Omnidirektional

Das im Lehr- und Forschungsgebiet Mechatronik/Automation entwickelte, autonom fahrende Fahrzeug verfügt über eine flexible Hebeeinrichtung zur Werkstückaufnahme und -positionierung. Weiter kann das Fahrzeug über eine grafische Benutzeroberfläche via WLAN sowohl manuell als auch automatisch gesteuert werden. Am Beispiel der Montage von Triebwerken an Verkehrsflugzeugen wurde modellhaft ein Fahrzeug mit omnidirektionalem Antrieb entwickelt. Dieses ermöglicht es, ein montagefertiges Triebwerk zunächst präzise in die horizontale Position und anschließend mithilfe einer spindelgetriebenen Hebevorrichtung in die vertikale Montageposition zu bringen (s. Abb. 1). Die Adaption an vergleichbare Montagevorgänge anderer Produktgruppen mit dem Bedarf an präziser räumlicher Positionierung und Orientierung ist denkbar.

Die im Projekt entwickelte Fahrzeugplattform basiert auf einem Mecanum-Antrieb, dessen besondere Charakteristik in seiner omnidirektionalen Beweglichkeit liegt. Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit konventioneller mechanischer Lenkung erzeugen vier stets achsparallel ausgerichtete Mecanum-Räder – jeweils bestehend aus schräg angeordneten, tonnenförmigen Einzelrollen – bei ihrer Rotation unterschiedlich gerichtete resultierende Kraftvektoren. Dadurch ist die Plattform in der Lage, eine Translation in beliebige Richtung sowie eine Rotation um die Hochachse auszuführen. Diese Eigenschaft qualifiziert das System für hochagile Manöver in engen Umgebungen, wie sie etwa in der Intralogistik, der Servicerobotik oder bei mobilen Handhabungsaufgaben auftreten.

Aufbau

Die entwickelte Plattform nutzt vier einzeln geregelte Gleichstrom-Getriebemotoren mit integrierten Inkrementalencodern. Die Encoder ermöglichen eine präzise Erfassung der Radbewegung und bilden die Grundlage für eine geschlossene Drehzahlregelung. Diese Regelung ist erforderlich, da die omnidirektionale Fahrstrategie nur bei synchronisierten Bewegungsprofilen aller Räder zuverlässig funktioniert. Die Kombination aus Encoderfeedback, PID-Regelung und der speziell implementierten Mecanum-Kinematik stellt sicher, dass Drift, Schiefstellung und ungewünschte Rotationsanteile minimiert werden. In einem ersten Entwicklungsschritt wird die Plattform entlang einer bodenfesten, geometrisch frei gestaltbaren Linie automatisch zur Montageposition geführt, wobei sich das Triebwerk dann unmittelbar unterhalb der Flugzeugtragfläche befindet. Für die Spurführung kommen Infrarot-Linienfolger zum Einsatz, die durch ihre hohe Reaktionsgeschwindigkeit und einfache Signalinterpretation eine robuste Detektion ermöglichen. Die Sensorik arbeitet mit definierten Reflexionscharakteristiken und erlaubt eine zuverlässige Unterscheidung zwischen hellen und absorbierenden Oberflächen. Dadurch eignet sich die Plattform nicht nur für autonome Navigationsaufgaben, sondern auch zur präzisen Spurführung in industriellen oder logistischen Szenarien. Die Steuerungsarchitektur basiert auf einer speziell entwickelten Elektronikplattform, welche Motoransteuerung, Spannungsversorgung, Mikrocontroller und Kommunikationsmodule integriert. Die Verwendung MOSFET-basierter Motortreiber gewährleistet hohe Effizienz bei geringem Platzbedarf. Der Aufbau der Plattform ermöglicht die Erweiterung um zusätzliche Aktoren oder Sensoren. Die entwickelte Software folgt einem objektorientierten Ansatz, der Bewegungslogik, Motorregelung und autonome Fahrfunktionen konsequent voneinander trennt. Dadurch entsteht eine skalierbare Struktur, die sich leicht auf komplexere autonome Systeme übertragen lässt.

Die auf der Plattform installierte Hebeeinrichtung bildet das zentrale Verbindungselement zwischen Fahrzeug und Werkstückträger. Ihre funktionale Aufgabe besteht darin, das auf dem Werkstückträger eindeutig positionierte Triebwerk präzise in die Montageposition am Tragflächenmodell zu heben. Konstruktiv zeichnet sich die Hebeeinrichtung durch einen Scherenmechanismus mit seitlich integrierter Linearführung aus (Abb. 2). Die gekoppelte Doppelführung verhindert ein laterales Kippen, ein robuster Querstabilisator nimmt statische wie dynamische Kräfte der Vorrichtung auf und erhöht die Torsionssteifigkeit der gesamten Konstruktion. Die Trapezspindel wirkt aufgrund ihrer Selbsthemmung in Kombination mit dem Getriebemotor als Feststellbremse und hält die Last auch ohne Energiezufuhr im Falle eines Not-Aus sicher in Position. Die Höhenerfassung erfolgt über ein Winkelpotentiometer, dessen analoges Signal den Winkel zwischen den Scheren widergibt und somit Berechnungen über die aktuelle Höhe der Vorrichtung zulässt. Diese Lösung bietet eine robuste, latenzarme und zugleich einfache Rückführung, die sich insbesondere in kompakten Bauumgebungen bewährt. Der Werkstückträger ist modular konzipiert, um unterschiedliche Modelltriebwerksgrößen und -typen aufzunehmen. Er besteht derzeit aus drei formschlüssig wirkenden Negativformsegmenten und kann flexibel angepasst werden.

Steuerungsebene

Die Steuerungsebene des entwickelten Montagesystems ist als dezentraler Verbund aus einem Arduino Mega 2560 und einem ESP32 konzipiert (Abb. 3). Während der Arduino die latenzkritische Ansteuerung der Aktoren sowie das Verarbeiten der Sensorwerte übernimmt, fungiert der ESP32 als Kommunikationsschnittstelle zum Endnutzer durch ein Web-Interface. Die Kommunikationsverbindung zwischen den Microcontrollern erfolgt über eine UART-Schnittstelle, wobei ein IC basierter Pegelwandler die Spannungsdifferenz zwischen der 5V-Logik des Arduinos und der 3,3V-Logik des ESP32 umwandelt. Das implementierte Kommunikationsprotokoll nutzt eine paketorientierte Struktur mit einer Maximallänge von 64 Bytes und einem statischen Delimiter zur Nachrichtentrennung. Diese Methodik gewährleistet eine robuste Resynchronisation im Falle von Byte-Verlusten, da Folgenachrichten unabhängig von der Paketlänge des fehlerhaften Rahmens korrekt erkannt werden. Innerhalb der Pakete sorgt ein Identifier-Byte für die Vor-Kategorisierung in Systemzustände, Automatik- oder Handbetriebkommandos sowie Statusnachrichten. Ein wesentliches Sicherheitsmerkmal ist der bidirektionale, zyklische Heartbeat-Mechanismus. Bei Erkennen eines Timeouts versetzt der Arduino die Vorrichtung unmittelbar in einen sicheren Zustand, in dem alle Bewegungen gestoppt werden.

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle wurde als asynchrone Web-GUI mittels der ESPUI-Bibliothek realisiert. Diese Architektur ermöglicht eine ressourcenschonende Kommunikation, da Datenübertragungen nur bei tatsächlichen Interaktionen getriggert werden. Das Interface erlaubt neben der manuellen Steuerung sämtlicher Bewegungsfreiheitsgrade der Montageplattform auch die Einstellung von Prozessparametern wie der Hubgeschwindigkeit oder der Zielhöhe. Diese können bei Bedarf durch einen Befehl im EEPROM des Arduinos gespeichert werden. Im Automatikmodus bietet die GUI zudem die Möglichkeit, zwischen einem vollautonomen Ablauf und einem Semi-Automatik-Betrieb für einzelne Prozessschritte zu wählen. Der Automatikbetrieb umfasst die automatische Linienverfolgung bis zur Tragfläche, das Ausfahren der Hebevorrichtung in die Montageposition sowie das Einfahren zurück in die Grundstellung. Der gesamte Systemspeicher wird während der Initialisierungsphase reserviert, wodurch eine statische Analyse möglich ist und Speicherfehler zur Laufzeit ausgeschlossen werden. Die Zustandsverwaltung im Arduino erfolgt über ein zentrales Systemregister, welches bei Systemstart oder Reset mit Default-Werten aus dem EEPROM initialisiert wird.

Fazit

Insgesamt bildet die entwickelte, mechatronische Montageplattform ein präzise positionierbares Handhabungssystem. Es zeichnet sich durch hohe Manövrierfähigkeit, modulare Elektronik und erweiterbare Softwarearchitektur aus, um Werkstücke restriktionsarm im Raum sehr präzise positionieren zu können (Abb. 4). Diese Lösung eignet sich auch als Basis für mobile Robotersysteme, autonome Transportfahrzeuge, Forschungsplattformen o.ä., bei denen hochgradig flexible Bewegungsfreiheit und genaueste Positionierung entscheidend sind. In zukünftigen Entwicklungsschritten bieten sich Möglichkeiten zur weiteren Optimierung und Funktionsausweitung. So ist geplant, die Montageplattform um eine sensorische Erkennung des Werkstücks und dessen automatische mechanische Verriegelung im Werkstückträger zu erweitern. Ebenso sind eine autonom anfahrbare Energieladestation, eine sensorgesteuerte Hinderniserkennung und -umfahrung sowie eine auf KI basierende Objekterkennung zur automatisierten Erreichung der Montageposition vorgesehen.