Rasenrobo mit Induktionsschleife, Schaltbilder, Hallsensor

[Christian H]

Hallo Enigma1,

das ist richtig, dass in den Motoren ein Drehfeld - ohne Hilfe von Kollektoren - erzeugt wird. Das Drehfeld nimmt den Rotor, an dem Permanentmagnete befestigt sind, mit. Wann, welche Spulen, wie mit Strom versorgt werden, bestimmt der Regler durch die induzierten Spannungen. Für mich ist diese Technik relativ kompliziert.

Unter
http://www.aerodesign.de/peter/2001/...SPEEDY-BL.html
findest Du hierzu genaue Angaben, auch zum Selbstbau.


Bei den bürstenlosen gibts zwei Varianten. Die normal Bauweise - mit Spulen aussen und Rotor mit Magneten innen - und die Aussenläufer. Neodymmagnete sind ziemlich flach und nehmen wenig Platz weg. Hierdurch liegt die Grenze und damit die Kraftübertragung zwischen Magnete und Spulen weiter aussen als beim Innenläufer. Hierdurch ergibt sich u.a. wiederum das hohe Drehmoment.

Das Magnetfeld rotiert beim Aussenläufer schneller als die Glocke. Warum das so ist, kannst Du bei www.torcman nachlesen. Is auch ziemlich komliziert und hängt von der Art der Zusammenschaltung der (6) Elektromagnete an 3 Leitungen ab.

Aussenläufer besitzen bereits bei relativ niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment und hohen Wirkungsgrad. Deshalb werden sie auch in Modellfliegern eingesetzt. Für Propeller gilt: Je grösser der Propellerdurchmesser, desto größer der Schub bei gleicher Leistungsaufnahme und abnehmender Drehzahl. Deshalb haben die Quadrucopter und UFOs alle zumindest einen Getriebemotor mit großer Untersetzung oder eben brushless Aussenläufer mit gut abgestimmten Propellern (kleine Steigung). Also einfach mal nen Propeller auf nen Elektromotor setzen und damit Ufo oder Quadrocopter bauen geht nich.


Für den Antrieb in Robotern wäre der Aussenläufer nur geeignet, wenn er geschützt im Inneren untergebracht ist, da sich sein Äußeres dreht. Der Rasenmähermotor ist ja oben angebracht und da kommt ihm nichts in die Quere.


Viele Grüsse

[Enigma1]

@Vogon @Christian H
Vielen Dank euch beiden für die super Infos !

@Vogon
Ich hätte es präziser formulieren sollen, ich meinte das ich die Schrägstellung in der Abbildung schon sehr kräftig finde. Das führt, wenn die Scheibe wirklich derart kräftig schräg steht, ja dazu das am Rand der Scheibe nicht so tief gemäht wird wie vorne. Vermutlich fällt das auf den Rasen aber nicht auf.

Die Sache mit der Gleitplatte ist so genial, das es von mir sein könnte
naja im Ernst, das ist eine ganz prima Idee und einfach zu realisieren. Ich denke das die Motorwelle einfach etwas länger ist, darauf sitzt ein Kugellager und an dessen Rand ist die Gleitplatte befestigt ? Schade das diese Idee bereits gesetzlich gegen Nachbau geschützt ist.

Bei Udo5 ist die Abdeckung ja äusserst merkwürdig, die ist ja so riesig das sie wohl fast bis auf dem Boden reichen wird. Was mag da der konstuktive Hintergrund sein ?

@Christian H
Meine Motoren aus diesen Schiffskreiseln haben die Magnete auf dem Rotor, und irgendwie leider nicht soviel Kraft. Naja ich schätze die sind auf lange Lebensdauer gezüchtet und nicht auf hohe Leistung. Ich werde aber trotzdem mal einen rauskramen und damit experimentieren. Ich glaube im Automower verrichtet auch ein bürstenloser seine Arbeit.

[Vogon]

... das ich die Schrägstellung in der Abbildung schon sehr kräftig finde.

Wenn ich mir die Zeichnung anschaue muss ich dir Recht geben. Ich habe ihn gerade mal auf den Tisch gestellt. Erst wenn ich vorne zwei Zentimeter anhebe, ist die Gleitscheibe parallel zur Tischplatte.
Im Garten sieht man nichts davon auch nicht am Ergebniss.

So wie du vermutest - die Scheibe ist am Ende der Motorwelle. Das Kugellager befindet sich in dem Spalt zwischen den Scheiben. Der Messerteller ist da etwas vertieft. Die Patentzeichnung lügt da ein wenig, denn die Scheibe ist nur aus ca 0,8 mm hartem Alublech.
Der Abstand Messerteller zu Gleitscheibe ist so klein, das man die Schraube durch das Loch in der Gleitscheibe fummeln muss. Nur wenn die Schraube zur Messerbefestigung richtig rein gedreht ist bleibt noch genügend Luft zwischen Schraubenkopf und Gleitscheibe.

Die Sache mit der Gleitplatte ist so genial, das es von mir sein könnte Angel

Find ich auch sehr gut. Das Spart nicht nur Leistung, es ist auch sehr leise. Vom Mähwerk ist nur ein leises "rasseln" zu hören.

[Christian H]

Hallo Rasenmäherroboter - Freaks,


Inzwischen habe ich einige Verbesserungen an meinem Rasenrobo vorgenommen. Um alle Informationen so komplett als möglich zusammen zu haben, ist dieser Beitrag wieder etwas lang geraten.

http://www.rasenrobo.de/Robo an Ladestation.jpg


Der Rasenrobo hat eine Ladestation bekommen. In die Ladestation ist der Induktionsgenerator für die Induktionsschleife mit eingebaut. Im Rasenrobo sind zwischen Akku und Rnbfra - Board zwei solid state Relais (WG MODC 5-18 von Conrad) geschaltet, um den Stromverbrauch in Ruhephasen auf 0 zu reduzieren. Da ich 2 Akkus - einen für die Elektronik mit 8 Zellen und einen mit 12 Zellen für den Rasenmähermotor und den Antrieb – verwende, sind 2 Ladegeräte (Universal-Lademodul für 1-16 NC/NiMH-Zellen von ELV) im Rasenrobo dazugekommen.
Ein LCD-Display (LCD 162 DIP von Reichelt) auf dem Rasenrobo zeigt interessante Werte (Induktionssensoren, Akku-Spannung etc. an).
Die Mikroschalter sind durch Drucksensoren (FSR-151NS von Conrad) ersetzt.
Ein Regensensor ist auf dem Deckel des Rasenrobo (Typ SHS A2 von Conrad) angebracht.
Der gesamte Ablauf vom Rasenmähen, über Einparken in die Ladestation, Laden der Akkus bis zum erneuten Rasenmähen ist automatisiert.

Das LCD-Display wird vom Coprocessor im 4Pin - Modus angesteuert. Die Leitungen RS, E und D4-7 hängen an den Servoausgängen des Coprocessors. Ansonsten wird nur noch ein Ausgang des Coprocessors gebraucht, um den Rasenmähermotor mit PWM zu regeln.

Der Vorteil von Drucksensoren gegenüber Mikroschaltern ist, dass man keine Federn oder ähnliches braucht um die Mikroschalter (bzw. Stossstange) wieder zurückzustellen. Die Drucksensoren sind variable Wiederstände. Bei einem Druck von 1 Kg sinkt der Widerstand von MOhm auf einige kOhm. Man braucht die Drucksensoren nur zwischen Masse und Eingang des PCF8574 zu schalten, entweder direkt oder besser in Serie mit einem 10 KOhm Poti. Über das Poti kann dann die Empfindlichkeit der Drucksensoren gut geregelt werden. Eine Widerstandsbrücke o. ä. ist nicht nötig. Bei den Mikroschaltern hat mich insbesondere gestört, dass man die langen Schalthebel leicht aus Versehen verbiegt, wenn man am Robo arbeitet. Vorne, hinten und an den Seiten sind jeweils 2 Drucksensoren angebracht. Auf jeder der drei Säulen, auf denen der Deckel aufliegt, ist ein weiterer Drucksensor als Notaus-Schalter angebracht.

Der zeitliche Ablauf ist wie folgt:

- Die Ladestation ist über Zeitschaltuhr ausgeschaltet. Der Rasenrobo ist an der Ladestation angedockt. Der Rasenrobo ist über die Relais ausgeschaltet.
- Das Netzteil der Ladestation wird über die Zeitschaltuhr eingeschaltet. Der Ausgang des Netzteils ist über einen 100 mOhm – Shunt mit den Kontakten zum Rasenrobo verbunden. Im Raenrobo hängen beide Ladegeräte direkt an den Ladekontakten. Durch den Ladestrom fallen an dem Shunt ca.0,1 V an. Über einen Operationsverstärker wird der Induktionsgenerator angesteuert, so dass dieser während des Ladevorgangs ausgeschaltet bleibt um Spannungschwankungen zu vermeiden. Im Rasenrobo wird durch ein, mit den Ladekontakten verbundenes, solid state Relais das rnbfra - Board eingeschaltet. Ein zweites, parallel geschaltetes Lastrelais wird danach vom rnbfra – Borad selbst aktiviert, damit auch nach Beenden des Ladevorgangs das Board weiter eingeschaltet bleibt. Die LEDs der Ladegeräte zur Statusanzeige sind mit Eingängen am Board verbunden.
- Melden beide Ladegeräte, dass die Akkus geladen sind, fährt der Rasenrobo einen Meter rückwärts.
- Durch Unterbrechung des Ladestroms wird in der Ladestation der Induktionsgenerator eingeschaltet, bzw. die Induktionsschleife aktiviert.
- Rasenobo beginnt mit Rasenmähen und kann locker über eine Sunde arbeiten.
- Bei fast leeren Akkus fährt der Rasenrobo automatisch die Ladestation an. Schlägt das Manöver fehl (beide vordere Sensoren melden Rasenrobo ausserhalb Induktionsschleife, aber kein Ladestrom) fährt Rasenrobo etwa 1 m rückwärts und probiert erneut anzudocken.
- Bei Kontakt mit der Ladestation schaltet das rnbfra-Board sein Lastrelais aus. Der Induktionsgenerator in der Ladestation schaltet sich aus.
- Über die Zeitschaltuhr wird einige Zeit später die Ladestation ausgeschaltet. D.h. auch das zweite Lastrelais schaltet auf aus und das Board, die gesamte Peripherie und alle Motoren sind aus.

Ich möchte nicht verschweigen, dass mich die Testläufe zum Anfahren der Ladestation und das Laden der Akkus einige Nerven gekostet haben. Der Oberklopper kam ganz zum Schluss. Mir ist eine Lötbrücke zwischen Chassie und 5V-Leitung an einem der beiden Drehzahlmesser (Hall-Sensoren) verborgen geblieben. War ja auch ohne Relevanz. Bei einer schrägen Anfahrt zur Ladestation kam´s dann zu einem Kontakt des Plus-Ladekontaks mit dem Chassie. Volle 20V auf Vss. Processor, Coprocessor, beide PCF8574, LCD-Display, Easyradio und Ultraschallsensor SRF10 abgeschossen.

Videos:
http://www.rasenrobo.de/Rasenrobo3.AVI
http://www.rasenrobo.de/Rasenrobo andocken.AVI

Ansichten der Ladestation. Rechts ist der Shuntwiderstand zu sehen
http://www.rasenrobo.de/Ladestationinnen.jpg
http://www.rasenrobo.de/Ladestation.jpg

Gesamtansicht des Rasenrobo von oben:
http://www.rasenrobo.de/Rasenrobo von oben2.jpg

Die zwei Ladegeräte auf dem Rasenrobo:
http://www.rasenrobo.de/Rasenrobo von oben.JPG

Rasenrobo an Ladestation:
http://www.rasenrobo.de/Rasnrobo beim Andocken.jpg
http://www.rasenrobo.de/Robo an Ladestation.jpg

Details:
http://www.rasenrobo.de/Relais.jpg
http://www.Rasenrobo.de/Display.JPG
(Akkuspannugen 8,03V und 13,98V, Kurs 64 und Kurssoll 148 Grad)

Falls jemand die Induktionsschleife nachgebaut haben sollte, würde mich die interessieren, wie euere Erfahrungen damit sind.

Hat jemand Erfahrung mit den ELV – Ladegeräten ? Bis jetzt habe ich ein Implusladegerät Reflex benützt und damit jahrelang nur gute Erfahrungen gemacht. Ich kann meine allerersten Akkus noch immer verwenden. Ich habe etwas Bedenken, ob die Abschaltung des Ladens exakt genug ist, insbesondere da das Board während des Ladens ja angeschaltet ist.


Grüsse

Christian

[marvin42x]

Starkes Stück, Du hast meinen Applaus.

Netter Gruß

[Sommer]

Hi Christan H!

habe mir gerade deinen Artikel nochmal angesehen...
Erstmal will ich mich den Lob´s anschließen und sagen super Sache....

Mit welcher Frequenz betreibst du die Induktionsschleife?
Bei den "einparken" an der Dockingstation wertest du nur
eine Parallele Leitung aus (Lautsprecherkabel) ?
Die Sensoren vorne mit der Relaisspule reagieren auf die eine Leitung oder?

Bye Ulli

[Christian H]

Hi Sommer,

Danke für die Anerkennung!
Zur Frequenz. Die Induktionsschleife hat nichts mit HF zu tun. Es handelt sich nur um kurze Stromimpulse (Rechteck oder besser Sägezahn). Diese induzieren eine Spannung in den Spulen der Sensoren.

Wahrscheinlich meinst Du ja auch die Frequenz mit der diese Stromimpulse wiederholt werden. Bei mir sind das etwa 5 Hz. Diese Frequenz muss man danach richten wie schnell das Programm des Roboters durchlaufen wird, bzw. wie schnell der Programmteil mit der Auswertung der Sensoren wiederholt wird. Bei meinem Rasenrobo wird das Programm in etwa 0,1 sec durchlaufen. Die Wiederholfrequenz der Stromimpulse in der Induktionsschleife habe ich deshalb etwas langsamer, etwa 0,2 sec gewählt. D.h. Das Programm wartet in der Programmschleife zu Auswertung der Sensoren auf den nächsten Impuls. Ganz ungünstig wäre es z.B. wenn das Programm gleichschnell wie die Impulsfolge der Induktionschleife wäre. Dann könnte es passieren, dass nicht die ansteigende Flanke des Impulses, sondern die abfallende Flanke von den Sensoren als erstes erfasst wird. D.h. der Sensor würde dann anzeigen, dass er ausserhalb der Schleife ist, obwohl er innerhalb ist.

Die Induktionschleife ist nur eine simple Drahtschleife. Verlegt habe ich ein zweiadriges Kabel, einfach weil ich zu faul war ein zweiadriges zu halbieren. Eine Ader ist nicht angeschlossen.

Insgesam hat der Roboter 4 Sensoren. Zum Einparken verwende ich primär nur den linken vorderen. Ist der Sensor zu weit links wird nach rechts gesteuert und umgekehrt. Nach Art einer Hundekurve richtet sich der Roboter dann parallel zur Induktionschleife aus und wird dann an die Ladestation geführt.

Sobald die Spanung eines Akkus unter einen Grenzwert sinkt, fährt der Roboter etwa 5m nach Westen. anschließend nach Norden. Dadurch trifft er auf die Induktionschleife vor der Ladestation. anschließend folgt er einfach der Induktionschleife bis er auf die Ladestation trifft.

Zur Zeit arbeite ich übrigens an einem DGPS. Auswertung der Rohdaten der GPS (NAV-DGPS,NAV-SOL,RXM-EPH,RXM-RAW). Vielleicht kann ich schon zum Wochendende genaueres posten.


Gruss

Christian

[Sommer]

Hi,

danke für dene Ausführliche Erklärung!

Ich dachte mir sowas schon mit den Impulsen.
Ich probiere gerade ein Low Cost FTS zu bauen für meinen SSR-1.
Vor allem für die Ladestation ist das mit der Schleife interessant.

Nur das ich das mit einen Draht ohne getrennter Rückleitung machen will ist das nicht so einfach

Ich will mit einen 2 Adrigen "Lautsprecherkabel" das die Fahrbahn makiert ähnlich wie die S/W Linienverfolgung den Roboter zu Ladestation lenken.

Bis jetzt hab ich es mit einer getrennten Leitung also eine Fahrmakierung und eine seperate Rückleitung im Labor schon hinbekommen, jedoch nicht mit Zwillingsleitung.
Meine Idee ist nun am ende der Leitung einen Kondensator einzubauen um eine Phasenverschiebung zu erzielen um die Felder nicht aufzuheben.
Dann müsste der Sensor auf der Leitung die höchste Spannung haben und davon abweichend absinken...

Muss ich mal testen.

[Tuxman]

Hallo Christian
Respekt tolle Arbeit
Habe vor einem jahr auch einen Rasenrobot auf basis von udo5 gebaut der seinen dienst super erledigt,
nur halt ohne Ladestation.
Bei Udo5 wird der Begrenzungsdraht nur erkannt wenn er direkt drüber ist darum wollte ich die Schaltung von dir mal testen.
Deine Schaltung liefert bei mir leider kein Signal liegt wahrscheinlich am Operationsverstärker(mc145
welche hast Du verwendet?

Beim Induktionsgenerator hält der BS170 den Kurzschluss nicht aus,
hab jetzt mal einen widerstand mit 100 Ohm davorgeschaltet.

mfg Roland

[Christian H]

Hi Tuxman,

find ich gut, dass Du versuchst die Induktionskiste nachzubauen. Selbst weiss man ja nie ob man alle Details ausreichend angegeben hat, damit jemand anders das auch gut nachbauen kann. Ich bin sicher, dass wir das hin kriegen.

Als Operationsverstärker verwende ich einen Rail to Rail LTC1250.
Eigentlich erscheint mir aber nicht so wichtig. Hab früher einen anderen, nicht R2R verwendet und hat funktioniert.

Welchen FET ich verwende kann ich dir gar nicht sagen, da ich den aus einem alten Motorregler (bis 12 Zellen) ausgebaut habe. Ich habe nur gedacht ein BS170 würde auch gehen. Der BS170 geht aber doch nicht kaputt, oder doch?

Hast Du schon am Ausgang (ohne Schleife) mit einem Voltmeter gemessen. Es sollten sich sehr kurze Impulse ergeben, wenn der FET durchgeschaltet wird. Du brauchst ein gutes Netzteil (für Notebook) welches hohe Ströme liefern kann. Bei angeschlossener Schleife ergibt sich (fast) ein Kurzschluss und die Spannung brich auch bei mir deutlich ein, so dass fast kein Impuls beim parallelgeschalteten Messgerät mehr zu messen ist. Die Wiederholfrequenz ist mit dem Poti einzustellen.

Verwende von Anfang an eine lange (10 m oder mehr) Leitung.

Hast Du zum Empfang auch eine Spule von einem Relais mit Kern genommen? Eine Drossel mit wenigen Windungen reicht nicht aus. Im Relais darf nur der Kern sein. Der Bügel aussenrum muss weg.

Praktisch ist ein Oszilloskop. Selbst hab ich keins. Zum Testen hat sich aber ein PC mit der Oszilloskopsoftware WINSCOPE (Freeware) als sehr vorteilhaft erwiesen. Einfach den Mikrofoneingang des PC an die Spule oder (über einen kleinen Kondensator oder Widerstand zum Schutz) an den OP-Ausgang anschliessen. Dann sieht man schön die Spikes. Zu Beginn brauchst Du hierfür nicht einmal den Induktionsgenerator. Einfach die Schleife kurz an den Ausgang des Netzteils halten. Der FET macht letztlich ja nichts anderes.

Hast Du den Sensor schon zusammen mit dem Controler ausprobiert ?

Hoffe das hilft Dir vorerst weiter. Die Sache ist eigentlich ganz simpel und sehr zuverlässig. Ich war selbst von der Stärke der Signale überrascht als ich die große Schleife im Garten ausgelegt hatte. Das ging fast besser als mit kleinen Aufbau.


mfg Helmut