Projektlabor Robotik MINTgrün

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=====Marsroboter=====

===Einführung===

Der (Marsroboter) ist inspiriert von dem Robotor Eve aus dem Film Wall-E...

oder:

Der (Marsroboter) ist inspiriert von echten Marsrobotern/-rovern, die Messergebnisse aufnehmen und damit unter anderem Erkenntnisse über etwaiges Leben auf dem Mars gewinnen sollen. Unser Roboter soll einen Platz finden, an dem Leben möglich ist, beziehungsweise die besten Lebensbedingungen im Vergleich zur restlichen Umgebung herschen.

...

Damit Leben, wie wir es kennen, auf einem Planeten möglich wird, muss unter anderem Sauerstoff, Licht, Wasser und die passende Temperatur vorhanden sein. Da wir unseren Roboter leider nur auf der Erde ausprobieren können, gehen wir mal davon aus, dass in unserem Testraum/-gebiet Sauerstoff vorhanden ist. 
Der Roboter soll also Helligkeit, Luftfeuchtigkeit/Feuchtigkeit und die Temperatur messen und mit diesen Werten den besten Platz für eine Pflanze finden, an dem ihr Überleben sichergestellt werden kann.
Als Pflanze haben wir eine Kartoffelpflanze ausgewählt und damit der Roboter es nicht zu schwer hat, wollen wir für ihn das "perfekte" Ziel aufbauen. Das soll aus einer Wärmelampe, Glühlampe und einem Luftbefeuchter bestehen.

===Ziele und Prioritäten===

__Must-Haves:__  Unser Roboter soll sich **selbstständig bewegen**, ohne gegen Hindernisse zu stoßen. Dabei soll er Daten mit Hilfe von **Licht**-, **Temperatur**- und (**Luft**)**Feuchtigkeitssensoren** aufnehmen und mit Hilfe dieser abschätzen, ob eine Stelle z.B. für eine Kartoffel-Pflanze geeignet ist. Ist ein Parameter erfüllt, so soll das durch **verschiedenfarbiges Blinken** (jeweils eine Farbe für einen Sensor z.B. gelb für helle Stelle, rot für ausreichend warme Stelle und blau für Stelle, die feucht genug ist) angezeigt werden. Sind alle Werte optimal, so soll ein **akustisches Signal** erzeugt werden.

__Should-Haves:__ Es wäre gut, wenn der Roboter auch die **Bodenfeuchtigkeit** messen könnte und eine **Kartoffel-Pflanze** oder **Samen einer anderen Pflanze** zu der optimalen Stelle **bewegt**, und diese auch an jener Stelle **absetzt**. 

__Nice-To-Have:__ Wenn das Einpflanzen nicht stattfinden sollte, so könnte der Marsroboter mit Hilfe einer Kamera ein **Foto der Stelle** machen und die **GPS-Daten** des Ortes übermitteln. Außerdem wäre es nett, wenn der Roboter zusätzlich zur Feuchtigkeit auch den **pH-Wert des Bodens** misst und auswertet. Sollte dann noch Zeit bleiben, könnte man versuchen, den Marsroboter so zu programmieren, dass er z.B. mit Hilfe einer NFC Karte in einen Modus wechselt, in dem er **von außen steuerbar** ist.

===Teilaufgaben und Arbeitspakete===
  - Messungen
  - Fortbewegung
  - Signalausgabe

==1 Messungen==

Wir wollen, dass unser Roboter mit Hilfe von Phototransistoren, Infrarotthermomtern und Feuchtigkeitssensoren seine Umgebung abscannt, und sich je nachdem wie die Werte ausfallen im Raum orientiert. Die optimale Umgebung wollen wir für die Vorführung mit verschiedenen Mitteln künstlich erschaffen.

__Lichtintensität:__ Die Lichtintensitätsmessung soll ähnlich funktionieren wie wir es schon in Hausaufgabe 4.2 gemacht haben. Ein Servo-Motor, der mit 2 Phototransistoren ausgestattet ist, soll auf dem Roboter befestigt werden. Mit diesen Sensoren sucht der Roboter dann einen vorher festgelegten Lichtintensitätswert.
Ein Ablauf könnte wie folgt aussehen:
Messung --> Ergebnis--> Orientierung im Raum --> Räder des Roboters Drehen sich n-mal (Roboter fährt in neu festgelegte Richtung)--> Messung-->Ergebnis--> Orientierung im Raum…

Den optimalen Lichtintensitätswert wollen wir mit einer Lampe erzeugen. Damit der Roboter auch diesen Bereich finden kann, wollen wir zunächst die Lichtintensität in der Umgebung der Lampe messen und uns an diesem Wertebereich orientieren

__Temperatur:__ Die Temperaturmessung soll ähnlich ablaufen wie die Lichtintensitätsmessung. Daher benötigen wir hierfür auch zwei Infrarotthermometer, die sich auf einem Servomotor befinden.
 
Im Labor gibt es bereits zwei unterschiedliche Infrarotthermometer: Das eine arbeitet mit einem größeren Winkel und ist billiger, und das andere misst in einem kleineren Winkel, dafür aber auf einer größeren Distanz zum Objekt und ist teurer.

Wenn wir das Prinzip aus der Lichtintensitätsmessung anwenden wollen, so wären der zweite Sensor-Typ praktischer. Da dieser jedoch teurer ist könnte man möglicherweise auch zwei Sensoren des ersten Sensor-Typs nehmen und deren Winkel verkleinern, in dem man kleine Rohre an ihnen befestigt. 
Um die optimalen Temperaturwerte zu erzeugen und zu messen, wollen wir eine Wärmelampe benutzen.

__Feuchtigkeit:__ Die Luftfeuchtigkeitsmessung könnte, wenn zwei Luftfeuchtigkeitssensoren zur Verfügung stünden, auch nach dem oben genannten Prinzip ablaufen. 
Eine Alternative wäre, den Roboter selbst zu bewegen, so dass der Microcontroller verschiedene Daten sammeln kann, und sich in die Richtung bewegt, die der optimalen Luftfeuchtigkeit am nächsten kommt.

Die Luftfeuchtigkeit soll mit Hilfe einer Luftbefeuchtungsmaschine künstlich erzeugt werden.

Die Bodenfeuchtigkeit könnte man entweder mit einem speziellen Sensor oder alternativ mit zwei Metalldrähten messen. Diese könnten in noch zu bestimmenden abschnitten mit Hilfe eines Hubmagneten in die Erde gesteckt werden, so dass dort eine mit der Bodenfeuchtigkeit zusammenhängende Spannung gemessen werden kann. Eventuell könnte man dies Konstruktion auch mit einem pH-Meter verbinden.

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Insgesamt soll der ganze Ablauf ungefähr so aussehen:

Suche nach der optimalen Lichtintensitätsmessung -- Fahren --> optimale Lichtintensität gefunden----> Suche nach der optimalen Temperatur in diesem Bereich -- Fahren --> optimale Temperatur gefunden ----> Suche nach optimaler Luftfeuchtigkeit in diesem Bereich -- Fahren --> optimale Luftfeuchtigkeit gefunden ( + eventuell Suchen und Finden den optimalen Werten für Bodenfeuchtigkeit und pH-Wert )

Materialliste

	                                                            
  * Hubmagnet	                                                         1x
  * Servomotor	                                                         2x
  * Phototransistoren                                                    2x
  * Infrarotthermometer	                                                 2x
  * DEBO BO DHT 11 (Luftfeuchtigkeitssensor)	                     1 - 2x
  * Arduino Nano	                                                 1x
  * Widerstand (für Phototransistoren)	                                 1x
  * (Metalldraht [für Bodenfeuchtigkeit]	                         1x)
  * (pH-Sensor z.B. Gravity: Analog pH Sensor / Meter Kit For Arduino    1x)


==2 Fortbewegung==
Um die Messwerte an verschiedenen Orten aufzunehmen und schließlich zu dem Ziel zu gelangen, muss der Roboter sich fortbewegen können. Dazu soll er autonom geradeaus fahren, je nach Messwerten die Fahrtrichtung ändern und Hindernissen, wie zum Beispiel den Wänden, ausweichen können. Das Fahren soll durch zwei mit Schrittmotoren angetriebene Räder und einem Rad als Stütze realisiert werden. Mit einem Ultraschall-Abstandssensor vorne am Roboter soll die Entfernung zu Hindernissen gemessen werden. Ab einer bestimmten Entfernung z.B. 30 cm, soll der Roboter anhalten sich zum Beispiel um 45° drehen und dann erneut messen, mit der Folge entweder geradeaus weiterzufahren oder sich noch weiter zu drehen. Eine Schnittstelle zu der Teilaufgabe Messungen besteht darin, dass die Fahrtrichtung entsprechend der Messwerte angepasst werden soll. Wenn die Fahrtrichtung und die Richtung der „besseren“ Messwerte nicht übereinstimmen soll die Fahrtrichtung dementsprechend angepasst werden. Das soll einerseits so ähnlich wie bei dem Ausweichen stattfinden, durch Drehung und Prüfen und andererseits soll die Differenz der Fahrtrichtung und der Messrichtung berechnet und um diese Gradzahl gedreht werden. 

Als Schleifen gleichzeitig auszuführen:

Entfernung messen -> 
-> wenn Entfernung zu gering -> Drehen
-> Geradeausfahren 

Richtung mit Messwerten überprüfen -> 
-> keine Übereinstimmung -> Drehen
-> Übereinstimmung -> Geradeausfahren

…Skizze…

==Arbeitspakete==
  * Entfernung Messen
  * Geradeaus fahren, gleichzeitig Entfernung messen
  * Drehen: Räder getrennt voneinander drehen, wie viel Grad Drehung Roboter entspricht wie viel Grad Drehung der Räder
  * „Blick“-/Fahrtrichtung mit Zielrichtung vergleichen und anpassen
  * (Moduswechsel mit NFC-Signal)
  * (externe Steuerung mit Computer)


==Schnittstellen zu anderen Teilaufgaben==
Das Fahren und Ausweichen allein kann ohne die anderen Teilaufgaben realisiert werden. Das Anpassen bezüglich der Messwerte kann aber erst realisiert werden, wenn die Richtungen der Licht-, Wärme- und Feuchtigkeitsquelle bestimmt werden kann.

==Materialliste==
  * Schrittmotoren                        2x
  * Treiber für Schrittmotoren            1x
  * Räder                                 2x
  * kleines Rad als Stütze                1x
  * Ultraschall-Abstandssensor            1x
  * Fahrgestell                           1x
  * Akku                                  1x
  * (NFC-Karte/Chip                       1x)
  * (NFC-Lesegerät                        1x)

==Risiken==
Vielleicht könnte es Schwierigkeiten geben bei der Koordinierung der Steuerung aufgrund der Abstandsmessung und der anderen Messungen. Also zum Beispiel, wenn ein Hindernis und das Ziel in gleicher Richtung liegen. Das könnte einerseits dadurch behoben werden, dass der Testbereich so angepasst wird, dass so eine Situation nicht zustande kommen kann und andererseits möglicherweise indem die Steuerung infolge der Abstandsmessung als wichtiger eingestuft wird.

===3 Signalausgabe===
Um zu erkennen, dass der Roboter sein Ziel erreicht hat, also die Werte optimal sind, soll dieser ein akustisches Signal ausgeben. Das kann entweder durch einen einzigen Ton, einer Tonreihenfolge oder möglicherweise einen aufgenommenen Satz (z.B. „Sie haben Ihr Ziel erreicht.“) erfolgen. Ein einziger Ton und auch eine Tonfolge kann mit einem Piezo-Summer erzeugt werden, was sehr leicht realisierbar ist. Um einen Satz wiederzugeben, könnte eine gesprochene Sequenz als MP3 mit einem Lautsprecher ausgegeben werden. (Es gibt sogar Module, die Audio aufnehmen und ausgeben können.) Die Signalausgabe erfolgt, nachdem die anderen beiden Teilaufgaben abgeschlossen sind, die Bedingungen müssen also zuvor erfüllt sein. Nachdem das Signal ausgegeben wurde, hat der Roboter alle seine „Lebensphasen“ beendet (beziehungsweise könnte nach dem nächsten Ort suchen).
Wenn wir am Ende noch Zeit haben, könnten wir zusätzlich oder alternativ dazu ein Foto von der Stelle machen beziehungsweise die GPS-Daten des Ortes übermitteln. Um das Foto zu machen, könnte zu dem richtigen Zeitpunkt eine Kamera ausgelöst werden, die fest am Roboter montiert und nach vorne gerichtet ist. Die GPS-Daten können übertragen werden, indem ein GPS-Modul mit dem Arduino verbunden auch an dem Roboter angebracht ist.

==Arbeitspakete==
  * Ton erzeugen mit Piezo-Summer
  * MP3-Audio aufnehmen, Audio abgeben mit Lautsprecher
  * (Kamera montieren, fotografieren)
  * (GPS-Modul einbauen, GPS-Daten übertragen)

==Schnittstellen zu anderen Aufgaben==
Die Bedingung für die Signalausgabe ist, dass das Ziel erreicht wird, also alle Messwerte optimal sind. Für das Ausgeben des Signals zum richtigen Zeitpunkt müssen also die Messungsteilaufgaben vorher abgeschlossen sein. 

==Materialliste==
  * Piezo-Summer
  * Lautsprecher
  * (Kamera)
  * (GPS-Modul)


==Projektplan==

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[[notizen|notizen]]
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