Mobile Autonomic Robot System

Das Projekt M.A.R.S. startete vor einigen Jahren. Nachdem ich einen ROBBY CCRP5 von Conrad Electronics bekommen hatte machte ich mir schnell Gedanken darüber, wie ich selber ein Roboter bauen könnte.

Zunächst war mein Ziel ein ferngesteuertes Auto zu suchen, welches sich vom PC aus fernsteuern lässt. Deswegen kauften mir meine Eltern einen CCRP5. Da dieser allerdings diese Forderung nicht erfüllt, erweiterte ich den Roboter mit einem ER400TRS Funkmodul von Easy Radio. Durch kleinere Erweiterungen wie LED-Scheinwerfer und Funkkamera nannte ich diese "Neukonstruktion" ITIS (lat.: Weg, Reise). Doch schnell erreichte ich die Grenzen und Möglichkeiten vom CCRP5.

So fing ich an mit der Planung von M.A.R.S. zunächst unter dem Namen "Kolumbot".

Aufgaben & Features

M.A.R.S. soll grundsätzlich seine Umgebung wahrnehmen und Aufzeichnen können. Er soll also ein Karte von seiner Umgebung erstellen können. Diese Aufgabe erfordert jedoch viele Unteraufgaben die bewältigt und Probleme die gelöst werden müssen. Augrund der erstellten Karte sollte er dann von einem Punkt A über einen Punkt B zu einem Punkt C fahren können.Außerdem sollte MARS fernsteuerbar sein. Dafür wird Bluetooth verwendet.

• 7 Sharp infrarot Entfernungsmessmodule für Rund-um Kantenerkennung (+ Abgrund)
• 2 ultraschall Entfernugsmessmodule des Typs SRF02, welche Objekte vor dem Robote erkennen
• Kompassmodul
• GPS-Modul
• Bluetooth
• Servos
• Funkkamera
• IR-Interface (kompatibel zu IR-Fernbedienungen)
• volle USB-Unterstützung (Massenspeicher, W-Lansticks, usw)
• W-Lan
• RS-232 Interface
• Display
• Kann Lasten schalten (3 stk)
• Beschleunigungsmessung
• getrennte Boardspannung/Motorspannung
• Linienverfolgung
• Vom Computer aus Fernsteuerbar (Joystick, eigenes Programm mit Anzeige der Sensorwerte)
• Fernsteuerbar mit Bluetooth-Tastatur
• Geräuschortung
• Hauptprozessor wird von zwei Sub-Prozessoren unterstützt
• flexibles Kommunikationsinterface zwischen den Prozessoren

Chassis

Als Chassis habe ich dabei die Wanne, Ketten und Antrieb eines Heng Long Panzers verwendet. Das Chassis besitzt je Seite 5 Laufräder, welche einzeln gefedert sind. Hinten befindet sich das Antriebsrad aus Kunststoff. Die Gleisketten sind ebenfalls aus Kunststoff. Die Motoren sind mit einem Metallgetriebe mit dem Antriebsrad verbunden.

Ein Grundskelett aus einem alten Staba-Metallbaukasten beherbergt die Distanzsensoren und die Funkkamera.

Elektronik

Das Mainboard von M.A.R.S. beinhaltet sämtliche Komponenten. Mittlerweile ist die aktuelle Version des Mainboards Version 6 [28.03.2010].  Insgesamt fünf 7505 Spannungsregler sorgen für eine stabile Spannungsversorgung des Boardes. Die Boardspannung beträgt daher 5V das von einem 9,6V/2000mAh Akku bereitgestellt wird. Die Motorspannung kommt von einem separaten Akku mit 12v/2000mAh. Beide Akkus sind in jeweils in Serie mit einer Sicherung geschützt. Als Motortreiber dienen zwei L293D, jeweils einer für ein Motor. Mit zusätzlichen Kühlkörpern lassen sich große Leistungen erzielen.

Der Hauptprozessor ist ein ATmega 2560 der auf einem RN-Modul montiert ist. Diesen kann man bei Robotikhardware erwerben. Ein Mega332 und ein Mega8 dienen jeweils als Co/Sub-Prozessor.

Auf dem Board sind keine Sensoren direkt eingelötet. Lediglich die Steckplätze befinden sich auf dem Board. Insgesamt 9 Steckplätze für Sensoren mit Spannungsausgang und 10 Steckplätze mit I2C-Bus, einige allgemeine Steckplätze mit UART und einige sensorspezifische Steckplätze.

Sensoren & Module

Das GPS-Modul ist von der Firma Fastrax, das Modul Fastrax IT300. Sie ist mittels UART-Schnittstelle mit dem Hauptprozessor verbunden. Da das Modul ein 3V Pegel benutzt habe ich eine kleine Schaltung entwickelt damit es mit dem 5V-System kompatibel ist.

Features

• iTrax MP compatible
• SiRFstarIII chip set (GSC3-LP)
• Tiny form factor: 16.2mm x 18.8mm x 2.3mm
• Low power consumption: 110mW @ 3.0V
• NMEA & SiRF binary protocols
• Two serial ports
• 1PPS output
• GPIO available for custom purposes
• WAAS/EGNOS/MSAS support

Das Bluetoothmodul ist von der Firma RAYSON. Das Modell BTM-222 ist ein Class 1 BT-Modul. Genauso wie das GPS-Modul kommt hie r auch eine 3v<->5V Schaltung zum Einsatz. Über dieses Modul läuft der gesamte Funkverkehr.

Features

• -Bluetooth Ver. 2.0+EDR certification
• -Transmit Power up to +18dBm(class1)
• -Low current consumption:
• -Hold, Sniff, Park, Deep sleep mode
• -3.0V to 3.6V operation
• -Full Bluetooth Data rate over UART and USB
• -Support up to 7 ACL links and 3 SCO links
• -Enhanced Data Rate(EDR) compliant
• -for both 2Mbps and 3Mbps modulation modes
• -Interface: USB, UART&PCM( for voice codec)
• -SPP firmware with AT commands
• -RoHS Compliant
• -Mini outline: 28.2 X 15.0 X 2.8 mm

Das GP2D120 Entfernungsmodul ist eine Kombination aus einer IR-Leuchtdiode und einem PSD. Dabei wird nicht das Lichtgemessen, welches vom Objekt reflektiert wird gemessen, sondern der Winkel indem das Licht einfällt.

Das SRF02 kompakte Ultraschallmodul zum Messen von Entfernungen zwischen 15cm und 6 Metern wurde speziell für den Robotik-Bereich entwickelt, jedoch auch für zahlreiche andere Anwendungen verwendbar. Der große Unterschied besteht darin das dieser Sensor noch kompakter ist da er mit nur einem Ultraschallwandler auskommt. Dennoch bietet der Sensor bereits eine RS232 und eine I2C Schnittstelle.

Eigenschaften:

• Betriebsspannung 5V (stabilisiert)
• Stromaufnahme nur 4mA (typisch)
• Reichweite 15cm bis 6 Meter
• Schnittstelle RS232 (TTL) und I2CBus
• Ausgabeeinheit wahlweise mm, inch oder uS
• Gewicht Nur 4,6 g
• Größe 24mm x 20mm x 17mm
• Hersteller: Devantech Ltd

Elektronischer Kompass CMPS03 Das Modul ermittelt anhand des Erdmagnetfeldes die genaue Himmelsrichtung in Schritten von 0,1 Grad. Die Orientierung wird dadurch erheblich vereinfacht.
Das Modul arbeitet im Außenbereich als auch in geschlossenen Räumen, die Anwendung ist

äußerst einfach.

Die Kommunikation mit dem Kompassmodul CMP03 erfolgt über den I2C-Bus.

Technischen Eigenschaften:

• 5 Volt Betriebsspannung
• Verbrauch nur- 20mA (Typ)
• Auflösung 0.1 Grad
• Genauigkeit: – 3 bis 4 Grad nach Justierung
• Ausgangssignal 1: Signalpuls von einer 1ms bis 37ms in 0.1ms Schritten. Die Länge des Signales ergibt somit den Grad Wert 0 bis 360 Grad
• Ausgangssignal 2: Das der beliebte I2C Bus. Hier kann die Richtung entweder in dem Bereich von 0 bis 255 oder dem Wertebereich von 0 bis 3599 abgerufen werden. Einfacher geht’s nicht!
• Hersteller: Devantech Ltd

Das I2C Display ist ein superflaches Chip on Glass-Display. Direkter Anschluss an I²C-Bus.

Z-USB ist ein vollständiger USB-Host auf Basis des VNC1L-Chips von FTDI^®, der über SPI oder UART angesteuert den Anschluss von USB-Devices wie Flashsticks, Massenspeicher, Kameras, Handys oder Drucker an Mikrocontrollerprojekte erlaubt. Die Kommunikation über das USB-Protokoll wird dabei vollständig von der integrierten Firmware des Moduls übernommen. Für das Einbinden von PC-Hardware in eigene Systeme sind daher keinerlei USB-Kenntnisse erforderlich; alle Funktionen lassen sich komfortabel über seriell gesendete Befehle kontrollieren.

Das ACC-Modul misst die Beschleunigung in XYZ-Richtung. In Stillstand misst es die

Erdbeschleunigung von 1g. Mittels der Beschleunigung können Kollisionen detektiert und analysiert werden.

Software

Das Hauptprogramm läuft natürlich im Hauptprozessor. Dieser ist dafür zuständig die Sensoren auszuwerten und die Motoren zu steuern. Eine genaue Beschreibung folgt noch…