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ATMEGA8 Fuse Settings für externen Quarz Oszillator mit 16 MHz

Obwohl die Robotchallenge mittlerweile vorbei ist, gibt es doch noch einige (technische) Leeren, welche aus der Veranstaltungen gezogen werden können. Eine davon ist die korrekte Programmierung der Taktselektions-Fuses im ATMEGA8.

In dem Motorboard des Mini-Sumo-Robots Evolution, welches für die Ansteuerung der Brushless/Brushed-Motoren verantwortlich ist, sind insgesamt zwei ATMega8 Mikrocontroller verbaut. Für die Takterzeugung ist ein Oszillator bestehend aus einem 16 MHz Quarz und zwei 18 pF Kondensatoren verbaut. Bei der Messung der PWM-Frequenz stellte sich nun heraus, dass die gemessene Frequenz nicht mit dem berechneten Wert übereinstimmt. Der Verdacht, dass bei der Takterzeugung etwas schief geht, liegt nahe. Nächster Schritt: Starten des AVR-Studio und Auslesen der Fuse-Settings des Mikrocontrollers:

atmega8_fuse_settings_default

Den Fuse-Settings ist zu entnehmen, dass der ATMega8 im fabriksneuen Zustand durch den internen RC-Oszillator mit einer Frequenz von 1 MHz getaktet wird. Nun müssen die SUT_CKSEL Fuses so umprogrammiert werden, dass der externe Quarz-Schwingkreis zur Takterzeugung verwendet wird. Dieser Schritt stellt bei den meisten mir bekannten ATMega-µCs kein Problem dar - beim ATMega8 wird dieser Schritt jedoch durch die große Auswahl möglicher Konfigurationsoptionen schnell kompliziert. Die richtige Einstellung für den 16 MHz-Quarz-Schwingkreis lautet EXTHIFXTALRES_16KCK_64MS wie in der nächsten Abbildung dargestellt:

atmega8_fuse_settings_16_MHz_xtal

Die gemessene PWM-Frequenz stimmt nun mit der berechneten PWM-Frequenz überein 😉

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Mini-Sumo-Robot Evolution: Analyse der Performance auf der Robotchallenge 2014

Letztes Wochenende hat die diesjährige Robotchallenge stattgefunden, an der LXRobotics mit dem Mini-Sumo-Robot Evolution teilgenommen hat. Nachdem nun bereits einige Tage vergangen sind ist es an der Zeit Rückschau zu halten und die Performance des Roboters im Rahmen des Bewerbs zu analysieren, Fehler aufzudecken und Verbesserungsvorschläge anzudenken. Der Detailanalyse kann vorausgeschickt werden, dass die Leistung des Roboters unter den Erwartungen zurückgeblieben ist. Die Gründe dafür wollen wir nun genauer betrachten:

Bei der Entwicklung von Evolution wurden all jene Erfahrungen berücksichtigt, welche mit dem Mini-Sumo-Roboter Sergeant Pain im Rahmen der Robotchallenge 2011 gemacht wurden. Das größte Manko von Sergeant Pain war die ungenügende Motorleistung, welche in vielen Fällen nicht dazu ausgereicht hat, den gegnerischen Roboter aus dem Ring zu befördern. Aus diesem Grund wurde für Evolution ein neuer Versuch unternommen, der auf die Verwendung von Brushless-Außenläufer-Motoren aus dem Flugmodellbaubereich basiert. Die Reifen wurden dabei direkt auf die Motorwelle montiert:

evolution_motor

Der große Nachteil bei diesem Konzept ist, dass die Brushless-Motoren grundsätzlich auf hohe Drehzahl bei geringen Drehmoment ausgelegt sind. Dies war bereits beim Design des Roboters bekannt, jedoch war die Überlegung den Roboter durch die hohe Drehzahl rasch beschleunigen zu lassen und dann unter Ausnutzung der Impulserhaltung den gegnerischen Roboter aus dem Ring zu "schießen". Was sich in der Theorie noch gut anhört wird in der Praxis zum Problem. Durch die hohe Drehzahl drehen die Reifen permanent durch was eine vernünftige Kontrolle des Roboters schwierig bis unmöglich macht. Teilweise zeigt der Roboter ein Überschwingen bei der Zielausrichtung was sich darin äußert, dass er am Ziel bei Zielausrichtung vorbeidreht. Dieses Verhalten kann durch eine optimale Programmgestaltung verringert, nicht jedoch aus der Welt geschafft werden.

Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass normale Brushless-Motoren für den Zweck des Sumo-Robot Antriebs denkbar ungeeignet sind. Eine mögliche Alternative sind sogenannte Brushless-Gimbal-Motoren. Dabei handelt es sich um Brushless-Motoren, bei denen die Motorspulenwindungen aus einem dünneren Material gefertigt sind und daher über einen höheren Widerstand (im Bereich) aufweisen. Dies ermöglicht eine schrittmotorartige Ansteuerung des Brushless-Motors womit weitaus geringere Drehzahlen bei gutem Drehmoment ermöglicht werden. Diese Erkenntnis wird beim Bau des nächsten Roboters auf jeden Fall berücksichtigt.

Die Montage der Sensoren stellte ebenfalls einen gravierenden Nachteil von Evolution gegenüber den anderen teilnehmenden Robotern dar. Die Sensoren von Evolution befinden sich 45 mm über dem Ringboden. Die meisten der dieses Jahr teilnehmenden Roboter waren niedriger gebaut und konnten daher durch die Sensoren gar nicht erfasst werden.

evolution_sensors

Obwohl auch bereits bei der Robotchallenge 2011 niedrig gebaute Roboter unterwegs waren, so stellten sie damals noch eine Minderheit dar. Evolution war auf as Auftreten dieser Art von Design nicht vorbereitet und konnte viele Gegner daher erst gar nicht erfassen. Beim nächsten Sumoroboter, gleich welchem Design muss sichergestellt werden, dass sich die Sensoren so nah wie möglich am Ringboden befinden.

Die ausklappbare Rampe sowie die ausklappbaren Täuschungssegels haben einen gemeinsamen Nachteil. Sie benötigen Zeit zum Ausklappen. Obwohl sie nur 250 ms für den Ausklappvorgang benötigen reicht diese Zeitspanne bereits aus um durch den gegnerischen Roboter erfasst und aus dem Ring gedrängt zu werden. Ähnliche Erfahrungen wurden bereits mit Sergant Pain gemacht, bei diesem Betrug die Ausklappzeit noch erheblich mehr. Die Konsequenz aus dieser Erfahrung ist, dass auf Täuschungssegel und ausklappbare Rampen möglichst verzichtet werden sollte. Der Vorteil dieser beiden Konstruktionen wird durch die dafür benötigte Entfaltungszeit zunichte gemacht.

Die Akkukapazität von Evolution war mit 1300 mAh sehr großzügig dimensioniert. Eine hohe Akkukapazität führt jedoch automatisch zu großen Abmessungen.Tatsächlich fahren viele Roboter mit erheblich kleineren Akkukapazitäten was in kleineren mechanischen Abmessungen resultiert. Dieser Umstand vereinfacht das mechanische Design des Roboters erheblich. Nach dem Event wurde der Akku von Evolution wieder aufgeladen. Dabei stellte sich heraus dass in 10 Sumo-Robot Runden nur 200 mAh Akkuleistung verbraucht wurde. Ein oder zwei 200 mAh Akku sollten also für eine Qualifying-Gruppe locker ausreichen.

evolution_akkku

Der letzte Punkt den ich ansprechen möchte, sind die gefühlt wahrgenommenen Regeldehnungen und Verletzungen im Rahmen der Veranstaltung. Da ich keine konkreten Beweise außer meiner eigenen Beobachtungsgabe und der meines Teams habe, möchte ich darauf hinweisen dass dies lediglich eine Meinung ist. Bei der Roboterabnahme wird sehr genau darauf geachtet wird, dass der Roboter kein Gramm zuviel wiegt und kein Kabel auch nur einen Millimeter über die erlaubten Abmessungen hinaussteht. Dies ist grundsätzlich lobenswert. Das Problem besteht in meinen Augen dann darin, dass der eigentliche Bewerb bis zu 2.5 Stunden dauert und in dieser Zeit die Teilnehmer mit ihren Robotern auch einfach mal kurz verschwinden können. Auch dies ist grundsätzlich nicht verwerflich, wenn es nicht dafür genutzt werden würde, regelverletzende Modifikationen an den Robotern durchzuführen. Gutes Beispiel ist der Einbau von rasiermesserscharfen Klingen an der Front des Roboters. Wie komme ich zu dieser Aussage: Wir haben beobachtet, dass ein Teilnehmer unserer Qualifying-Gruppe sich heftig an einem Finger geschnitten hat und stark geblutet hat. Als dies passiert ist habe ich mir noch nichts dabei gedacht. Als jedoch die Ringrichter damit begonnen haben, Schäden am schwarzen Lack des Ringes in regelmäßigen Abständen mit schwarzem Edding auszubessern, kam ich zu der Entscheidung, dass die Aufnehmerklingen doch etwas schärfer sein müssen als noch bei der Abnahme.

Aus diesem Vorfall ziehe ich folgende Konsequenzen: Erstens sollten die Roboter nach der Abnahme auf einem Tisch innerhalb des Ringbereiches platziert werden und nur mehr unter Aufsicht von Schiedsrichtern bearbeitet werden dürfen. Dies stellt natürlich hohe personelle Anforderungen an den Veranstalter. Aus diesem Grund nehme ich nicht an, dass dies passieren wird. Als Alternative werde ich bei jedem Roboter mit erkennbarer Aufnehmklinge darauf bestehen müssen, dass eine Requalifikation unmittelbar vor dem Kampf durchgeführt werden. Es ist schade, dass von einigen Teilnehmern Gewinnen um jeden Preis zur Maxime erhoben wurde und damit die ehrlichen Teilnehmer um die Ergebnisse ihrer harten Arbeit betrogen werden.

Abschließend kann festgehalten werden, dass die Robotchallenge 2014 eine tolle und lehrreiche Veranstaltung war. Als Österreichen dürfen wir uns glücklich schätzen ein solch hochkarätiges Event direkt vor unserer Haustüre zu haben und uns mit internationalen Teilnehmern messen zu können. Es wäre aber auch schön, wenn in Zukunft mehr Österreicher teilnehmen würden. Ein erster Schritt dazu wäre die Teilnahme  an solchen Bewerben Bewerben in den Lehrplan von Schulen und Universitäten aufzunehmen. Wir werden nächstes Jahr auf jeden Fall wieder dabei sein. Alle gesammelten Erfahrungen werden dabei in das Design des nächste Mini-Sumo-Robots einfließen. Und immer daran denken: Nach dem Wettkampf ist vor dem Wettkampf 😉

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LXRobotics auf der Robotchallenge 2014

Von 29. bis 30. März 2014 hat die diesjährige Robotchallenge in Wien stattgefunden. LXRobotics war ebenfalls bei diesem Event vertreten und hat mit dem Mini-Sumo-Roboter Evolution an der Veranstaltung teilgenommen. Weiters haben wir die Veranstaltung genutzt, um das Robotersystem Beauty Queen interessierten Personen vorzustellen. Insgesamt haben 97 Mini-Sumos an der Veranstaltung teilgenommen. Nachfolgend sind ein paar dieser Mini-Sumos abgebildet:

mini_sumo_1

mini_sumo_2

mini_sumo_3

mini_sumo_4

Evolution war einer der wenigen Roboter, welche mit einer herunterfallenden Klappe gearbeitet hat. Täuschungssegel waren auch bei einigen anderen Robotern vorhanden. Auf den nächsten Fotos ist Evolution in der Startposition abgebildet und wie er in weiterer Folge einen Gegner auf die Schaufel nimmt:

evolution_start

evolution_looses

Auf dem vorherigen Foto hat Evolution den Kampf verloren.  Dass es auch anders gegangen ist, beweist das nächste Foto:

evolution_wins

Auf dem nachfolgenden Video ist eine Zusammenfassung der besten Kämpfe von Evolution dargestellt. Eine ausführliche Analyse der Stärken und Schwächen von Evolution wird in einem späteren Blogpost erfolgen.

Das Robotersystem Beauty Queen hat das Interesse zahlreicher Besucher geweckt. Hier erklärt Alexander Entinger die Funktionsweise des Systems einem Lehrer einer englischen technischen Schule:

bq_attracts_attention_1

Vor allem die Kinder waren von Beauty Queen hellauf begeistert:

bq_attracts_attention_2

Abschließend noch ein kleines Video, welches die Reaktionen der Besucher der Robotchallenge 2014 auf das Robotersystem Beauty Queen dokumentiert:

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Mini-Sumo-Robot Evolution: Letzte Vorbereitungen für die Robotchallenge 2014

Nur noch 4 Tage verbleiben bis zur Robotchallenge 2014 - reicht das für die rechtzeitige Fertigstellung von Evolution? Diese Frage kann uneingeschränkt mit JA beantwortet werden. Kleine Bemerkung am Rande: Sofern nicht bis dorthin irgendein Schaden oder ein bis jetzt nicht entdeckter Fehler auftritt. Die fast fertig zusammengebaute Version von Evolution ist auf der nächsten Abbildung dargestellt:

evolution_1

Auf diesem Foto ist bereits der neue Akku erkennbar, ein 2S-LiPo-Akku mit einer Spannung von 7.4 V sowie einer Kapazität von 1300 mAh. Dieser Akku wurde im Rahmen der Software-Entwicklung bereits zweimal komplett ausgesaugt. Links und rechts des roten Kippschalters sind zwei (transparente) Servos erkennbar. Das Geheimnis um den Zweck der beiden Servos wird in der zweiten Hälfte dieses Artikels gelüftet. Auf der nächsten Abbildung ist Evolution neben meinem (Alexander Entinger) ersten Mini-Sumo-Roboter Sergeant Pain dargestellt.

evolution_and_sergant_pain_1

In weiterer Folge sind die beiden Roboter im Ring gegeneinander angetreten. Das Ergebnis kann im nächsten Video begutachtet werden:

Die vorhin erwähnten Miniatur-Servos haben die Aufgabe, nach dem Start zwei Arme von oben zur Seite zu schwenken und so zwei Täuschungsfahnen auszubringen, welche dem gegnerischen Roboter die korrekte Erfassung der Position von Evolution erschweren sollen. Diese Technik habe ich mir vom japanischen Robot-Sumo abgeschaut. Auf der nächsten Abbildung ist Evolution in der Start-Haltung dargestellt.

evolution_final_start_position

Mit heruntergefahrenen Armen und heruntergeklappter Klappe sieht das dann so aus:

evolution_final_combat_position

Natürlich gibt es auch ein Video welches sowohl den Entfaltungsprozess als auch mehrere Kämpfe gegen Sergeant Pain zeigt:

Als letzte Handlung vor der Robotchallenge 2014 verbleibt nun nur noch das Laden aller Akkus sowie Zusammenpacken der Werkzeugkiste. Four days to go! See you at Robotchallenge 2014!

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