Version vom 30. Mai 2016, 14:07 Uhr

Inhaltsverzeichnis

1 Zusammenfassung
2 Begrenzungsschleife
3 Verfolgung der Begrenzungsschleife
4 Weiterführende Links

Zusammenfassung

Eine Begrenzungsschleife (oder Perimeterdraht) ist eine Art 'elektronischer Zaun': er veranlaßt den ArduMower zum Stoppen / Umkehren sobald die Grenze erreicht ist. Nicht in jeder Umgebung ist eine Begrenzungsschleife notwendig.

Das Prinzip: durch den im Garten verlegten Schleifendraht wird ein Signal gesendet, das der Ardumower ausgewertet. Gebraucht werden ein Sender zur Erzeugung und Übergabe des Signals an die Schleife und ein Empfänger zur Signalauswertung im ArduMower.

Und so wird das Signal empfangen: eine Empfangsspule liefert ein Signal, dessen Stärke je nach Abstand zwischen Schleifendraht und Empfangsspule variiert. Interessanterweise wechselt das Signal in dem Moment seine Polarität, wo der ArduMower (genauer: die Empfänger-Spule) den Schleifendraht überfährt.

Perimeterdraht
Komponenten
Signalstärke
Verlauf der Signalstärke
Objekte ausschließen
Flächen aufteilen

Begrenzungsschleife

https://www.youtube.com/watch?v=NIer_kITelc&feature=youtu.be

Dies ist die neue Version von Sender und Empfänger für die Begrenzungsschleife (erhältlich über den shop ).

Beim Überfahren des Schleifendrahtes passiert nun etwas Interessantes: die Polarität der Signalspannung wechselt von negativ auf positiv bzw. umgekehrt - je nachdem, ob man von innen oder außen kommt. Dadurch werden sowohl das Überfahren selbst als auch der Status (Aufenthalt innerhalb oder außerhalb der Schleife) eindeutig erkennbar. Wie bei der V1 nutzen wir zur Signalverstärkung wieder den Motortreiber für das Ausgangssignal und einen Operationsverstärker für das Eingangssignal von der Empfangsspule. Der Sender übergibt eine digitale Signalfolge (auch als 'pseudo-noise' bezeichnet) an die Schleife, die vom Empfänger über einen software-basierten digitalen Matched-Filter ausgewertet wird. Der Filter liefert als Ergebnis einen Peak: positiv - ArduMower innerhalb oder negativ - ArduMower außerhalb der Begrenzungsschleife.

Prinzipablauf Sender:

Erzeugen des Ausgangssignals durch den Arduino Nano (ca. 3 Khz)
Verstärkung des Ausgangssignals durch den Motortreiber (MC33926), Schleifendrahtenden anstatt eines Motors an den Ausgang anschließen

Prinzipablauf Empfänger:

Eingangssignal per Empfangsspule aufnehmen
Eingangssignal per Operationsverstärker (LM386) verstärken
ADC sampling durch Arduino Mega (mit 9615 Hz)
Signalfilterung and Analyse durch ein digitales Filter (software-basierter Matched-Filter-Algorithmus)
Auswertung des matched filter Ergebnisses (zur Feststellung des Aufenthaltbereiches inner- / außerhalb der Schleife, Schleifenabfahren usw.)

Folgende Bilder erklären den Wechsel der Signalpolarität innerhalb und außerhalb der Schleife. Sie zeigen auch die Richtung der magnetischen Flusslinien, die vom Begrenzungsdraht ausgehen und wie sie die Spule innerhalb und außerhalb der Begrenzungsschleife treffen. Für ein besseres Verständnis des Filters gibt es den Matched Filter Simulator. Für weitere Informationen zum Filter, schaue Dir auch das Matched Filter Video an.

Innen/außen-Erkennung über den Polaritätswechsel
Flussrichtungen
Perimetersignal an Sender und Empfangsspule
Matched filter
What makes a good/bad signal

Sender

Sender Schaltplan
Ardumower Sender PCB
Sendersignal (6.5V, ohne Perimeterschleife)
Sendersignal (6.5V, 120m Perimeterschleife 7 Ohm)
Sendersignal (6.5V, 4 Ohm Widerstand + 2m Perimeterschleife)
Varianten der Motortreiberschaltung

Wir benutzen einen Arduino Nano zur Erzeugung und einen Mototreiber als Ausgangsverstärker des Signals. Der Motortreiber wird mit 3,2 kHz betrieben (2 Impulsbreiten 4808 und 2404 Hz). Bei ausreichend langen Schleifendrähten benötigt der Generator typischerweise 10W (6.5V, 1.7A). Unser Motortreiber verfügt über eine integrierte Strombegrenzung und eine Übertemperaturabschaltung (z.B. MC33926). Die Schleifenlänge kann im Bereich 20 - 450m betragen und muss mindestens 5 Ohm Widerstand aufweisen. Die maximal Begrenzungs-Fläche beträgt 1000 m2.

Sendersoftware

NOTE: Wenn Du Dich nie zuvor mit Arduino beschäftigt hast, lies zuerst unsere Einführung 'erste Schritte mit dem Arduino'.

Download: You can find the sender code in the 'sender' folder of the Ardumower Download

Wichtig: Vergewissere Dich, dass die Pin-Konfiguration des Arduino im benutzten Code (sender.ino) mit Deinem Senderaufbau übereinstimmt! Falls Dein Arduino Nano sich nicht flashen lässt, schaue bitte hier für ein Treiber-Downgrade.

Im Code (sender.ino) die passende Option für die automatische Schleifenabschaltung (bei Verwendung des oben beschriebenen Stromsensors Option 1) wählen:

Define if you have connected a charging current sensor for automatic sender standby: #define USE_CHG_CURRENT 1 (or 0)

Einstellung der Senderstromstärke

Zur Einstellung der Sendeleistung (Spannung*Strom) gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Spannung am DC/DC-Wandler: die Versorgungsspannung des Motortreibers kann über das Poti des Wandlers zwischen 6.5 bis 12V eingestellt werden. Das ist der empfohlene Weg. Beachte: der MC33926 Motortreibermotor benötigt eine Mindestspannung (Vin) von 5V. Bei zu geringer Spannung regelt der Motortreiber sporadisch ab und die Arduino-LED zur Anzeige von Unterspannung fängt an zu blinken.

Normale Amplitude: statt die Perimeterschleife zwischen +Vin und -Vin (doppelte Amplitude ist Standardwert) umzuschalten, kann der Motortreiber auch nur zwischen +Vin und GND (einfache Amplitude). So zieht die Schleife weniger Strom. Zur Einstellung der einfachen Amplitude muß die entsprechende Codezeile in 'sender.ino' auskommentiert werden:

 // #define USE_DOUBLE_AMPLTIUDE    1

Hochlastwiderstand: Bei einem Schleifenwiderstand kleiner 5 Ohm kann der Strom nicht weiter reduziert werden, indem man die Spannung runterdreht: unterhalb von ca. 6V arbeitet der Arduino nicht mehr richtig. Dann hilft nur noch ein zur Schleife in Reihe geschalteter Hochlastwiderstand (R: z.B. 5 Ohm, 10W).

@6V (Vin): 5 ohm Hochlastwiderstand => I=U/R=6V/5Ohm=1.2A   (P=U*I=6V*1.2A=7.2W)

Daher also die mindestens 10W Belastbarkeit des Widerstandes! In diesem Falle auch die 'einfache Amplitude' im Sendercode aktivieren (doppelte Amplitude nicht benutzen!).

Automatische Schleifensignalabschaltung

Während sich der ArduMower in der Ladestation aufhält, wird das Schleifensignal nicht benötigt und wir können Energie sparen. Zum Erkennen des Ladestatus wird im Sender ein Stromsensor (INA169) zwischen Ladegerät und Ladeanschlüsse geschaltet.

Zum aktivieren dieser Funktion ist "#define USE_CHG_CURRENT" auf 1 zu setzen

   #define USE_CHG_CURRENT       1     // use charging current sensor for robot detection? (set to '0' if not connected!)

Desweiteren muss der Stromsensor am analogen Eingang A2 kalibriert werden:

Der Mover befindet sich nicht in der Ladestation/ Ladestrom = 0 Ampere
Den seriellen Monitor aufrufen
In der Befehlszeile 1 eingeben und Button "Senden" drücken
Mit diesem Befehl wird die Spannung am analogen Eingang A2 gemessen und im EEPROM als Referenzwert "chargeADCZero" gespeichert
Am Monitor erscheint folgender Text:

   received key=1
   calibrateChargeCurrentSensor (note: robot must be outside charging station!)
   calibration done
   chargeADCZero=755

Die Kalibrierung ist damit erfolgt. Bei den weiteren Messungen wird im seriellen Monitor unter "chgCurrentADC" der Wandlerwert des analogen Eingangs A2 angezeigt:

   time=4	chgCurrent=0.000	chgCurrentADC=755.55	 isCharging=0

Wir simmulieren einen Ladevorgang durch Belastung der Ladebuchse durch einen 22 Ohm Widerstand. Es fließt ein Ladestrom von ca. 0,8 Ampere. Damit ändert sich der "chgCurrentADC" auf 712.63. "chgCurrent" zeigt den Ladestrom in Ampere

   time=8      chgCurrent= 0.801       chgCurrent  ADC=712.63	  isCharging=1

Das Flag "ischarging" wird auf "1" gesetzt und die Perimeterschleife wird für die Dauer der Ladung abgeschaltet.

Sender Zustandsanzeige

Die LED auf dem Arduino Nano signalisiert den Senderstatus:

An: Perimeterschleife ist angeschlossen und arbeitet
Aus: Perimeterschleife ist geöffnet (oder durch Defekt unterbrochen) und arbeitet nicht
Blinkt: der ArduMower wird geladen und die Perimeterschleife ist zur Energieeinsparung durch die Software deaktiviert

Ausgabe 'sender.ino' über serielle Konsole

Bei der Platine "Sender V2" ist dieses Signal am Ausgang "D13" verfügbar und auf die LED "Mover_in_Ladestation" geschaltet.

Empfänger

Zum Signalempfang verwenden wir eine Spule (100 mH or 150 mH) in aufrechter Position, in der Mitte am vorderen Rand des ArduMower. Sie ist zur Verstärkung des empfangenen Signals mit dem Eigang eines LM386 Operationsverstärkers verbunden. Auf dem LM386 Modul wird der Kondensator C3 überbrückt, damit der Verstärker ein Signal zwischen 0..5V statt im Standardbereich -5V..+5V) liefert. Der Ausgang des LM386 sollte mit dem Arduino Analog-Pin ('pinPerimeterLeft') verbunden werden. Der Analog-Pin 'pinPerimeterRight' wird bei Verwendung des Senders V2 nicht benötigt.

Empfängerschaltkreis und überbrückter Kondensator C3
Position der Perimeterspule
Eine zentrierte, aufrecht montierte Spule
LM386 Modul Schaltplan
NOTE: Perimeterspule/Verstärker von DC/DC-Wandlern fernhalten (Störstrahlung)!
Abstand Spule-Rad: Einfluß auf den Wendekreis (Kurvenwinkel)

Das Empfänger-Kit ist erhältlich im Shop

Achtung: Die Spule muss direkt an den Verstärkermodul angeschlossen werden. So wird die Störfestigkeit des schwachen Spulensignals gegenüber Einflüssen anderer Komponenten (Motore, DC-DC-Wandler) verbessert.

Wichtig: Die aktuelle Software erfordert das Weglassen des Kondensators 4.7nF in Reihe mit der Spule ('differential signal').

Einstellungen

Perimeter settings

At first, activate the perimeter in the Ardumower software (pfodApp->Options->Perimeter Use: YES). It is recommended to keep the default perimeter settings.

The perimeter settings are:

Timed-out if below smag (timedOutIfBelowSmag) - default setting: 300 | If smag below this value, sender is considered as off (perimeter timeout appears)
Timeout (s) if not inside (timeOutSecIfNotInside) - default setting: 8
Trigger timeout (perimeterTriggerTimeout) - default setting: 0 | Perimeter outside trigger timeout when escaping from inside (ms)
Perimeter out roll time max (perimeterOutRollTimeMax) - default setting: 2000 | Max (random generator) roll time after perimeter out (ms)
Perimeter out roll time min (perimeterOutRollTimeMin) - default setting: 750 | Min (random generator) roll time after perimeter out (ms)
Perimeter out reverse time (perimeterOutRevTime) - default setting: 2200 | Time to drive reverse after perimeter out (ms)
Perimeter tracking roll time (perimeterTrackRollTime) - default setting: 1500 | Hit obstacle while tracking: roll time
Perimeter tracking reverse time (perimeterTrackRevTime) - default setting: 2200 | Hit obstacle while tracking: reverse time
Transition timeout (trackingPerimeterTransitionTimeOut) - default setting: 2000 | Max. time required for a in/out transition during tracking, robot will start rotating after this timeout
Track error timeout (trackingErrorTimeOut) - default setting: 10000 | Max. time required for a in/out transition during tracking, robot will go into error after this time
Track_P (perimeterPID.Kp) - default setting:51 | Perimeter PID "P" setting
Track_I (perimeterPID.Ki) - default setting:12.5 | Perimeter PID "I" setting
Track_D (perimeterPID.Kd) - default setting:0.8 | Perimeter PID "D" setting
Use differential signal (useDifferentialPerimeterSignal) - default setting: YES | Use differential signal (see signal section)
Swap coil polarity (swapCoilPolarity) - default setting:NO
Block inner wheel (trackingBlockInnerWheelWhilePerimeterStruggling) - default setting: YES | robot is wheel-spinning while tracking => roll to get ground again

Abstand Spule/Verstärker zu Motoren

Achte auf die Einhaltung aller Mindestabstände zwischen den folgenden Komponenten:

* Spule zu Radmotor: > 15cm
* Spule zu Mähmotor: > 10cm 
* Spule zu DC-DC Wandler: > 10cm

Achtung: Halte Spule/Vorverstärker von den DC-DC-Wandlern und Motoren fern!!!

Signalmessungen

Sender / Spule / LM386 Verstärker Ausgangssignale sollten etwa so aussehen: (witere Details über das Signal s. Abschnitt Signal)

Perimetersignal an Sender, Empfangsspule und LM386 (Theorie)
differentielles Signal / Spulensignal ohne Kondensator (5V sender, 5 Ohm Schleife - blau: Perimeter, gelb: Spule, grau: LM386 Verstärkerausgang)
LM386 Ausgang mit DC Störungen (differentielles Signal / Spule ohne Kondensator)
LM386 Ausgang (nicht-differentielles Signal / Spule mit Kondensator, 12V Sender, 120m Schleife)
nicht-differentielles Signal / Spulensignalmit Kondensator (5V Sender, 5 Ohm Schleife - grau: Perimeter, gelb: Spule, blau: LM386 Verstärkerausgang)
LM386 Ausgang mit Störungen durch Motoren (differentielles Signal / Spule ohne Kondensator)

ADC-Kalibrierung am Empfänger

Die ADC-Kalibrierung (bei ausgeschaltetem Sender!) sorgt für eine korrekte Erkennung der Nulllinie (Stille), sodass das empfangene Signal später symmetrisch zur Nulllinie angezeigt wird.

Der Perimetersender und die Motoren des ArduMower müssen während der Kalibrierung ausgeschaltet sein!
Wenn eine Störung durch einen anderen Sender nicht zu vermeiden ist, muß während der Kalibrierung die Spule entfernt und der Eingang es LM386 mit GND verbunden werden.
Führe die ADC-Kalibrierung einmal aus ("pfodApp->ADC Calibration")

Nach der korrekt durchgeführten Kalibrierung sollte das Signal per pfodApp Plot ('sig') bei ausgeschaltetem Perimetersender ungefähr als Null angezeigt werden. Nach Einschalten des Perimetersenders sollte das Signal etwa diesselbe positive wie negative Maximalamplitude ('Symmetie zur Nulllinie') aufweisen.

symmetrisches Signal bei eingeschaltetem Sender (nach ADC-Kalibrierung)
Nullsignal bei ausgeschaltetem Sender (nach ADC-Kalibrierung)

Problemanalyse und Fehlerbehebung am Empfänger

Empfangenes Signal, Filterergebnis und Signalqualität können per Android Handy über die pfodApp->Plot->Perimeter angezeigt werden:

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
Signal, Filterergebnis, LP Filterergebnis, innen/außen, Ereigniszähler, Signal ein/aus, Signalqualität
Fahren von innen nach außen

Beschreibung der im Plot angezeigten Signalverläufe:

sig:  Spulensignal (Sequenz der Rohimpulse nach ADC) als kurzer Snapshot (32 samples), Update alle 20 Sekunden 
      (also 20 Sekundenwarten bis zum nächsten Snapshot)
mag:  Filterergebnis: innen (negativ) oder außen (positiv), magnitude: Abstand zur Perimeterschleife / magnetische Signalstärke (RSSI)
      - wird benutzt zum Perimeter verfolgen
smag: Filterergebnis, low-pass-gefiltert, ohne Vorzeichen (geglätteter mag-Verlauf) - verwendet zur Erkennung des 'Sender-aus' Zustandes
      Der Grenzwert kann über die pfodApp gesetzt werden (Settings->Perimeter->Timed-out if below smag)
in:   binäres Ergebnis des low-pass Filters: innerhalb (1) oder außerhalb (0) der Perimeterschleife - wird benutzt zur Erkennung des Perimetergrenzverlaufs
      Ist der ArduMower eine bestimmte Zeit außerhalb der Schleife, geht er in den Fehlerstatus. Diese Zeit kann per pfodApp
      (Settings->Perimeter->Timeout (s) if not inside) eingestellt werden
cnt:  Anzahl der Wechsel von innen nach außen (counter, Zähler)
on:   Perimetersender ist aktiv, Roboter innerhalb und smag ausreichend (1) oder inaktiv/außerhalb/smag zu klein (0)
qty:  Signalqualität (Aussage über die Verläßlichkeit der Erkennung 'innerhalb / außerhalb' aus dem Filterergebnis)
      Verhältnis aus Vergleich mit Mustersignal zu Vergleich mit inversem Mustersignal              
      1.0 bedeutet schlechte Qualität, Du solltest Werte von 1.5 oder höher)

Im Plot soll der 'mag'-Verlauf frei von Spitzen sein: innerhalb der Schleife sollte das Signal eine negative Kurve, außerhalb eine positive Kurve beschreiben. Weist die Kurve Spitzen auf, versuche folgende Maßnahmen zur Fehlerbeseitigung bzw. Optimierung:

Benutze immer einen ausreichend langen und korrekt abgerollten Schleifendraht (20m oder länger). Benutze niemals einen zu kurzen (Mindestwiderstand 5 Ohm!) oder gar aufgerollten Draht.
Für den 'Wohnzimmertest' sollte ein 100 Ohm Widerstand in Reihe mit 5m Draht bei 6V seine Aufgabe erfüllen.
Verbinde die Empfangsspule mit 'pinPerimeterLeft' auf dem PCB (am falschen Pin könnte das Signal 'etwas schwach' reinkommen)
Verringere smag-Mindestwert via 'pfodApp->Options->Perimeter->Timed-out if below smag'
Die Spulenpolung kann per pfodApp eingestellt werden (wird 'außen' angezeigt, wenn der Ardumower sich innrhalb der Schleife befindet?). Denselben Effekt hat das Umklemmen der Schleifenenden am Senderausgang.
Sollte das Signal schwach erscheinen, überprüfen, ob am Spulenverstärker das Poti "voll aufgedreht" ist! Hilfreich ist die gleichzeitige Anzeige des Signal per pfodApp (Plot --> Perimeter).
Die Kabelverbindung zwischen Spule und LM386-Vorverstärker muss möglichst kurz sein - am Besten die Spule direkt am Verstärker anschließen!
Halte den Abstand zwische Spule und Motoren sowie DC/DC-Wandlern möglichst groß (30cm oder mehr!)
Nutze die magnetische Abschirmwirkung (z.B. Deines Akkus) zwischen Spule und Störquellen.
Einstellen der Senderspannung: bei längeren Perimeterschleifen (>80m) die Spannung höher wählen (Potentiometer DC/DC-Wandler), bei kürzeren Schleifen (>25m) eher niedriger (anstreben einer Sendeleistung = Spannung * Strom von ca 10W)
Versuche bei laufenden Motoren die Spule leicht zu einer Seite zu neigen um die Signalqualität 'qty' zu erhöhen.

Messungen

Zum Vergleich Beispielwerte, gemessen an verschiedenen, im Gelände getesteten Kombinationen von Sender-/Empfänger-/Schleifenparametern:

1) 120m (0.7mm^2), R=4 Ohm, 6.5V, Spule Vpp 20mV

Störsignalpegel (max): smag=192
Signal (min): smag=254
SNR=Signal/Störsignal=254/192=1.3

2) 30m (0.7mm^2), R=1.0 Ohm (+4 Ohm series R), 6.5V, Spule Vpp 120 mV

Störsignalpegel (max): smag=192
Signal (min): smag=896
SNR=Signal/Störsignal=896/192=4.6

Videos

Verfolgung der Begrenzungsschleife

Das Abfahren der Schleife wird über einen softwareseitig realisierten digitalen PID-Regler gesteuert. Die Regler-Parameter (P,I,D) können über ein Android-Handy per pfodApp eingestellt werden.

Mehr Informationen über PID-Regler sind hier zu finden: Forum.

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-At first, activate the perimeter in the Ardumower software (pfodApp->Options->Perimeter Use: YES).
+At first, activate the perimeter in the Ardumower software (pfodApp->Options->Perimeter Use: YES). It is recommended to keep the default perimeter settings.
-Further options are:
+The perimeter settings are:
 * Timed-out if below smag (timedOutIfBelowSmag) - default setting: 300 | If smag below this value, sender is considered as off (perimeter timeout appears)

Perimeter-Schleife: Unterschied zwischen den Versionen