Winkelstellung und Navigation

Ein Roboter mit Arm muss wissen, in welcher Position sich sein Arm befindet, um ihn sinnvoll steuern zu können. Dazu müssen ihm die einzelnen Winkelstellungen der Gelenke bekannt sein. Einem fahrenden Roboter kann es bei der Navigation helfen, wenn er messen kann, welche Strecke er ab einem bestimmten Zeitpunkt zurückgelegt hat. Wenn ein Roboter lenkt, indem er seine zwei Haupträder einzeln antreibt und sich um einen bestimmten Winkel drehen will, ist es hilfreich, wenn er erkennen kann, welches Rad sich bereits wie oft gedreht hat. Wenn er einen Sinn dafür hat, ob sich seine Räder überhaupt drehen, kann er erkennen, ob er sich bewegt. Drehen sich seine Räder nicht, heißt das möglicherweise, dass er gegen ein Hindernis gefahren ist. Allerdings ist diese Art der Navigation nicht unbedingt genau. Denn je nach Untergrund drehen die Räder mehr oder weniger durch. Wird nach diesem Schema über längere Distanzen navigiert, muss man mit der Aufsummierung der einzelnen Fehler rechnen.

Innereien einer Computer-Maus

Die Kugel im Boden des Mausgehäuses treibt die zwei Taktscheiben an, und die Taktscheiben unterbrechen die Lichtschranken auf der Maus-Platine. Durch Zählen der Unterbrechungsimpulse erfährt der Computer, wie weit die Maus in welcher Richtung bewegt wurde.

Beispiel: Rad-Encoder

Ein einfacher Rad-Encoder besteht aus einer radial gestreiften Drehscheibe (Taktscheibe) und einer Reflexlichtschranke oder einem Opto-Reflexkoppler. Die Scheibe sitzt fest auf der Antriebswelle vor der Lichtschranke. Je nach dem ob ein Schwarzer oder weißer Streifen vor die Lichtschranke gedreht wird, wird ihr Licht in ihren Lichtsensor reflektiert oder nicht. Entsprechend erzeugt die Schaltung logische Nullen und Einsen, die von einem Mikrocontroller gezählt werden können. Wenn die Scheibe 12 weiße Streifen besitzt, bedeuten zum Beispiel drei Impulse eine 90°-Drehung und 1200 Impulse 100 Umdrehungen. Eine elektronische Schaltung kann daher durch Zählen der Impulse den Drehwinkel bestimmen. Mit der Zahl der Streifen steigt die Messgenauigkeit, allerdings dürfen sie nicht schmaler als die Öffnung des Lichtsensors sein.

Aus dem gemessenen Drehwinkel α lässt sich bei einem schlupffreien Rad der zurückgelegte Weg s berechnen. Wenn das Rad den Radius r besitzt, ist s = αr. Denn der Umfang des Rades ist U = 2πr. Bei dem Drehwinkel α = 360° = 2π rad hätte das Rad demnach gerade seinen Umfang zurückgelegt (gemessen in Metern), bei α = π den halben und bei 10π den fünffachen Umfang.