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Analoge Steuereinheit für mobile Roboter
Lötbausatz zum Experimentieren Für Fischertechnik Mini-Bots und andere Roboterplattformen (bis 80 mA, für höhere Ausgangsströme auf Anfrage) Vielfältige Schaltungen und Funktionen Benötigt keine Programmierung Patentierte Sensortechnologie
Einleitung Wir freuen uns, dass Du Dich für diesen Bausatz für mobile Roboter entschieden hast. Diese Steuereinheit eröffnet Dir einen neuen und spannenden Zugang zu analogen Verstärkerschaltungen. Bestimmt wirst Du damit lange Zeit Spaß und Abwechslung am Experimentieren und Tüfteln haben. Die „Sinneseindrücke“ werden mit Hilfe von lichtempfindlichen Sensoren gewonnen. Durch deren besondere Anordnung kann dein Roboter präzise navigieren und sensibel auf sein Umfeld reagieren. Die „Gehirnzellen“ zum Steuern der Motoren sind vier Operationsverstärker, die über zahlreiche Steckplätze variabel mit Widerständen und Kondensatoren beschaltet werden können.
Die Experimentierplattform
Die Steuereinheit kann viel:
Überraschende Fahrmanöver durch sensibles Reagieren auf Licht und Schatten
Fernsteuerung mit Taschenlampen
Folgen von unterschiedlichen Gegenständen
Folgen von dunklen oder hellen Linien
Interaktion mit anderen Robotern via Infrarot-Licht
Ausweichen vor Hindernissen und Vermeiden von Kollisionen
Kombinationen verschiedener Funktionen
Übersicht der Bauteile 1 1 5 6 4 2 1 1 1 4
rote Steuerplatine Schalter stehend (S2) Fototransistoren (T1, T2, T3, T4, T5) IR-LEDs (IR1R - IR3R, IR1L - IR3L) LEDs 5 mm (L1R, L2R, L1L, L2L) LED-Fassungen schwarzes Klebeband Schrumpfschlauch (3.2 mm) Sortimentsbox & Schiebedeckel Dioden
2 Doppeloperationsverstärker (IC1,IC2) 2 Potentiometer 10 MΩ (P1, P2) 10 Widerstandsbrücken 0 Ω 1 Widerstand 4.7 Ω 1 Widerstand 10 Ω 2 Widerstände 47 Ω 6 Widerstände 1 MΩ 6 Widerstände 2.2 MΩ 6 Widerstände 4.7 MΩ 6 Widerstände 10 MΩ
12 Sockel 2-polig 2 Sockel 3-polig 4 IC-Sockel 6-polig 6 IC-Sockel 8-polig 4 IC-Sockel 14-polig 2 Kondensatoren 10 nF 2 Kondensatoren 22 nF 2 Kondensatoren 47 nF 2 Kondensatoren 100 nF 2 Kondensatoren 220 nF
Merke: IC1 beinhaltet die beiden Operationsverstärker (dreieckige Schaltsymbole) OP1R und OP1L. IC2 beinhaltet OP2R und OP2L. In dieser Anwendung wird jeder Motor von jeweils zwei OPs angesteuert.
4. Setze auf der Rückseite der Platine zwei 3polige und zwei 2-polige Sockel an den markierten Stellen ein und verlöte diese auf der Oberseite. 5. Die 5 Fototransistoren haben ein transparentes Gehäuse mit einer roten Punktmarkierung und unterschiedlich langen Beinchen. Die gewölbten Linsen müssen nach außen gerichtet sein. Verlöte drei dieser Fototransistoren T1, T3 und T5 an den entsprechenden Markierungen. 6. Löte die Anschlüsse für die Stromversorgung (Mitte) und die beiden Motoren wie dargestellt auf die Unterseite der Platine. Achte dabei auf die richtige Polung. Merke: Um sich vorwärts zu bewegen, muss die Spannung an MR1 (roter Stecker) größer als an MR2 (grüner Stecker) sein und die Spannung an ML1 (grün) muss niedriger als an ML2 (rot) sein.
Vorbereitung und erste Inbetriebnahme 1. Baue Deinen Fischertechnik Roboter z.B. wie in diesem Bild dargestellt auf oder verwende eine andere Roboter-Plattform.
Adaptiere Deinen Mini-Bot, um die Steuereinheit daran zu befestigen. Verbinde die Anschlüsse zu den Motoren.
2. Kürze von den verbleibenden beiden Fototransistoren T2 und T4 (rote Punktmarkierung) die Anschlüsse entsprechend der Abbildung. Löte an die Enden der Fototransistoren jeweils ein Kabel. Achte auf die richtige Polarität (C -> rot / E -> grün). Löte an das andere Ende der Kabel jeweils einen 2-poligen Sockel.
Stecke anschließend diese beiden 2-poligen Sockel in die 3-poligen Sockel der Steuerplatine, so dass jeweils die zur Mitte gelegene Buchse frei bleibt und die gewölbten Linsen der Sensoren nach vorne gerichtet sind. Bei der Befestigung der Sensoren am Roboter dürfen sich deren Kontakte nicht berühren. Alternativ können auch die Fototransistoren von Fischertechnik verwendet werden.
7. Die in der Abbildung dargestellte Testschaltung bietet Dir die Möglichkeit, die Geschwindigkeiten der Motoren bei Bedarf durch einen Vorwiderstand anzugleichen. Für diesen Abgleich werden die vier Operationsverstärker voll ausgesteuert. Nutze die 14-poligen Sockel, um die [+] und [–] Eingänge der OPs OP1R und OP1L entsprechend der Abbildung über je einen 1 MΩ Widerstand und eine 0 Ω Widerstandsbrücke mit der Versorgungsspannung (quadratische Lötpads mit [+] bzw. [–] Markierung) zu verbinden. Verwende anschließend die 8-poligen Sockel um die [+] und [–] Eingänge von OP2R and OP2L jeweils mit einem 10 MΩ Widerstand mit der Versorgungsspannung bzw. den Ausgängen von OP1R und OP1L zu verbinden. 8. Verbinde entsprechend der Abbildung zunächst beide Motoranschlüsse MR1 und ML1 direkt über je eine 0 Ω Widerstandsbrücke mit den Ausgängen von OP1R und OP1L. Fährt dein Roboter nach dem Einschalten eine Kurve, so ersetze die 0 Ω Brücke vor dem schnelleren der beiden Motoren durch den 4.7 Ω Widerstand oder den 10 Ω Widerstand , so dass der Roboter möglichst exakt geradeaus fährt. Dieser Widerstand bleibt dann für alle Schaltungen bestehen.
Merke: Der rechte Motor dreht vorwärts, wenn die Spannung am [–] Eingang von OP1R kleiner als am [+] Eingang ist. Der linke Motor hingegen dreht vorwärts, wenn die Spannung am [–] Eingang von OP1L größer als am [+] Eingang ist. OP2R und OP2L invertieren die Ausgangssignale von OP1R und OP1L, sodass die Motoren in beide Richtungen mit maximaler Geschwindigkeit drehen können.
Kurze Einführung zum Operationsverstärker Ein Operationsverstärker (OP) hat einen [–] Eingang, einen [+] Eingang und einen Ausgang sowie zwei Anschlüsse [+/–] für die Stromversorgung.
Der OP verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen dem [+] Eingang und dem [–] Eingang. Weil diese Verstärkung jedoch für die meisten Anwendungen viel zu hoch ist, wird vor den [–] Eingang ein Widerstand (R1) gesetzt und das Ausgangssignal Out über einen weiteren Widerstand (R2) an den [–] Eingang zurückgeführt. Durch die Rückkopplung regelt der OP den Ausgang Out so, dass sich die Spannung am [–] Eingang jener am [+] Eingang angleicht. Im Diagramm beträgt die Versorgungsspannung U = 9 V.
Die Signale In+, In– und Out der Verstärkerschaltung sind als Spannungspfeile bezogen auf GND (0 V) dargestellt und stehen über den roten Balken in Zusammenhang. Beispielsweise ergibt sich für die Eingangsspannungen In– = 6 V und In+ = 5 V die Ausgangsspannung Out = 3 V. Die horizontale Lage des Pfeiles In+ ist durch das Verhältnis der Widerstände R2/R1 (2MΩ/1MΩ) festgelegt und bestimmt die Verstärkung A der Schaltung folgendermaßen: a) Wird In– z.B. um 1 V erhöht (und In+ konstant gehalten), so verringert sich Out um 2 V. In diesem Fall ergibt sich eine negative Verstärkung A = –R2/R1 = –2. Diesen Zusammenhang wirst Du nun gleich beim „Lichtfolger“ nutzen. b) Bleibt jedoch In– konstant und wird stattdessen In+ um 1 V erhöht, so erhöht sich Out um 3 V. Die Verstärkung A = 1+R2/R1 = 3 ist nun positiv. Diesen Zusammenhang wirst Du später für den „Linienfolger“ nutzen. Für weitere Informationen über die Funktionalität der Steuereinheit lese bitte die Anleitung zum Roboter tibo oder unsere Blog-Artikel:
variobot.com/downloads variobot.com/blog
Wie baut man einen Lichtfolger Diese Schaltung lässt deinen Roboter mit Hilfe der drei Sensoren T1, T3 und T5 autonom navigieren. Die beiden Sensorsignale InR und InL steuern über OP1R bzw. OP1L jeweils einen der Motoren (rundes Schaltsymbol). OP2R und OP2L invertieren diese Motorsignale nach einer kurzen Verzögerung (abhängig vom 220 nF Kondensator), um die Rotationsrichtung der Motoren zu wechseln. Da die Steuerung immer auf relative Lichtverhältnisse reagiert, findet sich diese bei unterschiedlich starker Beleuchtung zurecht, ohne selbst Licht aussenden zu müssen. 1. Adaptiere die Schaltung entsprechend dem Schaltplan (2M2 bedeutet 2.2 MΩ, 220n bezeichnet die beiden 220 nF Kondensatoren). Zur einfachen Orientierung sind alle Steckplätze durch Buchstaben von A bis E und Ziffern von 1 bis 8 gekennzeichnet. Kontrolliere zur Sicherheit, ob die Komponenten entsprechend dem Schaltplan durch die Leiterbahnen der Platine verbunden sind. 2. Stelle das Potentiometer (Poti) P1 mit Hilfe eines kleinen Schraubendrehers zunächst in die Mittelstellung auf etwa 5 MΩ.
3. Beobachte, wie sich dein Roboter verhält. Justiere wenn nötig den relativen Lichteinfall der Sensoren, indem Du diese z.B. mit Fischertechnikbausteinen abschattest. Dreht dein Roboter z.B. meistens nach rechts (der rechte Motor dreht rückwärts), so bekommt der rechte Sensor T5 zu viel Licht. Schatte also T5 etwas ab. Fährt er gar nicht vorwärts, obwohl er freie Bahn hat, so schirme sowohl T1 wie auch T5 etwas mehr ab. Aber nicht zu viel! Sonst wird dein Roboter blind. 4. Beobachte nun, wie der Roboter auf Licht und auf verschiedene Hindernisse reagiert. Welche Rolle spielt die Helligkeit und die Größe der Hindernisse? Welchen Einfluss hat das Poti P1? Wird P1 verringert (Poti nach links gedreht), so tendiert der Roboter dazu, rückwärts zu fahren bzw. die Fahrtrichtung zu wechseln. Wird P1 erhöht, so fährt er eher vorwärts und dreht evtl. weniger stark. 5. Teste unterschiedliche Verstärkungen und Dämpfungen, indem Du die Widerstände R(D7) bzw. die Kondensatoren C(D8) variierst.
Wie baut man einen Linienfolger Mit dieser Schaltung kannst Du Deinen Roboter eine dunkle oder helle Linie folgen lassen. Die in Reihe liegenden Sensoren T2 und T4 liefern das Spannungssignal InM, welches durch OP1R und OP1L verstärkt wird und beide Motoren ansteuert. 1. Adaptiere die Schaltung entsprechend dem Schaltplan. Für maximale Geschwindigkeit stelle das Poti P2 ganz nach Links auf 0 MΩ. 2. Verwende einen hellen Untergrund mit gleichmäßiger und ausreichend starker Beleuchtung von oben. Achte darauf, dass kein unmittelbares Licht die Sensoren beeinflusst. 3. Klebe mit dem schwarzen Isolierband eine gewünschte Fahrspur auf den Untergrund. 4. Setze den Roboter auf die Linie. 5. Fährt er nicht in der Mitte der Spur, so kannst Du T2 und T4 abgleichen. Fährt der Roboter z.B. zu weit rechts auf der Linie oder verlässt diese gar, so bekommt der linke Sensor T2 zu viel Licht. Schirme diesen etwas ab, indem Du den roten 5 mm Baustein etwas mehr davor schiebst.
6. Justiere mit P2 die Geschwindigkeit des Roboters. 7. Teste, wie er sich bei unterschiedlich breiten Linien, Kreuzungen oder Abzweigungen verhält. 8. Teste unterschiedliche Verstärkungen und Dämpfungen, indem Du die Widerstände R(A6), R(B7), R(D7 oder die Kondensatoren C(E8) variierst. 9. Die beiden zusätzlichen 4.7 MΩ Widerstände R(D3) bewirken eine Geschwindigkeitsreduktion beider Motoren, sobald der Roboter seine Richtung ändert. Teste, wie es ohne diese beiden Widerstände funktioniert. 10. Lasse ihn, anstatt Linien zu folgen, kleine dunkle Gegenstände vor sich her schieben. 11. Platziere T2 und T4 auf den inneren Steckplätzen der entsprechenden 3er-Sockel, um Deinen Roboter einer hellen Linie (z.B. Papierstreifen) auf dunklem Untergrund folgen zu lassen.
