AGV Kursus August 1999

AGV Kursus August 1999 Dato: 26.08.99 Morten Nielsen Daniel Grolin Michael Krag

Indledning: Princippet bag en AGV (Autonomous Guided Vehicle) er at få et køretøj til at bevæge sig rundt i nogle omgivelser, der kan være mere elle mindre tilfældige, ved hjælp af sensorer, det vil sige, uden menneskelig indblanden. At skabe disse robotkøretøjer har imidlertid vist sig langt sværere, end man umiddelbart skulle tro, ikke mindst hvis køretøjet skal reagere på dynamiske omgivelser. AGV-kurset på Odense Universitet 1999, går i al sin enkelthed ud på at lave nogle LEGO biler vha. LEGO Mindstorm, og få dem til at følge en forudbestemt bane. At banen er forudbestemt letter arbejdet meget, da omgivelserne derfor kun er delvist dynamiske. Dvs. netop afhængige af den mængde sollys der falder på banen, hvilket også skal vise sig at være det største problem. Banen: Banen er udformet som et 8-tal (ill.), og udført i krydsfiner, spånplade og trælister. Sporet er ca. 30 cm bredt, og på de lige stykker i midten af 8-tallet, er kanten markeret med en ca. 2 cm bred sort streg i hver side. I svingene befinder den sorte streg sig på midten af banen. Banen er iøvrigt hvid. 1 - ZIG-ZAG. Her er der ingen streger, der markerer banen. 2 - Bro på ca. 20 cm. i højden. 3 - Mur på ca. 10 cm i højden. 4 - Viadukt, der er ca. 25 cm i breden og ca. 20 cm i højden. 4 1 2 3

AGV en: Der blev afprøvet flere forskellige designs, før det lykkedes at få AGV en over muren (3). Muren er den eneste forhindring på banen, der virkelig stiller krav til mekanikken, og designet af AGV en er ikke lige gyldigt, hvis denne forhindring skal forseres. Resultatet blev et bæltekøretøj, med et ekstra sæt larvefødder foran, der som et transportbånd trækker AGV en op på muren. Da vi kun havde larvefødder af en begrænset længde til rådighed, viste det sig, at være nødvendigt, at lave to gribearme på toppen af transportbåndet for at AGV en kunne nå op til kanten af muren. AGV ens design er et kompromis der både tilgodeser, at AGV en kan nå op til toppen af muren, og som samtidig sikrer, at den vinkel der er mellem transportbåndet og muren ikke bliver for lille. Sker det, kan transportbåndet godt selv kan nå op til toppen af muren, men ikke er i stand til at trække AGV en over, da der nu ikke ligger nok vægt på transportbåndet. Netop vægten er et andet problem, der er taget højde for i designet. AGV en er meget simpel, og vejer derfor ikke meget. Hovedvægten ligger i RCX en der er placeret så langt fremme på AGV en som muligt. Desuden er AGV en udstyret med en lang hale, der bevirker, at hovedvægten kan blive skubbet over muren, hvorefter AGV en tipper op på muren. Denne konstruktion har gjort, at AGV en er blevet meget lang. Dette stiller store krav til programmet i forbindelse med gennemkørsel af labyrinten, der har skarpe hjørner. For ikke at tilføje AGV en unødig vægt i forbindelse med stabilisering med LEGO klodser, er der brugt Strips til dette formål. AGV en er trukket af to DC-motorer, en til hvert sæt larvefødder. For at AGV en skal have kræfter nok til at komme over muren uden hjælp af en 3. motor, har det været nødvendigt at geare den meget lavt, hvilket desværre har gjort den langsom. Til gengæld er det ikke nødvendigt med sensorer til at detektere muren.

Sensorerne: AGV en er udstyret med 5 lysfølsomme 5 sensorer og 2 bumpsensorer (ill.), der er placeret på en sådan måde, at de 2 lyssensorer (1 & 4), og de to bumpsensorer (6 & 7) er suspenderet ud fra siderne på AVG en, og bruges til at 7 6 detektere kanterne på banen. De 2 6 lyssensorer (2 & 3), der er placeret under AGV en midt for, bruges til at detektere midten af banen. En sensor (5) er placeret 2 3 4 1 oppe på toppen af transportbåndet til at Front View måle afstanden til objekter foran AGV en. Sensor 1 og 3 er parallelforbundet, og sensor 2 og 4 er parallelforbundet. Dette bevirker, at hvis blot én af de parallelforbundne sensorer måler en ændring af lyset, dvs. hvis en af dem rammer en sort streg, falder spændingen over sensoren. Den sensor, der har det laveste spændingsfald over sig er afgørende for, hvilket udslag der kommer fra sensorerne samlet. Fordelen ved denne opsætning er, at hvis sensor 1 eller sensor 3 rammer en sort streg, betyder det, at AGV en enten er ved at køre ud over højre kant på banen, eller at AGV en er på vej for langt til højre for midten. I begge tilfælde skal AGV en dreje til venstre. Det samme gælder for sensor 2 og 4 blot skal AGV en her dreje til venstre, hvis den får et udslag. Sensor 5 arbejder alene. Sensor 6 og sensor 7 er også parallelforbundet, og reagerer i labyrinten og i svingene på banen, hvis AGV en kommer for tæt på kanten.

Interface: Lyssensorerne er interfacet således, at sensorparrene 1&3 og parrene 2&4 er koblet op på en differentiale forstærker. At RCX en kun har 3 sensorinputs begrænser altså ikke antallet af faktiske sensorer til 3. Det har været muligt at få RCX en til at give udslag fra ca. 400 til 1023 (RAW-input) for intervallet 1 til 5v DC. Med en differentialeforstærker stræber vi efter at have et nulpunkt, der ligger omkring 3V DC, og altså omkring 700 på RXC en. I princippet vil sensorparet 1&3 få denne værdi til at falde, medens sensor parret 2&4 vil få værdien til at stige, når en af sensorerne rammer en sort streg.. Som det ses, har vi reduceret opløsningen på RCX en med 50% for at få det dobbelte antal sensorer tilkoblet. Dette er ikke noget problem, da det eneste sensorerne 1 til 4 skal detektere er en sort streg. I teorien vil værdien altså være stabil omkring 700, så længe sensorerne to og to måler den samme lysmængde, dvs. spændingsfaldet over sensorparet 1&3 er det samme som over sensorparet 2&4. Dette sker, når AGV en enten holder sig inden for kantstregerne, hvor alle fire sensorer måler værdier for hvid baggrund, eller når AGV en følger en streg på midten, hvor sensorerne 1 og 4 måler værdier for hvid baggrund, og sensorerne 2 og 3 måler værdier for sort baggrund. I samme øjeblik der er afvigelser fra denne ligevægt, vil det kunne detektetes, og AGV en vil reagere herefter. Sensor 5 er tilkoblet sin egen indgang på RCX en via en alm. operationsforstærker, hvilket er en fordel, da sensor 5 skal måle afstand, altså en værdi der kræver en høj opløsning. Det er altså lykkedes, at få 5 lyssensorer tilkoblet 2 indgange på RCX en. Sensorerne 6 og 7 er forbundet således, at den ene sensor skaber fuldt udslag (ingen modstand), og den anden skaber 50% udslag. Hertil er brugt en 10k modstand. RCX en kan på denne måde detektere, om det er den ene eller den anden sensor, der bliver trigget.

Diagrammer: Herunder ses diagrammerne for henholdsvis frontsensor-interface og liniesensor-interface samt printlayout for hele konstruktionen. Interface til frontsensor: +9V LD271 1,15V 180Ω 37mA 37mA BPW41N _ + LM324 470Ω 1N4148 RCX Interface til liniesensor: +9V BPW41N LD271 10k 4,2k _ + LM324 2,7V 1,15V LD271 77mA 77mA _ + LM324 470Ω 1N4148 RCX 4,7Ω

Printlayout (set fra oven): RCX 1 9V Front Sensor IR-LED s 470Ω Front Ground 10k 4,2k +2,7V Line Sensor O I- I+ Vcc- I+ I- O LM324 O I- I+ Vcc+ I+ I- O 470Ω RCX 2 L Line Sensor R

Software: Programmet til RCX eren er bygget af 3 hoved tasks, disse tasks har hver sine sensorer at holde øje med. Den første af taskene sørger for, at bilen ikke kører ud over vejen. Når sensoren registrerer en sort linje, vil bilen dreje væk fra linjen. Den næste task undersøger tryksensorerne på siden af bilen. Når én af tryksensorerne bliver trykket på, vil bilen dreje til den modsatte side. Den sidste hoved task styrer den sensor, der sidder foran på bilen. I den task er der en tæller, der holder øje med, hvor på banen bilen er. Ved de første 4 input fra sensoren er den i ZIG-ZAGdelen af banen, og ved det 5 input ved den, at den er ved muren. For at komme igennem ZIG- ZAG-banen kører bilen ligeud, indtil den støder på en mur, så bakker den et stykke tilbage drejer lidt, kører så et stykke frem, og derefter drejer den så resten, så den i alt har drejet 90 grader. Dette gøres, indtil den er ude af ZIG-ZAG-banen. Ved det 5 input slår den alle sensorerne fra, og bilen fortsætter med at køre frem. Efter et stykke tid bliver sensorerne tændt igen., da inputene fra sensorerne er ubrugelige, når den kører op af muren. Se bilag 1 for kildetekst. Fejlkilder: Den største fejlkilde er, at batteerierne løber tør for strøm. Denne fejlkilde har effekt på så vel det mekaniske, som det elektroniske. Hvis der ikke er nok strøm på batterierne giver lyssensorerne meget afvigende udslag. Ligeledes, hvis der ikke er nok strøm på batteriene kan AGV en ikke komme over muren. Hvad angår lyssensorerne er de mest følsomme omkring 950ηm, hvilket er i det infrarøde område, men er absolut også følsomme i andre områder, hvilket giver meget store problemer, specielt hvis der falder sollys på banen, hvilket får sensorerne til at gå i mætning. Det er derfor tilrådeligt at køre med AGV en i dæmpet og jævn belysning. Der kunne uden tvivl kompenseres for ambient lys, eventuelt vha. differentialemålinger på nogle sensorer med følsomhed ved forskellige frekvenser eller ved at modulere signalet fra de infrarøde dioder. Dog ville projektet tage en meget kompliceret drejning, hvilket ikke er rimeligt med den mængde vejledning, der har været til rådighed. Banen er ikke konstrueret håndværksmæssigt korrekt, og varierer derfor en smule fra specifikationerne, Dette anses dog ikke som det store problem, da softwaren er skrevet til banen, og ikke til specifikationerne for banen. Da AGV en skal kunne komme igennem viadukten, er den nødt til ikke at være mere end max. 25 cm bred. Da resten af banen er 30 cm bred vil AGV en på de lige stykker, hvor den er

afhængig af input fra lyssensorerne i siderne, zig-zagge henover banen. Dette bevirker, at AGV en kan risikere at komme så skævt ind på en midterstreg, at den ikke kan detektere stregen, da begge midtersensorer vil detektere det samme, nemlig en hvid baggrund.. Der kan kompenceres for dette ved at sætte midtersensorerne længere fra hinanden, hvilket vil resultere i, at AGV en nemmere kan finde midterstregerne, men nu også vil zig-zagge voldsomt henover midterstregerne, hvilket ikke er hensigtsmæssigt, da midterstregerne netop er placeret i svingene, for at undgå at AGV en zig-zagger. En anden mulighed er at placere flere midtersensorer under AGV en, lave nogle differentialeudregninger og præcist afgøre, hvor langt fra midterstregen AGV en befinder sig. Denne mulighed har ikke været overvejet, da afvigelserne på lyssensorerne i forvejen er så store, at det ville være umuligt at få en sådan løsning til at virke. Gribearmene på toppen at transportbåndet er af mekaniske årsager kun trukket af den ene motor. Dette betyder en større belastning for denne motor, hvilket får AGV en til at køre en anelse skævt.

Konklusion: Mekanik: Rent mekanisk sætter LEGO klodser nogle klare grænser for, hvad der er muligt. Skal der konstrueres et stabilt design i LEGO, kræver det mange ekstra klodser, og dermed vil AGV en bilve meget tung. Dette er aldrig hensigtsmæssigt. Vi har som før beskrevet valgt at bruge strips til at holde sammen på AGV en. En anden mulighed er at lime klodserne sammen, hvilket ikke har været muligt, da klodserne således ikke kan bruges af andre. At få bilen over en 10 cm høj forhindring har vist sig at være noget sværere end først antaget. Det tog ikke mindre end 1½ uge at konstruere et design, der kunne klare opgaven. Det har hele tiden været meningen at konstruere en AGV, der kunne komme over muren uden brug af ekstra motorer eller sensorer/software. LEGO er et godt alternativ, da det er nemt at samle og ikke mindst skille ad igen, men stadig savnes en mulighed for at kunne modulere frit med materialerne, således som det ville være muligt i et kombineret metal/plastic værksted. RCX en (ikke mindst motorerne) bruger iøvrigt for meget strøm. Elektronik: En klage over, at det ikke var muligt at få fræset print til opgaven eller i det mindste få stillet et syrebad til rådighed. Det lykkedes at lave print til trods, men hulprint har efter min (Mortens) bedste overbevisning ikke noget at gøre i et elektronikværksted, da det alt andet lige ikke er andet end et sømbrædt med huller i. Selve designet af interface til lyssensorerne, gav en del vanskeligheder ikke mindst differentialeforstærkeren. Vi havde fjumrebrædt stillet til rådighed, hvilket var en nødvendighed. Designet af print foregik med papir og blyant, og havde uden tvivl givet et pænere og mere overskueligt resultat, hvis det havde været muligt at få lavet rigtigt print. Positivt er det dog, at HW-lappen har været meget behjælpelige med komponenter, således at vi ikke på noget tidspunkt var nødt til at vente på at modtage komponenter ude fra. Desuden er det forkasteligt, at der ikke bliver stillet genopladelige batteier til rådighed til et projekt af denne karakter, da der er blevet brugt uforholdsmæssigt mange batterier til testfaserne.

Software: Bilen har problemer med at køre rundt i svingene, da den skal fange midter-stregen. Der er risiko for, at den ikke fanger eller kører for skævt ind på stregen, og derfor ikke kan nå at rette op og følge stregen. Dette kunne have været undgået med en regulerings algoritme. Dette skete ikke på grund af tidsmangel. Et andet stort problem var, at sensor inputet kunne varierere meget på grund af lys eller tomme batterier. For at forhindre at lyset generede sensorerne kunne der vikles gaffa tape omkring dem. Men dette gav problemer, når den skulle over broen. Under dæmpet belysning var bilen i stand til at gennemføre banen.