PCB 1.2 (Deutsch)

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Pcb top.jpg

Diese Seite beschreibt,wie die Ardumower Hauptleiterplatte aufgebaut wird und wie die einzelnen Module angeschlossen werden.

Benötigte Module für den Ardumower

Überblick

Alle Module und Teile können über den Shop Shopping.png bezogen werden.

Was wird für den Aufbau eines Ardumowers alles benötigt:


PCB

Kernstück der Steuerung ist ein fertiges Microcontroller-Modul (Arduino Mega 2560 verwendet 54 I/O pins).

Hauptleiterplatte

Die Leiterplatte wurde mit folgenden Parametern entwickelt:

  • LP Abmessungen 241x114mm
  • Alle Module (Motortreiber, Bluetooth, usw.) können auf die Leiterplatte gelötet (oder gesteckt) werden (Modules sind im Ardumower-Shop verfügbar)
  • Verwendet den Arduino Mega 2560
  • Optional: kann der Arduino Due mittels zusätzlicher LP-Adapter verwendet werden
  • Optional: integrierter Ladestromkreis (Strombegrenzung)
  • alle Verbindungen, einschliesslich +5V und GND, sind über Steckverbinder realisiert
  • Max. Strombelastung der Leiterbahnen (für Motoren): 8A

PCB Bauanleitung

Roboterplatine v0.5 (1. Prototyp, bitte nicht mehr verwenden)

Roboterplatine v1.2 (geringe Layoutänderungen)

12V/24V: Die Platine ist für 24V ausgelegt worden. Für 12V müssen einige wenige Sachen geändert werden auf der 1.2 Platine:

  • R2 Vorwiderstand „Led Betriebsspannung“ muss bei 12V auf 560OHm angepasst werden
  • R11 Vorwiderstand“StationsLED „ muss bei 12V auf 560OHm angepasst werden
  • und man benötigt noch statt den 24V Relais ein 12V Relais.


Bemerkung: Das Schaltbild und die Platinen-Zeichnungen wurden mit KiCad entwickelt. Sie können hier heruntergeladen github und damit bearbeitet werden KiCAD software.

PCB Bauanleitung Videos

Leiterplatten Jumper

Bestueckung versorgung laden.png

Wenn benutzt... ...JA ...NEIN Kommentar
integrierter Laderegler mit einstellbarem

Spannungsregler (LM350T) mit Potentiometer

für einstellbare Ladespannung (empfohlen: Nein)

D7: DIODE

D3: DIODE

C1, C4, U4, RV1: verwendet

D7: brücken

D3: brücken

C1, C4, U4, RV1: nicht verwendet

Bei externem Ladegerät nicht verwenden
externe Stromversorgung währen des Ladens (empfohlen: Nein) JP6: geschlossen

JP7: offen

D4: DIODE

C5: nicht verwendet

JP6: offen

JP7: geschlossen

D4: brücken

C5: verwendet

um Platine von aussen mit Strom zu versorgen (trennt Akku von Platine) während des Ladens
von Arduino gesteuertes Laderelais (empfohlen: ja) JP4: geschlossen

JP5: offen

JP4: offen

JP5: geschlossen

verwendet für vom Arduino gesteuertem Laderelais (keine automatische Ladung)
Arduino Due (3.3V I/O) LP0, ..., LP15: offen LP0, ..., LP15: geschlossen Nicht verwenden bei Arduino Mega
Bluetooth VCC=3.3V JP8: offen

JP9: geschlossen

JP8: geschlossen

JP9: offen

viele neuere Module laufen mit 3.3V
Bluetooth Programmier-Modus JP2: geschlossen JP2: offen verwendet für Programmierung der BAUD-Rate usw.

Leiterplatten-Module

Wichtig für Marotronics INA169: Pads verlöten für 5A Betrieb
Module Feature Pinout Optional Comment
U1 DC/DC Wandler (10V) GND, Vout, Vin, GND Nein
U2 Bluetooth (HC-05) VCC, GND, TXD, RXD, Key, LED Ja
U3 Stromsensor (Ladestrom) VCC, GND, OUT, IP+, IP-5 Ja
U4 Laderegler (LM350T) AJD, OUT, IN Ja
U5 Stromsensor (währen des Ladens) VCC, GND, OUT, IP+, IP-5 Ja
U6 DC/DC Wandler (3.3V) GND, Vout, Vin, GND Nein
U7 DC/DC Wandler (5V) GND, Vout, Vin, GND Nein
U8 Echtzeituhr (DS1307) Batt, GND, VCC, SDA, SCL, DS, SQ Ja
U9 WLAN (ESP8266) TX, CH_PD, Reset, VCC, GND, GP_IO2, GP_IO0, RX Ja
U10 Pegelwandler 5V->3V (Arduino Due) Ja
U11 WLAN(ESP8266) TX, CH_PD, Reset, VCC, GND, GP_IO2, GP_IO0, RX Ja alternative Montageposition

Leiterplatten Steckverbinder

Connector Feature Pinout Optional Comment
P1 Sonar mitte (HC SR-04) 5V, GND, Trigger, Echo ja
P2 Sonar rechts (HC SR-04) 5V, GND, Trigger, Echo ja
P3 Sonar links (HC SR-04) 5V, GND, Trigger, Echo ja
P4 reserviert ja
P5 IMU (gyro,acceleration,compass) (GY-80) ja
P6 Rasensensor ja
P7 Status LEDs ja
P8 Odometrie rechts ja
P9 Odometrie links ja
P10 GPS (GY-NEO6MV2) ja
P11 Bumper GND, GND, rechts, links ja
P12 Perimeter-Empfänger (mitte oder links) 5V, GND, perimeter ja
P13 R/C Fernsteuerung 5V, GND, mow, steer, speed, switch ja
P14 Messpunkte 5V, GND, (abhängig von JP15: 3.3V, 5V or Arduino 3.3V) ja
P15 Antriebsmotor links M1OUT1, M1OUT2 Nein
P16 Optionaler Motortreiber-Eingang ja nicht verbinden
P17 Optionaler Motortreiber-Eingang ja nicht verbinden
P18 Antriebsmotor rechts M2OUT1, M2OUT2 Nein
P19 Neigungssensor 5V, GND, tilt ja
P20 Taster (Start/Stop) Nein
P21 Absturzsensor rechts ja
P22 reserviert ja
P23 reserviert ja
P24 reserviert ja
P25 reserviert ja
P26 reserviert ja
P27 reserviert ja
P28 reserviert ja
P29 reserviert ja
P30 Perimeter-Empfänger rechts ja
P31 Absturzsensor links ja
P32 GND ja
P33 5V ja
P34 3.3V ja
P35 Mähmotor Drehzahl ja
P36 reserviert ja
P37 Mähmotor Nein
P38 reserviert ja
P39 reserviert ja
P40 User switches ja
P41 Regensensor ja
P42 Ladeanschluss ja
P43 Akku (24V) Nein
P44 WLAN Modul (ESP8266) ja
P45 reserviert ja
P46 reserviert ja

Stromversorgung

Bitte lies auch den Abschnitt 'Spannungen' unter Motor-Treiber für mehr Informationen über die Motorspannung

Empfehlenswert ist die Verwendung von Step down Spannungswandlern (d.h. Module verwenden LM2596) um die 5V Spannung für den Arduino und alle zusätzlichen Module zu erzeugen. vor der Verbindung mit der Schaltung (Jumper), stelle den Wandler auf 5V ein, dann erst den Jumper schliessen.

Warning.pngWarnung : niemals mehr als 5V an die Arduino 5V pins anlegen, das würde den Arduino zerstören. Deshalb, immer die 5V messen bevor die Verbindung zum 5V Pin des Arduino erfolgt! Alle Komponenten zusammen (wie im Schaltbild gezeigt) benötigen ca. 5W Leistung.

Motoren

Das Ardumower- Design verwendet zwei verschiedene Typen von Motoren. Alle Motoren können im Shop Shopping.png) erworben werden:

  • Zwei Getriebemotoren als Antriebe (Radmotoren) mit eingebautem Encoder (für Weg- und Geschwindigkeitssteuerung)
  • einen Motor (mit hoher Drehzahl) zum Mähen (Mähmotor)

Zur Steuerung der Motoren sind Motortreiber erforderlich. Desweiteren messen wir den Motorstrom mit dem Motortreiber. Dies erlaubt uns, Hindernisse zu detektieren, da der Motorstrom bei Hindernissen ansteigt. Ardumower verwendet zwei Dual MC33926 Motortreiber. Zwei Kanäle für linker und rechter Motor und zwei Kanäle (parallel geschaltet) für den Mähmotor.

Es ist nicht empfehlenswert die Motoren direkt an die Motortreiber anzuschliessen, da gerade beim schnellen Wechsel von Vor- und Rückwärtsfahren (bzw. umgekehrt) hohe Spannungsspitzen auftreten und diese können die Motortreiber auf lange Sicht bestädigen. Daher verwenden wir ein Protector Board zwischen Motortreiber und Motoren.

Ardumower motordriver overview.png

Spannungen

Der Ardumower verwendet wie alle modernen Systeme 24V Motoren.


Bauanleitung Motortreiber (MC33926)

Eigenschaften des Motortreibers: bis zu 3A, mit integriertem Stromsensor und Thermoschutz

Hier findest Du eine Anleitung wie der Motortreiber auf das PCB gesetzt wird.

Für Verkabelung von Motortreiber, Protector PCB und Motoren bitte die Anleitung im Abschnitt "Protector PCB" öffnen.

Protector PCB

Warning.png Protektorboard: Bei 24V Systemen kommt es zu Spannungsspitzen, die den Motortreiber schnell zerstören können. Daher wurde das Protektorboard entwickelt um dies zu verhindern. Es werden 2 Stück benötigt. Einen für die Antriebsräder und einen für den Mähmotor. Schaden kann das Protektorboard auf keinen Fall.

Anschluss Radmotoren

Die beiden Getriebemotoren werden unabhängig voneinander gesteuert ('Differentialantrieb') :

  • Fahren vorwärts/rückwärts
  • Lenken links/rechts

Die Eigenschaften der Ardumower - Radmotoren:

  • Eine Drehzahl bis zu 31 U/min erlaubt es, den Roboter mit einer ausreichenden Geschwindigkeit von bis zu (Meter/sec = 31rpm/60 * PI * 0.25m = 0.4m/sec) bei Verwendung von Rädern mit 250 mm Durchmesser, zu bewegen.
  • ein hohes Drehmoment (2.45 Nm) garantiert, dass der Roboter kleinere Hügel erklimmen kann (mit 2 Motoren, 250 mm Rädern, 31 U/min = 0.4m/s, Beschleunigung = 0.2 ( 1/2 der Nominalgeschwindigkeit) see calculator
  • Der eingebaute Encoder kann die Drehzahl messen, die Geschwindigkeit und den Weg feststellen.
  • 24V (Laststrom ca. 1A)

Der linke Getriebe-Motor wird wie folgt an das Protector Board angeschlossen:

Motor Anschluss (linker Motor):

Motor (black)  ==== Protector board Motor_1_OUT(1)
Motor (red)    ==== Protector board Motor_1_OUT(2)

Für den rechten Motor entsprechend an Protector board Motor_2_OUT(1,2) anschliessen.

Anschluss Odometrie der Getriebemotoren

Der im Ardumower-Getriebe-Motor eingebaute Encoder hilft dem Ardumower die Drehzahl bzw. zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Hier siehst Du wie die Odometrie der Motoren an das PCB angeschlossen wird.

Motor Odometrie Anschluss (linker Motor):

Motor (brown)  ---- PCB VCC
Motor (green)  ---- PCB GND
Motor (blue)   ---- PCB OdometryLeft (3)
Motor (purple) ---- PCB OdometryLeft (4)

Für den rechten Motor entsprechend an "PCB OdometryRight" anschliessen.

WICHTIG: Bei PCB v0.5/1.2 fehlen die Pull-up Widerstände! Du musst sie nachträglich am PCB wie folgt ergänzen:

PCB OdometryLeft(3) --- 4.7k --- 5v
PCB OdometryLeft(4) --- 4.7k --- 5v

Anschluss Mähmotor

Eigenschaften des Ardumower-Mähmotors:

  • schnell genug um den Rasen zu schneiden (3150 U/min)
  • genügend Drehmoment (140 mNm / 46 W)
  • leises Mähen (man hört ihn kaum)
  • 24V, Laststrom ~1.0A (L=2.8mH, R=1.9ohm)

Es wird ein MC33926 Motortreiber in Parallelschaltung zur Ansteuerung des Mähmotors verwendet.

Warning.pngSicherheitshinweis: Entferne zur Sicherheit stets die Messer bei deinen ersten Tests!


Der Mähmotor wird wie folgt an das Protector board angeschlossen:

 Motor (black)  ==== Protector board Motor_1_OUT(1)
 Motor (red)    ==== Protector board Motor_1_OUT(2)

Reduzierung von Motorstörungen

Folgende Anleitung zeigt wie Du Motorstörungen reduzieren kannst.


Ladegerät

Hier siehst Du wie der Ardumower-Akku geladen wird. Falls Du keine Ladestation verwenden möchtest (oder für Deine ersten Versuche) kannst Du das Ladegerät direkt an den Ardumower anschliessen.

Ardumower battery overview.jpg

Wir benutzen ein Lithium Ion e-bike Ladegerät (29.4V, 1.5A Ladestrom-Begrenzung) das über den Marotronics-Shop shop Shopping.png bezogen werden kann . Das Ladegerät wird in einem geschützten Bereich untergebracht (z.B. im Haus) und mit der Ladestation verbunden. Das Ladegerät sollte folgendes leisten( hier für Lithium-Ionen-Zellen, bei Bleiakkus ist es ähnlich aber weniger kritisch):

  • Laden des Akkupacks über dei Ladeanschlüsse des Roboters
  • Einhaltung der maximalen Ladespannung (Ladeschluss-Spannung)
  • Einhaltung dess maximalen Ladestroms (Ladestrom-Begrenzung)

Wenn du ein vorhandenes Ladegerät benutzt, sind diese Anforderungen mit höchstwahrscheinlich erfüllt.

Leistungsbilanz

  • 2 x Getriebemotor jeder 1A (unter Last): 2A, 27V (gemessen mit max. 80% Genauigkeit des Motortreibers)
  • 1 x Mähmotor 1A (unter normaler Last): 1A, 27V (gemessen mit max. 80% Genauigkeit des Motortreibers)
  • Board: 1A, 5 Volt (nicht gemessen)


Insgesamt: 3A * 27V + 1A * 5V = 81W + 5W = 86W

Akku

Sony Konion 7S2P battery pack (29.4V, 4500 mAh)

Als Akku wird ein 'Sony Konion 7S2P' Lithium Ion Akkupack (Sony Konion US18650V3 2250 mAh cells, Li-Mn), 29.4V x 4500 mAh = 132 Wh, 500 Ladezyklen, 126 x 36 x 65 mm (LBH) verwendet.

Die Mähzeit beträg mit den Ardumower-Motoren ungefähr 1,5 Stunden (132 Wh / 86W).

Akku Lade-/Entladebedingungen für optimale Lebensdauer:

  • Ladeschlussspannung pro Zelle: max 4.15V ( 0.3A - 0.1A Rest-Ladestrom)
  • minimale Entladespannung: min 3.1V

Standby-Aus/ Unterspannungsschutz

Der Ardumower kann um einem Unterspannungsschutz erweitert werden. Es gibt zwei Gründe für einen Batterie-Schalter (standby-off mechanism):

1. Grund: Wenn der Roboter nicht innerhalb von 5 min startet,sollte der Akku abgeschaltet werden, um Strom zu sparen.

2. Grund: Moderne Akkus sollten nicht komplett entladen werden. Wenn der Roboter aus irgend einem Grund nicht aufgeladen werden kann und die Akkuspannung unter einen bestimmten Grenzwert fällt, sollte er in der Lage sein, sich selbst abzuschalten (Unterspannungsschutz)

schematics

Videos

  1. Driving into charging station
  2. Drive in and out
  3. Tracking and docking
  4. Finale Version


Bluetooth-Modul

Am Roboter wird das Bluetooth-Modul HC-05 verwendet, welches das das Serial Port Profil (SPP) unterstützt. SPP verwendet das Bluetooth Service Discovery Protocol (SDP) und das RFCOMM protocol.

Bluetooth HC-05

Zur Programmierung wird der Key-Pin des BT-Modules mit 3,3V vom Arduino verbunden und danach die Verbindung wieder getrennt.

Wiring:

Bluetooth HC05 VCC --- PCB VCC
Bluetooth HC05 GND --- PCB GND
Bluetooth HC05 TX  --- PCB RX 
Bluetooth HC05 RX  --- PCB TX

Besonderheiten: Je nach Lieferant wird das HC-05 Modul mit 5 Volt VCC betrieben; Aufschrift "Power 3.6-6V"(JP 8 anstelle von JP 9 setzen). Sofern sich am Pin "EN" ein Microtaster befindet (siehe Foto), so muss dieser während der Konfiguration gedrückt sein, da ansonsten das Modul nicht erkannt wird. Key-Pin muss wie beschrieben auf +3,3 Volt gesetzt sein (JP 2). Rx/Tx laufen auch hier mit 3,3 Volt.

  1. pfodApp: Jetzt kann die APP pfodApp/ArduRemote gestartet werden und sich mit dem Ardumower verbinden.
  2. Nach erfolgreichem Verbinden leuchtet die Diode D8.

Ultraschall Sensor

Ultrasonic.jpg

Mit einem Ultraschall Sensor (HC-SR04) ist der Ardumower in der Lage Hindernisse zu erkennen.

Distanz 2 bis 450 cm

Verkabelung

Ultraschall Sensor VCC (+5V) — PCB VCC (+5V)
Ultraschall Sensor GND       — PCB GND
Ultraschall Sensor Trigger   — PCB Digital Pin
Ultraschall Sensor Echo      — PCB Digital Pin


Ein Schaltplan des Ultraschall Sensors kann hier eingesehen werden. [1]

Regensensor

Durch die Verwendung eines Regensensors kann der Ardumower seine Arbeit beenden wenn es zu regnen beginnt. Zusätzlich kann er in die Ladestation fahren.

Bemerkung: Für das Modul YL-83 liegen keine langfristigen Erfahrungen bezüglich Korrosion vor!

Verdrahtung

                    GND o-----o GND Regensensor-Modul 
                    +5V o-----o VCC Regensensor-Modul           
      Ardumower pinRain o-----o D0  Regensensor-Modul
                                    Regensensor-Modul IN o----- Regensensor
                                    Regensensor-Modul IN o----- Regensensor

Fotos

Videos

  1. Test Regensensor
  2. Regen-Simulation

Weitere Links

  1. Principle schematics
  2. Rain sensor example


GPS

With the help of a GPS receiver (e.g. GY-NEO6MV2, ublox 6m), the long-term position can be calculated. Therefore, the GPS position values will be averaged.

Currently, GPS is used

  • to receive current date and time

Wiring:

GPS VCC -- PCB VCC
GPS GND -- PCB GND
GPS TX  -- PCB GPS RX
GPS RX  -- PCB GPS TX


Modellbau R/C

Der Ardumower kann optional mit einer R/C Fernbedienung gesteuert werden. Hierfür sind die folgenden Komponenten notwendig:

  • eine Modellbau Fernsteuerung (z.B. 2.4 Ghz)
  • einen zur Fernsteuerung passenden Empfänger (4 Kanäle oder mehr)

Verkabelung

Die Kanalbelegung ist:

 linker Steuerstock (links/rechts):  pinRemoteSwitch
 linker Steuerstock (hoch/runter):     pinRemoteMow
 rechter Steuerstock (links/rechts): pinRemoteSteer
 rechter Steuerstock (hoch/runter):    pinRemoteSpeed

Videos

  1. Demo


WLAN

Dies ist ein Thema für Fortgeschrittene - bitte nur ein WLAN-Modul einsetzen wenn Eurer Ardumower voll vollständig läuft. A WIFI module can be used as an alternative for Bluetooth communication. Again, pfodApp is required to connect WIFI and the phone.


https://github.com/FredericG-BE/ardumower/wiki/Using-ESP8266-WIFI-module-on-Ardumower

Echtzeit-Uhr (RTC)

Damit der Roboter automatisch zu unterschiedlichen Zeitintervallen mit dem Mähen beginnen kann, benötigt er eine interne Uhr.(Timer).

eine Echtzeituhr (RTC) liefert ständig die aktuelle Zeit (Minute, Stunde) und das aktuelle Datum (Wochentag, Tag, Monat, Jahr).Mit Hilfe der eingebauten Batterie läuft die Uhrzeit weiter auch wenn der Roboter ausgeschaltet ist.

Zusätzlich enthält das RTC-Modul noch einen EEPROM-Speicher (nicht flüchtigen Speicher), der 4k Benutzerdaten dauerhaft speichern kann.

Example: DS1307

Anschluss

Das RTC-Modul ist über den I2C-Bus mit dem Arduino Mega (parallel mit einigen anderen Modulen) verbunden.

 DS1307 Module SDA       — Arduino SDA Pin
 DS1307 Module SCL       — Arduino SCL Pin
 DS1307 Module VCC (+5V) — Arduino VCC (+5V)
 DS1307 Module GND       — Arduino GND

Beachte

Wenn Kommunikationsprobleme beim Betrieb mehrerer Module am I2C-Bus auftreten, ist es empfehlenswert, die Kabellänge zu verringern.


Arduino Dropsensor - Absturzsensor

Funktion:

Der Arduino Dropsensor oder auch Absturzsensor ist dafür gedacht den Mover vor abstürzen vor Treppenabsätzen oder ähnlichen zu schützen. Ebenso kann dieser eingesetzt werden um Inseln von Bäumen und Blumenbeeten zu erkennen. Voraussetzung dafür ist allerdings das dieser an der Graskante hin zur Insel mit einem kleinen Graben umgeben wird damit dieser zuverlässig erkannt werden

Anschluß:

Benötigt werden 2 IR Entfernungssensoren. Am besten sind solche geeignet die bereits in einem externen Gehäuse eingebaut sind. Diese haben auch auf der Rückseite eine Einstellmöglichkeit für die Entfernung bzw Empfindlichkeit. Die Standard Ausführung benötigt 3 Anschlussleitungen . +5V, GND, Signalleitung und haben eine Empfindlichkeit von ca 30mm – 800mm. Bei den Sensor den ich verwende handelt es sich um einen der gegen GND geschaltet wird. Dort habe ich zusätzlich eine Diode in die Signalleitung mit eingebaut um eventuelle positive Spannungen zum Bord zu blockieren und um einen eindeutigen Schaltzustand zu gewährleisten.


ohne eingbaute Diode

IR leuchtet bei Kontakt zur Oberfläche

Messung:

+ nach Signalausgang = 4,96V

- nach Signalausgang = 0V


IR leuchtet nicht über den Abgrund

Messung:

+ nach Signalausgang = 0V

- nach Signalausgang = 3,72V ( das hat mich gestört ) deshalb habe ich die Diode eingebaut


jetzt das ganze mit Diode in der Signalleitung

IR leuchtet bei Kontakt zur Oberfläche

Messung:

+ nach Signalausgang = 4,7V

- nach Signalausgang = 0V

IR leuchtet nicht über den Abgrund

Messung:

+ nach Signalausgang = 0V

- nach Signalausgang = 0V

jetzt 0V gemessen zwischen - und Signalausgang

Ich hatte bedenken gehabt das die 3,72V ein undefinierten Eingang schaffen was evl Probleme bei der Auswertung geben könnte.


Bekannte Probleme:

Ich habe die Beobachtung gemacht das wenn man die Entfernungseinstellung auf den Gras gegebenenfalls noch nach justiert werden muss. Ebenfalls ist mir aufgefallen das wenn die Sensoren auf eine nasse Betonoberfläche stoßen, irrtümlich annehmen das ein Abgrund erkannt wird. Da ich an meinen Testmower die Sensoren nur provisorisch angebracht habe, kann ich mir vorstellen das Fremdlicht zu Problemen in der Erkennung führt. Ich vermute daher, das wenn man die Sensoren vor Fremdlicht schützt, sich die Zuverlässigkeit auch weiter erhöht.

Evl ist es nötig mit Hilfe einer LED die Fläche zu beleuchten um immer eine gleichmäßige Helligkeit zu gewährleisten.


Relais

Mit einem Relais können am Ardumower montierte externe Funktionen (Hupe, Beleuchtung, etc.) mit der pfodApp ein- und ausgeschaltet werden.

Verkabelung

                      GND o-----o GND Relais Modul 
                      +5V o-----o VCC Relais Modul           
 Ardumower pinUserSwitch1 o-----o IN1 Relais Modul
                                      Relais Modul  K1 o-----LED-----o LED supply voltage
                                      Relais Modul  K1 o-------------o GND

Bilder