlupf eine zu große Belastung des Motors. Nachteil der Riemenscheibe-Keilriemen-Konstruktion gegenüber Zahnrädern: Aufgrund des Schlupfs bei der Riemenscheibe-Keilriemen-Konstruktion kann die Bewegung nicht genau vorausbestimmt werden. Bei der Zahnräder-Konstruktion kann die Bewegung vorausbestimmt werden. Copyright: RoCCI e.v. Seite 26

11 2. Hardware Lego 2.1. Das RCX Infra-Rot-Schnittstelle: Mit dieser Schnittstelle, kann das Programm über den USB- Tower auf das RCX geladen werden. View Taste: Hiermit können die Werte der Sensoren ausgelesen werden. Ein kleiner Pfeil im Display zeigt an, welcher Sensorwert ausgewählt ist. Prgm Taste: Hiermit kann zwischen den auf dem RCX gespeicherten Programmen gewechselt werden. Das momentan ausgewählte Programm wird auf dem Display angezeigt. Auf dem RCX können bis zu 5 Programme gleichzeitig gespeichert werden; abhängig von Firmware und Programmgröße. Run Taste: Startet das ausgewählte Programm. Motor-Ausgänge: Die Motoren werden an den Motorausgängen (A,B,C) angeschlossen. Sensor-Eingänge: Die Eingänge der Sensoren sind mit 1, 2 und 3 bezeichnet. Copyright: RoCCI e.v. Seite 27

12 2.2. Legosensoren Misst... Art Werte Besonderheit IR-Lichtsensor Infrarotlicht Aktiv, Analog 0 % bis 100 % IR-Lichtsensor ohne Sendediode Infrarotlicht Passiv, Analog 0 % bis 100 % Sendet kein IR-Licht mehr Bumper Berührung Passiv, Digital 0 oder 1 Rotationssensor Umdrehung / Rotation Passiv, Analog - bis + Temperatursensor Temperatur Passiv, Analog -20 C bis +50 C Magnetfeldsensor Erdmagnetfeld Passiv, Analog 0 bis 79 Muss richtig gepolt angeschlossen werden Copyright: RoCCI e.v. Seite 28