Modulare Versuchsgondel

1-Motivation


Im Rahmen des Projekts kommt es oft zum Experimentieren um sowohl die Funktionsweise der einzelnen Komponente zu verstehen als auch die fertigen Ansätze zu testen. Der beste Ansatz um eine fertiggebaute Lösung zu optimieren, ist ihr Test in einem Umfeld, das möglichst realitätsnah ist. Um dies zu ermöglichen steht dem Team ein Mini Zeppelin zur Verfügung. Bis jetzt muss derjenige, der etwas testen möchte, eine neue Gondel mit der gewünschten Elektronik bauen. Das verursacht tatsächlich unnötige Zeit- und Geldkosten. Da sowohl die mechanischen Bauelemente (Gondelkörper, Motoren, Propeller,…) als auch die Stromversorgung der elektronischen Bauelemente (Sensoren, μC,…)sind fast immer gleich, wird sich der Bau einer Modularen Versuchsgondel als eine interessante Lösung zeigen, um Kosten und Zeitaufwand bei dem Testverfahren zu minimieren.

2-Elektronik:

2.1- Konzept:

 Unter Beachtung der in Abs. 2 und 3 stehenden Voraussetzungen lässt sich der elektrische Teil der Gondel aus folgenden Baugruppen realisieren:

* DC/DC Step-up-wandler (von 3.7V auf 5V) für die Speisung des Mikrocontrollers des Servomotors und der Sensoren
* Motortreiber mit 4 Kanälen für die unabhängige Steuerung der Geschwindigkeit und der Drehrichtung der Motoren

2.2- Testaufbau:

Zum Testen habe zuerst ich die fertigen Breakout-Boards verwendet, die mir im Projektraum zur Verfügung standen um die in Abb.1 gezeigte Schaltung zu realisieren:
- Als DC/DC Wandler habe ich das Board „NCP1402-5V Breakout3“ der Firma Sparkfun benutzt.
- Als Motortreiber habe ich das Board „TB6612FNG Breakout4“ der Firma Sparkfun Benutzt.
Das NCP1402-Board ist ein Kompakter DC/DC-Wandler, der in der Lage ist, Gleichspannungen von 1V bis 4V in einer Gleichspannung von 5V mit einem Peak-Strom von bis 400mA zu wandeln. Besonders interessant bei diesem Board ist die geringere Anzahl von Bauelementen.
Die Nennspannung des verwendeten Akkumulators beträgt 3.7V und sie sollte bei voller Ladung die 4V Grenze nicht überschreiten. Bei voller Auslastung wird das 200mA Limit nicht erreicht.
Der TB6612FNG ist ein Kompakter (SMD Bauform) Motortreiber mit 4 Kanälen. Er kann gleichzeitig zwei DC-Motoren mit voneinander unabhängigen Geschwindigkeiten und Drehrichtungen treiben.
Als Test-Mikrocontroller habe ich den Arduino Duemilanove benutzt. Dieses Mikrocontroller Board besitzt denselben Prozessor wie der Arduino Pro mini (ATMEGA328 von der Firma ATmel). Der Arduino Promini stellt sich dank seiner kompakten Bauform und seinem leichten Gewicht eine Optimale Lösung dar.

2.3- Endplatine:

Nachdem der Test der gewählten Bauelemente erfolgreich abgelaufen war, habe ich mich auf den Entwurf einer einheitlichen Platine konzentriert. Auf diese Platine sollen alle Grundbauelemente, die die geforderten elektronische Funktionen  gewährleisten, gebracht werden.
Die Schaltpläne die auf der Seite von Sparkfun zum Herunterladen bereit stehen, waren sehr hilfreich. Ich konnte ohne große Probleme die Bauelemente schnell finden und meine Bestellung rechtzeitig vorbereiten.
Bei der Suche bin ich auf ein einziges Problem gestoßen: Die integrierte Schaltung TB6612FNG war in Deutschland nicht zu haben. Man muss entweder eine ganze Rolle mit 3000 Stücke oder einen einzelnen aus den USA mit einer Wartezeit von mindestens 5 Wochen bestellen.
Nach Absprache mit meinem Betreuer und mit den Tutoren habe ich die Entscheidung getroffen, die integrierte Schaltung L293D5 von der Firma Texas Instruments zu verwenden.
Die integrierte Schaltung L293D ist eine H-Brücke mit 4 Kanälen und braucht zum Betrieb keine Nebenschaltung. Der einzige Nachteil dieser Schaltung im Vergleich zur TB6612FNG ist die Bauform. Die L293D hat eine DIL-166 Bauform, die ein zusätzliches Gewicht verursacht.
Mit Hilfe des Designtools Eagle habe ich die Platine Entworfen . 

  Elektrische Schaltung

                                      Schaltplan der entworfenen Lösung

 

                                       Elektronik der Gondel                                       

                                                        Endplatine      

Um die Platine in Betrieb zu nehmen müssen idie Anschlüsse folgendermaßen beschaltet werden:
BAT --> Akku: Links(3.7V), Rechts(GND)
UCP --> Mikrocontroller- bzw. Sensoren-Stromversorgung: Unten(GND), Oben(5V)
SERVO --> Servomotor: von oben nach unten: Pulse,GND,5V
M1C --> Steuerung der Linken Motor: von oben nach unten: 2A, 1A, EN1
M2C --> Steuerung der Linken Motor: von oben nach unten: EN2,3A,4A
> Die Anschlüsse EN1 bzw. EN2 müssen mit einem PWM-fähigen Pin des Mikrocontrollers verbunden werden, und dienen dazu, die Geschwindigkeit der Motoren zu regeln. (Vgl. Anhang1)
> Die Anschlüsse 1A bis 4A dienen zur Drehrichtungsteuerung der einzelnen Motoren und müssen dafür mit Logik-Pins verbunden werden 
> Das Treiben der Motoren hängt von der Logik-Kombination der o.g. Pins ab. Dies wird in der folgenden Tabelle verdeutlicht.

EN1,2 1A,3A 2A,4A Motorverhältnis
H L L Schneller Stopp
H L H Nach rechts
H H L Nach Links
H H H Schneller Stopp
L x x Schneller Stopp