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21.01.2020

Fachartikel: Dunkermotoren liefert Herzstück für mobile Roboterplattform „Horizon XIX“ der Frankfurt University of Applied Sciences

Rover „Horizon XIX“

Studierende der Frankfurt University of Applied Sciences entwickeln die mobile Roboterplattform (Rover) „Horizon XIX“ für den internationalen Studentenwettbewerb „European Rover Challenge“. Der Rover ist für die marsähnliche Aufgaben des Wettbewerbs ausgelegt. Intelligente Dunkermotoren des Typs BG 65S bilden das Herzstück des Rovers, sie treiben das Fahrwerk an.

Frankfurt University of Applied Sciences & European Rover Challenge

Vier Fachbereiche, 70 vielseitige Studiengänge, über 15.000 Studierende, die Frankfurt UAS baut auf die Zukunft – vernetzt, nachhaltig und anwendungsbezogen. Seit dem Wintersemester 2016/17 betreibt der Fachbereich 2: Informatik und Ingenieurwissenschaften, den Masterstudiengang „Mechatronik und Robotik (M.Sc.)“. Die Idee: Die Projekte mehrerer Studenten bündeln, um so anspruchsvolle Themen im Bereich Robotik zu bearbeiten.

Die European Rover Challenge, kurz ERC, zählt zu den größten internationalen Weltraum- und Robotikveranstaltungen der Welt1 und findet seit 2014 in Polen statt. Highlight der Veranstaltung ist der studentische Wettbewerb. Rund 60 Universitäten aus der ganzen Welt bewerben sich für die Teilnahme. Für den Wettbewerb entwickeln und bauen Teams, bestehend aus Studenten einer Universität, einen verhältnismäßig großen teilautonomen „Mars-Rover“. In verschiedenen Disziplinen stellen die Teams ihre Fähigkeiten und Kompetenzen in einem hoch kompetitiven Umfeld unter Beweis.

FRoST & Horizon XIX

Studierende des Studiengangs Mechatronik und Robotik gründeten Ende 2018 „FRoST - Frankfurt Robotics Science Team“ für die Teilnahme an dem studentischen Wettbewerb ERC. 2019 erreichte FRoST mit dem Rover „Horizon XIX“ bei der ersten Teilnahme am ERC den 23. Platz2, von insgesamt ca. 40 qualifizierten Teams.

Horizon XIX ist in vier Kernkomponenten unterteilt, das kettenbasierte Fahrwerk, den 5-Achsen Roboterarm, die Bohreinheit und die Bodenstation. Das Fahrwerk misst 1270 mm x 788 mm in Länge und Breite und verfügt über eine Bodenfreiheit von ca. 220 mm. Zwei mittig im Fahrwerk querliegende, um 180° versetzte, Antriebe von Dunkermotoren treiben das Fahrwerk an, siehe Abbildung „Rover „Horizon XIX“ Draufsicht - Detailansicht ohne Laufwerkskette“. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt über Zahnriemen. Die leistungsstarken Antriebseinheiten von Dunkermotoren bestehen aus dem BLDC-Motor des Typs BG 65Sx50, dem Planetengetriebe PLG 63LL sowie der Bremse/Gebersystem-Kombination E90 + RE30-3-500TI24. Unter Berücksichtigung der Fahrwerksgeometrie sowie den Anforderungen der European Rover Challenge bezüglich der maximal erlaubten Rover-Geschwindigkeit auf 0,5 m/s, ist eine Getriebeuntersetzung von i = 29,4:1 ausgewählt worden. Die exakte Festlegung auf die maximal vorgeschriebene Geschwindigkeit erfolgt per Software. Auf dem Rover selbst, vernetzt ein als „Master“ agierender 32-Bit Mikrocontroller mit Echtzeitbetriebssystem den Rover. Die Bodenstation und der Mikrocontroller tauschen per WLAN IEEE 802.11.a/n Informationen aus. Das Netzwerkprotokoll UDP wird verwendet. Die Ansteuerung der Motoren erfolgt über die Steuerungselektronik BGE 6010 A von Dunkermotoren. Der Steuerungselektronik liegt ein 4-Quandranten-Regler zugrunde. Der Datenaustausch zwischen Steuerungselektronik (Geräteprofil CiA 402) und Mikrocontroller findet via CANopen statt, siehe Abbildung „Rover „Horizon XIX“ – Systemarchitektur Fahrwerk“. Der Mikrocontroller realisiert über die selbst entwickelte CANopen Library die Kommunikation.

Erfolgt ein neuer Fahrbefehl über den Joystick wird zunächst die Bremse gelöst, die CiA 402 Power State Machine wird durchlaufen bis der Zustand „Operational enabled“ erreicht ist. In besagten Zustand ist die Spannung für den Controller zugeschaltet und das Drehmoment freigegeben. Die Joystick Bewegung rechnet der Mikrocontroller in Geschwindigkeiten für die beiden Motoren um und schreibt mittels CANopen Nachricht in die entsprechenden Objektverzeichnisse. Die Steuerungselektronik setzt nun das Anfahren auf die gewünschte Geschwindigkeit um.

Unebenes Gelände auf dem „Marsgelände“ beim ERC 2019 mit teils Medizinball großen Hindernissen überwindet der Rover „Horizon XIX“ problemlos. Das Kettenfahrwerk in Kombination mit den Leistungsstarken Antriebseinheiten von Dunkermotoren ermöglicht eine präzise Steuerung des Rovers in schwierigem Gelände.

Autoren: Evandro Caxala / Sven Erchen, Frankfurt University of Applied Sciences

Weitere Informationen unter:
www.frankfurt-university.de/
http://roverchallenge.eu/
www.instagram.com/frost_fra_uas/
www.dunkermotoren.de


1  roverchallenge.eu/about-erc/
2  roverchallenge.eu/2019/09/15/erc-2019-scores/



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