Standardmotoren sorgen für Bewegung in Schwierigem Gelände Die moderne Computer- und Sensortechnik erlaubt heute, schnell und zuverlässig Daten zu erfassen. Auch unwirtliche Gegenden wie beispielsweise Vulkane, Hochöfen oder innere Bereiche von Kernkraftwerken stellen kein Problem mehr dar. Leider jedoch hat diese Technik einen Nachteil: Sie ist nicht mobil. Für die Erkundung unbekannter Gebiete fehlt bis heute ein universelles Fahrzeugkonzept als Komponententräger. Bereiche, die für Menschen unzugänglich sind, erfordern praktisch immer auch Fahrzeuge, die extrem wendig und geländegängig sind. Einfache Beispiele dafür sind die Aufklärung von Unfallfolgen in Bergwerken oder unzugänglichen Bauwerken und das Aufspüren von Minen im Gelände. Alle diese Anforderungen werden noch übertroffen, wenn es um die Erkundung anderer Planeten geht. Hier ist zusätzlich ein sehr hohes Maß an Zuverlässigkeit, Redundanz und Autonomie gefordert. All diese Anforderungen berücksichtigt das neue Fahrzeugkonzept "Shrimp".
Konzepte und Ausführungen für geländegängige Fahrzeuge gibt es in Mengen. Betrachtet man aber alle möglichen Ausführungen genauer, so kann man sie auf nur wenige brauchbare Grundlösungen zurückführen. Zum einen gibt es die auf bekannter, einfacher Technik aufbauenden Kettenfahrzeuge, dann die "Gehmaschinen", die dank moderner Steuerungs- und Regeltechnik immer bessere Ergebnisse liefern und nicht zuletzt die am weitesten verbreitete Lösung, die Radfahrzeuge. Jedes dieser Konzepte hat Vor- und Nachteile. So sind Kettenfahrzeuge zwar leicht zu steuern, sie können auch in schwierigem Gelände gut operieren, auf engstem Raum wenden – benötigen aber eine vergleichsweise hohe Antriebsenergie. Sie sind relativ schwer und der Verschleiß am Fahrgestell ist hoch. Laufmaschinen können nur unter komplexer aktiver Lagekontrolle überhaupt arbeiten und sind zumindest bis in absehbare Zukunft recht langsam – sie können auf ebener Fläche kaum schneller agieren als im Gelände. Radfahrzeuge sind ebenfalls einfach zu steuern, wendig, leicht – und benötigen wenig Antriebsenergie. Sie können im Gelände größere Hindernisse überwinden aber auch auf ebener Fläche mit hoher Geschwindigkeit fahren. Aus diesem Grund hat sich das ASL (Autonomous Systems Lab) der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) bei seinem neuen Fahrzeugkonzept für das Radfahrzeug entschieden. Bisherige Lösungen auf diesem Gebiet haben den Nachteil, entweder für den Einsatz im Gelände oder in befestigten Bereichen konstruiert zu sein. Der neue "Shrimp Rover" ist dagegen für beide Einsatzgebiete universell geeignet.
FAULHABER Standardmotoren mit integriertem Encoder liefern die Antriebsenergie.
Das Konzept Das Fahrzeug baut im Wesentlichen auf einem Allradantriebskonzept auf. Nur so kommt die Antriebskraft immer optimal zum Rad, mit der besten Traktion. Positiver Nebeneffekt bei einem Einzelradantrieb ist auch die Redundanz der Antriebsmotoren. Um allen Rädern auch bei Hindernissen möglichst optimalen Bodenkontakt zu ermöglichen, wurde eine ausgefeilte Fahrgestellkinematik entwickelt. Geländegängig bedeutet vor allem Bodenfreiheit, was man "überrollen" kann, muss nicht überklettert werden. Deshalb sind an einem Grundkörper des Fahrzeuges zwei unterschiedliche Aufhängungskonzepte für die Räder vorgesehen. Durch eine spezielle Parallelkinematik für die seitlichen Räder wird der virtuelle Drehpunkt des vierrädrigen Zwischenchassis im Optimalpunkt zwischen den Radachsen gehalten. Das Chassis selbst ist dagegen weit über der Radachse angeordnet. Um die dadurch gewonnene Bodenfreiheit auch bei Hindernissen optimal nutzen zu können, wurden noch ein Front- und ein Heckrad vorgesehen. Das Vorderrad wird ebenfalls über eine spezielle Hebelkinematik immer optimal der jeweiligen Traktionsfläche nachgeführt. Das Heckrad dagegen ist über einen Auslegearm fest mit dem Grundkörper des Fahrzeuges verbunden. Durch die besondere Auslegung mit einem Front- und Heckrad sowie 2x2 seitlichen Rädern wird rein mechanisch ein optimaler Bodenkontakt aller Räder hergestellt. Eine aktive Steuerung ist dazu nicht erforderlich. Auch der Wendekreis ist durch das schwenkbare Front- und Heckrad sehr klein und liegt im Bereich der Fahrzeuglänge. Trotz dieser Wendigkeit kommt der Hauptvorteil radgetriebener Fahrzeuge auch hier zum Tragen. Die Reibung im Antrieb ist extrem gering und dadurch ist die gegebene Antriebsleistung fast vollständig für den Vortrieb nutzbar. Somit lassen sich Energie sparende, akkugepufferte Antriebslösungen problemlos einsetzen.
Ein Fahrzeug für alle Gegebenheiten, ob Geländestufen, Treppen oder Hangschräglage.
Antriebslösung Wegen der universellen Einsatzmöglichkeiten war es für das Shrimp-Fahrzeug wichtig, einen Antrieb zu finden der alle möglichen Anwendungsfälle abdecken kann. Die Wahl fiel dabei auf ein Motorkonzept aus der Produktpalette von Faulhaber. Das Motoren- und Getriebeprogramm ist so aufgebaut, dass der Anwender praktisch im Baukastensystem die Komponenten für seinen Antrieb zusammenstellen kann. In diesem Fall wurden DC-Kleinstmotoren mit Edelmetallkommutierung eingesetzt. Die eisenlosen Glockenankermotoren sind in unterschiedlichen Spannungsvarianten erhältlich. Sie leisten 4,2 W und können schon bei geringsten Spannungen anlaufen. Gerade bei Planetenexkursionen mit Solarzellenstromversorgung oder Akkubetrieb mit Spannungseinbruch bei Kälte ist dies extrem wichtig. Ein weiterer Vorteil der gewählten Motorenausführung ist der integrierte magnetische Impulsgeber. Je nach Ausführung werden so 64 bis 512 Impulse pro Umdrehung generiert und von der Motorsteuerung ausgewertet. Um den Drehmomentverlauf an die Radgeometrie anpassen zu können, sind Getriebe erforderlich. Die mit den Motoren kombinierbaren Planetengetriebe bieten mit Untersetzungen von 3,71:1 bis 1526:1 und 0,5 Nm Drehmoment eine große Bandbreite für eine optimale Abstimmung. Da jedes Rad über einen eigenen Drehgeber seine Antriebswerte an die Steuerung meldet, kann der Gesamtantrieb des Fahrzeuges immer optimal nach den Traktions- bzw. Schlupfwerten der einzelnen Räder geregelt werden. Eine elektronische Differentialsperre ist so ebenso möglich wie die Unterstützung für das Wenden auf der Stelle. Da alle Antriebskomponenten aus einem Standardprogramm stammen, ist auch der Preisvorteil gegenüber den sonst eingesetzten Spezialantrieben enorm.
Ausbaufähig Das ausgefeilte Konzept des "Shrimp Rovers" ermöglicht ihm, Stufen bis zur Höhe des doppelten Raddurchmessers zu übersteigen. Diese Kletterfähigkeit übersteigt alle heute gängigen Konzepte bei weitem. Auch im Gelände hat das Fahrzeug mit bis zu 40° Front- bzw. Seiten-Neigung eine hohe Stabilität. Eine Low-Cost-Version besteht aus weitgehend symmetrisch aufgebauten Einzelteilen. Bei dieser Ausführung kann auch die Ladung von vorne oder hinten aufgenommen werden. Dieses Konzept ist besonders für Anwendungen geeigent, bei denen es auf hohe Rentabilität ankommt bzw. mit Verlusten gerechnet werden muss. Haupteinsatzfelder könnten daher die Landwirtschaft, Minenräumroboter und Explorationsroboter für die Industrie sein. Das neue Fahrzeugkonzept von EPFL baut auf einem durchdachten, rein mechanisch arbeitenden, robusten Fahrgestell auf. Es wird über preiswerte Standardbauteile der FAULHABER-Gruppe angetrieben und mit herkömmlichen Komponenten gesteuert. Trotzdem eignet es sich sowohl für anspruchsvolle Raumfahrtanwendungen mit ihren hohen Zuverlässigkeitsansprüchen wie für erdgebundene Aufgaben. Der hohe Wirkungsgrad bei der Fortbewegung und die große Steigfähigkeit bei Hindernissen erlauben einen universellen Einsatz in jedem Gelände.
