Soccer Elektronik

Von der Regelung bis zur Messung

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Max Känner

Electronic Leader
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Timo de Vries

Kicker
Mira

Mira Sukkar

Light Barrier
lasse

Robin Kai Kurzydym

Im Soccer Elektronik Team entwickeln und entwerfen wir unsere eigenen Platinen. Außerdem testen wir die für unsere Roboter maßgeschneiderten Lösungen und entwickeln diese weiter. Für das Design verwenden wir "KiCad" und "LTspice". Viele unserer Schaltungen sind ziemlich komplex, so dass wir sie sehr umfangreich testen müssen. Dafür verwenden wir z.B. unsere Oszilloskope.  

ESP32-Modul

Wir verwenden ein „ESP32-Wroom“-Modul, um die meisten Funktionen des Roboters zu steuern. Die über das Netzwerk-Modul eingehenden Geschwindigkeitsbefehle werden in Motordrehzahlen umgewandelt und an das ESC-Modul weitergeleitet.  Im Gegenzug sendet das ESP-Modul Encoderdaten und Daten von der „imu“ an unseren Server. Außerdem wird die Steuerung der Kick- und Dribbelvorrichtungen vom ESP32 übernommen.

Kicker

Konzept

In der „soccer small size“-Liga spielen die Roboter mit einem Standard-Golfball, der auf eine Geschwindigkeit von maximal 6,5 m/s beschleunigt werden darf. Das entspricht einer kinetischen Gesamtenergie von etwa 1 Joule . Aus einer Vielzahl von Möglichkeiten haben wir uns für eine elektromagnetische Kickvorrichtung entschieden, da diese mehrere entscheidende Anforderungen wie eine hohe Zuverlässigkeit und eine ausreichend hohe „Schussrate“ erfüllt. 

Transformation

Durch einen Flybacktransformator werden zwei Kondensatoren in weniger als einer Sekunde aufgeladen. Die darin gespeicherte Energie wird dann beim Kicken innerhalb von Millisekunden in eine Spule geleitet, die einen ferromagnetischen Rundstab anzieht. Dieser trifft dann den Golfball und beschleunigt diesen. Spezielles Augenmerk lag bei der Entwicklung auf der Implementierung von Sicherheitsfeatures, wie einer Entladeschaltung und einer blinkenden LED, welche vor hohen Spannungen warnt.

Zukünftige Entwicklungen

Aktuell wird noch an der Verbesserung der Kickerdimensionen (Länge, Durchmesser, Windungszahl, etc.) sowie an der Auswahl eines gut geeigneten ferromagnetischen Materials geforscht.  

Netzwerk-Modul

Da die Wettbewerbe des RoboCup in verschiedenen Ländern rund um den Globus ausgetragen werden, können die verfügbaren Funkfrequenzen variieren. Um in dieser Hinsicht flexibler aufgestellt zu sein, verwenden wir ein separates Netzwerkmodul. Dieses können wir, falls nötig, gegen ein Modul mit angepasster Frequenz austauschen.

Benutzerschnittstelle

Um mit unseren Robotern interagieren zu können, benötigen wir eine benutzerfreundliche Schnittstelle. Auf diese müssen wir auch dann zugreifen können, wenn der Roboter zusammengebaut und das Gehäuse montiert ist. Wir haben uns für eine abnehmbare Platine (UI) entschieden, die am Schnittstellenmodul auf der rechten Seite unseres Dribblers eingesteckt werden kann. Wenn das externe UI eingesteckt ist, wird der „ESP32“ benachrichtigt und zeigt interne Daten auf einem Display an. Darüber hinaus können Roboter über einen Drehgeber gesteuert werden, der auf dem externen UI verbaut ist.

ESC

Aufgabe des ESC-Moduls ist es, die BLDC-Motoren unserer Roboter zu steuern. Da BLDC-Motoren in diesem Geschwindigkeitsbereich noch relativ neu sind, gibt es keine vorgefertigten Drehzahlregler in unserem Formfaktor, so dass wir uns entschlossen haben, ein eigenes Modul zu entwickeln. Um dabei Platz zu sparen, haben wir das Modul in zwei Hälften geteilt und diese übereinander angeordnet, so dass ein Leiterplatten-Sandwich entstanden ist. Auf diese Weise verfügt jede Platine über Schaltungen und Anschlüsse für zwei Motoren. Die Kommunikation zwischen allen Platinen wird mit unserem Main Hub realisiert.  

"TMC4671"-Chip

Hauptbestandteil des ESC-Moduls ist der "TMC4671"-Chip, der jeweils einen Motor ansteuert. Die Regelkreise für die Lageregelung sind bereits auf dem Chip integriert, dennoch benötigt er einige zusätzliche Schaltungen für die Leistungsmessung und Ansteuerung der Motoren.

Strommessung

Um die Motoren genau steuern zu können, muss der Steuerchip wissen, wie viel Strom durch den Motor fließt. Wir erreichen dies, indem wir "Shunt"-Widerstände in die Leitungen der drei Phasen des Motors einbauen. Der Strom in jeder Phase ist proportional zu der Spannung über dem Widerstand.

Molex Micro-Fit 3.0

Wir verwenden Molex Micro-Fit-Steckverbinder, um die gesamte Leistungselektronik des Roboters anzuschließen. Die Steckverbinder können bis zu 10,5 A liefern, was für unseren Verwendungszweck optimal ist.

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