Aufgaben für das Wintersemester 2023/24

Im Sommersemester 2023 wurden die Aktoren sowie Sensoren, die in das Regalsystem eingebunden sind, auf ihre Funktion geprüft und kalibriert. Das vorhandene Konzept für das Liftsystem wurde finalisiert, und die Bestellungen wurden ausgeführt. Die Software wurde an neue Sensoren angepasst, und fehlende Funktionen wurden implementiert. Des Weiteren wurde eine detaillierte Aufbauanleitung für das Regalsystem erstellt.

Für das kommende Semester wurden folgende Ziele/Arbeitspakete zur Erreichung des Abschlusses des Real/Lift Systems herausgearbeitet:

  • Aufbau des Liftsystems
  • Bugfixing der Regalsystemsoftware
  • Implementierung der Motoren im Liftsystem
  • Funktionscheck des Regal/Liftsystems
  • Schaltplanerstellung für die Steuerbox
  • Aufbauanleitung für das Liftsystem

Das Team für das Regal- und Liftsystem wird wie im vorherigen Semester in vier Arbeitsgruppen eingeteilt. Diese spezialisieren sich auf verschiedene Themengebiete, wobei der Austausch untereinander eine große Rolle spielen wird.

Elektrik

Das Elektrik-Team konzentriert sich in diesem Semester hauptsächlich auf die Fehlerbehebung im Bereich der Verkabelung des Regalsystems. Dabei wird insbesondere die vollständige Verkabelung der Steuerungsbox auf ihre Richtigkeit überprüft, einschließlich der Pinbelegung des Arduino und ähnlicher Komponenten. Des Weiteren erfolgt die Implementierung einer Lösung für das Kabelmanagement. Sobald das Liftsystem von der Mechanik aufgebaut wurde, übernimmt das Elektrik-Team den Einbau der Motoren und integriert sie gemeinsam mit dem Software-Team in das Gesamtsystem.

Mechanik

Das Hauptthema für das Mechanik-Team in diesem Semester ist der Aufbau des Liftsystems, wobei die Integration des Liftsystems in das Regalsystem einen Schwerpunkt darstellt. Des Weiteren ist es erforderlich, die bestellten Aluplatten zu fräsen. Ein weiterer Aufgabenbereich umfasst die Optimierung des vorhandenen Regalsystems. Hierbei ist es notwendig, die Kamera korrekt zu positionieren und die Wasseranschlüsse an das Höhenniveau der Kisten anzupassen.

Software

In diesem Semester soll, wie im letzten Semester, die Software finalisiert werden, um sicherzustellen, dass alle Sensoren und Aktoren über die Benutzeroberfläche gesteuert werden können. Des Weiteren müssen die Aktoren des Liftsystems sowie die neue Webcam in das Regalsystem und das IT-Gesamtsystem integriert werden.

Dokumentation

Das Dokumentationsteam beschäftigt sich in diesem Semester hauptsächlich mit der Erstellung einer detaillierten Aufbauanleitung sowie einer Bedienungsanleitung für das Liftsystem. Außerdem führt es in Absprache mit den Fachabteilungen eine Gefährdungsbeurteilung durch.

Aufgaben für das Sommersemester 2023

Im Wintersemester 2022/2023 wurde die Hardware des Regalsystems finalisiert und die letzten Bestellungen abgeschlossen. Es wurden auch bereits erste Sensoren/Aktoren und dessen zugehörige Software in Betrieb genommen. Währenddessen wurde für das Liftsystem ein Konzept erarbeitet, welches zu einem konkreten Entwurf ausgearbeitet wurde. Durch die enge Verkettung von Regal- und Liftsystem werden die beiden Arbeitsgruppen zusammengefasst um eine möglichst Reibungslose Integration zu ermöglichen.

In diesem Semester haben wir wichtige Ziele für das Regal- und Liftsystem, welche wir umsetzen wollen:

  • Aktuellen Status des Regalsystems feststellen
  • Finalisierung der Integration von Sensoren und Aktoren (Regalsystem)
  • Finalisierung der Software (Regalsystem)
  • Implementierung von fehlenden Funktionen (z.B. Integration von Webcam)
  • Umsetzung des Konzeptes des Liftsystems
    • Bestellung von Bauteilen
    • Aufbau
    • Integration in das Regalsystem

Das Team Regal- und Liftsystem wird dieses Semester in vier Arbeitsgruppen eingeteilt. Diese spezialisieren sich auf ein Themengebiet, wobei der Austausch untereinander eine große Rolle spielen wird.

Elektrik

Das Team Elektrik übernimmt in der ersten Phase des Semesters komplett Arbeitspakete für das Regalsystem. Hierbei geht es darum Bugs und kleinere Probleme aus den vorherigen Semestern zu beseitigen. Vor allem der Mikrocontroller verantwortlich für die Ansteuerung der Sensorik und Aktorik des Regalsystems bereitet kleinere Probleme. Dieser kommuniziert über eine UART-Schnittstelle mit einem Webserver. Auch diese Schnittstelle muss getestet und finalisiert werden. Dieses Semester steht auch das Entwickeln eines Erdungskonzepts für das System, die Integration einer Webcam und eine Vorrichtung zum Messen des Wasserspiegels an. Die Elektronik und Ansteuerung für das Liftsystem muss konzeptioniert, bestellt und aufgebaut werden.

Mechanik

Da die Mechanik des Regalsystems größtenteils in den letzten Semestern abgeschlossen wurde, wird sich das Team Mechanik anfangs primär mit dem Konzept des Liftsystems beschäftigen. Hierbei geht es vor allem um die Validierung des Konzepts damit die Bestellungen für die Teile möglichst bald abgeschlossen werden können. Währenddessen stehen auch kleinere Konstruktionen für das Regalsystem an. Besonders wichtig für die Mechanik ist dieses Semester die Integration und Kombination des Liftsystems mit dem Regal. Hierbei soll das Zusammenspiel der beiden Systeme konzeptioniert, optimiert und umgesetzt werden.

Software

In den letzten Semestern wurde bereits ein Konzept für die Software des Regalsystems erstellt und größtenteils auch so umgesetzt. Dieses Semester soll diese Software finalisiert werden, damit alle Sensoren und Aktoren über das User Interface angesteuert werden können. Das Softwareteam wird außerdem neue Hardware in die Software einbinden müssen. Für das Liftsystem muss ein Konzept erstellt werden, wie die Software in das bereits bestehende Regalsystem integriert werden kann.

Aufgaben für das Wintersemester 2022/23

Nachdem die Hardware des Regalsystem im letzten Semester erfolgreich aufgebaut wurde, kann in diesem Semster die Elektronik und Software weiterentwickelt werden.

Folgende Punkte stehen daher an:

  • Tests der vorhanden Sensoren durchführen
  • Planung der Regalintegration für Sensorik, Aktorik und Treibermodule
  • Planung der Logik für Sensorik und Aktorik
  • Planung für Datenmanagment/-speicherung für Sensordaten
  • Planung einer strukturierten, gemeinsamen Benutzeroberfläche zusammen mit dem Pflanzenroboter.
    Anhand dieser soll die Überwachung und Steuerung des Gesamtsystems Salat-O-Mat möglich sein.

Konzeptionierung der Software und Elektronik

Nachdem alle Anforderungen in einem Lasten- und anschließend in einem Pflichtenheft ausgearbeitet wurden, wird für die Konzeptentwicklung des Regalsystems die Steuerungseinheit, die Basisprogrammierung sowie der Schaltschrank konzeptioniert und entworfen. Ziel ist es, ein Konzept, eine grobe Kostenschätzung sowie BOM-Listen für die Hard- und Software zu erstellen und einen Schaltplan für das Gesamtsystem zu entwerfen. Dabei werden die zu verbauenden Softwarekomponenten festgelegt und in Sensoren, Aktoren und die zentrale Recheneinheit untergliedert. Des Weiteren werden Use-Case-Diagramme erstellt, welche die geforderten Funktionen abbilden. Außerdem wird eine Übersicht der gesamten Hardware inklusive aller Schnittstellen der Komponenten bezüglich Protokoll, Spannung usw. erstellt. Die Bestellung notwendiger Bauteile für den prototypischen Aufbau im kommenden Semester werden ausgelöst und das erarbeitete Konzept detailliert dokumentiert.

Elektronik: Sensoren und Aktoren

Das Team „Sensoren und Aktoren“ ist für die Auswahl und Dokumentation der Sensoren und Aktoren für das Regalsystem verantwortlich. Es wird für jede Aufgabe oder Funktion des Regalsystems, für die ein Sensor oder Aktor nötig ist, ein entsprechendes Produkt ausgewählt. Viele Faktoren beeinflussen die Wahl der zu verwendenden Sensoren und Aktoren, sodass eine strukturierte und methodische Vorgehensweise zur Auswahl der Komponenten nötig ist. Grundsätzliche Anforderungen an das Produkt wie Preis, Preis-Leistung, Funktionstauglichkeit, Robustheit und weitere werden bei der Auswahl in diesem Semester berücksichtigt. Allerdings sollte an den aktuellen Stand im weiteren Projektverlauf angeknüpft werden, um die ausgewählten Sensoren und Aktoren problemlos integrieren zu können. Hauptsächlich ist die mechanische Anbindung der Komponenten an das bestehende Regalsystem zu entwerfen, da dies bisher nicht Teil der vorgegebenen Arbeitspakete war. Darunter fallen auch Schaltschränke oder kleinere E-Boxen, welche Elektroniken, Relais oder das Anzeigepanel beinhalten könnten.

Elektronik: Power Supply

Das Team „Power Supply“ ist für die Lösungsfindung hinsichtlich Stromversorgung, Steuerungsgeräte, Beleuchtung und Ausgabegerät zuständig. Hierfür wird für die Sensoren und Aktoren ein vielseitiges und praktisches Steuerungssystem konzipiert. Die Messdaten der von der Sensorik eingesetzten Sensoren können mithilfe der ESP-Boards aufgenommen werden. Durch den Einsatz eines Mikrocontrollers pro Box und deren kabellose Verbindung mit dem Raspberry Pi Server, können sie vielseitig und autonom eingesetzt werden. Andere Lösungen für Steuerungssysteme, wie z.B. ein SPS-System oder ein gekauftes Messsystem, werden aufgrund des begrenzten Budgets und deren vergleichsweise unflexiblem Einsatz verworfen. Die Kommunikation zwischen Raspberry Pi und den Mikrocontroller findet im Idealfall kabellos statt. Da wahrscheinlich bis zu neun Mikrocontroller eingesetzt werden, könnte die gleichzeitige Sendeleistung von neun Wifi-Sendern empfindliche Sensoren beeinträchtigen. Außerdem können neun verschiedene 2,4 GHz Kanäle zu Störungen in der Datenübertragung führen. Falls eines dieser Aspekte zu schwerwiegenden Problemen führt und eine Wifi-Verbindung aus diesen Gründen nicht möglich ist, soll als Alternative eine drahtgebundene Schnittstelle über CAN/USB realisiert werden.

Software – Regalsystem

Das Team „Software – Regalsystem“ hat in diesem Semester ein Konzept der Software für das Regalsystem entworfen. Dieses fungiert nächstes Semester als Grundlage für die programmiertechnische Umsetzung. Hierbei wird zum einen ein Use-Case-Diagramm erstellt, das eine Übersicht über die Anwendungsfälle, die Akteure und deren Interaktion miteinander geben soll.  Außerdem werden Programablaufpläne (PAPs) erstellt, die im nächsten Semester direkt in den Programm-Code übernommen werden können. Weiterhin wird eine graphische Benutzeroberfläche (engl. graphical user interface – GUI) entworfen, die ebenfalls im nächsten Semester als Anhaltspunkt für die Umsetzung dienen soll.

Konzeptionierung der Mechanik

Für das Regalsystem werden alle Anforderungen zunächst in einem Lasten- und anschließend in einem Pflichtenheft ausgearbeitet und festgelegt. Anschließend wird der Aufbau des Regalsystems in seiner mechanischen Struktur konzeptioniert und in 3D-Modellen entworfen. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, dass die Integration des Kistenverteilungssystems sowie des FTS möglich ist. Für die Konzeptionierung der Regalstruktur, des Deckenmoduls und der Versorgung werden jeweils die Black-Box-Darstellung, eine Funktionsstruktur, ein morphologischer Kasten sowie eine Modulstruktur verwendet. Die Ergebnisse bzw. Lösungsvarianten, die sich aus diesen konstruktionstechnischen Methoden ergeben, werden schließlich skizziert. Weiter werden BOM-Listen erstellt und die Bestellungen für den prototypischen Aufbau im kommenden Semester ausgelöst. Eine saubere Dokumentation erleichtert die in den nächsten Semestern bevorstehenden Aufgaben.

Deckenmodul

Das Team „Deckenmodul Regalsystem“ hat sich in diesem Semester mit der Beleuchtung der Pflanzen befasst. Einige Aspekte, welche berücksichtigt und in ihrer Umsetzung geklärt werden müssen, sind dabei z.B. die Befestigung der LEDs, die Wärmeableitung und der Schutz der Hydroponik-Kisten vor Erwärmung oder die Befestigung der Kamera. Die anfänglich diskutierte Automatisierung oder Fernsteuerung des Deckenmoduls wird sowohl aus Kosten- bzw. Zeitgründen als auch aus mangelndem Interesse seitens Weihenstephan nicht in das Design mit einbezogen. Dies kann bei Wunsch oder bei Bedarf künftig nachträglich entwickelt werden. Das in diesem Semester entwickelte Deckenmodul eignet sich gut für einen ersten Prototypenbau, welcher für weitere (Optimierungs-) Schritte experimentell analysiert und geprüft werden kann.

Versorgung

Das Team „Versorgung Regalsystem“ konzeptioniert und entwickelt ein am Regal integriertes Versorgungssystem, um die Pflanzen, welche später in Hydroponik-Boxen auf den Ebenen des Regalsystems platziert werden, mit allen benötigten Substanzen zu versorgen. Neben der Zu- und Abfuhr von Substanzen, soll zusätzlich die Erfassung verschiedener Messparameter durch das Versorgungskonzept ermöglicht werden. Zum Abschluss des Wintersemesters steht eine detailliert ausgearbeitete Lösung, welche es im kommenden Sommersemester praktisch umzusetzen gilt. Es wurde ein Kopplungssystem für die Hydroponik-Boxen innerhalb des Regalsystems ausgearbeitet, das ein völlig autonomes Andocken der Boxen an das Leitungssystem ermöglicht, um darauf aufbauend im weiteren Verlauf des Projektmoduls weitere Automatisierungsschritte zu ermöglichen. Im Kopplungssystem enthalten sind Anschlussmöglichkeiten für diverse Sensoreinheiten, um die erforderliche Überwachung für geplante Pflanzenbauversuche zu realisieren. Ein weiterer wichtiger Baustein, der im Team entwickelt wurde, ist das komplette Leitungssystem, welches die Hydroponik-Boxen im Regalsystem mit allen benötigten Nährstoffen, Wasser und Sauerstoff versorgt. Diese Systeme sind für den Prototypenstatus fertig entwickelt und müssen für erste Versuche im kommenden Sommersemester in die Praxis umgesetzt werden. Hierfür liegen Bestelllisten vor, die alle benötigten Bauteile enthalten.

Regalstruktur

Das Team „Regalstruktur Regalsystem“ hat sich mit der Konstruktion des Grundgerüsts für die Hydroponik Boxen beschäftigt. Dabei sind sowohl Schnittstellen zum Deckenmodul und zur Versorgung als auch Schnittstellen zur Elektronik usw. zu berücksichtigen. Zunächst wird das Regal konzeptioniert und entwickelt. Die drei sinnvollsten Lösungsvarianten bzw. -konzepte werden grob skizziert und im Rahmen einer Nutzwertanalyse gegenübergestellt. Dafür wird auch eine grobe Kostenaufstellung angefertigt. Anschließend wird das Konzept nach einigen Optimierungsrunden in SolidWorks 2020 konstruiert. Aus den fertigen CAD-Dateien werden Montagezeichnungen abgeleitet und grobe Berechnungen durchgeführt. Zum Schluss wird eine BOM erstellt und die Kosten kalkuliert.