Studierende der Frankfurt University of Applied Sciences entwickelten für den internationalen Studentenwettbewerb European Rover Challenge die mobile Roboterplattform (Rover) Horizon XIX. Der Rover ist für mars­ähnliche Aufgaben des Wettbewerbs ausgelegt. Denn das Ketten­fahrwerk in Kombination mit leistungsstarken Antriebseinheiten ermöglicht eine präzise Steuerung des Rovers in schwierigem Gelände.

Die Frankfurt University of Applied Sciences (UAS) bietet vier Fachbereiche, 70 Studiengänge und hat über 15.000 Studierende. Seit dem Wintersemester 2016/17 betreibt der Fachbereich 2, Informatik und Ingenieurwissenschaften, den Masterstudiengang Mechatronik und Robotik (M.Sc.). Die Idee: Die Projekte mehrerer Studenten bündeln, um so anspruchsvolle Themen im Bereich Robotik zu bearbeiten.
Die European Rover Challenge, kurz ERC, zählt zu den größten internationalen Weltraum- und Robotik-Veranstaltungen der Welt und findet seit 2014 in Polen statt. Highlight der Veranstaltung ist der studentische Wettbewerb. Rund 60 Universitäten aus der ganzen Welt bewerben sich für die Teilnahme. Für den Wettbewerb entwickeln und bauen Teams, bestehend aus Studenten einer Universität, einen teilautonomen „Mars-Rover“. In verschiedenen Disziplinen beweisen die Teams ihre Fähigkeiten und Kompetenzen in einem hoch kompetitiven Umfeld.

Fahrwerk, Steuerung & Co.
Studierende des Studiengangs Mechatronik und Robotik gründeten Ende 2018 das FRoST - Frankfurt Robotics Science Team für die Teilnahme an dem studentischen Wettbewerb ERC. 2019 erreichte FRoST mit dem Rover Horizon XIX bei der ersten Teilnahme am ERC den 23. Platz  von insgesamt rund 40 qualifizierten Teams. Horizon XIX ist in vier Kernkomponenten unterteilt, das kettenbasierte Fahrwerk, den 5-Achsen-Roboterarm, die Bohreinheit und die Bodenstation. Das Fahrwerk misst 1.270 x 788 mm in Länge und Breite und verfügt über eine Bodenfreiheit von etwa 220 mm. Zwei mittig im Fahrwerk querliegende, um 180° versetzte Antriebe von Dunkermotoren treiben das Fahrwerk an. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt über Zahnriemen. Die Antriebseinheiten von Dunkermotoren bestehen aus dem BLDC-Motor des Typs BG 65Sx50, dem Planetengetriebe PLG 63 LL sowie der Bremse/Gebersystem-Kombination E90 + RE30-3-500TI24. Unter Berücksichtigung der Fahrwerksgeometrie sowie den Anforderungen der European Rover Challenge bezüglich der maximal erlaubten Rover-Geschwindigkeit auf 0,5 m/s ist eine Getriebeuntersetzung von i = 29,4:1 ausgewählt worden. Die exakte Festlegung auf die maximal vorgeschriebene Geschwindigkeit erfolgt per Software. Auf dem Rover selbst vernetzt ein als Master agierender 32-Bit-Mikrocontroller mit Echtzeitbetriebssystem den Rover. Die Bodenstation und der Mikrocontroller tauschen per WLAN IEEE 802.11.a/n Informationen aus. Verwendet wird das Netzwerkprotokoll UDP. Die Ansteuerung der Motoren erfolgt über die Steuerungselektronik BGE 6010A von Dunkermotoren. Die Steuerungselektronik basiert auf einem 4-Quandranten-Regler. Der Datenaustausch zwischen Steuerungselektronik (Geräteprofil CiA 402) und Mikrocontroller findet via CANopen statt. Der Mikrocontroller realisiert über die selbst entwickelte CANopen Library die Kommunikation.
Erfolgt ein neuer Fahrbefehl über den Joystick, wird zunächst die Bremse gelöst, die CiA 402 Power State Machine wird durchlaufen bis der Zustand Operational enabled erreicht ist. In besagtem Zustand ist die Spannung für den Controller zugeschaltet und das Drehmoment freigegeben. Die Joystick-Bewegung rechnet der Mikrocontroller in Geschwindigkeiten für die beiden Motoren um und schreibt mittels CANopen Nachricht in die entsprechenden Objektverzeichnisse. Die Steuerungselektronik setzt nun das Anfahren auf die gewünschte Geschwindigkeit um.
Unebenes Terrain auf dem Marsgelände beim ERC 2019 mit teils Medizinball großen Hindernissen überwindet der Rover Horizon XIX problemlos. Denn das Kettenfahrwerk in Kombination mit den leistungsstarken Antriebseinheiten von Dunkermotoren ermöglicht eine präzise Steuerung des Rovers in schwierigem Gelände.

Weitere Informationen zur "Mars-Mission":

        http://roverchallenge.eu/

        www.instagram.com/frost_fra_uas/

Autoren
Evandro Caxala und Sven Erchen, Frankfurt University of Applied Sciences

Bilder: Dunkermotoren