Fieldbot by Bert Jacobs

FIELDBOT

MECHANICAL ASPECTS OF DESIGN

Bert Jacobs (2012-2013)

Inleiding In dit dossier overloop ik het volledige ontwerpproces dat ik heb doorlopen om te komen tot een belijningsrobot voor sportvelden. Ik begin bij een verkennend gebruiksonderzoek en zal alle logische ontwerp-stappen doorlopen om te eindigen met een zo ver mogelijk afgewerkt product. Er zijn vele uren in deze robot gekropen. Ik ben er dan ook van overtuigd dat de robot die in dit dossier wordt voorgesteld ĂŠĂŠn van de best mogelijke oplossingen is. Dit zal ik in dit dossier trachten aan te tonen. Ik ben blij met de technische kennis die ik tijdens het ontwerpen van deze robot heb vergaard.

Veldonderzoek Interview en "veld"-onderzoek Koninklijke As V.V. Ik ben mijn veldonderzoek begonnen bij de ploeg waar ik als kleine jongen gevoetbald heb, namelijk As V.V.. De Materiaalman was nog steeds dezelfde: Layos Angyal. Het was een aangenaam weerzien en ik voelde me onmiddellijk welkom. Het interview gecombineerd met observatie was een ideale start van mijn onderzoek.

Belangrijkste Bevindingen: BELIJNINGSTOESTEL

Men gebruikt momenteel een “analoog” belijningsapparaat. (zie foto’s) Initieel had het toestel een elektrische pomp maar deze heeft het tien jaar geleden begeven. Omdat een nieuwe pomp 350 euro kostte en men hier geen geld voor had heeft men het toestel uitgerust met een insecticide-pomp. Layos vind het handig dat hij de batterij nu niet meet moet opladen. Het apparaat zelf kostte 26 000 Bfr. (650 euro). Men heeft ook ooit geprobeerd om een pomp te installeren op de krukas zodat men niet meer manueel moeten pompen, maar dit mislukte omdat men problemen had met overdruk. De breedte van de lijn kan ingesteld worden door de kop hoger of lager te plaatsen. Het viel me op dat de spuitkop van het toestel niet optimaal sluit en in de gang op de grond lekte.

VLOEISTOF

Momenteel gebruikt Layos Expoline+ concentraat. Hij moet 14 liter gemengde verf gebruiken om een veld te kunnen voltooien. Het concentraat moet aangelengd worden met de verhouding één deel Expoline+ en zes delen water. Layos komt met één bus van zes liter twee weken toe. Hij koopt deze per vijf of meer, dit is afhankelijk van het seizoen, in de zomer heeft hij minder nodig. Ik heb het label dat op de jerrycan kleefde meegekregen (Zie bijlage #2 p….).Expoline is het meest populaire merk van belijningsproducten en word door vele grote teams gebruikt. Layos is een enorme voorstander van verf tov. kalk. Ik heb hem even gesproken over zand als alternatief voor kalk maar volgens hem zou dit veel wegen en bij regen ook uitspreiden. De verf blijft drie weken liggen hetgeen handig is omdat men de vage lijn als referentie kan gebruiken bij het lijnen trekken. Als het regent kunnen er geen lijnen getrokken worden. Als de verf echter een half uurtje heeft gedroogd dan kan hij wel tegen de regen. Vrieskoude vormt geen probleem, wanneer het plein bevroren is kan men wel nog steeds lijnen trekken.

5 METHODOLOGIE

Layos hamert op het belang van in twee richtingen de lijnen te trekken. De lijnen zijn veel minder duidelijk als je maar in 1 richting er over gaat. (Ik heb ondertussen op het internet gezien dat er ook spuitkoppen bestaan die in 2 richtingen spuiten zodat men maar ĂŠĂŠn keer hoeft te rijden.) Nadat men water en concentraat in de juiste verhouding heeft gemengd moet men deze opschudden. Dit is een arbeidsintensief gebeuren. Er stonden ook vreemde objecten op het terrein die verwijderd moeten worden, onder andere: goals voor de training en poppen die als muurtje dienen. Lijnen trekken beperkt zich overigens niet tot enkel het veld maar rond de bank moet er ook een soort van baklijn getrokken worden. Het gras moet altijd kort zijn anders krijgt men kromme lijnen. Het belijnen van een veld duurt bij flink doorstappen 45 minuten. DOELGROEP

Layos (55 jaar oud) sprak vroeger wel eens af met andere materiaalmannen. Hij zei dat ze op uitzondering van zichzelf bijna allemaal gepensioneerd waren. Dit kan belangrijk zijn in de zin dat men het ontwerp best zo maakt dat de technologische bediening niet te complex is en dat er niet teveel kracht nodig is om het toestel

te bedienen. Een andere beperkende factor voor ons toestel is het feit dat de meeste ploegen geen geld hebben om een automatische belijningsrobot aan te schaffen, ze komen momenteel al nauwelijks rond. Dit zal enkel voor grotere ploegen een interessante investering zijn.

Pompen Layos die aan het pompen is. Dit moet hij eens om de 100 meter doen

Veldonderzoek Flowchart

Kans op regen inschatten

Stop

Nee

Lengte gras checken

te lang

Maaien

Deze flowchart overloopt het belijningsproces in zijn huidige vorm. Het is een handige tool om al de handelingen weer te geven. Wat eventueel nog aan deze flowchart kan toegevoegd worden zijn de eventuele reinigingsprocessen na het trekken van de lijnen. Ik heb me bij het opstellen van dit schema vooral gehouden aan wat ik tijdens mijn veldonderzoek gezien heb. Bij mijn veldonderzoek werd het toestel niet gereinigd door de materiaalverantwoordelijke.

Checken zichtbaarheid lijnen

Niet zichtbaar

Uitzetten koorden

Begin standaard proces, elektrisch of handpomp

Wagen loskoppelen van lader (niet bij handpomp)

Markeerstof en jerrycan buiten dragen

Jerrycan vullen met water

Wagen buitenrijden (hindernissen: trap, hellingen)

Wagen vullen met markeerstof

markeerstof vullen afhankelijk van witheid lijnen

Dummies, oefengoalen van terrein verwijderen.

Manueel opschudden

Pomp aanzetten (of handmatig oppompen)

Terrein in 2 richtingen overtrekken.

Research Bespreking prijszetting en bestaande markt De prijzen van belijningstoestellen zijn zeer uiteenlopend en varieren van €795,00 (€961,95 Incl. BTW) voor de niet elektrische Supermatic GM-10 tot €4.400,00 (€5.324,00 Incl. BTW) voor het trike model.. Ik beperk me in dit overzicht tot de aerosol sprayers omdat kalk en zand geen interessante alternatieven zijn. Kalk en zand blijven minder lang liggen op het veld en bovendien zijn ze erg zwaar hetgeen niet interessant is wanneer je een robot ontwerpt. Een goede prijsschatting voor de robot lijkt me tussen de drieduizend en vierduizend euro omdat we ons in het duurdere meer geavanceerde gebied bevinden. De prijzen van de autonome maairobots op de volgende pagina bevinden zich ook in deze klasse.

Fieldlazer s90 De splinternieuwe (1 mei 2013) fieldlazer belooft 50% efficiënter te zijn dan andere aerosol sprayers. De druk is tien keer zo hoog en men zou enkel op gras spuiten in plaats van op het zand. Op deze manier kan men veel verf besparen. Deze technologie is uitermate interessant om de autonomie van de robot te vergroten. Bron: Todd Safgren. (2013). Graco Inc. Launches New FieldLazer™ S90 Field Marking Machine. Available: http://www.prweb.com/releases/2013/5/prweb10690048.htm. Last accessed 18th Jul 2013.

€950,00 €1.149,50 Incl. BTW Fieldlazer Hoge druk spuittechnologie

Elmatic EM-100

Expoline Trike

Supermatic GM-10

De Elmatic EM-100 is een belijningstoestel waarbij de pomp wordt aangedreven door een accu.

Na twee jaar onderzoek en ontwikkeling is de trike een snel en wendbaar belijningstoestel. Het is een zeer populair toestel bij deze die grote sportparken of golfterreinen hebben te belijnen.

De Supermatic GM-10 bestaat ondertussen bijna 20 jaar en heeft al meermaals zijn kwaliteiten en degelijkheid bewezen bij meerdere grote en kleinere verenigingen.

€795,00

€4.400,00

€1.150,00

€961,95 Incl. BTW

€5.324,00 Incl. BTW

€1.391,50 Incl. BTW

Research Andere autonome robots Grasmaaiers Ik heb enkele autonome robots bestudeerd waaronder de Honda Miimo. Het is interessant deze robots te bestuderen omdat ze net als de lijnrobot zich op gras verplaatsen. Ze worden net zoals de belijningsrobot aangedreven met elektromotoren. het voornaamste verschil zit hem in het feit dat de grasmaaiers geen exact parcours hoeven af te leggen. De basis van deze soort robots wordt meestal gemaakt van plaatstaal en de kap uit diepgetrokken of spuitgegoten kunststof. Wat betreft vormgeving is het nuttig deze te bestuderen omdat de vormentaal gemeenschappelijk is met degene men zal verwachten van de belijningsrobot. N/A. (2012). Honda Lanceert de Miimo. Available: http://www.yapado.be/data/ images/press/88_HondaPBMiimoNL.pdf. Last accessed 2nd Aug 2013.

Honda Miimo HRM 300 en HRM 500 De Honda Miimo is uitgerust met een vernuftig antidiefstal systeem wanneer men hem opheft dan zal hij onbruikbaar zijn tot men opnieuw de pincode heeft ingevoerd. Ik heb om een idee te krijgen over het vermogen van deze robot wat gegevens gekopieerd uit de brochure van deze robot.. Opvallend is dat de Miimo werkt met een docking station dit is iets dat ook overwogen kan worden voor mijn robot.

â&#x201A;Ź2.669 en â&#x201A;Ź2.989

HUSQVARNA automower Vanaf â&#x201A;Ź 4.499 De 265 ACX is het topmodel van Husqvarna. Opvallende feature, als er iets misloopt met het toestel dan krijgt de gebruiker een SMS. Het toestel heeft een autonomie van 80 minuten en is aangedreven door 60 W motoren. Het toestel weegt 12.9 kilogram en de afmetingen zijn: 80x70x31 cm Bron: N/A. (2012). Husqvarna. Available: http://www. husqvarna.com/be/nl/products/robotic-mowers/automower-265-acx/#specifications. Last accessed 2th Aug

Research Exploded views grasmaaiers Tianchen s510 Deze exploded view van een autonome grasmaaier model S510 van het Chinese merk Tianchen is bijzonder leerrijk wat betreft de constructie van de robot. Men gebruikt enkel spuitgietstukken in plaats van een basisframe uit platenstaal zoals ik bij een ouder model van Husqvarna zag. Voor massaproductie is dit vast de beste optie. Ook interessant is dat deze robot zwenkwielen gebruikt. Dit is volgens mij de beste configuratie. De batterij is een 6.6Ah Lithium batterij en de motoren leveren 85 Watt.. De robot is ook significant goedkoper de aankoopprijs voor retailers is 800 dollar. N/A. (2012). Robot Mower User Manual. Available: http://www.tianchen-cn.com/ en/UpLoadFile/201353011163150507.pdf.Last accessed 2nd Aug 2013.

Exploded view Links Deere & Company Deze exploded view is van her merk Deere & Company en heb ik terug gevonden via de Google patent search. ook hier is de robot uit kunststof opgebouwd en gebruikt men zwenkwielen. N/A. (2010). Afbeelding Automower Deere. Available: http://patentimages.storage.googleapis.com/EP2412220B1/imgf0003.png. Last accessed 2nd Aug 2013.

Exploded view Deere

Exploded view Tianchen Spuitgieten

Research Dimenties sportvelden Onderzoek naar de dimenties van voetbalvelden is noodzakelijk. Bijkomstig heb ik onderzoek gedaan naar een hoop andere sporten (American Football, Rugby, Tennis, golf, polo, speerwerpen, baseball) die een mogelijke afzetmarkt vormen voor een belijningsrobot. De conclusie was dat momenteel vooral american football en rugby interessante bijkomstige afzetmarkten zijn. Vandaar dat ik hier naast het voetbalveld ook deze sportvelden bespreek.

Voetbal De lijnen zijn maximum 12 cm breed en minimum 7,5 cm breed. Het veld is niet altijd even groot, dit varieert dus. De breedte varieert tussen 90m en 45m, de lengte tussen 90 meter en 110 meter (in opdracht staat 120 meter, maar dat is niet conform met de Belgische voetbalbond. De volgende toleranties worden gehanteerd:

Er wordt een tolerantie toegestaan van: - 1 meter voor de afmetingen van de zij- en doellijnen - 25 centimeter voor de lijnen die het doelgebied en het strafschopgebied afbakenen - 5 centimeter voor de afmetingen van de doelen Geen afwijking wordt toegestaan voor de hoeken, die rechte hoeken moeten blijven.

Afmetingen lijnen voetbal Totale lengte lijnen op basis van grootst toegelaten voetbalveld: 110m op 75 meter dit wijkt niet veel af van de standaard maat (IFAB ooit tevergeefs voorgesteld is 105 op 68 meter) + Grote omlijning: (Variabel) 2*90+2*110=400 meter + Middenstreep (Variabel) 90 meter + Middencirkel (Constant) Pi*18,30= 57.49 meter STO[A] + Cornervlaggen (4* kwartcirkel) (Constant) Pi*2 = 6,28 meter + Kleine Baklijn (Constant) (18,3+2*5,5)*2 = 58.6 meter + Grote Baklijn (Constant) (40,32+2*16,5)*2 = 146.64 meter + Halve Cirkels (Constant) (((2*Cos Alpha-1*(5,5/9,15))/360)*[A])*2=33.89 + Stippen Schatting: 1 meter + Afbakening Bank (Varieert) Schatting: 28 meter Totaal: +/- 822 meter

Afmetingen American football

Afmetingen RUGBY 68*13+2*100

Dwarslijnen: 48.8*23

Totaal: 1084 meter

Lengtelijnen: 109.7 x2 Streepjes: (20*4*4)*1.5 TOTAAL: 1821.8 meter

Enkele opmerkingen:

Er zijn enkel rechte lijnen, hetgeen gemakkelijk is. Er zijn ook 2 rode lijnen (multi color) De afmetingen zijn 68 meter op 100 meter.

Research Markeerstoffen

Gekozen markeerstof:

Zand

Expoline Direct:

Een bepalende parameter voor de opbouw van mijn robot is het type markeerstof dat gebruikt wordt. Zo heb je de aerosol variant, en de kalk variant. (nat en droog). De kalk variant is uitgesloten omdat deze gevaarlijk zou zijn wanneer je er in valt. Een andere mogelijkheid is die van zand. Ik heb voor het eerst gehoord over deze mogelijkheid via mijn vader die bij SCR Sibelco werkt en via hem contactgegevens gekregen van Paul Bertels die me wat extra informatie over het product heeft gegeven.

Wat verf betreft bestaat er op voorhand gemengde verf en de verf die je zelf met water moet aanlengen. Ik vroeg me af of de op voorhand gemengde verf niet nog gemengd moet worden en kwam met 2 oplossingen. Ja en neen. Er bestaat op voorhand gemengde verf die in een ton zit die om de 5 a 6 minuten elektrisch geroerd wordt. Maar er bestaat ook een verf die niet omgeroerd moet worden, namelijk expoline direct, deze is ook goedkoper dan de verf die je zelf moet mengen dus de keuze is snel gemaakt.

Ik heb besloten om niet te werken met zand om de volgende redenen:

Deze verf: Expoline direct kost 1,33 euro per liter. Men heeft een 6 liter nodig voor 1 voetbalveld met de technologie van de Fieldlazer s90 is de prijs ongeveer 8 euro per sportveld in tegenstelling tot de 13 euro die je normaal betaalt.

• Zand is veel zwaarder dan aerosol en lastiger te vullen. 35a40 kilo voor zand tegenover 10 kilo voor aerosol. • Zand loopt bij regen uit. • Zand is moeilijker gelijkmatig te verdelen.

N/A. Athletic Field Marking Paint 3290-1000. Available: http://duspec.com/DuSpec2/document/ DocumentDisplayController.htm?documentId=1305632. Last accessed 15th Aug 2013.

Dichtheid Expoline direct Density: 10.9 lbs/gal (1.31 kg/L)

Quickdesigns

Magneten Deze quickdesign is niet echt op zijn plaats omdat ik in deze fase naar problemen zocht en geen oplossingen voor mijn deelproblemen. Maar ik dacht er op deze moment al aan markeerpluimen met permanente magneten voor de navigatie.

Dichtheid Wanneer verf enige tijd in het belijningstoestel is blijven staan dan moet men de verf terug opnieuw oproeren..

TRAP Het kan zijn dat het materiaalkot lager gelegen is en dus een trap moet worden opgedragen.

Handvaten Het toestel naar het veld dragen is lastig. een handvat kan een oplossing bieden. Dit moet dan voor opslag best inklapbaar zijn.

AVAILABLE RESOURCE Compressor

Bankzone Niet enkel het veld moet belijnd worden. Ook bankzone moet men afbakenen.

Quickdesigns

VERF-INTENSITEIT Er zijn plaatsen op het veld waar men meer verf moet spuiten om dezelfde witheid te krijgen. De plaats waar de keeper staat zal de lijn minder duideljk zijn. Dit heeft voor een groot deel te maken met de staat van het gras.

GSM De gebruiker moet op de hoogte gehouden worden van de toestand van de robot. Dit kan gaan over het voltooien van het traject maar ook over de stand van de batterij zodat men nooit voor verrassingen komt te staan.

SENSOREN De robot kan af en toe vreemde objecten tegenkomen en zal deze moeten kunnen detecteren.

Anti drup Het belijningstoestel kan nodeloos druppen op de grond.

PVE PROGRAMMA VAN EISEN • Het toestel vraagt maximaal 2 interventies per speelveld (ttz. 1 voor 1 na) • Het toestel beantwoordt aan het gebruikersprofiel van de huidige operatoren, gepensioneerden. • De maximum afwijking op de lijn bedraagt 2 cm • De lijnen mogen niet breeder zijn dan 12 centimeter en minimaal 7,5 cm (footbel.com) (7,5 is meer ecologisch en zal aangeraden worden door het toestel, default stand) • Het toestel heeft een energie autonomie van 4 speelvelden. • Het toestel heeft een inhoud autonomie van 2 speelvelden • Er word geen verbrandingsmotor gebruikt • Reinigings-, vul, en mengprocedures worden ondersteund en geautomatiseerd. • Het toestel moet beantwoorden aan de EC machinerichtlijn. • De kostprijs ligt tussen de 3000 en 4000 euro, vergelijking met de elite maairobots en line-markers die professionele voetbalclubs gebruiken. • Toestel kan 2 velden belijnen, het reservoir moet dus 12 liter verf kunnen dragen.12 liter verf weegt 15,72 kg. (massadichtheid verf 1,31) • Toestel is sneller dan manueel toestel. (30 minuten volgens interview met layos)

• • • • • • • • • • • • • • • •

Toestel spot hindernissen. Variabele lijndikte is mogelijk Toestel is waterdicht, geen kans op kortsluiting, black box. Toestel kan meerdere kleuren spuiten, uitneembaar vat. De spuitkop is beschermd tegen de wind. Toestel past verfgebruik aan aan witheid vorige lijn. Toestel is eenvoudig zuiver te maken. Toestel lekt niet bij transport. Het toestel zorgt ervoor dat je het niet vergeet op te laden. Het toestel waarschuwt de terreinverzorger als er iets mis is of als het toestel klaar is. Het toestel is gebruiksvriendelijk en kan ook door gepensioneerden gebruikt worden. (Op en af trap dragen) De banden moeten op verschillende terreinen maximale grip hebben, vrieskou, sneeuw, nat droog, zand plassen… Toestel is beveiligd op overdruk Kapotte onderdelen kunnen eenvoudig vervangen worden Toestel mag niet over pas geverfde lijnen rijden. Noodknop

TOI

DESIGN DRIVERS

TE ONTWIKKELEN ITEMS

Wat maakt mijn robot uniek?

• • • • • • • •

Positiebepaling Basisopbouw (aandrijving en stuurmechanisme) Oplaadmethode Parcours+positie spuitkop Transportmethode Pompsysteem User interface (communicatie) Frame

• Mogelijkheid 2 velden te doen zonder interventie. • Laag verf gebruik (5 a 6 liter per veld), dit is een economische en ecologische troef. • Door autonomie (2 velden) is toestel bruikbaar voor american football. (Amerikaanse markt.) • Toestel afgestemd op de gepensioneerde gebruiker, dit word doorgetrokken naar het vullen, reinigen, transport maar ook de eenvoud van de interface (leesbaarheid display is heel belangrijk) • Communicatie met gebruiker. (foutmelding, voltooiing, lege batterij) • Professionele afwerking, draagt bij tot prestige van voetbalclub. Neutrale kleur die gepersonaliseerd kan worden naar de kleuren van de voetbalclub.

Oplossingen TOI Positiebepaling Criteria: • • • • •

Nauwkeurigheid minimum 5cm Eenvoud installatie Prijs Degelijkheid Betrouwbaarheid bij slecht weer

DEAD RECKONING + Gyro-sensor

De robot is op voorhand geprogrammeerd om een vast parcours af te leggen. De gyro sensor reageert op trillingen dewelke er voor zorgen dat de robot zich corrigeert. Meestalworden hier intelligente algoritmes voor gebruikt. De prijs is erg goedkoop maar deze oplossing kan echter niet gebruikt worden omdat de nauwkeurigheid niet groot genoeg is. Ik heb een wetenschappelijk artikel gevonden waar men de robot een vierkantig

parcours op gras laat afleggen van 50 meter op 50 meter de afwijking naar het einde toe bedroeg in het beste geval (met Kaiman algoritme en callibratie) 15 centimeter. Hakyoung Chung, Lauro Ojeda and Johann Borenstein. (2001). Accurate Mobile Robot Dead-reckoning 1 With a Precision-calibrated Fiber Optic Gyroscope. Available: http://www-personal.umich.edu/~lojeda/paper3.pdf. Last accessed 16th Aug 2013.

Gyrosensor+ Permanente magneten (of draad onder de grond) + Hall Sensoren

Deze technologie leek interessant. Maar er zijn echter veel nadelen. Om te beginnen moeten de magneten heel precies geïnstalleerd worden. Dit kost tijd en geld. Bovendien moeten de magneten elk jaar opnieuw geïnstalleerd worden want vaak word na een seizoen een veld omgeploegd en opnieuw ingezaaid. te garanderen bijzonder veel magneten moeten installeren om een op de centimeter nauwkeurigheid te garanderen.

RTK GPS Commerciele Software

Trimble en navcom maken al enkele jaren oplossingen voor vooral de landbouw om op de centimeter nauwkeurige navigatie mogelijk te maken. Op de centimeter nauwkeurig, eenvoudige installatie maar duur.

RTK GPS Open Source Software

In het artikel “Development of the low-cost RTKGPS receiver with an open source program package RTKLIB” Heeft men een gps systeem gebouwd voor 400$ men gebruikt er echter single frequency gps ontvangers, Voor RTK of Differential GPS heeft men een dual frequency GPS nodig. De prijzen van deze worden bijzonder hoog gehouden (+/- 6000 euro).

Er is echter een oplossing: Piksi: The RTK GPS Receiver. Voor 900$ krijg je 2 RTK gps ontvangers die met elkaar kunnen communiceren via 2 Xbee radios. N/A. (2013). Kicksterter piksi. Available: http://www.kickstarter.com/projects/swiftnav/piksi-the-rtk-gps-receiver. Last accessed 17th Aug 2013.

Oplossingen TOI Positiebepaling

Laser Rangefinder

Deze methode baseert zijn positie op een laserstraal die reflecteert op een spiegel. De nauwkeurigheid is bijzonder hoog maar de prijs is hoog, een laser die slechts binnen een afstand van 20 meter werkt kost een 5000 dollar.

RFID (Radio) Accurate Positioning

Deze technologie wordt gebruikt om te bepalen of een voetbal al dan niet over de lijn gaat. Deze technologie word sinds kort geimplementeerd door de fifa. De technologie is in staat om op 2 centimeter nauwkeurig te bepalen of een bal al dan niet over de lijn is. Dit systeem is eigenlijk enkel geschikt om een heel plaatselijke meting te doen.

Statische cameraâ&#x20AC;&#x2122;s zonder referentie

Met behulp van een statische camera kan met positie bepalen. Beeldherkenning software neemt beweging en verandering waar. Geen duidelijke informatie over gevonden. Ik vermoed dat om de nodige nauwkeurigheid te halen er veel cameraâ&#x20AC;&#x2122;s zullen nodig zijn hetgeen de prijs hoog zal doen oplopen.

Nauwkeurigheid

Installatie

Prijs

Permanente magneet

RFID

30 cm

RTK commercieel

1.5 cm

+/- €6000

rtk Open source

1.5 cm

+/- €676

Laser

2 cm

+ €5000

Dead reckoning

+/- 0,5m

Keuzematrix: Het spreekt voor zich dat er gekozen word voor de open source RTK GPS met de Piksi ontvangers

Oplossingen TOI Basisopbouw... aandrijving en stuurmechanisme

Criteria: • Stabiliteit • Eenvoud • Prijs

2 wielen + Gyro sensor

vb. Segway

2 differentieel aangedreven wielen met 2 losstaande zwenkwielen.

Tank achtige aandrijving

Rupsbanden

Car like steering

Stabiliteit

Eenvoud

Prijs

2 wielen

4 wielen diff

3 wielen diff

Carlike steering

rups

4 aangedreven wielen

Motivatie keuze voor 2 zwenkwielen en 2 differentieel aangedreven wielen. Het is een goed compromis. Goede stabiliteit en redelijk goedkoop. Het is ook mogelijk precies te sturen. Ik heb de configuratie ook gebruikt gezien in een robot die logoâ&#x20AC;&#x2122;s op een american footbal-field trekt dus de methode is geverifieerd. N/A. (2012). 3d signs being painted on a football field. Available: http://www.youtube.com/watch?v=OKSt6RGks0A. Last accessed 18th aug 2013.

Oplossingen TOI Oplaadmethode en batterij

Criteria: • Gebruiksgemak • Prijs • Gewicht

Externe adaptor draad inpluggen

Om de kosten te drukken en toch relatief gebruiksgemak te bieden kies ik voor een interne adapter met stofzuiger draad. Indien het product een succes is kan men extra investeren in een docking station.

Interne adaptor draad inpluggen

Interne adaptor rolmechanisme stofzuiger

Docking station Uitneembare Batterij

gebruiksgemak

Eenvoud

Prijs

Externe adaptor draad

interne adaptor Draad

Docking station

mechanisme stofzuiger

uitneembare batterij

-+ 31

Oplossingen TOI Parcours en positie spuitkop Criteria: â&#x20AC;˘ Lengte parcours zonder over lijn te rijden

Als we de spuitkop in het midden plaatsen zal men over de pasgeverfde lijnen rijden wanneer men de snelste en meest efficiente route kiest. vandaar dat ik opteer om de spuitkop aan de zijkant van mijn robot te plaatsen. Indien men op deze manier belijnt zal men ongeveer 2km afleggen. Dit is een slechte keuze.

De spuitkop naar de zijkant van de robot verschuiven is echter een veel slimmere keuze omdat we ongeveer

Optimale route Als we de spuitkop aan de zijkant vanvoor plaatsen zal de robotslechts 152* meter omrijden. De totale afgelegde afstand per veld zal 974 (+822 meter zie pagina 16) meter zijn. Dit zal zowel efficienter zijn qua energie gebruik als tijdsduur. Stel dat de robot 2km/h rijdt dan legt hij het parcours af in een half uur. 8m (hoeken) 2*22.02 baklijnen 18.3m*2 middenstip 56.7m Middenlijn 28,75m Halve cirkel totaal: 152 meter omrijden

Optimale route:

Oplossingen TOI Transportmethode Criteria: • • • •

Gebruiksgemak Eenvoud Gewicht/Compactheid Prijs

Handvat zoals trolley

Gewicht word deels door de grond gedragen. Goedkoper dan grasmaaier systeem.

Koord om te trekken

Compacter en lichter dan grasmaaier en trolley maar minder handig

Handvat zoals grasmaaier

Handig maar duur om te produceren maak ook het toestel minder compact

Smart phone als afstands bediening via Xbee radio

Het is mogelijk om het toestel aan te sturen via de xbee controller. Het toestel moet niet gedragen worden.

2 handvaten

Gewicht van 25 kilogram is lastig te dragen voordeel is wel dat je met2 het toestel kan dragen.

Dragen met handvat zoals koffer

25 kilogram met 1 arm dragen lijkt me niet realistisch en niet gebruiksvriendelijk.

gebruiksgemak

Eenvoud

Prijs

Gewicht

Grasmaaier

Trolley

Koord

Koffer

2 handvaten

Smartphone

++ 35

Oplossingen TOI Pompsysteem Criteria: • Verf-gebruik • Energie gebruik • Compactheid/Gewicht Prijs

Membraanpomp

Dubbele Nozzle

Enkele Nozzle

Het grote voordeel van eenvoudige membraanpomp is de kostprijs 50 euro tov 200 eur. De hoeveelheid verf die op termijn uitgespaard word door een hi-pressure pomp te kopen rechtvaardigt de duurdere kostprijs. De dubbele

Nozzle heb ik opgenomen in mijn matrix omdat er producenten zijn die beweren dat dit noodzakelijk is om van de eerste keer een goed resultaat te halen. Een ander voordeel is dat men geen rekening moet houden met de hogere druk die soms gevaarlijk kan zijn.

Fieldlazer S90 Airless High Pressure Pump

De Fieldlazer S90 slaagt er in door de principes van airless high pressure spraying toe te passen in om om met slechts een 5 a 6 liter een veld te belijnen. De droogtijd wordt ook veel korter. slechts 10 minuten in plaats van 1/2 uur.

Ik heb lang gezocht naar een vergelijkbare pomp. (debiet van 14,4 liter per uur) en een druk van 80 bar. Maar heb deze uiteindelijk gevonden. De pomp met motor weegt 5 kilogram en kost ongeveer 200 euro. De pomp verbruikt 9 ampere. Een gewone membraanpomp is veel goedkoper. (ongeveer 50 euro) maar gezien de enorme hoeveelheid verf die zal uitgespaard worden is de kost een logische keuze. De pomp hieronder afgebeeld is voor water maar heeft vergelijkbare specificaties als de small endurance pomp die in de Fieldlazer s90 zit. Over de pomp van de fieldlazer en diens stroomgebruik vond ik niets terug.

N/A. (2012). SpecSheets81163_113M15. Available: http://www.pumptec.com/ pump-motor-set-113c-040-m15-8-12vbuna-m-valve-4-1-4-ports-black-cp. html. Last accessed 20th Aug 2013.

N/A. (2012). Graco pomp. Available: http://www.graco.com/content/dam/graco/ ced/literature/flyers/336044/336044EN-J. pdf. Last accessed 20th Aug 2013. N/A. (2013). Artikel s90. Available: http://voetbalmateriaal.com/news/ index/view/page/sportveldbelijning. html/. Last accessed 20th Aug 2013.

De Fieldlazer maakt gebruik van een pomp met een druk van 80 bar.. Het toestel heeft een debiet van 14.4 liter per uur nodig. ( 6 liter verf op 25 minuten, tegen 2km/h legt de robot 822 meter voetbalveld af in 25 minuten). 37

Oplossingen TOI User interface en communicatie

Criteria: • • • •

Custom Remote Control met GUI

Leesbaarheid Eenvoud knoppen Gebruik Prijs

Het ontwikkelen van een aparte remote control die zich los van de robot bevindt. Mogelijke nadelen zijn dat de interface apart moet worden opgeladen en dat de interface verloren kan gaan. Grote voordeel is dat wat gebruik betreft men zich niet dient te bukken. Nog een opmerking die gemaakt moet worden. Er is reeds een computer aanwezig in de robot.

Leesbaarheid

eenvoud

Gebruik

prijs

Custom remote

Smartphone of laptop

Gui op toestel

docking station

GUI aan draad op toestel (eventueel op handle-bar)

Bij het instaleren zal de gebruiker zich vaak moeten bukken, dit kan verholpen worden met een draad.

Smartphone/ computer/ipad als Remote Control

Een smartphone of laptop of computer die via wifi de robot aanstuurt. Het voordeel is dat iedereen wel een laptop of smartphone in bezit heeft en dat men dus hier niet in hoeft te investeren. Nadeel is net zoals de custom remote control dat het een extra toestel is dat moet worden opgeladen.

GUI Op toestel

Toestel heeft reeds een computer aan boord en het enige dat dient toegevoegd te worden is een waterdichte controller en wat toetsen, dit lijkt me qua prijs een goede oplossing.

GUI op docking station

Idee bijgevoegd voor de volledigheid, denk dat dit geen goede oplossing is omdat het niet gebruiksvriendelijk is. CONCLUSIE: Omwille van de prijs en gebruiksgemak lijkt een GUI op het toestel me de beste keuze. De draad aan het toestel brengt weer een hoop andere nadelen met zich mee. Om de robot te bedienen moet men zich dus bukken.

Oplossingen TOI Frame

Top: spuitgieten Bottom: Buizenframe

Top: Vacuumvormen Bottom: Buizenframe

Top: Vacuumvormen Bottom: Dieptrekken plaatstaal

Top: spuitgieten Bottom: Sheet metal

Top+ bottom Spuitgieten

Criteria: • Prijs • Degelijkheid/afwerking • Schoonmaken

Top: Vacuumvormen Bottom: Sheet metal

Ik ga er van uit dat de robot uit 2 basiscomponenten bestaat, een onderkant en een schelp. Omdat het in de opdrachtstelling staat krijgen de lage kost productietechnieken de voorkeur. Beide onderdelen spuitgieten zou normaliter de beste oplossing zijn qua uitstraling product en qua waterdichtheid, eenvoud om zuiver te maken. De 2e beste optie lijkt mij om te werken met een vacuüm gevormde top (pas vanaf een oplage van 5000 a 10000 stuks is spuitgieten voordeliger) en de bodem uit geplooid plaatstaal te maken.. Als het product een succes is kan overgestapt worden naar volledig spuitgieten.

Gyrosensor+ Permanente magneten (of draad onder de grond) + Hall Sensoren

DEAD RECKONING + Gyro-sensor

Laser Rangefinder

Statische cameraâ&#x20AC;&#x2122;s zonder referentie

RFID (Radio) Accurate Positioning

2 wielen + Gyro sensor

Differentieel + 2 zwenkwielen

Differentieel + 1 zwenkwielen

4WD

Car like Steering

Externe adaptor draad inpluggen

Interne adaptor draad inpluggen

Interne adaptor rolmechanisme stofzuiger

Docking station

Uitneembare Batterij

Handvat zoals grasmaaier

Smart phone als afstands bediening via Xbee radio

Handvat zoals trolley

Koord om te trekken

Membraanpomp

Dubbele Nozzle

Enkele Nozzle

Custom Remote Control met GUI

GUI aan draad op toestel (eventueel op handle-bar)

Smartphone/computer/ipad als Remote Control

Top: spuitgieten Bottom: Sheet metal

Top: spuitgieten Bottom: Buizenframe

Top: Vacuumvormen Bottom: Sheet metal

Dragen met handvat zoals koffer

41 RTK GPS Open Source Software

RTK GPS Commerciele Software

Rupsbanden

2 handvaten

Fieldlazer S90 Airless High Pressure Pump

GUI Op toestel

Top: Vacuumvormen Bottom: Buizenframe

GUI op docking station

Top+ bottom Spuitgieten

Top: Vacuumvormen Bottom: Dieptrekken plaatstaal

Omdat we zo een kleine afzetmarkt hebben zal in het begin gekozen worden voor oplossingen die weinig investeringen vragen.

Schattingen Gewicht • • • • • • • • •

Vacuümgevormde schelp Extrusiegeblazen container gewicht verf 12 liter 15,96 kg sheetmetal basisframe 2 DC Motoren Waterdichte box met raspberry pie xbee controller en piksi rtk gps adapter 12 volt en rol-mechanisme Display, water proof Wielen, zwenkwielen Spuitkop en darmen Pomp pumptec 113c 5kg

robot is minder technologisch en vergelijkbaar met mijn belijningsrobot. zijn gewicht bedraagt: tussen de 17.2 kilogram Als we daar dan het gewicht van de gevulde container bij optellen komen we aan een gevulde robot van ongeveer 35 kilogram

Omdat het tijdsomslachtig is om van al deze onderdelen het gewicht te bepalen heb ik het gewicht genomen van een bestaande vergelijkbare robot voor mijn berekeningen. Omdat we met lage productietechnieken werken heb ik niet het gewicht van een topmodel van Husqvarna kunnen nemen. Deze gebruiken hoog technologische technieken , vandaar dat hun robot lichter is. De l300R van het italiaanse bedrijf Ambrogio N/A. (2013). l300r elite. Available: http://www. ambrogiorobot.com/en/modello/l300-elite. Last accessed 21th Aug 2013.

Ambrogio: Als schatting in mijn berekeningen gebruik ik het gewicht van de Ambrogio robot, plus het gewicht van de verf.

Berekeningen Afstand en tijd De pomp die een stroomverbruik heeft van 9Amp per uur moet 822 meter werken voor 1 veld, in het totaal dus 1644 meter. tegen een snelheid van 2km/h is dat dus 49 minuten. de motor moet 974 meter werken voor 1 veld, voor twee velden dus ongeveer 2 kilometer de robot moet ook nog van 1 veld naar het ander kunnen navigeren dus een 2200 meter kunnen werken. Dus moeten de motoren 1 uur en zes minuten werken

Berekeningen Motoren Ik ga hier op zoek naar de totale weerstand die de robot moet kunnen overwinnen in het geval van een helling van 15 percent. Fr=0,35 (Rubber op gras http://physics.info/friction/) m=35 kilogram Helling: 15 %

Rolweerstand = Fn * Fr = cos15 * G * 35kg * 0,35 = 116N Hellingsweerstand = Fg * sin15 = 88N Luchtweerstand = verwaarloosbaar bij v = 0,56 m/s Totale weerstand = 204N Nu ga ik op zoek naar het vermogen dat dus geleverd moet worden. P= F * v P= 204 * 2000 / 3600 = 113.3 Watt Verspreid over 2 motoren dus: 57 Watt per motor Stel dat de motor een rendement van 0,8 heeft heb ik dus 2 motoren nodig van 71 Watt die op 12 volt werken Het koppel dat de motor moet leveren hangt af van de diameter van mijn aandrijvingswiel, hetgeen ook mijn snelheid bepaald dewelke 2km/h moet zijn.

Om bij 50 Rpm 2km/h te halen moet het wiel een diameter hebben van 0,21 dit geeft een koppel van:

N/A. (2013). 50 RPM, 75 Watt Thor Heavy Duty Worm DC Gear motor. Available: http://www.nex-robotics.com/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_ id=907&Itemid=45. Last accessed 20th Aug 2013.

T (N/m) = (Totale weerstand/2) * 0,106m = 10.8 Deze motor voldeed goed aan mijn berekeningen:

Berekeningen Batterij

50 RPM, 75 Watt Thor Heavy Duty Worm DC Gear motor (prijs 50 euro)

De motor heeft een tandwielenkast die voor meer koppel en een lager toerental zorgt.

De berekening hieronder is voor 2 velden! Alle spanningen bedragen 12 volt

Specifications: Output RPM: 50 at 12V Stall torque vs current 384Kg-cm @ 20A*v 288Kg-cm @ 15A* 192Kg-cm @ 10A

Verbruik pomp 9 ampĂ¨re Verbruik motoren: 2 * 5 ampĂ¨re Tijdsduur dat pomp moet draaien: 49 minuten Tijdsduur dat motoren moeten draaien: 1 uur en 6 minuten

96Kg-cm @ 5A (van toepassing)

* 225Kg-cm is maximum rated safe torque for the gearbox Voltage: 6V to 12V Power: 75W Shaft diameter: 12mm Shaft length: 55mm. 4mm key slot for good coupling Gear assembly: Worm Mount type: Flange mount Brush type: Carbon Motor weight: 3.2kg

Ah Pomp = 0,817h * 9 ampere = 7,35 Ah Ah Motoren = 1.1h * 10 ampere = 11Ah Totaal: 18.35 Ah om 2 velden te doen en terugrijden naar beginplaats.

45 Ik kies voor 2 12V 10Ah rechargeable ni-mh battery pack Na een 400 a 500 cycli zal de capaciteit met een 10 percent afnemen dus dan leveren ze nog 18 ah hetgeen voldoende is. N/A. (2012). prijs batterij. Available: http://www.batteryspace.com/nimhbatterpack12v10ah2x5dfor12vdcportabledevices.aspx. Last accessed 20th Aug 2013.

Ik heb gekozen voor 2 batterijen opgebouwd uit 10 aparte NIMH D size cellen. Samen leveren deze 20 Ah Totale gewicht batterij is dus 3266 gram totale kostprijs is 134. 79 euro.

Berekeningen Overzicht gewicht en kostprijs Product

Aantal

prijs

gewicht

134,79€

3,266 kg

MINDER STERK AFHANKELIJK VAN AANTAL 12volt battery pack 10 Ah 50 RPM, 75 Watt Thor Heavy Duty Worm DC Gear motor

100€

3,2 kg

Pumptec 113 c

200€

5 kg

Piksi gps controller met xbee radio (6*6cm)

672€

2* 32 gram

Rolmechanisme

€2

0,5kg

PE waterbak 12 liter

€10

0,5 gram

STERK AFHANKELIJK VAN PRODUCTIEHOEVEELHEID +/- €170 (oplage van 150)

Raspberry pie model B (86mm*56mm*21mm)

26€

45 gram

Vacuumgevormde top - matrijs kost +/- 25000 euro plus werkuren

7” TFT LCD Module

+/- 25€

230 gram

Platenstaal frame plus werkuren montage

70 euro

6kg

Spuitkop

+/- 90€

1.5 kg

Buis om te kunnen verplaatsen plus werkuren

20 euro

1 kg

High pressure Hose

+/- 10€

Totaal

zwenkwielen

+/- €6

1 kg

+/- €1655

+- 20 kg

Aandrijfwielen 8 inch

+/- 5€

0,8 kg

Varia: (Lagers, bekabeling, knopjes,...)

+/- 100€

0,5 kg

Waterdichte doos (20*20*5cm)

€4

0,1kg

Transformer (20*10*4cm)

€3

0,62kg

WATER PROOF BOX RTK GPS UNIT WITH RADIO (PIKSI) CPU

TRANSFORMER

BATTERY 20* NIMH D cells (12 V )

2 ENGINES 75 WATT 50 RPM

WHEELS

BUTTONS

TROLLEY SYSTEM

CASTORS

POWER NET

WINDING MECHANISM

PUMP 9 AMP 80 BAR 14,4 L/H

DISPLAY

FIELD

NOZZLE Airless High Pressure (Graco)

12 L PE TANK

Productarchitectuur 47

Systeemontwerp Optimale configuratie De optimale configuratie heb ik gevonden door mijn onderdelen te manoeuvreren in Solidworks. Ik heb mijn onderdeel zo compact mogelijk gehouden en steeds getracht het zwaartepunt in het midden te houden.

De afmetingen van de robot zijn de volgende: Breedte 520 cm hoogte: 50cm lengte 70 cm

Overview

dimenties

55 Verfreservoir

Basisframe.

Het gekozen verfreservoir is een poly ethyleen om afwaswater op te vangen in een camper. Voor slechts 10 euro is het een koopje in vergelijking met een op maat gemaakte extrusie geblazen tank. Extrusieblazen word pas interessant vanaf een oplage van 500 stuks. Deze tank moet nog gemodificeerd worden. er moet een systeem op gemonteerd worden waar de verf doorloopt. Er moet dus een gat geboord worden en men dient dan dit onderdeel er op vast te schroeven met een rubberen ring ertussen zodat er geen kans is op lekken.

Dit op een eenvoudige manier geplooide frame biedt onderdak aan alle componenten. Het zwaartepunt ligt exact in het midden. Dit heb ik met Solidworks berekend. Buizen

Deze geĂŤxtrudeerde buizen kunnen uitgetrokken worden en als trolley bar gebruikt worden. het is echter ook een handig handvat om met twee de robot op en af een trap te kunnen dragen.

Beschermkap

De beschermkap uit ABS, hetgeen een relatief krasvaste kunststof is wordt vacuĂźm-getrokken en achteraf worden de nutteloze stukken weggesneden. De kap biedt bescherming tegen regen en zorgt voor een professionele uitstraling. De kap wordt met 4 schroeven bevestigd. Steunplaat

De steunplaat (normaal zit hier een gat in) zorgt voor ondersteuning van de poly-ethyleen tank.

Gebruik

Opslag De robot kan rechtop gezet worden hetgeen heb compacter maakt de stekker komt er langs boven uit waardoor hij makkelijk bereikbaar is.

Installatie Alvorens de GPS van de robot kan werken moet er een externe GPS ge誰nstalleerd worden. Deze moet op een vaste waterdichte plaats ge誰nstalleerd worden en voorzien zijn van een stopcontact.

Instellen Het configureren gaat als volgt. Men rijd de robot naar acht punten op het veld en als de spuitkop op de gevraagde plaats staat geeft men door dat men het coรถrdinaat wil opslaan. Dit is een bijzonder snelle manier van configureren. Het moet ook maar 1 keer gedaan worden, het coรถrdinaat blijft voor altijd opgeslagen.

Transport De onderste buis kan gebruikt worden om met twee gedragen te worden op bv. een trap maar kan ook uitgeschoven worden zodat men deze kan gebruiken als trolley handle-bar 57

Starten Eens men de robot op het veld heeft geplaatst kan men een vooraf geconfigureerde "fieldset" kiezen en op start duwen. Vanaf dat moment kan de robot enkel gestopt worden door op de noodknop in te duwen.

Vulllen en spoelen Het vullen en spoelen gebeurt via een normale tuinslang. geen extra onderdelen dienen te worden aangekocht.

Drukknop en spoelstand Indien men spoelt dient men het oranje pijltje aan de spuitkop om te draaien om hem te kunnen spoelen. Wat ook dient te gebeuren na het gebruik is het openzetten van het bovenste klemmetje om druk af te laten.