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Einstieg in die Robotik

2005-12-19T16:29:00Z

Sdz55: /* Kaufen oder bauen ? */

Unter Robotik verstehen wir hier ganz allgemein die Beschäftigung mit Robotern.
Wenn man als "Roboter" ein Gerät bezeichnet, das sich autonom (selbständig) in seiner Umwelt bewegt (und zurechtfindet), dann hat man eine Materie vor sich, die keinen Aspekt der modernen Technologie ausläßt.
[[Bild:Chefkochbot.jpg|thumb|Kettenroboter sind besonders beliebt bei Bastlern.]]

Da ist also mal

* Ein Fahrzeug, oder eben irgendwas, was sich aus eigener Kraft bewegen kann
* Eine mehr oder weniger große Menge von elektronischem Zeugs, das die Steuerung davon übernimmt

Beide Bereiche können recht anspruchsvoll sein, da ist es schon gut, wenn man irgendwelche Vorkenntnisse hat. Aber wenn nicht, alles kann man lernen, und jeder hat mal angefangen.

Einen Rat würde ich nur jemandem geben, der sich mit dieser hochinteressanten Materie beschäftigen will:

* Die Kluft zwischen den Erwartungen und dem Können sollte nicht zu groß sein.
* Man sollte die Latte nur immer ein Stückchen höher setzen, als man im Moment auch überspringen kann

Also nicht einen Roboter bauen wollen, der springen, tanzen und singen kann, wenn man nicht schon wenigsten einen Beam-Roboter gebaut hat.

== Kaufen oder bauen ? ==
Es ist taktisch günstig, immer ein Bein auf sicherem Boden zu haben, während man mit dem anderen den nächsten Schritt wagt. Sprich, je mehr man selbst macht, desto vielfältiger sind auch die Fehlerquellen, und umso schwieriger ist es, diese Fehler dann zu finden. Ich würde schon raten, erst mal das, was man weniger beherrscht, zuzukaufen. Weiters interessiert ja auch nicht jeden sowohl die Mechanik als auch die Elektronik. Es gibt auch sicher welche, die interessiert überhaupt nur die Programmierung, der will eigentlich garnix basteln.

=== Also was spricht wofür ? ===

'''Bauen:'''
* Völlige Freiheit beim Design und bei der Umsetzung
* Man kann vorhandenes Material einsetzen damit und überhaupt Geld sparen
* Hat man was selbst gebaut, ist die Freude, wenn's funktioniert, natürlich groß

'''Kauf:'''
* Man hat doch eine gewisse Funktionsgarantie
* Klappt was nicht, gibt es Hilfe
* Der Bau-, Lern- und Forschungsaufwand ist geringer
* Das ganze Risiko eines Fehlschlages ist gesenkt oder umgekehrt: Man kann eher mit einem Erfolg rechnen

Natürlich gibt es auch die Mischvarianten. So gibt es zum Beispiel fertige Komponennten oder getestete Projekte (wie die RN-Projekte) welche den Bau und die Erfolgsaussichten eines größeren Projektes durch den modulartigen Aufbau verbessern.

'''Ein Tip für die Sponsorsuche:'''

Bei der Argumentation mit möglichen Geldgebern (Eltern, Verwandte) den Schwerpunkt eher auf den Bereich Elektronik und Programmierung legen, das ist ja schließlich was Nützliches für die Ausbildung und damit die zukünftige Altersversorgung. Eigentliche Endziele, wie flammenwerfende Kampfroboter, sind viel schwerer 'rüberzubringen, das mag möglicherweise am Alter liegen. Sowas also erst einbringen, wenn das Ganze erst mal läuft. Oft stellt sich nach eine Weile eh heraus, daß Flammenwerfer garnicht so viel Spaß machen.

==Weblinks==
* [http://www.roboternetz.de/robotertutorial1.html Kleines Einsteigertutorial für Robotik Bastler]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Praxis]]

Spinnenbeine (Hexapods)

2005-12-18T10:45:27Z

Sdz55: /* Spinnenbeine */

==Spinnenbeine==

Wenn man sich erstmal nicht damit zufriedengibt, einfach mit den Beinen irgendwie herumzurudern ("Hauptsache, es bewegt sich"), sind Beinbewegungen gar nicht so ohne.

Schauen wir uns mal die häufigste Variante an, das sind die echsen- oder spinnenartigen Bauformen. Hauptmerkmal ist, daß die Beine seitlich am Körper angebracht sind.

==Ein Beinpaar im Querschnitt==
[[Bild:Podlegside.jpg]]

(Die Beinhaltung ist hier ganz allgemein gehalten, tatsächlich sind da große Unterschiede, je nach Bauart.)
*Z ist die vertikale Drehachse des "Schulter"-Gelenks
*h ist die Höhe des Körpers über dem Boden
*a ist der Oberschenkel
*β der Winkel des Oberschenkels
*K ist das Knie
*b ist der Unterschenkel
*α der Winkel im Knie
*F ist der Fußpunkt
*γ der Winkel, den der Unterschenkel mit dem Boden einnimmt
*r ist der resultierende Radius des Fußpunktes um die Schulter

==Variante "Lynxmotion"==
[[Bild:Podlynx.jpg]]

Hier ist der Oberschenkel gewissermaßen geteilt. Der vertikal bewegliche Teil davon ist sehr kurz und als Parallelogramm ausgeführt, um den Unterschenkel senkrecht halten zu können. Dieser kann aktiv nur gehoben und gesenkt werden, durch Federn hat er aber ein gewisses seitliches Spiel.

Der Zweck dieser Konstruktion ist es, das Schultergelenk mit nur einem Freiheitsgrad sehr robust ausführen zu können.

==Ein (linkes) Bein von oben==

[[Bild:Podlegtop.jpg]]

man findet die Werte aus der seitlichen Ansicht
*Z die vertikale Drehachse der Schulter (bleiben wir mal bei "Schulter")
*rmin als kleinstmöglicher Radius, den der Fußpunkt beschreiben kann (wenn der Unterschenkel maximal angezogen ist = kleines α)
*rmax als größtmöglicher Radius (= grosses α)
*δmax das ist der größtmöglich Drehwinkel des Schultergelenks

schraffiert ist das Bereich, in dem sich die "Fußspitze" bewegen kann.

'''s''' ist somit die größtmögliche Schrittweite (bei gerader Fortbewegung)

und dann noch
*M ist der Schwerpunkt (oder Mittelpunkt) des gesamten Fahrzeuges
*br die halbe Breite
*f der Abstand dieses Beines von der Querachse

==Beinbewegung==
===Geradaus===
Wird das Bein nun für einen Schritt von vorne nach hinten gedreht (durch Drehung des "Schulter"-Servos), würde sich die Fußspitze in einem Kreisbogen bewegen. Unterwegs würde allerdings die Fußspitze nach außen wegrutschen. Am schlimmsten daran ist der Verlust der Haftreibung, von der noch zu sprechen ist.

Das Bein muß also unterwegs so verkürzt werden, daß sich die Fußspitze entlang der geraden Sehne '''s''' bewegt. Und dann muß noch die Winkelgeschwindigkeit des Schultergelenks angepaßt werden, da ja auch der Radius kontinuierlich verändert wird.
===In einer Kurve===
Um irgendein Fahrzeug in eine Kurve nach rechts zu bringen, kann man z.B. die Räder links schneller drehen lassen. Sowas geht bei Beinen natürlich nicht. Hier muß die Schrittweite variiert werden.
Und noch eine Tücke in der Kurve: Der Schreitweg '''s''' muß um den Mittelpunkt des Kurvenradius einen Bogen machen.

[[Bild:Podtopc.jpg]]

*P Kurven-Mittelpunkt
*M Fahrzeugmittelpunkt
*rfzgRadius des Fahrzeuges um P

==Anordnung der Beine==
===Hexapods===
[[Bild:Hextop1.jpg]]
[[Bild:Hextop2.jpg]]

das sind zwei Möglichkeiten, bei einem Hexpod die Beine anzuordnen. Die linke Variante hat den Vorteil, daß beim Geradeauslauf die Bewegungen der Beine identisch sein können, allerdings den Nachteil, daß der Rumpf länger sein muß (damit sich die Beine nicht in die Quere kommen). Die rechte Bauart hat diesen Nachteil nicht, aber dafür sind die erforderlichen Schrittbewegungen komplizierter.

==Schrittfolge==
Es ist ja klar, daß wir nicht alle sechs Beine gleichzeitig bewegen können. Man braucht also eine Schrittfolge.
===geradeaus 3:3===
Die folgende Methode wird gerne angewandt, weil sie recht einfach und auch rein mechanisch gemacht werden kann. Die Beine 1, 4 u. 5 bzw. 2, 3 u. 6 werden jeweils gleich angesteuert, phasenmäßig aber um 180 Grad versetzt.

Im linken Bild sind die Beine 2, 3 u. 6 gerade ganz vorne, die anderen Beine 1, 4 u. 5 ganz hinten

[[Bild:Podstp1.jpg]]
[[Bild:Podstp2.jpg]]

Im rechten Bild sind 2, 3 u. 6 mit ihrer Bewegung fertig, sie haben das Fahrzeug fortbewegt, jetzt kehrt sich die Sache um

'''Schwerpunkt ?'''

Unterstützt wird das ganze Gerät immer an den Fußpunkten der Beine. Verbindet man diese jeweils drei Punkte, ergeben sich zwei Dreiecke, die in den beiden Zeichnungen strichliert angedeutet sind. Teilweise überlappen sie sich, das ist das Bereich, wo sich der Schwerpunkt des ganzen Fahrzeuges befinden darf

Und man sieht, dass diese Fläche bemerkenswert klein ist.

==Hexapods in der Kurve==

Nochmals das Bild von oben

[[Bild:Hextop1.jpg]]

Die effektiven Beinwege '''s''' können auch wie die Räder von einem sechsrädrigen Fahrzeug verstanden werden.

Wenn wir nun eine Kurve beschreiben wollen, verkürzen wir die Wege '''s''' auf einer Seite, dadurch ergibt sich ein Drehpunkt '''P'''

[[Bild:Hexcurv1.jpg]]

Was man sieht: Es muß eigentlich jedes Bein eine individuelle Bewegung machen.
UND: jedes Bein muß seinen eigenen [[Spinnenbeine#Beinbewegung|Kurvenradius einhalten]]

==Kräfte am Spinnenbein==
Da eine genaue Berechnung recht aufwendig ist und von vielen Faktoren zusätzlich stark beeinflußt wird (Dynamik und äussere Einflüsse), soll hier nur eine qualifizierende Betrachtung erfolgen.

Für Beine gibt es zwei völlig unterschiedliche Situationen:
===Ohne Bodenhaftung===
(Glatteis)
[[Bild:Podvec1.jpg]]

Die Beine werden auseinandergedrückt. Das Kniegelenk muß versuchen, Ober- und Unterschenkel beisammenzuhalten, und in der Schulter muß das anteilige Gewicht des Fahrzeuges getragen werden. Durch die langen Hebel wird da, je nach Beinstellung, eine beachtliche Kraft erforderlich.

===Mit Bodenhaftung===
(Teppich)
[[Bild:Podvec2.jpg]]

Ganz anders bei ausreichender Haftung: Da die Füsse ja nicht wegrutschen, zieht das Gewicht des Fahrzeuges über die Obeschenkel die Knie nach innen. Hier müssen die Oberschenkel nach aussen stemmen, um dem entgegenzuwirken.

====Ein Rechenbeispiel====
Desweiteren ist es wichtig zu erwähnen, dass je nach Bauart des Beines, also welche die sich weiter an der Seite vom Bot befinden , enorme Hebelkräfte auftreten. Hier ein Beispiel:

[[Bild:Beine65.jpg]]

Gegeben sei "a" als größtmöglicher Abstand zum Körper (blau).

a=10cm

Bei 4 Beinen hat man also 4 Servos, die den Bot hochdrücken. Diese drücken jedoch mit einem Hebel von 10 cm. Nehmen wir an, der Servo hätte 30 Ncm (standard).

Also 30Ncm : 10cm = 3N

3N*100(1N =100g)= 300g

Also kann dieser Servo an einem Hebel 300g heben oder senken. Da jedoch bei einem 4-Beiner immer nur 2 Beine am Boden sind, dürfte dann der Bot nicht mehr 600g wiegen. Dies ist kaum bis gar nicht zu schaffen. Daher benötigt man bei solch großen Beinen etwas stärkere Servos mit mindestens 50 - 60 Ncm, sonst wird er nie richtig laufen. Deshalb ist eine genaue Planung der Beine sehr wichtig. Vor allem bei größer dimensionierten Quatropods.
Dasselbe gilt natürlich auch für Hexapods. Nur muss man die Faktoren der Anzahl der Beine ändern

==Siehe auch==
* [[Servos]]

[[Kategorie:Mechanik]]
[[Kategorie:Praxis]]

Funkmodule

2005-12-16T19:30:23Z

Sdz55: /* Wie schwierig ist die Verwendung von Funkmodulen */

Recht beliebt ist die Kommunikation von Roboter und PC per Funk. Dabei beschränkt sich die Anwendung keineswegs nur auf die reine Fernsteuerung wie beim Modellbau. Über Funkmodule lassen sich auch komplexe Sensordaten, Umgebungsdaten oder sogar Bilder übertragen.

Inzwischen gibt es recht preiswerte Funkmodule mit RS232-Schnittstelle auf dem Markt. Die Anbindung an einen Controller erfolgt bei den etwas teureren Modulen sehr oft per RS232 Schnittstelle und ist selbst für Laien kein Problem. Erhebliche Unterschiede gibt es in der Reichweite. Die Reichweite wird von Frequenzband,, Sendeleistung aber auch Empfindlichkeit der Module bestimmt. Sehr beliebt ist im RObotik-Bereich das ISB-Band.

==Das 433 MHz ISB-Band==
Das ISM-Band erstreckt sich bei 433 MHz von 433,05 bis 434,79 MHz. Es wird schon seit längerem zur kundenspezifischen Nachrichtenübertragung mit kurzen bis mittleren Reichweiten genutzt. Dies ermöglicht bei bis zu 10 mW Leistung einige 100 m Reichweite im Freifeld. Die Hersteller von Funkmodulen geben oft Reichweiten zwischen 100 und 250 Metern an, wenn das Funkmodul die volle erlaubte Leistung von 10 Milliwatt leistet. Die Reichweitenangaben hängen aber stark von der Umgebung, Störfaktoren und eventuellen Hinternissen zwischen den Funkmodulen ab. Daher sollte man bei Vergleich von Funkmodulen die Reichweiten Angabe nur als groben Richtwert nehmen und nicht überschätzen. Bei gleicher Leistung, gleicher Empfindlichkeit und identischer Antenne sollten die Reichweiten auch nahezu identisch sein.
[[Bild:FunkmodulRT433F4.jpg|thumb|Beispiel eines beliebten ISB Funkmodules]]
Man sollte also vielmehr Sendeleistung und Empfindlichkeit der Transceiver vergleichen, denn nicht alle Module nutzen die maximal erlaubte Sendeleistung voll aus. Und ein Modul mit unempfindlicheren Empfänger hat eventuell selbst bei höherer Sendeleistung eine geringere Reichweite.

Grundsätzlich ist die Modulationsart beim 433 Mhz Band frei wählbar, wobei in einfachen Anwendungen eine AM und bei höheren Anforderungen eine FM verwendet wird. Geräte für das 433 MHz-Band müssen als einzige Voraussetzung ein CE-Zeichen tragen.
Funkmodule mit AM-Modulation sind zum Teil deutlich billigere als Module mit FM-Modulation, jedoch ist die Anfälligheit gegenüber Störungen weit höher was in der Regel die Reichweite trastisch reduziert. Zum Teil gibt es hier Module die schon nach wenigen Metern 10 bis 20 keine sinvolle Datenübertragung mehr zulassen. Wenn nur die Steckdose in einem Zimmer per Funk geschaltet werden soll, dann können jedoch solche günstigen AM-Module wegen ihres Preises dennoch interessant sein. Für die Fernsteuerung von Robotern sind allerdings FM Module deutlich besser geeignet..

Die Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite in spektraler und zeitlicher Sicht ist im 433 Mhz Band nicht beschränkt. Dies hat neben Vorteilen bei einer kontinuierlichen Übertragung auch Nachteile in Form eines höheren Störpotentials. Man muss einfach davon ausgehen das in dem nachbarbereich schon zahlreiche Module in dem gleichen Frequenzbereich senden. Vor allem währen hier Funksteckdosen, Temperatursensoren, Wetterstationen, Türklingeln, Heizungssteuerungen als bevorzugte Anwender dieses bandes zu nennen.

Eine sichere Übertragung kann nur bei kurzen Reichweiten oder in Verbindung mit einer leistungsfähigen Kanalcodierung erreicht werden. Module mit mehren Kanälen haben hier einfach deutliche Vorteile indem Sie einfach auf eine andere Frequenz ausweichen können, wenn es auf einem Kanal zu Störungen kommt. Bei den leistungsfähigeren Modulen ist ein Kanalwechsel oft einfach durch ein RS232 Befehl per Software möglich. Abzuraten ist von Modulen die nur auf einer einzigen Frequenz (Kanal) sende, wenn höhere Reichweite rerzielt werden sollen. Oder aber es ist vorher genau zu prüfen ob diese Frequenzen auch wirklich frei von Störquellen sind.
[[Bild:FunkmodulEasyradio.jpg|thumb|Es gibt sehr schmale kompakte Funkmodule]]
Die erfahrenen Funk-Anwender sind sich der leidigen Tatsache bewusst, dass das 433-MHz ISM-Band völlig überladen ist, besonders auf dem europäischen Kontinent. Das rührt aber zur Hauptsache daher, dass fast alle bisherigen Anwendungen die Punktfrequenz von 433.92MHz nutzen, was logischerweise auf dieser Frequenz zu einer hohen Dichte und damit zur Überbelegung führen musste. Das müsste aber so nicht sein, es gibt andere Frequenzen auch noch.
Der schlechte Ruf des 400 MHz-Bandes kommt genau daher, dass alle Anwender sich auf diese Frequenz „gesetzt“ haben. So blieb es eben zumeist nicht aus, dass alle schlechten Erfahrungen hier gesammelt worden sind. Alle haben die handelsüblichen, preiswerten Funk-Module mit fester Frequenz 433,920 MHz eingesetzt, weil es Module mit alternativer Frequenz nicht gab. Wollte man dennoch eine andere Frequenz nutzen, musste ein anderes Modul eingesetzt werden, was erhebliche Kosten verursachen kann.

Die neuen Module wie beispielsweise das RT433F4 oder Easy Radio ER400TRS gehört dieses trübe Kapitel zumindest teilweise der Vergangenheit an, denn hier stehen ja 10 verschiedene Frequenzen (Kanäle) zur Wahl. Noch besser siehts im 868 Mhz Band aus.

==Das neue 868 MHz Band==

Dieses 868 Mhz Band ist noch nicht solange freigegeben wie das 433 Mhz. Allein deshalb gibt es schon weniger Störquellen welche die Funkverbindung und damit auch die Reichweite, beeinträchtigen. Im Gegensatz zum 433 MHz-Band sind die Vorschriften im 868 MHz-Bereich zudem deutlich restriktiver, um gegenseitige Störungen möglichst gering zu halten. Das Band ist in verschiedene Bereiche unterteilt, die für bestimmte Nutzungen freigegeben sind.

<center>
http://www.roboternetz.de/bilder/ism-diagram.gif

{| {{Blauetabelle}}
|Bereich
| Funktion
| Kanalraster
| Duty Cycle
|-
|1
|Allgemein
|Breitband
|< 1%
|-
|2
|Alarm
|25 hHz
| < 0,1%
|-
|3
|Allgemein
|Breitband
| < 0,1%
|-
|4
|Alarm
|25 kHz
| < 0,1%
|-
|5
| Offen
|
|
|-
|6
|Allgemein
|25 kHz / Breitband
|< 10%
|-
|7
|Alarm
|25 kHz
| < 10% - 100%
|-
|8
|Allgemein
| Breitband
| < 10% - 100%
|}
</center>

Im Klartext heißt das, das nicht auf allen Frequenzen der Funkmodule Dauersendungen beliebiger Länge durchgeführt werden dürfen. Es wird also nicht nur die Leistung vorgeschrieben, sondern auch die Nutzungszeit. Dies ist auf den ersten Blick Nachteilig, hat abe rohne Zweifel den Vorteil das Kanäle nicht ständig besetzt oder gestört werden. Dadurch ist eine sichere kurze Funkübertragung gewöhnlich fast immer gewährleistet. Aber ganz muss auf Dauersendungen in diesem Frequenzbereich auch nicht verzichtet werden, es gibt Bereiche wo dies erlaubt ist. So verfügt Beispielsweise das Modul RT868F4 auch über einen Kanal wo man sich bezüglich der Zeit keine Gedanken machen muss.

Bei dem Funkmodul RT868F4 ist die Kanalaufteiling laut Datenblatt daher so vorgenommen wurden: (Auszug aus Doku)

{| {{Blaueschmaltabelle}}
|Die Kanäle 0, 1, 2 dürfen nur 0,6 Minuten pro Stunde im Sendebetrieb genutzt werden
(= 1% duty cycle), unabhängig von der einstellbaren Sendeleistung (= max. +10dBm) SRD class 1f

Die Kanäle 4, 5, 6 dürfen nur 0,06 Minuten pro Stunde im Sendebetrieb genutzt werden
(= 0,1% duty cycle), unabhängig von der einstellbaren Sendeleistung (= max. +10dBm) SRD class 1g

Der Kanal 11 darf im Dauer-Sendebetrieb genutzt werden
(= 100% duty cycle), allerdings nur mit einer Sendeleistung von max. +4dBm (Einstellung ATS3=2) SRD class 1k
|}

==2,4-GHz Band==
Im 2,4-GHz-Band sind Spread-Spectrum-Kommunikationssysteme erlaubt, und es werden Funkmodule angeboten, die diese Technologie verwenden. 2,4-GHz-Funkwellen breiten sich sehr geradlinig aus, werden im Vergleich zu Funkwellen aus dem 400-MHz-Bereich weniger gebeugt und besitzen eine geringere Reichweite als diese. Doch aufgrund der hohen Bitrate, der exzellenten Sicherheit bei Datenübertragung mit Spread-Spectrum-Technologie und der guten Rauschunempfindlichkeit wächst die Zahl der Anbieter in diesem Bereich, und der Markt ist bereits gesättigt.
Da die Reichweite in diesem Bereich recht gering ist, oft deutlich unter 100 Metern, aber der Datensatz sehr hoch ist, wird dieser Bereich beispielsweise gerne für Video-Übertragungen genutzt.

==Wie schwierig ist die Verwendung von Funkmodulen==
Durch einige sehr umfangreiche Beiträge im Roboternetz könnte man den Eindruck gewinnen, das die Verwendung von Funkmodulen schwierig und nur den Experten vorbehalten sei. Das ist so einfach nicht nichtig, etwas knifflig ist es nur bei Funkmodulen die noch kein Funkprotokoll implementiert haben. Dies sind aber vornehmlich nur die sehr günstigen Module, bei diesen ist oft noch eine etwas umfangreichere Außenbeschaltung sowie komplexere Software-Algorithmen (Stichwort: Manchester Codierung) notwendig. Zudem gibt es bei diesen Modulen oft Probleme mit der Reichweite weil sie nur eine Frequenz und AM-Modulation nutzen. Wenn es um größere Reichweiten geht, ist von den ganz preiswerten Modulen (unter 20 Euro) abzuraten weil die Preisunterschied im Endeffekt mit Außenbeschaltung am Ende auch nicht mehr sehr groß ist.
Allenfalls für Lernzwecke und Aufgaben innerhalb eines Zimmers können auch diese Module sehr interessant sein.

Aber bei den etwas teuereren Modulen, zum Beispiel den oben genannten, ist bereits eine RS232 Schnittstelle vorhanden. Das bedeutet die Anwendung solcher Module ist äußerst einfach. Gewöhnlich müssen diese Module nur mit 3 oder 5 Volt versorgt werden und können dann direkt mit 2 Leitungen an die Controllerpins (RX/TX) angeschlossen werden. Möchte man ein solches Funkmodul an den PC anschließen, so ist lediglich eine kleine Schaltung notwendig die den TTL-Pegel an die PC-Pegel (V24 +/-12V)) anpaßt. Eine Bauanleitung dazu wäre RN-FUNK. Bei dieser Bauanleitung werden 4 der oben genannten Module unterstützt. Das kleine Board sorgt dafür das alle Module mit einer Spannung zwischen 5 und 18 V versorgt werden können und das die Module wahlweise direkt mit dem PC oder einem Controller verbunden werden können.

--[[Benutzer:Frank|Frank]] 12:18, 1. Dez 2005 (CET)

==Weblinks==
* [http://www.roboternetz.de/funkmodule.html Vergleichstabelle gängiger Funkmodule]

[[Kategorie:Robotikeinstieg]]
[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Elektronik]]

Funkmodule

2005-12-16T19:29:08Z

Sdz55: /* Das 433 MHz ISB-Band */

Recht beliebt ist die Kommunikation von Roboter und PC per Funk. Dabei beschränkt sich die Anwendung keineswegs nur auf die reine Fernsteuerung wie beim Modellbau. Über Funkmodule lassen sich auch komplexe Sensordaten, Umgebungsdaten oder sogar Bilder übertragen.

Inzwischen gibt es recht preiswerte Funkmodule mit RS232-Schnittstelle auf dem Markt. Die Anbindung an einen Controller erfolgt bei den etwas teureren Modulen sehr oft per RS232 Schnittstelle und ist selbst für Laien kein Problem. Erhebliche Unterschiede gibt es in der Reichweite. Die Reichweite wird von Frequenzband,, Sendeleistung aber auch Empfindlichkeit der Module bestimmt. Sehr beliebt ist im RObotik-Bereich das ISB-Band.

==Das 433 MHz ISB-Band==
Das ISM-Band erstreckt sich bei 433 MHz von 433,05 bis 434,79 MHz. Es wird schon seit längerem zur kundenspezifischen Nachrichtenübertragung mit kurzen bis mittleren Reichweiten genutzt. Dies ermöglicht bei bis zu 10 mW Leistung einige 100 m Reichweite im Freifeld. Die Hersteller von Funkmodulen geben oft Reichweiten zwischen 100 und 250 Metern an, wenn das Funkmodul die volle erlaubte Leistung von 10 Milliwatt leistet. Die Reichweitenangaben hängen aber stark von der Umgebung, Störfaktoren und eventuellen Hinternissen zwischen den Funkmodulen ab. Daher sollte man bei Vergleich von Funkmodulen die Reichweiten Angabe nur als groben Richtwert nehmen und nicht überschätzen. Bei gleicher Leistung, gleicher Empfindlichkeit und identischer Antenne sollten die Reichweiten auch nahezu identisch sein.
[[Bild:FunkmodulRT433F4.jpg|thumb|Beispiel eines beliebten ISB Funkmodules]]
Man sollte also vielmehr Sendeleistung und Empfindlichkeit der Transceiver vergleichen, denn nicht alle Module nutzen die maximal erlaubte Sendeleistung voll aus. Und ein Modul mit unempfindlicheren Empfänger hat eventuell selbst bei höherer Sendeleistung eine geringere Reichweite.

Grundsätzlich ist die Modulationsart beim 433 Mhz Band frei wählbar, wobei in einfachen Anwendungen eine AM und bei höheren Anforderungen eine FM verwendet wird. Geräte für das 433 MHz-Band müssen als einzige Voraussetzung ein CE-Zeichen tragen.
Funkmodule mit AM-Modulation sind zum Teil deutlich billigere als Module mit FM-Modulation, jedoch ist die Anfälligheit gegenüber Störungen weit höher was in der Regel die Reichweite trastisch reduziert. Zum Teil gibt es hier Module die schon nach wenigen Metern 10 bis 20 keine sinvolle Datenübertragung mehr zulassen. Wenn nur die Steckdose in einem Zimmer per Funk geschaltet werden soll, dann können jedoch solche günstigen AM-Module wegen ihres Preises dennoch interessant sein. Für die Fernsteuerung von Robotern sind allerdings FM Module deutlich besser geeignet..

Die Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite in spektraler und zeitlicher Sicht ist im 433 Mhz Band nicht beschränkt. Dies hat neben Vorteilen bei einer kontinuierlichen Übertragung auch Nachteile in Form eines höheren Störpotentials. Man muss einfach davon ausgehen das in dem nachbarbereich schon zahlreiche Module in dem gleichen Frequenzbereich senden. Vor allem währen hier Funksteckdosen, Temperatursensoren, Wetterstationen, Türklingeln, Heizungssteuerungen als bevorzugte Anwender dieses bandes zu nennen.

Eine sichere Übertragung kann nur bei kurzen Reichweiten oder in Verbindung mit einer leistungsfähigen Kanalcodierung erreicht werden. Module mit mehren Kanälen haben hier einfach deutliche Vorteile indem Sie einfach auf eine andere Frequenz ausweichen können, wenn es auf einem Kanal zu Störungen kommt. Bei den leistungsfähigeren Modulen ist ein Kanalwechsel oft einfach durch ein RS232 Befehl per Software möglich. Abzuraten ist von Modulen die nur auf einer einzigen Frequenz (Kanal) sende, wenn höhere Reichweite rerzielt werden sollen. Oder aber es ist vorher genau zu prüfen ob diese Frequenzen auch wirklich frei von Störquellen sind.
[[Bild:FunkmodulEasyradio.jpg|thumb|Es gibt sehr schmale kompakte Funkmodule]]
Die erfahrenen Funk-Anwender sind sich der leidigen Tatsache bewusst, dass das 433-MHz ISM-Band völlig überladen ist, besonders auf dem europäischen Kontinent. Das rührt aber zur Hauptsache daher, dass fast alle bisherigen Anwendungen die Punktfrequenz von 433.92MHz nutzen, was logischerweise auf dieser Frequenz zu einer hohen Dichte und damit zur Überbelegung führen musste. Das müsste aber so nicht sein, es gibt andere Frequenzen auch noch.
Der schlechte Ruf des 400 MHz-Bandes kommt genau daher, dass alle Anwender sich auf diese Frequenz „gesetzt“ haben. So blieb es eben zumeist nicht aus, dass alle schlechten Erfahrungen hier gesammelt worden sind. Alle haben die handelsüblichen, preiswerten Funk-Module mit fester Frequenz 433,920 MHz eingesetzt, weil es Module mit alternativer Frequenz nicht gab. Wollte man dennoch eine andere Frequenz nutzen, musste ein anderes Modul eingesetzt werden, was erhebliche Kosten verursachen kann.

Die neuen Module wie beispielsweise das RT433F4 oder Easy Radio ER400TRS gehört dieses trübe Kapitel zumindest teilweise der Vergangenheit an, denn hier stehen ja 10 verschiedene Frequenzen (Kanäle) zur Wahl. Noch besser siehts im 868 Mhz Band aus.

==Das neue 868 MHz Band==

Dieses 868 Mhz Band ist noch nicht solange freigegeben wie das 433 Mhz. Allein deshalb gibt es schon weniger Störquellen welche die Funkverbindung und damit auch die Reichweite, beeinträchtigen. Im Gegensatz zum 433 MHz-Band sind die Vorschriften im 868 MHz-Bereich zudem deutlich restriktiver, um gegenseitige Störungen möglichst gering zu halten. Das Band ist in verschiedene Bereiche unterteilt, die für bestimmte Nutzungen freigegeben sind.

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http://www.roboternetz.de/bilder/ism-diagram.gif

{| {{Blauetabelle}}
|Bereich
| Funktion
| Kanalraster
| Duty Cycle
|-
|1
|Allgemein
|Breitband
|< 1%
|-
|2
|Alarm
|25 hHz
| < 0,1%
|-
|3
|Allgemein
|Breitband
| < 0,1%
|-
|4
|Alarm
|25 kHz
| < 0,1%
|-
|5
| Offen
|
|
|-
|6
|Allgemein
|25 kHz / Breitband
|< 10%
|-
|7
|Alarm
|25 kHz
| < 10% - 100%
|-
|8
|Allgemein
| Breitband
| < 10% - 100%
|}
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Im Klartext heißt das, das nicht auf allen Frequenzen der Funkmodule Dauersendungen beliebiger Länge durchgeführt werden dürfen. Es wird also nicht nur die Leistung vorgeschrieben, sondern auch die Nutzungszeit. Dies ist auf den ersten Blick Nachteilig, hat abe rohne Zweifel den Vorteil das Kanäle nicht ständig besetzt oder gestört werden. Dadurch ist eine sichere kurze Funkübertragung gewöhnlich fast immer gewährleistet. Aber ganz muss auf Dauersendungen in diesem Frequenzbereich auch nicht verzichtet werden, es gibt Bereiche wo dies erlaubt ist. So verfügt Beispielsweise das Modul RT868F4 auch über einen Kanal wo man sich bezüglich der Zeit keine Gedanken machen muss.

Bei dem Funkmodul RT868F4 ist die Kanalaufteiling laut Datenblatt daher so vorgenommen wurden: (Auszug aus Doku)

{| {{Blaueschmaltabelle}}
|Die Kanäle 0, 1, 2 dürfen nur 0,6 Minuten pro Stunde im Sendebetrieb genutzt werden
(= 1% duty cycle), unabhängig von der einstellbaren Sendeleistung (= max. +10dBm) SRD class 1f

Die Kanäle 4, 5, 6 dürfen nur 0,06 Minuten pro Stunde im Sendebetrieb genutzt werden
(= 0,1% duty cycle), unabhängig von der einstellbaren Sendeleistung (= max. +10dBm) SRD class 1g

Der Kanal 11 darf im Dauer-Sendebetrieb genutzt werden
(= 100% duty cycle), allerdings nur mit einer Sendeleistung von max. +4dBm (Einstellung ATS3=2) SRD class 1k
|}

==2,4-GHz Band==
Im 2,4-GHz-Band sind Spread-Spectrum-Kommunikationssysteme erlaubt, und es werden Funkmodule angeboten, die diese Technologie verwenden. 2,4-GHz-Funkwellen breiten sich sehr geradlinig aus, werden im Vergleich zu Funkwellen aus dem 400-MHz-Bereich weniger gebeugt und besitzen eine geringere Reichweite als diese. Doch aufgrund der hohen Bitrate, der exzellenten Sicherheit bei Datenübertragung mit Spread-Spectrum-Technologie und der guten Rauschunempfindlichkeit wächst die Zahl der Anbieter in diesem Bereich, und der Markt ist bereits gesättigt.
Da die Reichweite in diesem Bereich recht gering ist, oft deutlich unter 100 Metern, aber der Datensatz sehr hoch ist, wird dieser Bereich beispielsweise gerne für Video-Übertragungen genutzt.

==Wie schwierig ist die Verwendung von Funkmodulen==
Durch einige sehr umfangreiche Beiträge im Roboternetz könnte man den Eindruck gewinnen, das die Verwendung von Funkmodulen schwierig und nur den Experten vorbehalten sei. Das ist so einfach nicht nichtig, etwas kniffelig ist es nur bei Funkmodulen die noch kein Funkprotokoll implementiert haben. Dies sind aber vornehmlich nur die sehr günstigen Module, bei diesen ist oft noch eine etwas umfangreichere Außenbeschaltung sowie komplexere Software-Algorithmen (Stichwort: Manchester Codierung) notwendig. Zudem gibt es bei diesen Modulen oft Probleme mit der Reichweite weil sie nur eine Frequenz und AM-Modulation nutzen. Wenn es um größere Reichweiten geht, ist von den ganz preiswerten Modulen (unter 20 Euro) abzuraten weil die Preisunterschied im Endeffekt mit Außenbeschaltung am Ende auch nicht mehr sehr groß ist.
Allenfalls für Lernzwecke und Aufgaben innerhalb eines Zimmers können auch diese Module sehr interessant sein.

Aber bei den etwas teuereren Modulen, zum Beispiel den oben genannten, ist bereits eine RS232 Schnittstelle vorhanden. Das bedeutet die Anwendung solcher Module ist äußerst einfach. Gewöhnlich müssen diese Module nur mit 3 oder 5 Volt versorgt werden und können dann direkt mit 2 Leitungen an die Controllerpins (RX/TX) angeschlossen werden. Möchte man ein solches Funkmodul an den PC anschließen, so ist lediglich eine kleine Schaltung notwendig die den TTL-Pegel an die PC-Pegel (V24 +/-12V)) anpaßt. Eine Bauanleitung dazu wäre RN-FUNK. Bei dieser Bauanleitung werden 4 der oben genannten Module unterstützt. Das kleine Board sorgt dafür das alle Module mit einer Spannung zwischen 5 und 18 V versorgt werden können und das die Module wahlweise direkt mit dem PC oder einem Controller verbunden werden können.

--[[Benutzer:Frank|Frank]] 12:18, 1. Dez 2005 (CET)

==Weblinks==
* [http://www.roboternetz.de/funkmodule.html Vergleichstabelle gängiger Funkmodule]

[[Kategorie:Robotikeinstieg]]
[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Elektronik]]