Projektlabor Robotik MINTgrün

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.

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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.

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.

1. Messungen
2. Fortbewegung
3. Signalausgabe

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.

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

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…

• 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

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.

• 2 Schrittmotoren
• Treiber für Schrittmotoren
• 2 Räder
• kleines Rad als Stütze
• Ultraschall-Abstandssensor
• („Körper“ aus Holz ?)

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.

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