Schneeräumen kann auch Spaß machen und zwar mit meinem Arduino Snow Plow Roboter, also einem ferngesteuerten Schneeräum Roboter. Als Fernsteuerung nutze ich einen Playstation 3 Control (PS3BT). In etlichen Stunden Arbeit entstand dann ein kraftvolles ferngesteuertes Schneeräum Fahrzeug. Meine Erfahrungen beim Bau des Snow Plow möchte ich hier mit euch teilen. Was benötigt Ihr um selbst einen Snow Plow zu bauen?
Das Konzept des Schneeräum Roboter
Funktionen
Welche Funktionen werden benötigt:
- Licht
- Lenken, Gas, Bremse
- Schild heben / senken / neigen
- Fernsteuerbar
- Allrad
Umsetzung
Für Schnee und Eis wird viel Traktion benötigt, daher musste ich nicht auf Gewichtsersparnisse achten im Gegenteil. Gewicht ist sogar gut! Durch den massiven Stahlrohr Rahmen, Motoren, Getriebe, Schild und Akkus komme ich auf ca. 80 kg das sollte mehr als ausreichend sein. Preislich sollte das ganze Projekt im Rahmen bleiben.
Antrieb (Rollstuhlmotoren)
Hier entschied ich mich aufgrund des hohen Drehmoments für gebrauchte Rollstuhlmotoren inkl. Getriebe. Diese bieten einen hohen Drehmoment und das Getriebe ist auf 6 km/h übersetzt das passt perfekt für meinen Arduino Snow Plow. Ausserdem sind Rollstuhlmotoren meist sogar Wetterfest und haben irgendeinen Flansch oder Welle auf die irgendwelche Reifen installiert werden können. Damit lässt sich aufjedenfall etwas basteln.
Bremsen
Die Rollstuhlmotoren verfügen über Magnetbremsen. Über eine Reibscheibe kann hier mit wirklich hoher Kraft gebremst werden. Ich hatte es mir bis zum Schluss offen gehalten diese mit anzusteuern und zum bremsen zu nutzen. Nach ersten Tests ohne Bremsen habe ich beschlossen das dies komplett überflüssig ist. Beim vom Gas gehen verzögert der Snow Plow auch ohne Bremsen sehr stark. Da keine großen Geschwindigkeiten verzögert werden müssen ist dies mehr als ausreichend. Die Bremsen habe ich letzt endlich einfach ausgebaut.
Fernsteuerung Playstation 3 Controller (PS3BT) für den Arduino
für die zahlreichen Funktionen Licht, Schild, Bewegung benötigte ich eine Fernbedienung die etwas mehr kann als nur Lenken und Gas geben. Von der Playstation 3 habe ich noch 2 Controller die ich nie benutze. Bluetooth reicht für die Distanz locker aus und es gibt für den Arduino Bibliotheken. Mit den Bibliotheken (Librarys) wird die Programmierung leichter um den Playstation 3 Controller mit USB Controller anzusprechen. Hierfür wird lediglich ein USB Host Shild benötigt sowie ein Bluetooth USB Dongel. Der Empfang funktioniert selbst durch das Gehäuse ganz gut. Ein Distanz Test steht allerdings noch aus. Hierzu werde ich in den nächsten Artikeln berichten.
Stromversorgung über Akku
Die Stromversorgung, ein leidiges Thema, wie baut man einen günstigen Arduino Snow Plow mit viel Kraft, der möglichst lange läuft, ohne mega teure Batterien? Es geht fast nicht. Anfangs habe ich es mit 2 gebrauchten Motorrad Batterien versucht mit je 12 Ah mir war hier von Anfang an klar das diese keine 20min die hohe Last aushalten, ein Motor zieht 11Ah.
Auf die Auslegung der Batterien kommt es an
Motorrad und Auto Batterien sind Starter Batterien. Das heißt sie liefern für einen kurzen Zeitraum sehr hohe Ströme und das können Sie gut. Über einen längeren Zeitraum Strom zu liefern ist keine Stärke der Batterien. Daher habe ich mich nun für AGM Batterien entschieden und zwar welche die für Elektrofahrzeuge ausgelegt sind. Meine Wahl fiel dabei auf Multipower MP12-22C, ich benötige 24V für die Motoren und 12 V für den Arduino und die Stellantriebe des Schildes. Die Batterien sind Wartungsfrei und Kippstabil und eine Batterie wiegt ca. 6,5 kg. Die Blei/Säure Motorradbatterien dürfen nicht schräger als 45° verwendet werden. Aus Kostengründen habe ich nur zwei MP12-22C verbaut, allerdings werde ich wahrscheinlich noch zwei weitere kaufen und diese dann parallel dazu schalten um auf 44 Ah zu kommen. Dafür habe ich genug Platz in meiner Batteriehalterung frei gelassen. 22 Ah sind für die Motoren recht klein bemessen.
12V und 24V aus zwei Batterien für den Roboter
Batterien in Reihe oder Parallel
Wie bereits erwähnt benötige ich für meinen Arduino Snow Plow 24V und 12V, die Spannung könnte man über Spannungsregler von 24V auf 12V herunter regeln. Das ist aber gar nicht nötig.
Wenn Batterien in Reihe geschaltet werden verdoppelt sich die Spannung, also 2x 12V werden zu 24V. Die Stromstärke bleibt gleich.
Wenn Batterien parallel geschaltet werden verdoppelt sich die Kapazität also 2x 12V mit je 22Ah ergeben 12V mit 44Ah.
Ich benötige 24V und 12V also habe ich die Batterien in Reihe geschaltet, die 12V greife ich einfach nach der ersten Batterie ab. So entlädt sich zwar eine Batterie stärker als die andere aber das Schild muss nur selten verstellt werden, Beleuchtung und der Arduino verbraucht kaum Strom, daher kann ich dies in Kauf nehmen.
Schutz der AGM Akkus vor Tiefenentladung
Ein wichtiges Thema um die teuren Akkus nicht bei der ersten Fahrt direkt schon zu schwächen, wie verhindere ich eine Tiefenentladung der Akkus? Bei der Tiefenentladung gehen Blei/Säure Batterien sehr schnell kaputt, daher sollte dies tunlichst vermieden werden.
Möglichkeit 1, Ihr baut euch in euren Arduino Sketch eine Batterieüberwachung ein mit entsprechenden Relais die die Stromversorgung vor der Tiefentladung abschalten.
Möglichkeit 2, Ihr kauft einen Battery Protector. Je nach maximaler Stromstärke kosten diese ab 45 Euro. Ich habe mich hierfür entschieden, der von mir verwendete Battery Guard kann 12V oder 24V und die Abschalt Spannung kann gewählt werden je nach Batterietyp. Ausserdem hat der Batterie Protektor einen Alarm Ausgang auf dem entweder ein Summer, eine LED oder ein Relais angeschlossen werden. Zudem gibt es noch die Möglichkeit einen externen Schalter zu verwenden. Meine Wahl fiel für den Alarm auf die LED, diese geht dann kurz bevor die Spannung zu weit absackt an und signalisiert Achtung jetzt solltest Du in Richtung Garage fahren sonst wird es knapp. Wenn die Batterien wieder ausreichend geladen sind gibt der Battery Protector die Spannung automatisch wieder frei.
24V Akkus laden
Ein in Reihe geschalteter Verbund aus zwei 12V Batterien kann nicht mit einem 12V Ladegerät geladen werden, da wir ja 24V haben. Das heißt dass entweder die Reihenschaltung zum Laden getrennt werden muss und beide Batterien separat mit einem 12V Ladegerät geladen werden müssen oder die Batterien müssen mit einem 24V Ladegerät geladen werden. 12V Ladegeräte sind sehr günstig da dies absolute Massenware ist, fast jeder Motorradfahrer hat eins Zuhause, täglich die Batterien zu zum Laden abzuklemmen nervt aber gewaltig. 24V Ladegerät sind um einiges teurer Du sparst Dir aber jede Menge Arbeit.
Räder und Reifen für den Arduino Snow Plow Roboter
Für die Bereifung habe ich mich für gebrauchte Balkenmäher Räder entschieden mit den Dimensionen 4,10×4.00. Die Reifen haben ein Ackerprofil, das ist für den Winter nicht ideal und ohne Schneeketten fehlt der benötigte Grip. Für die Felgengröße gibt es auch Schneefräsen Räder diese haben sehr viel mehr Grip da diese wie der Name schon sagt für Schnee und Eis ausgelegt sind. Allerdings hatte ich gebraucht keine Schneefräsen Räder gefunden, somit bleibt mir nur entweder nur die Reifen zu kaufen und diese dann auf die Felgen zu ziehen oder Schneeketten drauf. Die Größe mit 4.10 x 4.00 ist ganz gut da es hierfür auch Schneeketten gibt, in der Landwirtschaft werden im Winter Balkenmäher gerne mit einem Schneeschild ausgestattet und zum Schneeräumen verwendet. Also perfekt für meinen Arduino Snow Plow.
Rahmen des Arduino Schneeräum Roboters
Stahlrohr oder Aluprofil
Anfangs hatte ich kurz überlegt den Snow Plow mit Bosch Alu Profilen zu bauen. das geht mega schnell, rostet nicht und kann jederzeit einfach erweitert oder Umgebaut werden. Durch die Kontur des Profils wird der Rahmen sehr stabil. Der Nachteil dabei sind die hohen Kosten für das Profil und das entsprechende Zubehör (Nutsteine, Winkel, etc.).
Meine Wahl fiel auf einen geschweißten Stahlrohr Rahmen. Ein Stahlrohr Rahmen bedeutet wesentlich mehr Arbeit und der Rahmen muss vor Rost geschützt werden. Dazu kann der Rahmen entweder verzinkt werden oder Pulverbeschichtet oder Lackiert. Hier habe ich mich für lackieren entschieden da dies am günstigsten ist, dafür werden ca. 20 Euro an Grundierung und Sprühlack fällig.
Gewicht des Rahmens
Der Arduino Snow Plow Roboter profitiert von viel Gewicht bei Schnee und Eis bringt das mehr Grip. In Schotter, Matsch und im Gelände sollte das Fahrzeug eher leichter sein. Bei mir kamen 40x40x5 sowie 40x20x3 Stahlrohre zum Einsatz. Für die hochbeanspruchten Teile habe ich das 40er Rechteck Rohr verwendet. Für Rahmenteile die lediglich zum Aussteifen oder zum Befestigen der Aussenverkleidung dienen habe ich das 40×20 Rohr verwendet. Ich schätze das Gewicht das Rahmens auf ca. 25 kg.
Batteriehalterung und Kettenspanner Befestigung
Die Batteriehalterung habe ich aus Bosch Profil gebaut, hier wollte ich flexibel sein um später vielleicht mal einen anderen Batterietyp ohne großen Umbau verwenden zu können. Ausserdem habe ich den Kettenspanner fürs Allrad daran befestigt, so kann dieser nachjustiert werden.
Schneeschild Antrieb
Das Schneeschild des Arduino Snow Plow Roboter soll mit dem Playstation 3 Controller in der Höhe und in der Neigung verstellt werden können. Dazu habe ich 12V Linearmotoren benutzt. Auf YouTube findet man auch Projekte die dazu Hydraulik verwenden. Hydraulik ist genial sehr viel Kraft und moderate Stellgeschwindigkeiten. Aber Du benötigst dafür eine Hydraulikpumpe die ist wie die Zylinder recht teuer. Ein elektrischer Linearantrieb kostet 30-40 Euro, laut Herstellerangaben schafft dieser 1500N das ist mehr als ausreichend, selbst wenn letzt endlich nur 1000N anliegen würden.
Steuerung Linearantrieb mit dem Arduino
Linearantriebe können theoretisch auch mir Relais gesteuert werden. Aber da die Antriebe ja in beide Richtungen laufen sollen muss die Polarität geändert werden. Jetzt wird es mit Relais kompliziert, möglich aber aufwendig. Einfach ist es hierfür einen Motortreiber zu verwenden also eine H-Brücke. Die Linearantriebe benötigen bei weitem keine so Hohen Stromstärken wie die Antriebsmotoren. Daher reicht hier ein relative günstiger Motortreiber aus. Um gleich beide Achsen steuern zu können solltet Ihr hier gleich eine 2 Kanal Version kaufen. Die Linearantriebe stoppen selbstständig sobald die Endpositionen erreicht sind. In meinem Sketch hab ich das dann einfach so programmiert das der Antrieb sich bewegt solang der Knopf gedrückt bleibt, lässt man ihn los stoppt der Antrieb.
Beleuchtung des Arduino Snow Plow Schneeräum Roboters
Hier hatte ich noch eine LED Motorrad Kennzeichen Beleuchtung rumliegen, die zieht kaum Strom und besonders hell musste es für meine Ansprüche nicht sein. Die Montage ist denkbar einfach, das Gehäuse von Haus aus schon Wasserdicht und die LED’s sind für 12V Spannung.
Verkleidung des Snow Plow Roboter
Oh je! Die Verkleidung das ist so ein Thema. Im Idealfall schützt die Verkleidung das innere vor dem Eindringen von Feuchtigkeit und ist robust und optisch ansprechend. Hier habe ich meiner Meinung nach nicht alle Anforderungen erfüllt. Die Schwachstelle was das Thema Feuchtigkeit angeht sind bei mir die Radachsen und die Befestigung des Schildes. Hier ist der Luftspalt so groß das Schnee eindringen könnte. Bei der Robustheit würde ich ein Häckchen dahinter machen, nicht so robust das ich mich raufsetzen würde aber robust genug um den Anforderungen des Alltags zu trotzen. Optisch ansprechend, naja es ist halt ein Würfel geworden, schön ist anders.
Das Arduino Snow Plow Projekt:
- Arduino Snow Plow Schneeräum Roboter Episode-1
- Arduino Snow Plow Schneeräum Roboter Episode-2
- Arduino Snow Plow Schneeräum Roboter Episode-3
