Von Fischertechnik gibt es drei neue Baukästen für Maker mit Basischassis für mobile Roboter, die sich nach Belieben erweitern lassen. Zum Steuern der Modelle setzen Sie einen RasPi, einen anderen SBC oder eine MCU ein.
Gelegentlich scheitert eine Idee für ein Projekt bereits am Aufbau der Hardware. Dafür gibt es vielfältige Gründe: Die ausgewählten Teile passen nicht zusammen, eine bestimmte Komponente ist wochenlang nicht lieferbar oder der Aufbau erweist sich als so instabil, dass er sich selbst demontiert. Genau dieses Problem hat Fischertechnik erkannt und bietet ambitionierten Bastlern mit den Maker-Modellen eine robuste Basis für den Aufbau von mobilen Robotern. Dabei liefert das Unternehmen bewusst keine kompletten Lösungen, sondern nur die blanken Modelle. Bastler können dementsprechend frei wählen, für welchen Controller, welche Programmiersprache und welche Elektronikkomponenten sie sich entscheiden. Derzeit umfasst die Auswahl aus drei Modellen: ein Auto, ein Omniwheel-Fahrzeug und einen Laufroboter mit vier Beinen.
In diesem Artikel dreht sich alles um den Maker-Kit-Car-Baukasten. Aus insgesamt 119 Teilen bauen Sie damit ein Automodell. Der Baukasten schlägt bei dem Fischertechnik-Händler [1] Ihrer Wahl mit knapp 100 Euro zu Buche. Die digitale Bauanleitung [2] rufen Sie über einen beliebigen Webbrowser auf. Dadurch bekommen Sie bereits vor dem Kauf detaillierte Informationen zum Aufbau. Die Anleitung zeigt jeden einzelnen Schritt als kleine Animation. Wenn Sie sich bei einem Bauabschnitt unsicher sind, können Sie das Modell in der 3D-Darstellung (Abbildung 1) von allen Seiten betrachten. Der einzige etwas herausfordernde Bauschritt liegt in der Montage des Differenzials. Hier haben Sie es mit kleinen Zahnrädern zu tun, die mitunter wieder abfallen.
Abbildung 1: Mit dem Onlinebauplan gleicht der Aufbau einem Kinderspiel.
Der Baukasten enthält einen Encoder- und einen Servomotor. Falls Sie genaue technische Informationen zu den Motoren benötigen, werfen Sie bitte einen Blick in das Datenblatt [3]. Der Encodermotor fungiert als Antrieb für das Auto, mit dem Servomotor setzen Sie die Lenkung um. Bitte achten Sie beim Einbau darauf, dass sich der Servo in Mittelstellung befindet. Am einfachsten erreichen Sie das mit einem Servotester [4]. Nachdem Sie das Modell vollständig aufgebaut haben, bleiben noch sechs Spring-Cam-Verbinder übrig. Sie können sie verwenden, um verschiedene zusätzliche Komponenten am Auto zu befestigen.
Servomotor
Wenn wir von Servomotoren sprechen, meinen wir die im Modellbau üblichen Stellmotoren. Damit wird ein Hebelarm von einer Mittelposition in beide Richtungen um 45 Grad bewegt. So lässt sich ein Winkelbereich von 90 Grad anfahren. Der Hebelarm kann Teile des Modells steuern. Eigene Servomotoren fahren einen größeren Bereich um die Mittelstellung herum an, bis zu 180 Grad. Bevor wir genauer auf die Funktionsweise von Servomotoren eingehen, müssen wir uns zunächst mit PWM-Signalen beschäftigen. Die Abkürzung steht für Pulsweitenmodulation.
Dabei handelt es sich um ein Rechtecksignal mit einer festen Basisfrequenz. Die Modulation wird erzeugt, indem man das Verhältnis zwischen den zwei Signalzuständen, Puls und Pause, innerhalb der Periode verschiebt. Dabei sind die beiden möglichen Extremwerte vollständig aus- oder eingeschaltet, also nur Pause oder nur Puls. Zu den praktischen Anwendungen von PWM-Signalen gehört die Leistungssteuerung von elektrischen Verbrauchern. Je länger die Einschaltzeit des Signals dauert, umso mehr Leistung wird übertragen.
Zurück zu den Modellbauservomotoren, die ebenfalls über ein PWM-Signal angesteuert werden. Das Signal verfügt dabei über fest definierte Parameter. So beträgt die Periodendauer immer 20 Millisekunden, die Einschaltzeit variiert zwischen einer und zwei Millisekunden. Über diese Pulsdauer wird die Position des Servohebels festgelegt. Der Servohebel hat bei einer Einschaltzeit von 1,5 Millisekunden seine Mittelstellung. Abbildung 2 verdeutlicht, wie das Signal mit der Position des Servoshebels zusammenhängt. Auf Youtube findet sich ein Video [5], das diesen Zusammenhang anhand eines praktischen Beispiels demonstriert.
Abbildung 2: Darstellung eines PWM-Signals mit unterschiedlichem Puls-Pausen-Verhältnis.
Sobald ein Servomotor ein Signal bekommt, fährt er mit der maximal möglichen Geschwindigkeit die entsprechende Position an und verharrt dort. Um das zu erreichen, ist in den Servomotoren eine kleine Regelelektronik verbaut. Allerdings bedeutet eine maximal mögliche Geschwindigkeit logischerweise einen maximalen Strombedarf. Bitte beachten Sie, dass Servos zum Bewegen viel Strom benötigen. Deswegen ergibt es stets Sinn, die Spannungsversorgung von Mikrocontroller und Motoren zu entkoppeln. Sonst kann es zu Programmabstürzen kommen. Manchmal bricht die Spannung beim schnellen Bewegen eines Servos so stark ein, dass die Regelelektronik im Servo selbst nicht mehr richtig arbeitet und er vollkommen unkontrolliert seine Position ändert. Der Servo läuft dann quasi Amok. Daher sollten Sie immer darauf achten, dass die Spannungsversorgung ausreichend Strom liefert.
Beim Einbau von Servos ist es außerdem wichtig zu wissen, in welcher Position sich der Hebelarm befindet, um zu vermeiden, dass der Servo die mechanischen Komponenten beschädigt. Um das zu verhindern, sollten Sie sich einen Servotester besorgen [5]. Er überprüft die Servos vor dem Einbau auf korrekte Funktion.
Gebermotor
Bei dem Gebermotor handelt es sich um einen Elektromotor mit einem Getriebe. Das Getriebe setzt die Drehzahl herab und erhöht so das Drehmoment. Die Untersetzung des Getriebes beträgt 1 zu 21,3. Auf der Achse des Elektromotors befindet sich ein Impulsgeber. Pro Umdrehung der Achse des Gebermotors liefert er 63 Impulse. Der etwas eigenartige Wert kommt durch die Untersetzung des Getriebes zustande. Durch die Anzahl der Impulse lässt sich nicht nur ermitteln, wie viele Umdrehungen der Motor gemacht hat. Wenn Sie es hochrechnen, erhalten Sie sogar die vom Auto zurückgelegte Entfernung. Der Gebermotor im Baukasten arbeitet mit 9 Volt. Bei den für den Artikel verwendeten 6 Volt ist er nur ein wenig langsamer, bringt aber das Auto gut voran.
Um die Signale des Impulsgebers auswerten zu können, müssen Sie ihn ein wenig detaillierter ansehen. Er arbeitet mit 9 Volt Betriebsspannung und gibt die Impulse über einen Open-Kollektor-Ausgang aus. Schließen Sie einen solchen Ausgang wie gewohnt an einen digitalen Eingang an, bekommen Sie kein verwertbares Signal. Erst durch einen zusätzlichen externen Widerstand erhalten Sie verwendbare Signalpegel. Da stellt sich die Frage, warum die Open-Kollektor-Technik so oft zum Einsatz kommt, wenn sich diese Bauteile ohne zusätzliche Beschaltung nicht nutzen lassen?
Tatsächlich sprechen einige gute Argumente für die Technik. Durch den offenen Kollektor können Sie den externen Widerstand sowie die Betriebsspannung frei wählen. Damit lässt sich auch die Spannung und der mögliche Strom in weiten Grenzen frei festlegen. Dadurch kann man Bauelemente mit Open Kollektor sehr flexibel einsetzen. Open-Kollektor-Ausgänge sind in vielen Halbleitern zu finden. Alle Bausteine, die mit I2C arbeiten, verwenden an den Busanschlüssen Open-Kollektor-Ausgänge. Das erlaubt, den I2C-Bus an die Anzahl der Teilnehmer anzupassen.
Testaufbau
Das Ziel unseres Projekts besteht darin, das Auto mit einer einfachen Fernbedienung zu steuern. Als Mikrocontroller greifen wir auf den ESP32 zurück. Tatsächlich brauchen wir zwei dieser Controller, einen für die Fernbedienung und einen für den Empfänger. An den Controller in der Fernbedienung schließen wir einen Joystick zum Lenken des Autos an. Der Controller im Auto steuert einen Motortreiber für den Antrieb.
