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Lemming Robo

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Karl Zeilhofer, [email protected]

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Inhaltsverzeichnis

1 Vorwort und Danksagung 4

2 Stuckliste 5

3 Vorbereitungen 63.1 Holzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.1.1 Beschriftung Steher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1.2 Beschriftung Querbalken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.1.3 Bohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2 Getriebemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Erste Lotubung 10

5 Module aufkleben 115.1 T-Stuck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.2 Spannungsregler und Stecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Arduino, Lademodul und Lagesensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.4 Motortreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.5 Ultraschallsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

6 Der Stromlaufplan 14

7 Lotstutzen 15

8 Loten 168.1 Steckerkabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168.2 Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

8.2.1 Pads verzinnzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178.2.2 Widerstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178.2.3 Buchsenkabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188.2.4 Masse-Brucke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188.2.5 Batteriedrahte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

8.3 Lademodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208.4 Spannungsstabilisierung und -filterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218.5 Ansteuerung des Motortreibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

9 Kabelbaume anfertigen 23

10 Verbauen der Kabelbaume 2510.1 Ultraschallsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2510.2 Motortreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2610.3 Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

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11 Verbleibende Verbindungen 2811.1 Getriebemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2811.2 Versorgung des Motortreibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

12 Inbetriebnahme 2912.1 Uberprufen der Stromaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2912.2 Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2912.3 Testsoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2912.4 Betriebssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2912.5 Schaumrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2912.6 Reifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3012.7 Justierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

13 Anhang 3113.1 Werkzeugliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3113.2 Verbrauchsmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3113.3 Stromlaufplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3113.4 Notizen zur Reglerstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

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1 Vorwort und Danksagung

Der Lemming Robo wird nun schon zum dritten mal hier im Technologiezentrum imRahmen der Talentewoche gebaut.

Hierbei geht es um einen kleinen Roboter, der selbstandig auf 2 Radern balanciert,langsam nach vorne fahrt und mit Ultraschallsensoren auf Lenkbefehle reagiert.

Das gesamte Projekt ist quelloffen, d.h. die Plane, die Dokumentation und der Strom-laufplan konnen eingesehen, heruntergeladen, verandert und wiederverwendet werden.Das Werk unterliegt der Lizenz ”Creative Commons, Attribution-Share Alike 4.0 in-ternational”.

Online findet man das Projekt unter www.team14.at/lemming

Vielen Dank an all die Unterstutzer, allen voran das Technologiezentrum Kirchdorf.Weiters ein Danke an die Nordfels GmbH, fur die gesponserten Lithium-Zellen, ein

Danke an die Wurth Elektronik GmbH & Co. KG fur die Unterstutzung bei denBuchsenleisten, und ebenfalls ein großer Dank an die TCG-UNITECH GmbH, fur dieMaßanfertigung der gesponserten Lotkolbenstander.

Karl Zeilhofer, 11. Juli 2017

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2 Stuckliste

Auflistung in chronologischer Reihenfolge.

1. 2x Holz, 200x40x19mm, Steher und Querbalken

2. 2x Getriebemotor

3. Arduino Nano

4. Lagesensor, MPU6050

5. 2x Spannungsregler, 5V, 1A

6. Batteriekabel (Buchsen- und Steckerkabel), JST, 5A

7. Lademodul, 400mA

8. Drahte, 0.25mm2, Radox 125 (lotbestandig)

(a) schwarz (sw), 164cm

(b) rot (rt), 123cm

(c) blau (bl), 108cm

(d) grun (anstatt bl −−), 68cm

9. Motortreiber, L9110S

10. 2x Ultraschallsensor, HS-SR04

11. 2x Lotstutzen

12. 2x Widerstand 0.1Ω (Ohm), 2W (braun, schwarz, silber)

13. 6x Kerko (Keramikkondensator) 100 nF, 50V

14. Elko (Aluminium Elektrolytkondensator) 1000 uF, 10V

15. 3x Buchsenleiste 4-polig, Wurth Elektronik, 661 004 151 922

16. 3x Buchsenleiste 8-polig, Wurth Elektronik, 661 008 151 922

17. 2x Leuchtdiode

18. 2x Widerstand 220Ω, 250mW (rot, rot, braun)

19. 4x Widerstand 1kΩ, 250mW (braun, schwarz, rot)

20. 2x Kabelbinder, 3.6x200mm

21. 2x Kabelbinder, 3.6x350mm

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22. Schaumrohr, L=85mm

23. 4x Motorschraube, M3x25, Linsenkopf, Philips Nr. 1

24. 2x Lithium-Batterie, 18650, 3.7V, ca. 2000mAh

3 Vorbereitungen

3.1 Holzteile

3.1.1 Beschriftung Steher

Auf der Unterseite des Stehers schreibt jeder seinen Namen drauf.Die 4 großen Seiten des Stehers werden mit V fur vorne, H fur hinten, L fur links

und R fur rechts beschriftet. Unbedingt beachten, dass L und R auf der richtigen Seitestehen. In Fahrtrichtung nach vorne ist links links und rechts rechts.

Auf der rechten Seite werden wie dargestellt von oben Linien mit den Abstanden 15,20, 15 und 20mm gezeichnet, und an der vorderen Seite werden die 20mm-Felder mitUSB gekennzeichnet.

Auf der hinteren Seite wird die Hohe der Lotstutzen durch eine Linie und die Polaritatdurch Plus und Minus eingezeichnet.

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Abbildung 1: Rechte Steherseite fur Lademodul (oben) und Arduino (unten),hinten kommen die Lotstutzen

Auf der linken Seite machen wir Markierungen mit den Abstanden von oben weg mit15, 25, 15 und 10mm. Das 25mm-Feld beschriften wir an der vorderen Seite mit 5V furden Spannungregler und das 10mm-Feld bekommt vorne ein X fur den Stecker.

Die Vorderseite markieren wir fur den Motortreiber, der von unten 60mm weg istund ca. 30mm hoch ist.

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Abbildung 2: Linke Steherseite fur Spannungsregler und Batteriestecker

3.1.2 Beschriftung Querbalken

Eine der beiden großen Flachen wird mittig mit oben beschriftet, die andere mit unten.Eine schmale große Flache des Querbalkens wird mittig mit vorne beschriftet, die anderemit hinten und die 2 kleinen Seiten mit L und R. Hier bitte wieder unbedingt auf diekorrekte Seite von L und R achten!

Dann zeichnen wir oben verschiedene Hilfslinien ein, symmetrisch einmal von linksund einmal von rechts weg: 10, 10 und 20mm. Vom Rand nochmals 65mm fur dieBatterie-Markierung. Hier werden zusatzlich noch Plus und Minus eingezeichnet. Dieaußeren Hilfslinien sind fur die LED, die wir durch einen kleinen Kreis symbolisieren.Die Außenseite wird mit A”gekennzeichnet, die Innenseite mit ”K”. Diese Buchstabenbrauchen wir spater, um die LED richtig anschließen zu konnen. Der Ultraschallsensorwird mit einem mittigen Querstrich und einem Kreis angedeutet.

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Abbildung 3: Querbalken mit Markierungen fur LEDs, Ultraschall und Batterie

Auf der Unterseite markieren zwei Hilfslinien die Mitte, je 90mm vom Rand weg. DerLagesensor wird auch noch eingezeichnet, beachte, dass der Stecker an der Vorderseiteist.

Abbildung 4: Querbalken mit Markierungen fur LEDs, Ultraschall und Batterie

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3.1.3 Bohrungen

Im Steher mussen im unteren Bereich Bohrungen fur die Motoraufnahme gemacht wer-den. Diese werden laut Zeichnung mittels Bohrschablone durchgehend gebohrt, 2 Lochermit 2.5mm und 2 Locher mit 8mm Durchmesser.

Abbildung 5: Bohrlocher im Steher fur die Motoraufnahme

3.2 Getriebemotoren

Der Motor muss aus dem Getriebe genommen, um 180 gedreht und wieder eingebautwerden. Somit schauen spater die Lotanschlusse nach außen zu den Reifen hin.

4 Erste Lotubung

Die Stiftleisten des Arduinos werden von oben durch die Platine gesteckt und dannverlotet.

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Abbildung 6: Stiftleisten, Arduino Nano

Die Lotstellen mussen sauber ausgefuhrt werden. Der Pin muss von Lotzinn um-schlossen sein. Das Lotzinn sollte sich schon nach innen wolben, also keine nach außengewolbte Kugel bilden. Kurzschlusse durfen auf keinen Fall gemacht werden.

Abbildung 7: Beispiel: saubere Lotstellen auf einer Industrieplatine

Ebenso wird der Lagesensor mit der geraden (nicht abgewinkelten) Stiftleiste be–stuckt.

5 Module aufkleben

5.1 T-Stuck

Zuerst werden die beiden Holzer zu einem T verklebt. Dabei unbedingt auf vorne undhinten, bzw. links und rechts achten! Reichlich Heißkleber auf die Flache, und die beidenKanten werden mit Kehlnahten ausgefugt.

5.2 Spannungsregler und Stecker

Anschließend werden der Spannungsregler und der Batteriestecker aufgebracht. Bitte aufrot/schwarz beim Stecker achten. Der Stecker wird auf das X geklebt. Die 5V-Ausgange

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der Spannungsregler sind auf der Seite, wo wir vorhin 5V markiert haben.

Abbildung 8: Kehlnaht; Spannungsregler und Stecker, nach vorne gerichtet

5.3 Arduino, Lademodul und Lagesensor

Der Arduino, das Lademodul und der Lagesensor werden auf der rechten Seite ange-bracht. Der Arduino braucht hierzu reichlich Heißkleber direkt auf die beiden langenStiftleisten.

Abbildung 9: Arduino und Lademodul auf der rechten Seite

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Abbildung 10: Lagesensor auf der rechten Seite, moglichst parallel zum Holz ausgerichtet.Die Stiftleiste ist an der Vorderseite

5.4 Motortreiber

Der Motortreiber wird an der Vorderseite mit den Schraubklemmen nach unten zeigendfixiert.

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Abbildung 11: Motortreiber

5.5 Ultraschallsensoren

Hier wird die Platine und das Aluminiumgehause mit reichlich Heißkleber fixiert, sodassder Sensor gerade nach vorne schaut, d.h. vertikal und parallel zu den Holzkanten. DieStiftleisten schauen zur Mitte hin.

Abbildung 12: Ultraschallsensoren

6 Der Stromlaufplan

Der Stromlaufplan beschreibt vollstandig die elektrischen Verbindungen des ganzen Ro-boters und befindet sich im Anhang. Er beschreibt neben den Modulen und den Leitun-

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gen dazwischen auch die Drahtfarben und Drahtlangen und weitere Details.

Abbildung 13: Beispiel aus dem Stromlaufplan

Im obigen Beispiel sehen wir folgendes:

1. Eine Beschreibung: Ultraschallsensoren

2. Ort: links

3. Betriebsmittelkennzeichnung: A5 und P3, W1 bis W4

4. Leitungstyp: rt22 (steht fur rot, 22cm lang), bl22 −− (steht fur blau, 22cm lang,mit Strich markiert)

5. Modultyp: HC-SR04

6. Pinbezeichnungen: +5V, Trigger, Echo, GND

7. Pinnummern: 4,3,2,1

8. Versorgungssymbole: +5V (Pfeil nach oben, geht auf Lotstutze Plus), GND (gehtauf Lotstutze Minus)

7 Lotstutzen

Die Lotstutzen werden mit einen Philips-Schraubendreher der Große 1 auf der Mar-kierlinie in das Holz eingeschraubt. Mit dem Schraubendreher kann man vorher kleineKor–nungen in das Holz bohren, damit die Schrauben leichter anbeißen.

Die Polaritat sollte gut sichtbar bleiben und die beiden Schraubenkopfe sollten einenAbstand von 3-5mm haben, damit ein Kurzschluss ausgeschlossen ist.

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Abbildung 14: Lotstutzen

8 Loten

8.1 Steckerkabel

etwas kurzen, verdrillen und anloten (rot ist plus, schwarz minus). Davor werden dieSchrauben ordentlich verzinnt (Achtung: das dauert ein wenig, bis die Schrauben dieTemperatur erreichen).

Abbildung 15: Steckerkabel

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8.2 Spannungsregler

8.2.1 Pads verzinnzen

Die 6 Pads auf jedem Spannungsregler werden verzinnt. Die Lotstellen sollten gleich–maßig rund und glanzend sein.

Abbildung 16: Spannungsregler, Pads verzinnen

8.2.2 Widerstande

Damit sich der Strom zwischen den beiden Spannungsregler gut aufteilt, werden derenPluspole uber je einen 0.1Ω-Widerstand zusammengefuhrt. Sie werden verdrillt und dortverlotet. Dann werden sie am Steher fixiert, sodass die langen Drahte dann gut bei den+5V-Pads der Spannungregler angeschlossen werden konnen.

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Abbildung 17: Spannungsregler, Widerstande

8.2.3 Buchsenkabel

Das Buchsenkabel wird am Minus-Pol des unteren Spannungsreglers und an der Mitte-lanzapfung der Widerstande angelotet.

Abbildung 18: Spannungsregler, Buchsenkabel

8.2.4 Masse-Brucke

Sie ist 30mm lang und verbindet die beiden Spannungsregler an den Minuspolen.

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Abbildung 19: Spannungsregler, Buchsenkabel

8.2.5 Batteriedrahte

Sie werden mit je 12cm schon mal an die Spannungsregler gelotet. Drahte so kurz wienotig abisolieren (3-4mm).

Abbildung 20: Batteriedrahte

Anschließend werden die Batteriedrahte an der Ruckseite mit Heißkleber fixiert.

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Abbildung 21: Batteriedrahte am Rucken fixiert

8.3 Lademodul

Es wird mit 7cm-langen Drahten mit einem der beiden Spannungsregler verbunden. Plusauf Plus, Minus auf Minus.

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Abbildung 22: Lademodul auf Spannungsregler

Abbildung 23: Lademodul auf Spannungsregler

8.4 Spannungsstabilisierung und -filterung

Der Elektrolytkondensator (Elko) und ein Keramikkondensator (Kerko) werden auf dieLotstutzen gelotet. Beim Elko ist unbedingt auf die Polaritat zu achten (Strich=Minus)!Die Beinchen des Keramikkondensators sollten eher kurz gehalten werden.

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Abbildung 24: Lademodul auf Spannungsregler

8.5 Ansteuerung des Motortreibers

In den Ansteuerleitungen zum Motortreiber sind 1kΩ-Widerstande geschaltet, um Sto–rungen Richtung Arduino zu unterdrucken. Der 100nF -Kerko hilft, die Spannung beihohen Frequenzen zu filtern.

Widerstande und Kondensator zuerst zurechtbiegen, und diese dann in eine dickeSpur Heißkleber drucken, abkuhlen lassen und anschließend mit reichlich Kleber fixieren.

Abbildung 25: Anstuerung des Motortreibers: Fixieren

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Abbildung 26: Anstuerung des Motortreibers: Verloten mit den Pins

Abbildung 27: Anstuerung des Motortreibers: Kurzen auf 5mm

9 Kabelbaume anfertigen

Die Kabelbaume sind sehr sorgfaltig auszufuhren. Dabei halt man sich an die Angabendes Stromlaufplans. Wo moglich werden die Drahte immer verdrillt. Dies sieht nicht nurschoner aus, sondern es hilft auch die Schaltung robuster gegen Storungen zu machen.

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Abbildung 28: Buchsenleiste: beachte die 1er-Markierung links-unten im Bild

Die hier verwendeten Buchsenleisten haben sogenannte Schneidklemmen - eine dersichersten Verbindungstechniken uberhaupt. Dazu werden die einzelnen Drahte an derrichtigen Stelle von der richtigen Seite in den Stecker eingeschoben, bis sie auf derRuckseite plan mit dem Gehause sind. Die erste Buchse ist mit einem 1er gekennzeich-net. Sind alle Drahte am richtigen Platz, wird die Buchsenleiste mit einem Schraubstockverpresst. Alternativ kann man auch eine Wasserpumpenzange verwenden.

Abbildung 29: Kabelbaume

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Abbildung 30: Kabelbaume

10 Verbauen der Kabelbaume

10.1 Ultraschallsensoren

Als erstes werden die beiden Kabelbaume fur die Ultraschallsensoren verbaut. Hierbeiist auf links und rechts zu achten, da sich die Drahtlangen um 2cm unterscheiden.

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Abbildung 31: Verkabeln der Ultraschallsensoren

10.2 Motortreiber

Buchsenleiste P5 wird beim Arduino eingesteckt, und dann die 4 Ansteuerleitungen,die Richtung Motortreiber gehen, passend abgelangt, abisoliert (3-4mm), verzinnt undverlotet. Anschließend mit Heißkleber fixiert und somit gegen Kurzschluss geschutzt.

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Abbildung 32: Ansteuerleitungen des Motortreibers

10.3 Leuchtdioden

Nun montieren wir noch die Leuchtdioden. In der Vorbereitung haben wir die Anschlussefur die LEDs gekennzeichnet mit A und K. A steht hier fur Außen, lAng oder Anode(Pluspol). K steht fur Kurz oder Kathode (Minuspol).

Die LEDs haben eben zwei unterschiedlich lange Beinchen, das ist entscheidend.Zuerst werden dies LEDs aufgeklebt, mit korrekter Polaritat.

Abbildung 33: LED: beachte kurz und lang

Dann das kurze Beinchen abwinkeln, das lange bis auf 5mm abzwicken und denWiderstand aufkleben.

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Abbildung 34: LED mit Vorwiderstand

Abbildung 35: LED mit Vorwiderstand und verlotet

Die Lotstellen werden wieder mit Heißkleber fixiert und isoliert.

11 Verbleibende Verbindungen

11.1 Getriebemotoren

Die Motoren werden nun am Steher mit den Schrauben M3x25 fixiert und anschließendnoch zusatzlich mit Heißkleber gesichert. Zu beachten ist, dass der gelbe Nupsi nachaußen Richtung Reifen schaut, damit das Getriebegehause gut aufliegt.

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Bevor die Motoren nun verdrahtet werden, muss noch deren Drehrichtung bzw. Po-laritat festgestellt werden. Dazu werden sie mit einem Labornetzgerat mit Spannungversorgt. Schaut man auf den Wellenstummel, muss sich dieser im Uhrzeigersinn drehen.Der Plus-Anschluss wird dann mit einem Permanentmarker gekennzeichnet.

Anschließend bekommen die Motoren noch je 2 Entstor–kondensatoren (C4 bis C7),die elektrische Storungen mit dem Motorgehause kurzschließen. Hierbei muss das Ge–hauseblech ausreichend lange aufgeheizt werden, damit das Lotzinn gut verfließt undhaftet.

Dann werden sie verdrahtet, unbedingt die Polaritat beachten!

11.2 Versorgung des Motortreibers

Der Motortreiber braucht noch die Versorgungsleitungen, die sauber verdrillt von denLotstutzen zum Motortreiber verlegt werden.

12 Inbetriebnahme

12.1 Uberprufen der Stromaufnahme

Nun sollte alles bis auf die Batterie verdrahtet sein. Ist dies der Fall, und der Roboterwird dann von einem Labornetzteil mit 5V am Batteriestecker versorgt, sollte er ca.50mA aufnehmen. Bei erhotem Verbrauch sind alle Verbindungen und Lotstellen zuuberprufen.

12.2 Batterie

Wurde der Stromaufnahmetest bestanden, kann die Batterie verbaut werden. Diese wirdverklebt und zusatzlich mit Kabelbinder fixiert (2 Stuck, 3.6x200mm). Dann werden dieDrahte an den Batteriepolen angelotet.

ACHTUNG: nichts kurzschließen oder verpolen!

12.3 Testsoftware

Um alle Sensoren und Aktoren am Roboter testen zu konnen, wird eine spezielle Softwareaufgespielt.

12.4 Betriebssoftware

Wurde der vorherige Test bestanden, kann die endgultige Software aufgespielt werden.Herzlichen Gluckwunsch!

12.5 Schaumrohr

Das geschlitzte Schaumrohr wird uber die Batterie geklappt und mit den langen Kabel-bindern links und rechts fixiert.

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12.6 Reifen

Bevor der Roboter nun selber fahren kann, mussen nur noch die Reifen montiert werden.Diese werden mit Superkleber auf dem Wellenstummel fixiert. Hierbei ist besondersdarauf zu achten, dass der Kleber nicht das Getriebe selbst verklebt.

12.7 Justierung

Die Regler-Software muss dann evt. noch etwas justiert werden, damit der Robo gut dasGleichgewicht halten kann.

Weitere Infos hierzu findest du auf www.team14.at/lemming

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13 Anhang

13.1 Werkzeugliste

1. Seitenschneider: fur Draht, Widerstande, Kondensatoren

2. Abisolierzange: es sind viele Drahtstucke zu verloten

3. Kombizange: ist zusammen mit einem starken Gummiring eine dritte Hand

4. Lotkolben: temperaturgeregelt, 350C, Hufeisenspitze (C-Form)

5. Lotkolbenstander: mit Lotschwamm (Vielen Dank an die TCG-Unitech)

6. Schraubendreher: PH1 zum fixieren der Motoren und der Lotstutzen am Holz

7. Schraubendreher: flach 3mm fur die Klemmen am Motortreiber

8. Heißklebepistole: zum fixieren der Module auf dem Holz

9. Standerbohrmaschine: fur das vertikale Holzstuck fur die Motoraufnahmen

10. Bohrer: 2.5mm fur M3-Schrauben und einen 8mm fur Auslasse

11. Heißluft 200C, fur Ausbesserungen beim Heißkleber

12. Computer mit Arduino IDE fur die Programmierung

13.2 Verbrauchsmaterialien

1. Heißklebesticks 11mm, ca. eine halbe Stange

2. Lotzinn 1mm, ca. 1-2m

3. Superkleber

4. Wasser fur die Lotschwamme

13.3 Stromlaufplan

13.4 Notizen zur Reglerstruktur

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