Fahrgestell & Antrieb

Inhalt:

  1. Fahrgestell
  2. Motorisierung
  3. Radencoder
  4. Lenkung

Fahrgestell

Weil ich mich bei vergangenen Projekten häufig sehr viel mit der Konstruktion eines zuverlässigen Fahrgestells aufgehalten habe, wollte ich dieses mal einen fertigen Unterbau verwenden. Dazu habe ich mit im RC Modellbau umgesehen und bin auf ein blankes Fahrgestell (ohne Empfänger, Fahrtregler o.ä.) namens „Reely EB-250TW“ für rund 70 € gestoßen. Das Fahrgestell hat einen Maßstab von 1:10, das heißt das Fahrzeug ist etwa 30-40 cm lang. Das Fahrgestell hat einen Allradantrieb mit Differentialgetriebe. Jedes Rad ist außerdem mit einem Stoßdämpfer versehen.

Motorisierung

Die ursprüngliche Motorisierung ist für meine Zwecke viel zu mächtig, das Fahrgestell wird mit einer Geschwindigkeit von bis zu 30 km/h beworben. Für autonomes Fahren eignet sich vermutlich maximal Schrittgeschwindigkeit, deshalb habe ich den vorhandenen Motor durch einen kleineren Getriebemotor ersetzt. Auf diese Weise habe ich auch die Stromaufnahme des Antriebs auf einen Bruchteil gesenkt.

Das Getriebe des Motors habe ich so modifiziert, dass die Drehzahl zu einer guten Geschwindigkeit führt. Dazu wurden einige Zahnräder aus dem Getriebe entfernt und die restlichen Zahnräder anders angeordnet.

Damit das Motorritzel auf den Getriebemotor passt, musste ich die Motorwelle von 6 mm auf 3,175 mm (1/8 Zoll) abdrehen. Dazu hab ich mangels Drehbank den Motor in meine Fräse eingespannt und bei laufendem Getriebemotor stückweise die Welle abgefräse (siehe Foto). Anschließend habe ich bei stehendem Motor noch eine Abflachung auf der Welle gefräst, damit sich das Ritzel mit einer Madenschraube befestigen lässt. Ich war anfangs etwas skeptisch ob das gut funktioniert, aber das Ergebnis war einwandfrei.

Für die Ansteuerung des Motors habe ich einen normalen Modellbaufahrtregler gekauft, sodass die Geschwindigkeit (vorwärts und rückwärts) über ein PWM-Signal gesteuert werden kann.

Radencoder

Vorlage der Encoderscheibe mit 128 Schritten

Um die Geschwindigkeit des Roboters zu steuern, d.h. die Motordrehzahl genau zu regeln, sind Sensoren notwendig, die die Drehzahl des Motors messen. Um auch in Kurven die unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Heckräder messen zu können, habe ich mich entschieden die Drehzahl der beiden Heckräder zu messen und daraus die Motordrehzahl anzuleiten. Zu diesem Zweck habe ich zwei Radencoder angefertigt. Sie bestehen aus Encoderscheiben, die fix an den Rädern befestigt sind und sich deshalb mit ihnen drehen, und Gabellichtschranken. Die Gabellichtschranken stehen still, zwischen den „Zinken“ der Gabel läuft die Encoderscheibe. Die Encoderscheibe ist abwechselnd transparent und undurchlässig, diese Schritte können mit der Lichtschranke gemessen werden.

Die Encoderscheiben habe ich auf transparenter Folie ausgedruckt. Leider deckt der Laserdrucker nicht so gut, aber die schwarzen Bereiche sind lichtundurchlässig genug für diese Anwendung. Die Encoderscheiben haben 128 Schritte pro Umdrehung. Die eingesetzten Gabellichtschranken sind vom Typ TCST 4103. Für die Lichtschranken habe ich passgenaue Halterungen mit dem 3D-Drucker hergestellt, sodass sich der gesamte Radencoder im Inneren der Felge an Stelle einer Bremsscheibenimitation untergebracht werden konnte. Auf diese Weise sind sie gut vor außeren Einflüssen geschützt.

Die aktuelle Raddrehzahl wird durch einen Mikrocontroller (ATtiny2313) 10 mal pro Sekunde gemessen und vom Motorcontroller ROS-Knoten über den Backbone-Bus ausgelesen.

Lenkung

Achsschenkellenkung Geometrie Zeichnung

Achsschenkellenkung (Wikipedia [CC-BY-SA-3.0])

Bei der Lenkung des Fahrgestells handelt es sich um eine sogenannte „Achsschenkellenkung“, auch als Ackermann-Steering bekannt, wie sie vermutlich jeder von Autos kennt. Im Vergleich zu zweirädrigen Robotern, die sich auf der Stelle drehen können, ist diese Lenkung von der Geometrie und Steuerung ein wenig komplexer zu handhaben. Das Bild auf der rechten Seite zeigt die Geometrie der Lenkung, das Besondere ist, dass die beiden vorderen Räder nicht gleich weit eingeschlagen sind, weil sie unterschiedlicher Radien um den Mittelpunkt M der Kurve haben.

Diese Art der Lenkung hat einen großen Einfluss auf die Steuerung und Wegplanung, die die Einschränkungen dieser Geometrie beachten müssen. Beispielsweise kann das Fahrzeug nicht aus dem Stand direkt nach rechts oder links fahren, sondern es müssen kompliziertere Manöver durchgeführt werden um solch eine Zielposition zu erreichen. Im Gegensatz dazu können zweirädrige Roboter mit Omniwheels direkt in die gewünschte Richtung fahren. Diese beiden sich unterscheidenden Arten von Fahrzeugen bezeichnet man übrigens als holonome (zweirädriger Omniwheel-Roboter)  bzw. nicht-holonome (hier: Ackermann-Lenkung) Fahrzeuge (siehe Holonom).

Die Lenkung wird von einem Standard-Modellbauservo angetrieben. Die Position des Servos lässt sich so einem Lenkwinkel zuordnen.

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