Anleitung

Nutzerhandbuch

Der Smartacus wurde für Bildungszwecke entworfen. Eine Anbindung des Mikrocontrollers an einen Computer kann mittels Micro-USB Kabel hergestellt werden.

Informationen für den sicheren Umgang

Abb.Nr.1: Gefährdung [Gefahrenhinweise]

Das Fahrzeug ist nicht für Kinder unter zehn Jahren geeignet.

• Akkus getrennt lagern

• Akkus nicht überladen oder unter 20% Kapazität betreiben

• Akkus in richtiger Polung einbauen

• Akkus sind entflammbar

• Beschädigte Akkus und Fahrzeug nicht nutzen

• Entfernen Sie keine Kabel ohne technische Unterweisung oder Kenntnisse

• Fahrzeug im Betrieb nicht in die Nähe von Haaren bringen

• Fahrzeug nur von 5-40° Celcius Umgebungstemperatur betreiben

• Stürze können das Fahrzeug permanent beschädigen

• Lithium-Zellen nicht fallen lassen

• Nur für sachgemässe Handhabung bestimmt

Anleitung

In dieser Anleitung werden die Klassen und Funktionen erklärt. Zusätzlich wird hier auch der Aufbau des Fahrzeugs mit allen dazugehörigen Bauteilen beschrieben. Diese sind in der [Bauteilliste] zu finden. Zu Beginn jeder Funktion werden die grundlegenden Übergabeparameter und Abläufe erklärt. Daraufhin kommt eine genauere Erklärung, welche Grundlegende Kenntnisse in C++ erfordern. In jeder Klasse wurde bereits eine Instanz erstellt, welche für alle Funktionen und Abläufe mit dem Fahrzeug funktioniert. Weitere Videos zur Installation und Nutzung einer Entwicklungsumgebung findest du auf unserem YouTube Kanal. Die gesamte Software befindet sich auf diesem GitLab Repository.

Einführung - Software

Hier sind die Funktionen aufgelistet, die du für das Lösen der Aufgaben benötigst.

motor.h

Die Motoren Header-Datei beinhaltet alle Funktionen für die Ansteuerung von den Gleichstrommotoren für den Antrieb und den Servomotor für die Lenkung. Die Bibliothek enthält eine stop() Funktion, welche die Motoren direkt zum stehen bringt. Ergänzend wird eine Art Torquevectoring genutzt, dies ist auf die Differenz des Radius beim Fahren einer Kurve zurückzuführen. Deshalb dreht der innere Motor langsamer als der äußere, da der Weg den der weiter entfernte Motor zurücklegen muss länger ist als der des inneren. Die unten genannten Funktionen stehen dir zur Verfügung, wenn du motor als Klassenname nutzt.

Für die setup() - Hauptfunktion:

• init()

Für die loop() - Hauptfunktion:

• move(motor_direction direction, int velocity)

• steer(int steering_angle)

• steerAndMove(int steering_angle, motor_direction direction, int velocity)

• getMotorDirection()

• getSteerDirection()

• getVelocity1()

• getVelocity2()

reflection_sensor.h

Die Reflektionssensor Bibliothek stellt Funktionen zu Verfügung, welche am Fahrzeugboden befestigt sind. Mit diesen Funktionen ist es möglich, Farbveränderungen am Boden zu erkennen. Dies ist besonders für das Verfolgen von Linien hilfreich.

Für die setup() - Hauptfunktion:

• init()

Für die loop() - Hauptfunktion:

• getValues(uint16_t* value)

• printValues()

compass.h

In der Bibliothek für das Kompassmodul stehen folgende Funktionen zur Verfügung, wenn die Klasse compass genutzt wird.

Für die setup() - Hauptfunktion:

• init()

Für die loop() - Hauptfunktion:

• getAngle()

• getAngleDifference(int startingAngle)

• getStartAngle()

config.h

Die config.h definiert alle Schnittstellen mit dem Microcontroller.

headlights.h

Hier werden die Scheinwerfer des Fahrzeugs angesteuert.

oled.h

Die OLED Bibliothek stellt Funktionen für die Displays zur Verfügung. Auch hier wird eine Klasse oled_back benötigt.

Für die setup() - Hauptfunktion:

• init()

Für die loop() - Hauptfunktion:

• changeFont(int font)

• drawStringLeft(String text, int font, int clearanceToLeft, bool send)

• drawStringCentered(String text, int font, bool send)

• drawStringRight(String text, int font, int clearanceToRight, bool send)

• displayDistance(int distance0, int distance1, int distance2, int distance3)

• displayCompass(int angle)

• displayIPAdress()

• setScrollText(String text, int font, int speed)

• scrollingLeft()

• scrollingRight()

• whiteScreen(bool brightness)

• blackScreen()

• displayIR(uint16_t left, uint16_t middle_left, uint16_t middle, uint16_t middle_right, uint16_t right)

• displayAllFonts()

• displayCharge()

• getScrollingLength()

• displayDirection()

port_expander.h

Der port_expander stellt dem Microcontroller weitere GPIO Pins zur Verfügung.

Für die setup() - Hauptfunktion:

• mcpInit()

solution.h

In der Solution Headerdatei sind alle Lösungen und funktionierenden Programmabschnitte bereitgestellt. Die Funktionen sind mit ihrem Namen bereits sortiert und können in der jeweiligen setup() oder loop() Hauptfunktion aufgerufen werden.

• headlightSetup()

• headlightLoop()

• headLightBlinkSetup()

• headLightBlinkLoop()

• rgbSetup()

• rgbLoop()

tof.h

Um nur eine begrenzte Anzahl der Time of Flight Sensoren zu nutzen, kann in der config.h die Anzahl der genutzen Sensoren angegeben werden. Die Time of Flight Bibliothek stellt die folgenden Funktionen zur Verfügung, wenn die Klasse time_of_flight vor der Funktion genutzt wird:

Für die setup() - Hauptfunktion:

• init()

Für die loop() - Hauptfunktion:

• getInterruptFlag()

• clearInterruptFlag()

• setInterruptThresholds()

• getVelocity()

• automaticThresholds()

rgb_led.h

Nutze für die RGB LEDs die Klasse rgb_led um die unteren Funktionen nutzen zu können.

Für die loop() - Hauptfunktion:

• begin()

• setPixelColor(rgb_led_blinker led_id, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue)

• show()

• clear()

Aufbau der Hardware

In der Bauteilliste sind alle benötigten Bauteile vorhanden. Zusätzlich stehen die entworfenen 3D CAD Dateien zum Download zur Verfügung. Somit kann der Smartacus problemlos Zuhause nachgebaut werden. Im Folgenden wird der Aufbau Schritt für Schritt gezeigt.

Bauteilliste

mechanische Bauteile

#	Bezeichnung	Größe	Material	Menge	Bauteilnummer	Link	Datenblatt
B1	Propellernabe 2.3mm	2,3mm/8mm	AlCuBiPb	2x	Famotec CN-2,3/8	Propellernabe	Propellernabe Datenblatt
B2	RC-CAR KUGELLAGER	5mm x 10mm x 4mm	Chromstahl	4x	Reely BB051004	Kugellager	Kugellager Datenblatt
B3	Zylinderkopfschraube M2	M2 x 12mm	Stahl	4x	/	/	/
B4	Mutter M2	M2	Stahl	4x	/	/	/
B5	Zylinderkopfschraube M2.5	M2.5 x 6mm	Stahl	4x	/	/	/
B6	Zylinderkopfschraube M3	M3 x 10mm	Stahl	11x	/	/	/
B7	Zylinderkopfschraube M3	M3 x 12mm	Stahl	1x	/	/	/
B8	Mutter M3	M3	Stahl	7x	/	/	/
B9	Beilagscheibe M3	M3 x Ø 7mm x 0,5mm	Stahl	12x	/	/	/
B10	Zylinderkopfschraube M4	M4 x 10mm	Stahl	2x	/	/	/
B11	Beilagscheibe M4	M4 x Ø 9mm x 1mm	Stahl	2x	/	/	/
B12	Senkkopfschrauben M5	M5 x 50mm	Stahl	2x	/	/	/
B13	Mutter M5	M5	Stahl	2x	/	/	none

Als Parameter für die Drucke aus PLA empfehlen wir ein Infill von 20-25% mit dem Pattern Cubic. Bei einer Linienbreite von 0,4mm reicht eine Wandanzahl von 2. Für Unten und Oben reichen 5 Schichten.

3D-gedruckte Bauteile

#	Bezeichnung	Material	Menge	Download Link	Support	Brim
D1	Adapter Servo	PLA	1x	Adapter Servo V3	☐	☐
D2	Akkudeckel	PLA	1x	Akkudeckel	☐	☐
D3	Akkuhalter	PLA	1x	Akkuhalter	☑	☐
D4	Aufhängung vorne links	PLA	1x	Aufhängung vorne links	☐	☐
D5	Aufhängung vorne rechts	PLA	1x	Aufhängung vorne rechts	☐	☐
D6	Bodenplatte	PLA	1x	Bodenplatte V3	☑	☑
D7	Bumper	PLA	1x	Bumper V4	☑	☐
D8	Bumper hinten	PLA	1x	rear Bumper V1	☑	☐
D9	Bumper Halter links	PLA	1x	Bumper Halter links	☑	☑
D10	Bumper Halter links hinten	PLA	1x	Bumper Halter links hinten	☑	☑
D11	Bumper Halter rechts	PLA	1x	Bumper Halter rechts	☑	☑
D12	Bumper Halter rechts	PLA	1x	Bumper Halter rechts hinten	☑	☑
D13	Felge Hinten	PLA	2x	Felge hinten V3	☑	☐
D14	Felge Vorne	PLA	2x	Felge vorne V3	☑	☐
D15	Hinterreifen	TPU A95	2x	Hinterreifen V2	☐	☐
D16	Motorhalter	PLA	2x	Motorhalter	☐	☐
D17	Turbofans	PLA	2x	Turbofans V4 Aero	☐	☐
D18	Vorderreifen	TPU	2x	Vorderreifen V1	☐	☐

Elektronische Komponenten

Bezeichnung	Bauteilnummer	Größe	Kenngrößen	Menge	Produktlink	Datenblatt
Gleichstrommotor	Johnson 30037	L 44 mm x Ø 27,5 mm	12V @ 8000 rpm	2x	Gleichstrommotor	Link
Servomotor	MG996R - Towerpro	54 x 20 x 45 mm	5V 180°	1x	MG996R	Link
ESP32S	NodeMCU-ESP-32S-Kit	54,5 x 26,5 x 11,8 mm	5V USB, 3,3V Logik	1x	ESP32S	Link
18650 LiIon-Akku	INR18650-M29 -LG	L 65mm x Ø 18,4 mm	3,67V, 2,85Ah	3x	INR18650-M29	Link
Summer aktiv	/	1x	/	/	/	/
OLED Display	0,91“ OLED I2C Display 128 x 32 Pixel	39 x 11,5 x 11mm	3,3V/5V	2x	OLED Display	Link
Kompassmodul	GY-271 Kompassmodul	13,0 x12,0x2,5mm	3,3V/5V	1x	GY-271	Link
ToF Abstandssensor	VL53L0X	23,5 x 10,0 x 3,5mm	3,3V	4x	VL53L0X	Link
IR Sensor	V69 CNY 70 222		3,3V	5x	CNY70	Link
SMD RGB LED	WS2812B SMD LED 120° 4 Pin	5 mm x 5 mm x 2 mm	5V	4x	WS2812B	/

Werkzeuge

Bezeichnung	Größe
Torx	/
Schraubenzieher	/
Schraubenschlüssel	/
Schraubenschlüssel	/
Schraubstock	/

Pinbelegung Microcontroller

Pinbelegung

Die hier aufgeführten Pin-Nummern können mit allen Funktionen genutzt werden, welche einen Pin als Übergabeparameter benötigen. Hierfür können die Pin-Namen genutzt werden, denn diese ermöglichen einen leichter lesbaren Code.

ESP32 Pinbelegung

Bezeichnung	Pin-Name	Pin-Nummer
Motor Pin a	pin_esp_motor_a	26
Motor Pin b	pin_esp_motor_b	27
Motor a Geschwindigkeitssteuerung	pin_esp_motor_left_velocity	2
Motor b Geschwindigkeitssteuerung	pin_esp_motor_right_velocity	0
Servo Motor Lenkung	pin_esp_servo	12
Time of Flight Interrupt Pin	pin_esp_tof_interrupt	17
RGB LED Datenausgabe	pin_esp_ws2812b	14
Reflektionssensor Boden 1	pin_esp_reflection_sensor_1	36
Reflektionssensor Boden 2	pin_esp_reflection_sensor_2	39
Reflektionssensor Boden 3	pin_esp_reflection_sensor_3	34
Reflektionssensor Boden 4	pin_esp_reflection_sensor_4	35
Reflektionssensor Boden 5	pin_esp_reflection_sensor_5	32
Buzzer Steuerung	pin_esp_buzzer	16
Port Expander Interrupt Pin	pin_esp_interrupt_port_expander	4
Scheinwerfer vorne links	pin_port_expander_led_front_left	12
Scheinwerfer vorne rechts	pin_port_expander_led_front_right	13
Scheinwerfer hinten links	pin_port_expander_led_back_left	14
Scheinwerfer hinten rechts	pin_port_expander_led_back_right	15
RGB Blinker vorne links	rgb_blinker_front_left	3
RGB Blinker vorne rechts	rgb_blinker_front_right	2
RGB Blinker hinten links	rgb_blinker_back_left	0
RGB Blinker hinten rechts	rgb_blinker_back_right	1
Spannungsversorgung abschalten	pin_esp_shutdown_voltage	15
Monostabile Kippstufe	pin_esp_trigger_74HCT123	13

Schaltplan und Platinenlayout

Abb.Nr.1: Platinenlayout

Abb.Nr.1: Schaltplan

Stückleiste Platine

Bezeichnung	Bauteil	Montageart	Anuahl
Und Gatter	4081	SMD	1
Elko 680uf	FT-V 680U 16	SMD	1
Status LEDs	LED EL 0603 GR1	SMD	4
Polyfuse	PTC FSMD26016R	SMD	2
N-CH Mosfet	IRFR3410PBF	SMD	1
P-CH Mosfet	IRFR 5305	SMD	1
Nand Gatter	4012	SMD	1
N-CH Mosfet	BSS138	SMD	5
Induktivität	L-PISR 47µ	SMD	2
Schottkydiode	1N5824	SMD	4
Gleichrichterdiode	1N4007	SMd	6
Elko 470uf	SUNC 16CE470KX	SMD	4
Step-Down 5V	TS2596CM550	SMD	1
Step-Down 3.3V	TS2596CM53	SMD	1
Reflektinskoppler	CNY 70	THT	5
Monostabile Kippstufe	74HTC123	THT	1
Motortreiber	L298N	THT	1
Portexpander	MCP23017	THT	1
RGB-LEDs	WS2812b	SMD	4

Der Schaltplan und die Platine wurde eigens für das Projekt und speziell für das Fahrzeug entworfen. Dabei wurde gesonders darauf geachtet, dass beides übersicht und leicht verständlich ist. Außderdem wurde großer Wert daraf gelegt, dass nicht benutzte Pins des ESPs und des Portexpanders sowie nicht benutzte Funktionen von Bauteilen über eine Steckerleiste nach außen geführt werden. Außerdem sind auch die Spannungen von 5V und 3,3V sowie die Bussysteme I2C und SPI über eine Steckerleiste verfügbar. Es wurde auch ein Lochrasterfeld direkt auf der Platine realisiert. Somit ergibt sich eine hohe Erweiterbarkeit für nachfolgende individuelle Anwendungen. Zusätzlich sind Messpins für die unterschiedlichen Spannungen verfügbar.

Transistor LEDs vorne und Hinten

Wären die LEDs direkt an den ESP angeschlossen, müsste dieser zu viel Strom bereitstellen. Da er nur den Transistor schalten muss, ist die Strombelastung geringer. Der Transistor funktioniert wie ein Schalter.

Watchdog

Ein Eingang wird in regelmäßigen Abständen durch den ESP durch ein kurztes HIGH Signal getriggert. So lange hält er seinen Ausgang auf HIGH. Wenn das Trigger-Signal ausbleibt, schält der Ausgang nach einer bestimmten Zeit auf LOW. Durch das Und Gatter wird dadurch der Eingang des Motortreibers auf LOW gezogen. Der Watchdog wie im Schaltplan realisiert ist nicht Funktionstüchtig, da zwei Pins vertauscht wurden. Die Modoren können ganz normal über den ESP gesteuert werden, jedoch werden sie bei einem Ausbleibenden triggersignal nicht abgeschaltet. Das IC muss jedoch trotzdem eingebaut werden.

Motortreiber

Mit seiner Hilfe werden die Motoren angesteuert. Über die Eingänge kann die Drehrichtung mithilfe des ESPs angegeben werden. An die Eingänge wird ein PWM Signal mittls analogWirte(pin, wert); angelegt . Über das PWM-Signal wird die Drehgeschwindigkeit gesteuert.

Rückstellbare Sicherung

Dieses Bauteil erhöht seinen Widerstand sehr schnell und sehr stark, wenn ein bestimmter Temperaturwert überschritten wurde. Da ein erhöhter Stromfluss das Bauteil erwärmt, kann dieses als Sicherung verwendet werden.

Port Expander

Mithilfe von I2C können an den ESP 16 Ein/Ausgänge mehr Angeschlossen werden.

Nand Gate

Die Interrupt Ausänge der Timt Of Flight Sensoren können dadruch auf einen Pin am ESP gelegt werden. Mein weiß dadurch zwar nicht, welcher Sensor den Interrupt ausgelößt hat und muss den Abstand von allen abfragen, spart dadurch jedoch drei Pins am ESP ein.

Step Down Regler

Die beiden Regler stellen aus der Batterieversorgungsspannung die Spannungen von 5V und 3.3V für die restlichen Bauteile bereit.

Verpolungsschutz

Dieser besteht hauptsächlich aus dem P-Kanal-Mosfet IRF5305S. Ausschlaggebend ist jedoch auch die umliegende Beschaltung dieses Transistors. Wenn die Eingangsspannung falschherum gepolt sind, sperrt dieser und an den nachfolgenden Bauteilen liegt keine Spannung an.

Selbsthaltung

Sie besteht aus zwei Mosfets, ein paar Widerständen, einem Taster und zusätzlich wird der ESP benötigt. Zu beginn wird über den Taster der Transistor überbrückt und somit der Strom für die restlichen Bauteile eingeschaltet. Der ESP bootet und gibt ein HIGH Signal an das Gate des Transistors aus. Dieser wird dadurch leitend. Der Taster kann dann losgelassen werden und die Schaltung hält sich selbst im eingeschaltenen Zustand. Der ESP kann sich dadurch selbst ausschalten, indem er den entsprechenden Pin auf LOW schält. Die LED dient dabei als Indikator, wann die Spannung am Gate anliegt. Alternativ kann die komplette Schaltung natürlich auch über den Schalter abgeschaltet werden. Danach muss sie wieder mit dem Taster gestartet werden.

Die Selbsthalteschaltung, die in dem Schaltplan realsiert ist ist nicht Funtionstüchtig, kann aber z.B. über das Lochrasterfeld nachgerüstet werden. Wenn die Schaltung wie im Schaltplan aufgebaut wird, ist die Spannung immer verfügbar.

Time Of Flight Sensoren

Über diese kann der Abstand zu einem Objekt abgefragt werden. Soll die Interruptfunktion genutzt werden, muss an nicht benutzten Sensorplätzten der GPIO1 Pin auf 3.3V gebrückt werden. Als Konfiguration kann man entweder keinen Sensor benutzten, nur den forderen, den forderen und hinteren oder alle Sensoren.

Referenzen

Gefahrenhinweise

BGHM (besucht am 03.01.2022) https://www.bghm.de/arbeitsschuetzer/praxishilfen/sicherheitszeichen/kennzeichnung-von-gefahrstoffen