Mähroboter

Juni 2012

Ausgangssituation

Mähwerk

Fahrwerk

Eine Stromversorgung für den Antrieb

Neuer Mähmotor und Akkuladegerät

Fernbedienung mit dem Smartphone

Ein kurzes Gastspiel für den Flybackwandler

Erste kabellose Ausfahrt

Ausgangssituation

Nachdem unser Schlafzimmer von einem Saugroboter gereinigt wird, war meine Frau ganz angetan von der Idee den Rasen auch automatisch in Form zu halten. Das ist ein Bastelprojekt mit soooo viel Bastelpotential dass ich sofort zugestimmt und auch ruck zuck begeistert losentwickelt habe. Sowas entwerfe ich nicht am Schreibtisch und stelle am Ende fest dass es nicht funktioniert, sondern fange primitiv an um Erfahrungen zu sammeln und das Gerät nach und nach auszubauen und besser zu machen. Zwar habe ich schon unendlich viele Ideen, ob sich die aber verwirklichen lassen ist halt eine andere Frage.

Klar ist nur das Ziel: ein gemähter Rasen ohne dass ich mich drum kümmern muss. Ob das nun durch zufälliges Umherfahren oder abfahren exakter Bahnen erfolgt ist erstmal zweitrangig. Wie der Apparat aussieht auch. Deshalb fange ich mit Spanplattenversionen an, die wild zusammengespaxt werden. Da ist man halt bei Umbauten flexibel.
Später kann die Maschine aufgehübscht werden. Auf jeden Fall werde ich soviel Rechenleistung vorsehen, dass irgendwann vielleicht mal eine auf dem Rasenmäher montierte Figur animiert werden kann. Wäre doch Klasse, wenn das Ding ein wenig nach Bonsai-Aufsitzmäher aussieht. Oben drauf hockt ein Gartenzwerg und das Lenkrad bewegt sich beim Fahren. Und beim Rückwärtsfahren dreht er sich um. Und ein Lied Pfeifen und blöde Sprüche machen kann der auch. Das ist zwar zu nix nutze aber machbar. Und genau deshalb muss ich das unbedingt entwickeln!

Das wird ein ordentliches Stück Arbeit. Und ich fange erstmal unten an.

Mähwerk

Als Mähwerk sollen Cuttermesser dienen. Also habe ich einen ersten Prototypen zusammengespaxt. Zwei alte Rasenmäherräder, eine Möbelrolle und eine Sperrholzscheibe mit 12V Motor bilden das erste Gerät:

Einen 12V Akku draufgestellt und schon kann ich losschieben:

Ergebnis: Schön leise und ein 1A Rasenschnitt. Der Mähteller war noch nicht optimal und wurde durch Version2 ersetzt, die insbesondere durch ihre Farbe glänzt:

Die Messer sind 9mm breite Abbrechklingen, die beweglich mit einer Schraube befestigt sind.

Die Fliehkraft drückt die Messer zuverlässig nach außen. An einem zu festen Gegenstand (Ast) können sie aber einklappen.
Aus der Bucht habe ich 50 Klingen für 'nen Euro gefischt. Da mache ich mir keine Gedanken mehr um stumpfe Messer zu schleifen. Notfalls werden die Messer wöchentlich gewechselt.

Von dem Mäher gibts auch ein Video

Aber ich mus das Ding halt von Hand (oder mit einem Besenstiel) durch den Garten schieben. Als nächstes brauche ich also einen Antrieb.

Fahrwerk

Nachdem ich keine geeigneten Motoren für schmales Geld auftreiben konnte, habe ich schweren Herzens meinen Bier-Maische-Rührer und meine Kugelmühle ausgeschlachtet um an zwei astreine völlig überdimensionierte Motore zu kommen.

Die Räder sind aus Spanplatte und Sperrholz.

Im Akkuschrauber-Ständer wurden sie wetterfest lackiert

In dem Sperrholzteil ist Gewinde für eine Feststellschraube:

Leider habe ich beim Aufbohren eines Rades den Bohrer verrissen, so dass das Rad nun etwas schief auf der Welle sitzt. Egal!

Die Motorhalterung ist aus PVC, wobei ich die Drehbank als Lochsäge benutzt habe:

Der rechte Motor liegt auf dem Holzbrett, der Linke steht schräg und wurde vorsichtshalber unterstützt. Dazu habe ich einen Haufen Bauschaum auf Frischhaltefolie gekleckert, angefeuchtet und die Folie drumgewickelt, so dass ein weicher Klumpen entstand. Diesen unter den Motor geschoben und gewartet, biss er sich ausdehnt. Dadurch passt er sich 1A an den Zwischenraum an. Leider ist die Folie an einer Stelle gerissen und der klebrige Kram rausgequaddelt. Schnell WD40 auf den Motor - und schon blieb der unverklebt.

bereit zur ersten Ausfahrt:

Die vielen parallelen Meßstrippen sind nötig, da eine Strippe etwa 1Ohm Widerstand hat.

Ich habe den Mäher durch tieferes Gras fahren lassen. Mäht prima:

Unser großer Rasenmäher reißt die Halme mehr ab als zu schneiden. Die Cuttermesser hingegen machen einen sauberen Schnitt:

Der Akku will dauernd vom Brett fallen und eine Lenkung wäre auch nicht schlecht.

Version 3 hat nun ein Akku-Fach, einen deutlich kürzeren Radstand und den Mähmotor näher am Antrieb:

Als Fernbedienung habe ich ein Kabel an zwei Taster angeschlossen, die über 2 dicke FETs die Motoren schalten. Ein echtes Provisorium:

Der Mähmotor wird mit einem zum Schalter umgebauten Taster geschaltet:

Nun muss ich keinen Rasenmäher mehr schieben, sondern nur mit 2 Tasten in der Hand gemütlich hinterhergehen.

Auch davon ein Video.

Immerhin habe ich mit einer Akkuladung den ganzen Rasen mähen können. An einem Sonntag! Das Ding ist so leise, dass es vom säuseln des Windes völlig übertönt wird. Der Mäher macht beim Anfahren einen Wheelie. Und mit den Tasten lenken ist natürlich doof. Außerdem hat der volle Akku nur ca. 14V, die Motoren sind aber für 24V ausgelegt. Also brauche ich als nächstes eine regelbare Stromversorgung.

Eine Stromversorgung für den Antrieb

Die erste Idee, einen Step-Up Wandler auf 24V zu bauen und da zwei PWM-Regelungen für die Motore dranzuhängen wurden durch das abenteuerliche Projekt "Fly-Back-Wandler" ersetzt. Das ist eine Schaltung, die aus den 10-15V Akkuspannung eine von 0-24V einstellbare Motorspannung macht. Die Entwicklung erwies sich als abenteuerlich.

Hier eine technische Erklärung des Schaltungsprinzips - Kann bedenkenlos übersprungen werden.

BEGINN TECHNISCHE DETAILS

Im Prinzip besteht ein Flyback-Wandler (Sperrwandler) aus einem Trafo, der auf der Primärseite von einem FET zyklisch eingeschaltet wird und auf der Sekundärseite nur an einer Diode und einem Elko hängt.
Die Wicklungen sind so verschaltet, dass beim einschalten der Primärseite die Diode den Strom auf der Sekundärseite sperrt. Die ganze Energie geht also ins Magnetfeld. Beim Abschalten der Primärseite entsteht ja beim Abbau des Magnetfeldes ein umgekehrter Strom, welcher dann über die Diode in den Elko fließt. Der Strom fließt also abwechseln durch Primär- und Sekundärseite.

Leider sind nicht alle Bauteile so ideal, weshalb man noch eine Menge Krempel mehr braucht, damit der FET überlebt und die Schaltung zuverlässig arbeitet. Ein "Snubber" ist notwendig um Spannungsspitzen am FET zu verhindern. Diese entstehen durch Streuinduktivitäten im Trafo und der Schaltzeit der Diode. Hier mal ein Auszug aus dem Schaltplan flyback_schaltplan.pdf

Für die Spannungsregelung und Strombegrenzung habe ich einen Current-Mode Chip UC3842 eingesetzt.

Der besteht im wesentlichen aus einem Flipflop, einem Komparator und einem Taktgeber. Zusätzlich braucht er noch einen Shunt zwischen FET und Masse, um den FET-Strom zu messen. Der Taktgeber setzt periodisch das Flipflop, welches den FET einschaltet. Nun steigt der Strom im Trafo an und wird als Shuntspannung gemessen. Der Komparator vergleicht die Shuntspannung mit einer Referenz und setzt das Flipflop zurück, sobald der Grenzstrom erreicht ist.
Zieht man nun von der Referenzspannung die (runtergeteile) Ausgangsspannung ab, entsteht eine geregelte Spannungsversorgung mit Strombegrenzung. Die Schaltung müßte eigentlich gutmütig wie nix anderes sein. In der Praxis hat sie mich jedoch fast zur Verzweiflung getrieben. Nach und nach habe ich einen Haufen Widerstände und Kondensatoren zugefügt, um dem Gebilde das pfeifen und quietschen des Trafos abzugewöhnen und nicht dauernd zu versuchen, meinen FET zu grillen. Bisher läufts noch nicht zufriedenstellend. Neue Schaltpläne und Layout folgen daher irgendwann später.

ENDE TECHNISCHE DETAILS

Neuer Mähmotor und Akkuladegerät

Die abenteuerliche Spannungsversorgung für den Mähmotor wollte ich mir sparen und habe in China jede Menge schönder Bauteile geordert. Gestern endlich kam das Paket. Unglaublich, dass der Karton ringsum mit wichtigen Aufklebern geschmückt war. Dafür zahlt man doch gerne 20 Euro Gebühren!

Drin war eine Fernbedienung incl. Empfänger, Motorregler und neuem Mähmotor. Der kleine Knirps soll angeblich 10 mal soviel Leistung haben wie der dicke Klops der zur Zeit den Mähteller treibt.

Am sehnsüchtigsten hatte ich das Ladegerät für meinen seit Wochen auf seine erste Ladung wartenden LiFePo4 Akku erwartet, damit ich nicht mit dem Bleisäuerling rumgurken muss. Der Chinese hat sich beim Nachbau von was auch immer gar nicht erst die Mühe gegeben, einen klingenden Namen zu wählen:

Leider meldete das Ding beim Anschluß des Akkus "Connection break". Hm, vielleicht muss man den Balancer-Stecker anschließen. Der war beim Akku dabei und macht beim Anschluss erstmal stutzig: Schwarzes Kabel an +, rotes an Minus?

Ich will das Ding nicht bei der ersten Benutzung abrauchen lassen. Also aufgeschraubt und nachgesehen: Drinnen liegt lose ein Notebook-Netzteil und eine recht hochwertig aussehende Platine:

Anhand der Leiterbahnführung konnte ich den Minuspol der Stecker eindeutig bestimmen:

Die Beschriftung des Gerätes stimmt also. Leider gab es auch mit Balancerkabel keinen Erfolg. Nachgemessen: Akkuspannung kommt am Stecker im Ladegerät an. Also nochmal aufgeschraubt und die Lupe rausgeholt.
Bingo - gleich am Eingang fündig geworden. Der mittlere Anschluss vom Leistungstransistor könnte etwas Zinn vertragen.

Und der linke Pin eines anderen Transistors sieht auch etwas trocken aus.

Da habe ich wohl einen Bausatz gekauft. Also Flugs nachgelötet und wieder zugeschraubt. Nachdem das aber wieder nur folgendes Bild gab, habe ich aus Verzweiflung ALLES nachgelötet und den Kasten offen gelassen.

Da ich dabei das Ding komplett zerlegen mußte gibt''s auch ein Foto von der Rückseite der Platine:

Irgendwann fiel mir auf, dass die Akkuspannung am Eingang verdächtig niedrig war. So tief konnte der nagelneue Akku gar nicht entladen sein. Also mal die Anschlußkabel durchgemessen und auf sagenhafte 3,1 Megaohm (nicht Milliohm) gestoßen:

Eine Probebohrung entlarvte den so schön golden glänzenden angespritzten Stecker als Übeltäter:

Nachdem ich den ersetzt habe lädt der Kasten einwandfrei und der Akkupack ist einsatzbereit

Der neue BLDC-Mähmotor wurde mit Controller, Empfänger und Akku zusammengestöpselt und mit einer PVC-Scheibe (statt Propeller) ausprobiert.

Der kleine Kerl macht einen Höllenlärm. Das hatte ich mir deutlich anders vorgestellt. Hier als Video.
Das war wohl ein grandioser Fehlkauf.

Fernbedienung mit dem Smartphone

Ich stelle mir den nächsten (äh - übernächsten?) Rasenschnitt so vor, dass ich nicht mehr mit dem Kabel in der Hand den Roboter Gassi führe, sondern ihn fernsteuere.
Dazu habe ich einen Bluetooth-Empfänger an einen Microcontroller gehäkelt, der momentan Signale zu zwei Modellbauservos schickt damit man was sieht. Zusätzlich wird aber auch schon eine Steuerspannung für die irgendwann hoffentlich funktionierende Motorstromversorgung ausgegeben, so dass dann irgendwann die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des Mähroboters durch kippen des Handys kontrolliert werden.

Gesteuert werden diese Servos nun mit dem Smartphone. Dazu habe ich unter Android eine simple App zusammengestrickt, welche die 3 Beschleunigungssensoren des Telefons ausliest, daraus dessen Lage im Raum berechnet und via Bluetooth zum zukünftigen Roboterhirn (ATxmega128A1) schickt.

Hält man das Telefon waagerecht und um 45° nach hinten gekippt, steht das Fahrzeug. Kippt man es weiter nach hinten fährt es immer schneller vorwärts, weiter nach vorne für rückwärts. Lenken passiert intuitiv durch seitliches kippen.

Das BTM-220A2 Class1 Bluetooth Modul (100m Reichweite) hängt mit Heisskleber unter der Platine und hat oben eine 31mm Stummelantenne.

Auf dem Smartphone läuft meine Mähcontroller-App (Hier mit aufgeklapptem Verbindungs-Menü):

Um präzise lenken zu können ist der Lenkausschlag um die Mitte herum stark untersetzt (parabelförmige Kennlinie). Der Knopf für das Filter ist nur vorläufig drin um zu testen, ob die Signale auch ungefiltert handhabbar sind.

Die beiden Servos sind als Gaspedal (linker) und Lenkrad (rechter) anzusehen.
Die Steuerspanungen für die Flyback-Wandler und die Ansteuerung der Relaiskarte mit der Polwendeschaltung werden bereits vom ATxmega ausgegeben. Leider hängt da noch nix dran.

Und jetzt der Probeaufbau mal als Video im laufenden Betrieb. Das Video ist leider sehr wacklig, da ich Kameraman und Handybediener in einer Person bin.

Ein kurzes Gastspiel für den Flybackwandler

Der Flybackwandler ist nach vielen Mühen montiert.

Durch einen Layoutfehler waren die 4 Transistoren falsch angeschlossen und dadurch haben wohl die ICs auch aufgegeben. Also musste ich auf eine Ersatzteillieferung warten und die Teile ersetzen.

Leider gab das Ding trotzdem nach 1 Minute auf ohne dass irgendwas verdächtig heiß wurde.. Jetzt habe ich den Effekt, dass die Schaltung recht gut läuft wenn man neue Chips reinsteckt. Nach wenigen Minuten ist dann aber wieder Schluss. Irgendwo steckt da gewaltig der Wurm drin und ich habe schon viele Stunden mit messen und kleinen Veränderungen vor dem Mistding verbracht.

Inzwischen habe ich mich mit diesem Flybackwandler dermaßen rumgeärgert dass der rausgeflogen ist. Die fette Flybackplatine vermisse ich gar nicht

Statt dessen habe ich zwei simple PWM-Step-Down Wandler gebaut.

Eine Relaisplatine sorgt für die Möglichkeit zur Rückwärtsfahrt:

Die PWMs und die Relais wurden an den Prozessor gehäkelt (der muss die PWM-Signale erzeugen) und - Kacke.
Leider ist mir beim Umprogrammieren das +14V Kabel von der Batterie entglitten und einmal von oben nach unten über die Prozessorplatine gerutscht. Damit ist das Ding nur noch als Rückenkratzer zu gebrauchen. Aber so ein Hirntod haut mich nicht um, da ich glücklicherweise 2 dieser Module besitze. Nochmal sollte ich das aber nicht machen. Ich muss mich doch mal nach einem 32A Schalter umsehen.
Oder einfach einen FET und einen Microschalter einbauen.

Mit dem neuen Hirn lief der Mäher dann auch prima.
Zwar sind die Motore mit max. 14V recht langsam, aber man kann damit nun schon mal von Hand Rasen mähen.

Erste kabellose Ausfahrt

Hier ein kurzes Video wie kinderleicht die Bedienung ist: Rasenmähen mit Android-App

--- Fortsetzung folgt ---