Modell Eines Agilen Leiterplattenentwurfsprozesses Basierend Auf Der Interdisziplinären Entwicklung Eines Modularen Autonomen Miniroboters

Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses basierend auf der interdisziplinären Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) von der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld genehmigte Dissertation von

Stefan Herbrechtsmeier

Disputation: 21. Dezember 2016 Referent: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Rückert Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Axel Schneider Gedruckt auf alterungsbeständigem Papier (gemäß DIN EN ISO 9706) Kurzzusammenfassung

Die fortschreitende Digitalisierung und Vernetzung der Welt führen zu neuen Her- ausforderungen in der Qualifizierung von zukünftigen Fachkräften. Daher bedarf es anpassungsfähiger Systeme zur inspirierenden sowie anschaulichen Lehre mathemati- scher, naturwissenschaftlicher und technischer Kenntnisse. Ein mobiler Miniroboter bildet dabei eine innovative Lösung zur interdisziplinären Wissensvermittlung. Folglich besteht ein Ergebnis dieser Arbeit aus einer interdisziplinären Entwicklung eines leistungsstarken, modularen und autonomen Miniroboters. Dieser sogenannte AMiRo besitzt eine heterogene sowie verteilte Systemarchitektur, bestehend aus drei leistungsstarken Mikrocontrollern, einem Einplatinencomputer, einer programmierbaren logischen Schaltung und einem echtzeitfähigen Kommunikationsnetz. Er unterstützt sowohl hochfrequente reaktive als auch speicherintensive reflektorische und kognitive Informationsverarbeitung sowie massiv parallele Bildverarbeitung. Im Unterschied zu existieren Plattformen erlaubt seine modulare Systemarchitektur einerseits eine kostengünstige sowie anwendungsspezifische Erweiterung und andererseits eine kontinuierliche sowie bedarfsgerechte Modernisierung. Gleichzeitig offenbart dessen Entwicklung einen Handlungsbedarf im Leiterplatten- entwurf. Entsprechend besteht ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit aus einem Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses. Dieser bildet einen Teil eines gemeinsamen interdisziplinären Entwicklungsprozesses und nutzt eine standardisierte Model- lierungssprache. Er besteht aus einem Entwurfsmodell sowie -prozess, nutzt einen inkrementellen Ansatz und kombiniert etablierte Techniken sowie Methoden verschiedener Fachdisziplinen. Der Prozess besitzt im Unterschied zum klassischen Leiter- plattenentwurf aufgrund seiner inkrementellen Verfeinerung einzelne überschaubare Aufgaben, einen kontinuierlichen Auswahlprozess und eine gesteigerte Wiederverwen- dung sowohl von Teillösungen als auch von Lösungsansätzen. Damit erhöht der agile Leiterplattenentwurfsprozess einerseits die Qualität sowie Zuverlässigkeit der Produkte und reduziert andererseits die Entwurfs- sowie Produkteinführungszeit. Zusätzlich bildet er eine Grundlage für zukünftige rechnergestützte Entwicklungsmethoden. Insgesamt bestehen die Ergebnisse dieser Arbeit einerseits aus einem anpassungsfähi- gen, leistungsstarken sowie kostengünstigen Miniroboter zur anschaulichen Lehre und Forschung aktueller sowie zukünftiger Aspekte intelligenter technischer Systeme und andererseits aus einem agilen Leiterplattenentwurfsprozess als erste detaillierte sowie methodische Beschreibung des Bauteilauswahl- und Schaltungsentwicklungsprozesses. Grundlegende Resultate bilden dabei eine Entwicklungsprozessmodellierung und eine auf dem Wünschbarkeitsindex basierende Entwurfsraumexploration.

iii

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Systemtechnik 7 2.1 Begriffsdeﬁnitionen ...... 7 2.2 Systemmodellierung ...... 8 2.2.1 Blockdeﬁnitionsdiagramm ...... 9 2.2.2 Internes Blockdiagramm ...... 12 2.3 Merkmalsmodellierung ...... 13 2.4 Geschäftsprozessmodellierung ...... 15 2.5 Entwicklungsprozessmodellierung ...... 18 2.6 Entwurfsraumexploration ...... 21 2.7 Zusammenfassung ...... 28

3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters 31 3.1 Stand der Technik ...... 33 3.1.1 Kommerzielle Miniroboter ...... 33 3.1.2 Universitäre Miniroboter ...... 36 3.1.3 Auswertung ...... 40 3.2 Anforderungen ...... 42 3.3 Systementwurf ...... 43 3.3.1 Module ...... 44 3.3.2 Schnittstellen ...... 52 3.3.3 Gestalt ...... 57 3.3.4 Softwarearchitektur ...... 60 3.4 Konstruktion ...... 60 3.4.1 Normteile ...... 61 3.4.2 Standardteile ...... 62 3.4.3 Fertigteile ...... 63 3.4.4 Werkstücke ...... 64 3.4.5 Leiterplattengrundrisse ...... 67 3.4.6 Flachbaugruppen ...... 70 3.4.7 Baugruppen ...... 71 3.4.8 Geräte ...... 74 3.5 Leiterplattenentwurf ...... 76 3.5.1 Zweiradantriebsﬂachbaugruppe ...... 77

v Inhaltsverzeichnis

3.5.2 Energiemanagementflachbaugruppe ...... 86 3.5.3 Näherungssensorflachbaugruppe ...... 92 3.5.4 Lichtringflachbaugruppe ...... 97 3.5.5 Kognitionsflachbaugruppe ...... 101 3.5.6 Bildverarbeitungsflachbaugruppe ...... 109 3.5.7 Bildsensorflachbaugruppe ...... 116 3.5.8 Auswertung ...... 118 3.6 Softwareentwicklung ...... 121 3.6.1 Mikrocontroller ...... 123 3.6.2 Computermodul ...... 126 3.7 Logische Schaltungsentwicklung ...... 132 3.8 Produktion ...... 134 3.8.1 Beschaffung und Einkauf ...... 134 3.8.2 Fertigung und Montage ...... 135 3.8.3 Inbetriebnahme ...... 137 3.8.4 Kostenverteilung ...... 137 3.9 Leistungsdaten ...... 138 3.10 Anwendungen ...... 145 3.11 Zusammenfassung ...... 147

4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses 151 4.1 Stand der Technik ...... 152 4.1.1 Literatur ...... 152 4.1.2 Lehre ...... 155 4.1.3 Forschung ...... 156 4.1.4 Normen und Richtlinien ...... 157 4.1.5 Softwarewerkzeuge ...... 158 4.1.6 Praxis ...... 160 4.2 Problemstellung ...... 163 4.3 Begriffsdefinitionen ...... 167 4.4 Entwurfsmodell ...... 174 4.5 Modellierung ...... 177 4.5.1 Schaltungsmodellierung ...... 177 4.5.2 Variantenmodellierung ...... 180 4.6 Entwurfsprozess ...... 182 4.6.1 Architekturentwurf ...... 183 4.6.2 Schaltungsentwurf ...... 184 4.6.3 Anschlussflächenauswahl ...... 186 4.6.4 Anschlussbelegungsspezifikation ...... 186 4.6.5 Platzierung ...... 187 4.6.6 Gehäuseauswahl ...... 188 4.6.7 Bauteilauswahl ...... 189

vi Inhaltsverzeichnis

4.6.8 Entﬂechtung ...... 190 4.6.9 Nutzenlayoutentwurf ...... 191 4.7 Bibliotheken ...... 192 4.7.1 Funktionseinheitenbibliothek ...... 194 4.7.2 Bauelementebibliothek ...... 195 4.7.3 Schaltungsfragmentebibliothek ...... 198 4.7.4 Anschlussﬂächenbibliothek ...... 198 4.7.5 Anschlussbelegungsbibliothek ...... 199 4.7.6 Gehäusebibliothek ...... 202 4.7.7 Bauteilebibliothek ...... 203 4.8 Leistungsmerkmale ...... 207 4.9 Veranschaulichung ...... 209 4.10 Zusammenfassung ...... 214

5 Zusammenfassung und Ausblick 217

Abbildungsverzeichnis 223

Tabellenverzeichnis 227

Quelltextverzeichnis 229

Abkürzungsverzeichnis 231

Glossar 235

Literaturverzeichnis 239

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1 Einleitung

Entsprechend der neuen Hightech-Strategie „Innovationen für Deutschland“ der Bun- desregierung steht die Wirtschaft „an der Schwelle zur vierten industriellen Revolution“ [24, S. 16]. „Durch das Internet getrieben, wachsen reale und virtuelle Welt immer weiter zu einem Internet der Dinge zusammen“ [24, S. 16]. Die steigende Digitalisierung und Vernetzung sowie eine damit verbundene Produkt- und Prozesskomplexität stellen dabei „in Verbindung mit volatilen Märkten und die sich stetig verkürzenden Produkt-, Markt-, Technologie- und Innovationszyklen [...] eine permanente Herausforderung dar.“ [12, S. 6]. Ein Problem für Unternehmen bildet dabei die „unzureichende Qualifikation der Mitarbeiter“ [97, S. 37]. „Denn mit Industrie 4.0 und der zunehmenden Digitalisierung steigt der Bedarf an Mitarbeitern insbesondere mit mathematischen, naturwissenschaft- lichen und technischen Vorkenntnissen“ [97, S. 38]. Die Herausforderungen bestehen aus einer Motivation junger Menschen für ursprünglich theoretisches Wissen sowie in der Erweckung von Neugierde, Begeisterung und Talent. Im Kontext von Industrie 4.0 besteht entsprechend ein Bedarf an innovativen intelligenten technischen Systemen zur langanhaltenden Motivation sowie spielerischen und unterhaltsamen Wissens- vermittlung. Eine hervorragende und kostengünstige Plattform zur anschaulichen und inspirierenden Lehre von MINT-Fächern (Mathematik, Informatik, Naturwissen- schaft und Technik), sowie zum Aufbau verteilter intelligenter technischer Systeme in Forschung und Lehre, bilden kleine mobile Roboter [139]. Diese sogenannten autonomen Miniroboter sind im Vergleich zu klassischen mobilen Robotern erschwinglich, einfach zu transportieren und in ihrem vollen Funktionsumfang auch auf kleinem Raum beispielsweise einem Tisch oder Fußboden eines Labors nutzbar. Aufgrund der Leistungsfähigkeit und Ressourceneffizienz moderner Mikroelektronik und Computer- technologien besitzen Miniroboter trotz ihrer Größenbeschränkung die erforderlichen Fähigkeiten zur Ausführung komplexer Verhalten beispielsweise autonomes Navigie- ren oder maschinelles Lernen [139, 120]. Miniroboter erlauben neben Simulationen eine kostengünstige Umsetzung praktischer Roboterexperimente [140]. Außerdem erhöhen sie während einer Versuchsdurchführung, direkt neben einem Computer auf dem Tisch verwendet, die Lernmotivation und Effizienz eines Studenten [117]. Es gibt diverse Schwarm-, Multi- und Einzelroboteranwendungen in Forschung und Lehre mit unterschiedlichen Anforderungen [90] sowie entsprechend verschiedene Mini- roboter mit gegensätzlichen Funktionen, Fähigkeiten, Rechenleistungen und Kosten [120]. Einerseits existierenden einfache, leistungsschwache sowie kostengünstige Mi- niroboter für einen Roboterschwarm und andererseits flexible, leistungsstarke sowie

1 1 Einleitung kostenintensive Miniroboter für vollständig autonome Anwendungen. Bedingt durch langwierige oder nicht kommerzielle Entwicklungen nutzen zahlreiche Miniroboter ältere Technologien und bieten nicht die Leistungsfähigkeit moderner Massenproduk- te. Alleine die schnelle, kontinuierliche Weiterentwicklung und Leistungssteigerung im Bereich der integrierten Sensortechnologie und Informationsverarbeitung eines Smartphones führt zu einer Diskrepanz zwischen dem entwickelten Produkt und dem Stand der Technik zum Zeitpunkt der Produkteinführung. Insgesamt mangelt es an einem anpassungsfähigen, leistungsstarken und kostengünstigen Miniroboter für eine anschauliche und inspirierende Lehre verschiedenster fortschrittlicher Technologien im Kontext von Industrie 4.0. Neben qualifizierten Mitarbeitern benötigt die Entwicklung intelligenter technischer Systeme verschiedene fortschrittliche Technologien. Dabei ist die Mikroelektronik „eine der Schlüsseltechnologien, um Industrie-4.0-Ziele wie Flexibilität, Produktivi- tätserhöhung und Kostenreduktion zu verwirklichen“ [134, S. 34]. Die integrierten Schaltungen, insbesondere Mikrocontroller und Leistungsbauelemente, bilden „das Ge- hirn und die Muskeln intelligenter Systeme“ [12, S. 37]. Gleichzeitig ist der „Einfluss der Schaltungsentwicklung, [...][Leiterplattenentflechtung], Leiterplattenherstellung und Produktion elektronischer Baugruppen auf ein Endprodukt [...] in den letzten Jahren massiv angestiegen“ [16, S. 8]. Die immer kleineren, leistungsstärkeren und hochinte- grierten Bauteile [80] resultieren in steigenden Lagenzahlen, kleineren Strukturbreiten und damit komplexeren Leiterplatten [141, 108]. Parallel wächst die Konfigurierbarkeit und Flexibilität von integrierten Schaltungen. Dies führt insgesamt zu einer steigenden Komplexität im Entwurfsprozess und damit zu einer erhöhten Entwicklungs- beziehungsweise Produkteinführungszeit. Gleichzeitig bilden die Leiterplattentechnologien und -fertigungsprozesse sowie die „ganzheitliche Betrachtung der kompletten Pro- zesskette“ [16, S. 8] den Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung im Bereich der Leiterplattentechnik. Die Methoden in der Schaltungsentwicklung, insbesondere im Bauteilauswahlprozess, sind historisch gewachsen und haben sich über die Zeit kaum verändert. Es fehlen beispielsweise spezifizierte Methoden oder definierte Krite- rien für eine Bauteilauswahl. Außerdem besitzt die Schaltungsentwicklung zwar viele Wechselwirkungen zu anderen Fachdisziplinen, aber kaum methodische oder standardisierte Übergänge. Letzteres erschwert unter anderem das Ziel der Systemtechnik, dass „ein ganzheitlicher fachdisziplinübergreifender Entwurf eines komplexen Systems im Zuge der weiteren Konkretisierung in die etablierten Entwicklungsmethoden [...] [der betroffenen Fachdisziplinen] mündet“ [134, S. 25]. Insgesamt fehlen dem Leiter- plattenentwurfsprozess eine konsequente Wiederverwendung und ein durchgängiger Entwurfsprozess, um steigende Komplexität und zunehmende Einflüsse verschiedener Fachdisziplinen zu beherrschen sowie eine hohe Produktqualität und kurze Entwick- lungszeiten zu gewährleisten. Die Betrachtung der Herausforderungen im Leiterplattenentwurfsprozess resultiert ursprünglich aus der Entwicklung eines modularen und leistungsstarken Minirobo- ters im Kontext des Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der

2 PAU5025 PAU5026

PAU5024 PAU501 PAU5023 PAU5030 PAU5029 PAU502 PAU5022 PAU503 PAU5021 PAU504 COU5 PAU5020 PAU505 PAU5019 PAU506

PAC1902 PAU5018 PAU507 PAD205PAD204 COC19 PAU5017 PAU508 PAD906PAD905 «full» : Camera Connector «full» : Programming Receptacle PAD206 PAC1901 PAD904 COD2 PAU5016PAU5015 PAU5014 PAU5013PAU5012 PAU5011 PAU5010 PAU509 COD9 Light Ring Board PAD201PAD202PAD203 PAD901PAD902PAD903

PAP3027 PAP3025 PAP3023 PAP3021 PAP3019 PAP3017 PAP3015 PAP3013 PAP3011PAP3015 PAP3011 PAP309 PAP307 PAP305 PAP303PAP305 PAP303 PAP301 PAF30COF3 PAP3029 PAP3028 PAF40COF4 Assembly COP3 «full» : Laser Range Finder Receptacle «full» : Bottom System Connector PAP3026 PAP3024 PAP3022 PAP3020 PAP3018 PAP3016 PAP3014 PAP3012 PAP3010PAP3012 PAP3010 PAP308 PAP306 PAP304 PAP302PAP304PAP306 PAP302

PAP501 PAP502 PAP503 PAP504COP5 PAP505PAP506 PAP507 PAP508

PAL202 PAC2101

COL2 COC21 PAP509 PAP5010 PAL201 PAC2102 PAD304 PAC2001 PAD806

COC20 PAD305 PAD303 PAR1102COR11 PAR1101PAR1102 PAR1101 PAR902COR9 PAR901PAR902 PAR901 PAD801 PAD805 PAD306 COD3 PAD302 PAD802 COD8 PAD804 PAD301 PAU301 PAU308 PAC2002 PAD803

PAU302 PAU307 PAR502 COR5 PAU603 PAU602 PAU601 PAP1061 COU3 PAP2061 PAU303 PAU306 PAR501 COU6 PAU304 PAU305 PAP101 PAP102 PAU604 PAU605 PAP201 PAP202 PAP103PAC202 PAP104 PAP203 PAC402 PAP204

PAP105 PAP106 COR3 COR4 PAP205 PAP206 COC2 PAR302PAR301PAR302 PAR301 PAR401 PAR402 COC4 PAP107 PAP108 PAC1202COC12 PAC1201 PAR602COR6 PAR601 PAP207 PAP208 PAP109 PAC201 PAP1010 PAP209 PAC401 PAP2010 PAR101COR1 PAR102 PAC1102COC11 PAC1101PAC1102 PAC1101 PAP1011 PAP1012 PAU1064PAU1063 PAU1062 PAU1061PAU1062PAU1061 PAU1060 PAU1059PAU1060PAU1058 PAU1057PAU1058 PAU1057 PAU1056 PAU1055 PAU1054 PAU1053PAU1054PAU1052 PAU1051 PAU1050 PAU1049 PAP2011 PAP2012 PAP1013 PAP1014 PAP2013 PAP2014 PAC901COC9 PAC902 PAP1015 PAP1016 PAC1502 COC15 PAC1501PAC1502 PAC1501 PAP2015 PAP2016

PAP1017 PAP1018 PAU101 PAU1048 PAP2017 PAP2018 PAR802COR8 PAR801PAR802 PAR801 PAR1202COR12 PAR1201 PAP1019 PAP1020 PAU102 PAU1047 PAP2019 PAP2020 PAP1021 PAP1022 PAX101 PAX104 PAU103 PAU1046 PAP2021 PAP2022 PAP1023 PAP1024 PAU104 PAU1045 PAP2023 PAP2024 PAU105 PAU1044 PAU201 PAU208 PAP1025 PAP1026 PAC1301COC13 PAC1302 PAP2025 PAP2026 PAU106 PAU1043 PAP1027 PAP1028 PAU107 PAU1042 PAP2027 PAP2028 COX1 PAU202 PAU207 PAP1029 PAP1030 PAR1002 PAP2029 PAP2030 COP1 PAU108 PAU1041 COR10 COP2 PAP1031 PAP1032 PAU109 COU1 PAU1040 COU2 PAP2031 PAP2032 PAC1401COC14 PAC1402 PAR1001 PAP1033 PAP1034 PAU1010 PAU1039 PAU203 PAU206 PAP2033 PAP2034 PAP1035 PAP1036 PAU1011 PAU1038 PAP2035 PAP2036 PAX102 PAX103 PAU1012 PAU1037 PAU204 PAU205 PAP1037 PAP1038 PAU1013 PAU1036 PAP2037 PAP2038 PAC501COC5 PAC502 Information Laser Range Finder Low Power Wireless PAP1039 PAP1040 PAU1014 PAU1035 PAP2039 PAP2040 PAP1041 PAP1042 PAU1015 PAU1034 PAP2041 PAP2042 PAC1701COC17 PAC1702 PAP1043 PAP1044 PAC601COC6 PAC602 PAU1016 PAU1033 PAP2043 PAP2044 PAP1045 PAP1046 PAP2045 PAP2046

Light System COL1 PAP1047 PAP1048 PAL102 PAL101PAL102 PAL101 PAP2047 PAP2048 PAP1049 PAP1050 PAU1017 PAU1018 PAU1019PAU1020 PAU1021 PAU1021PAU1020PAU1023 PAU1023PAU1022PAU1024PAU1024 PAU1025 PAU1026 PAU1027 PAU1028PAU1029 PAU1030 PAU1031PAU1030 PAU1031 PAU1032 PAP2049 PAP2050 PAP1051 PAC101 PAP1052 PAP2051 PAC301 PAP2052 PAP1053 PAP1054 PAP2053 PAP2054 Processing System COC1 COC3 Communication PAP1055 PAP1056 PAP2055 PAP2056 PAC1602 PAP1057 PAC102 PAP1058 PAC702 PAR702 PAC802 PAP2057 PAC302 PAP2058 COC7 COR7 COC16 COC8 PAP1059 PAP1060 PAC1001COC10 PAC1002 PAD101 COD1 PAD102 PAP2059 PAP2060 PAC701 PAC2502COC25 PAC2501 PAR701 PAC1601 PAC801 PAU709 PAU708 PAP1062 PAU7010 PAU707 PAC2401 PAP2062 PAU7011 PAU706 COC24 PAU7012 PAU705 PAC2402

COU7 PAD403 PAU7013 PAU704 PAC2301 PAD701 PAD402 PAU7014 PAU703 COC23 PAD702 PAD404 COD4 PAU7015 PAU702 PAC2302 COD7 PAD706 PAD405 PAD401 PAU7016 PAU701 PAD703 PAD705 PAD406 PAD704 PAC2201COC22 PAC2202 PAC2602COC26 PAC2601

PAR201COR2 PAR202 PAR1302COR13 PAR1301

PAU401 PAU4032 PAC1802 COC18 PAU402 PAU4031 PAC1801 PAU403 PAU4030 PAU404 PAU4029 PAU405 PAU4028 PAF20COF2 PAU406 PAU4027 PAU407 PAU4026 PAU408 PAU4025 COU4 PAU409 PAU4033 PAU4024 PAU4010 PAU4023 PAU4011 PAU4022 PAP402PAP401 PAU4012 PAU4021 PAP404PAP403 PAP4017 [8] PAU4013 PAU4020 PAP405 PAU4014 PAU4019 PAP407PAP406 PAU4015 PAU4018 PAP409PAP408 PAP4018 PAU4016 PAU4017 PAP4011PAP4010 COF1 PAP4012 PAF10 PAP4014PAP4013 COP4 PAP4016PAP4015 PAP4019 PAD503PAD502PAD501 PAD603PAD602PAD601 COD5 COD6 PAP4020 PAD504PAD505PAD506 PAD604PAD605PAD606 Power Switch RS-232 Transceiver Mulicolour Light Diode Light Diode Driver

COD2D2 Light i VSYS4.2 PID203 PID204 D3COD3 Light Red Light i i VSYS4.2 PID202 PID205 PID303 PID304 D4COD4 VIO3.3 Light Green Light Red Light i i i VSYS4.2 PIC1802 PID201 PID206 PID302 PID305 PID403 PID404 D5COD5 COC18C18 Blue Light Green Light Red Light 100n PIC1801 i i i RGB COU4 PID301 PID306 PID402 PID405 PID503 PID504 U4 Power Power GND 32 5 NLLIGHT0RED8LIGHT_RED8 Blue Light Green Light Red PIU4032 VCC OUT0 PIU405 VSYS4.2 VIO5.0 COU6U6 VIO1.8 6 NLLIGHT0GREEN8LIGHT_GREEN8 VIO5.0 VIO3.3 OUT1i PIU406 COL2 i i i NLLIGHT0SCLKLIGHT_SCLK 3 7 NLLIGHT0BLUE8LIGHT_BLUE8 L2 RGB POLIGHT0SCLKLIGHT_SCLKPower i 5 Power i PIU403 SCLK1 OUT2 PIU407 Power i PID401 PID406iPower PID502 PID505 PIC102 PIU605NLLIGHT0MOSILIGHT_MOSIIN PIC202 OUT4 PIU601 8 NLLIGHT0RED7LIGHT_RED7 PIL201 PIL202 VLASER PIC302 PIC402 POLIGHT0MOSILIGHT_MOSI PIU404 SIN OUT3 PIU408 COC1C1 COC2C2 29 9 PIC2001NLLIGHT0GREEN7LIGHT_GREEN7PIC2102 COC3C3 Blue C4COC4 Light Green PIU4029 SOUT OUT4 PIU409 COC20 BLM15PD121SN1D NLLASER0ENLASER_EN PIC101 10u NLLIGHT0XLATLIGHT_XLAT4 PIC201 10u 30 10 NLLIGHT0BLUE7LIGHT_BLUE7C20 PIC301 10u PIC401 10u POLASER0EN POLIGHT0XLATLIGHT_XLATPower i PIU604 PIU4030 XLAT OUT5 PIU4010 COC21 i LASER_EN EN 11 NLLIGHT0RED6LIGHT_RED6100u C21 RGB NLLASER0OC0NLASER_OC_N 3 2 OUT6 PIU4011 PID501 PID506 POLASER0OC0NLASER_OC_N PIU603NLLIGHT0BLANKLIGHT_BLANKOC GND2 PIU602 12 NLLIGHT0GREEN6LIGHT_GREEN6100n POLIGHT0BLANKLIGHT_BLANK PIU402 BLANK OUT7 PIU4012 PIC2002 PIC2101 : Low Power GND GND 13 NLLIGHT0BLUE6LIGHT_BLUE6 GND GND Blue : Laser Range Finder System : Light System OUT8 PIU4013 TPS2051BDBV 14 NLLIGHT0RED5LIGHT_RED5 COP3P3 OUT9 PIU4014 15 NLLIGHT0GREEN5LIGHT_GREEN5 RGB GNDOUT10 PIU4015 POSYS0CIF0D0000110POSYS0CIF0D0POSYS0CIF0D1POSYS0CIF0D2POSYS0CIF0D3POSYS0CIF0D4POSYS0CIF0D5POSYS0CIF0D6POSYS0CIF0D7POSYS0CIF0D8POSYS0CIF0D9POSYS0CIF0D10POSYS0CIF0D11 Wireless Com- COP1 NLLIGHT0IREFLIGHT_IREF 31 NLSYS0CIF0HSSYS_CIF_HS16 NLLIGHT0BLUE5LIGHT_BLUE5 COP2 SYS_CIF_D[0..11] POSYS0CIF0HSP1 PIU4031 IREF OUT11 PIU4016 PIP301 P2 SYS_CIF_D[0..11] 1 SYS_CIF_HS2 NLSYS0PD0NSYS_PD_N NLLIGHT0RED4GND 1 SYS_REG_ENNLSYS0REG0EN 1 2 PIP1011 2 PIP102PIR1302 POSYS0PD0NSYS_PD_N PIU401717 LIGHT_RED4 POSYS0REG0ENSYS_REG_EN PIP2011 2 PIP202 3 4 NLSYS0CIF0VSOUT12 NLLIGHT0GREEN4 3 4 VIO1.8 PIP1033 4 PIP104COR13R13 SYS_CIF_VSVIO1.818 LIGHT_GREEN4 VIO3.3 PIP2033 4 PIP204 VIO3.3 munication SYS_EMIF_A1NLSYS0EMIF0A1 5POSYS0CIF0VS6 NLSYS0EMIF0D0SYS_EMIF_D0 OUT13 PIU4018 PIP302 SYS_CIF_STROBENLSYS0CIF0STROBE 5 6 NLSYS0CIF0D0SYS_CIF_D0 PIP1055 SYS_CIF_VS6 PIP1062k4 19 NLLIGHT0BLUE4LIGHT_BLUE4 POSYS0CIF0STROBE2SYS_CIF_STROBE PIP2055 6 PIP206 D6COD6 SYS_EMIF_A2NLSYS0EMIF0A2 7VIO3.3 8 NLSYS0EMIF0D1SYS_EMIF_D1 OUT14 PIU4019 SYS_CIF_SHUTTERNLSYS0CIF0SHUTTER 7 8 NLSYS0CIF0D1SYS_CIF_D1 PIP1077 8 PIP108PIR1301 20 NLLIGHT0RED3LIGHT_RED3 POSYS0CIF0SHUTTERSYS_CIF_SHUTTER PIP2077 8 PIP208 9 10 OUT15 PIU4020 PIP303 9 10 GND GND PIP109 9 10 PIP1010 GND21 NLLIGHT0GREEN3LIGHT_GREEN3 GND 3 PIP209 9 10 PIP2010 GND NLSYS0CIF0D0000110 SYS_EMIF_A3NLSYS0EMIF0A3 11 12 NLSYS0EMIF0D2SYS_EMIF_D2 SYS_SPI_SCLKNLSYS0SPI0SCLK 11 12 NLSYS0CIF0D2SYS_CIF_D2 PIP101111 12 PIP1012 NLSYS0CIF0PCLKOUT16 PIU4021 PIP201111 12 PIP2012 SYS_EMIF_A4NLSYS0EMIF0A4 13 14 NLSYS0EMIF0D3SYS_EMIF_D3 SYS_CIF_PCLK22 NLLIGHT0BLUE3LIGHT_BLUE3PIP304 SYS_SPI_SS0_NNLSYS0SPI0SS00N 13 14 NLSYS0CIF0D3SYS_CIF_D3 pwm [24] PIP1013POSYS0CIF0PCLKPIC220213 14 PIP1014 OUT17 PIU4022 PIP2013 13 14 PIP2014 PID603 PID604 15 SYS_CIF_PCLK16 23 NLLIGHT0RED2LIGHT_RED2 4 15 16 D7COD7 PIP101515 16 PIP1016GND NLSYS0CIF0PD0NPIU4023 PIP201515 16 PIP2016 SYS_EMIF_A5NLSYS0EMIF0A5 17 COC22 18 NLSYS0EMIF0D4SYS_EMIF_D4 SYS_CIF_PD_NOUT18 NLLIGHT0GREEN2 SYS_SPI_MOSINLSYS0SPI0MOSI 17 18 NLSYS0CIF0D4SYS_CIF_D4 i : Light Diode PIP101717 C22 18 PIP1018 PIU402424 LIGHT_GREEN2PIP305 PIP201717 18 PIP2018 Red SYS_EMIF_A6NLSYS0EMIF0A6 19POSYS0CIF0PD0N20 NLSYS0EMIF0D5SYS_EMIF_D5 OUT19 SYS_SPI_MISONLSYS0SPI0MISO 19 20 NLSYS0CIF0D5SYS_CIF_D5 PIP101919SYS_CIF_PD_N20 PIP1020 25 NLLIGHT0BLUE2LIGHT_BLUE2 5 PIP201919 20 PIP2020 VSYS4.2 Light : Power Switch 21 100n 22 NLSYS0CIF0D0OUT20 PIU4025 21 22 GND PIP1021PIC220121 22 PIP1022 SYS_CIF_D0GND26 NLLIGHT0RED1LIGHT_RED1 GND PIP202121 22 PIP2022 GND SYS_EMIF_A7NLSYS0EMIF0A7 23POSYS0CIF0D0000110POSYS0CIF0D0POSYS0CIF0D1POSYS0CIF0D2POSYS0CIF0D3POSYS0CIF0D4POSYS0CIF0D5POSYS0CIF0D6POSYS0CIF0D7POSYS0CIF0D8POSYS0CIF0D9POSYS0CIF0D10POSYS0CIF0D1124 NLSYS0EMIF0D6SYS_EMIF_D6 PIU4026 PIP306 SYS_SPI_SS1_NNLSYS0SPI0SS10N 23 24PID703NLSYS0CIF0D6SYS_CIF_D6 PID704 PID602 PID605 Driver PIP1023 23SYS_CIF_D[0..11]24 PIP1024 OUT21 NLLIGHT0GREEN1 6 COD8 PIP2023 23 24 PIP2024 SYS_EMIF_A8NLSYS0EMIF0A8 25 26 NLSYS0EMIF0D7SYS_EMIF_D7 PIU4011 NLSYS0CIF0D1PIU402727 LIGHT_GREEN1 SYS_SPI_DIRNLSYS0SPI0DIR D8 25 26 NLSYS0CIF0D7SYS_CIF_D7 PIP1025 25 26 PIP1026 SYS_CIF_D1GND OUT22 PIP2025 25 26 PIP2026 27 28 33 28 NLLIGHT0BLUE1LIGHT_BLUE1PIP307 27 28i Red i Green 24 PIP102727 28 PIP1028 COU7 PIU4033 GND OUT23 PIU4028 PIP202727 28 PIP2028 SYS_EMIF_A9NLSYS0EMIF0A9 29 30 NLSYS0EMIF0D8SYS_EMIF_D8U7 7 SYS_CAN_PNLSYS0CAN0P 29 VSYS4.2 30 NLSYS0CIF0D8SYS_CIF_D8 PIP1029 29 30 PIP1030 NLSYS0CIF0D2 POSYS0CAN0PSYS_CAN_P PIP2029 29 30 PIP2030Light Light SYS_EMIF_A10NLSYS0EMIF0A10 31 32 NLSYS0EMIF0D9SYS_EMIF_D9 SYS_CIF_D2NLLASER0RS2320TX SYS_CAN_NNLSYS0CAN0N 31 32 NLSYS0CIF0D9SYS_CIF_D9 PIP1031GND31 32 PIP103215 TLC5947DAP8 LASER_RS232_TX PIP308 POSYS0CAN0NSYS_CAN_N PID803PIP2031PID80431 32 PIP2032PID702 PID705 PID601 PID606 33 PIU701534 PIU708 8 33 34 PIP103333 34 PIP1034 VCC GND RINNLSYS0CIF0D3 COD9D9 PIP203333 34 PIP2034 SYS_EMIF_CS0NLSYS0EMIF0CS0 35 36 NLSYS0EMIF0D10SYS_EMIF_D10 13 NLLASER0RS2320RXLASER_RS232_RX SYS_PROG_NNLSYS0PROG0N 35 36 NLSYS0CIF0D10SYS_CIF_D10 spi [2] PIP103535 36 PIP1036 SYS_CIF_D3PIU7013 i PIP2035Red 35 36 PIP2036i Green i Blue io SYS_EMIF_DREQ_NNLSYS0EMIF0DREQ0N 37 38 NLSYS0EMIF0D11SYS_EMIF_D11 DOUT PIP309 SYS_DONENLSYS0DONE 37 38 NLSYS0CIF0D11SYS_CIF_D11 NLLASER0TXLASER_TXPIP103737 38 PIP1038 9 9 PIP203737 38 PIP2038 POLASER0TX 39 PIU70940 NLSYS0CIF0D4 VSYS4.2 Light 39 Light40 Light GND LASER_TX PIP103939 40 PIP1040 ROUT SYS_CIF_D4GND GND PIP203939 40 PIP2040 GND SYS_EMIF_CLKNLSYS0EMIF0CLK NLLASER0RXLASER_RX41 42 11NLSYS0EMIF0D12SYS_EMIF_D12 2 PIP3010 SYS_UART_TXNLSYS0UART0TX 41 42 NLSYS0CIF0HSSYS_CIF_HS RGB POLASER0RX PIP1041 41 42 PIP1042PIU7011 PIU702 PID903POSYS0UART0TXSYS_UART_TX PID904 PID802PIP2041PID80541 42 PIP2042PID701 PID706 POSYS0CIF0HSSYS_CIF_HS LASER_RX SYS_EMIF_ADV_NNLSYS0EMIF0ADV0N 43 44 NLSYS0EMIF0D13SYS_EMIF_D13DIN C1+ 10 SYS_UART_RXNLSYS0UART0RX 43 44 NLSYS0CIF0VSSYS_CIF_VS PIP1043 43 44 PIP1044 NLSYS0CIF0D5SYS_CIF_D5 i POSYS0UART0RXSYS_UART_RX i PIP2043 43 44 PIP2044i POSYS0CIF0VSSYS_CIF_VS PIP104545 PIP104646 PIC2302 PIP3011 Red GreenPIP204545 PIP204646 Blue 45 46 45 46 SYS_EMIF_OE_NNLSYS0EMIF0OE0N 47 48 NLSYS0EMIF0D14SYS_EMIF_D14 11 SYS_INT_NNLSYS0INT0N 47 48 NLSYS0CIF0RST0NSYS_CIF_RST_N PIP1047 47 48 PIP1048PIU7011 Light POSYS0INT0NSYS_INT_N Light PIP2047 47 48 PIP2048Light POSYS0CIF0RST0NSYS_CIF_RST_N SYS_EMIF_WE_NNLSYS0EMIF0WE0N 49 50 NLSYS0EMIF0D15SYS_EMIF_D15EN_N NLSYS0CIF0D6SYS_CIF_D6C23COC23 SYS_UART_DNNLSYS0UART0DN 49 50 NLSYS0CIF0PCLKSYS_CIF_PCLK [3] PIP1049 49 50 PIP1050 PIP3012 POSYS0UART0DNSYS_UART_DN PIP2049 49 50 PIP2050 RGB POSYS0CIF0PCLKSYS_CIF_PCLK 51 52 PID902 PID905 PID801 51PID806 52 GND PIP105151 52 PIP1052 GND100n GND 12 PIP205151 52 PIP2052 GND SYS_EMIF_WAIT_NNLSYS0EMIF0WAIT0N 53 54 NLSYS0EMIF0BE00NSYS_EMIF_BE0_N NLSYS0CIF0D7PIC2301 SYS_CIF_SCLNLSYS0CIF0SCL 53 54 NLSYS0CIF0XCLKSYS_CIF_XCLK : Information : Multicolour PIP105353 54 PIP1054 SYS_CIF_D74 i POSYS0CIF0SCLSYS_CIF_SCL i PIP205353 54 PIP2054 POSYS0CIF0XCLKSYS_CIF_XCLK : RS-232 SYS_EMIF_INT_NNLSYS0EMIF0INT0N 55 56 NLSYS0EMIF0BE10NSYS_EMIF_BE1_N C1- PIU704 PIP3013 Green SYS_CIF_SDANLSYS0CIF0SDA Blue55 56 NLSYS0CIF0PD0NSYS_CIF_PD_N PIP105555 56 PIP1056 POSYS0CIF0SDA13SYS_CIF_SDA PIP205555 56 PIP2056 POSYS0CIF0PD0NSYS_CIF_PD_N 57 GND 58 NLSYS0CIF0D8 Light Light 57 58 VSYS4.2 PIP105757 58 PIP1058 NLSYS0COLDRST0N SYS_CIF_D8VSYS4.2 VIO5.0 NLSYS0WARMRST0N PIP205757 58 PIP2058 VIO5.0 PIP105959 PIP106060 SYS_COLDRST_N 5 PIP3014 POSYS0WARMRST0N SYS_WARMRST_NRGBPIP205959 COP5P5 PIP2060 60 Transceiver Processing Light Diode [8] 59 60 NLSYS0CIF0D0000110 PIU705 PID90114SYS_WARMRST_NPID906 59 60 C2+ VIO3.3 NLSYS0CIF0D9SYS_CIF_D9 «full» 3 FX8C-60S-SV PIC2402 PIP3015 i Blue FX8C-60S-SVPIP501 1 16 15 PIU7016 NLSYS0CIF0D10SYS_CIF_D10COC24 Light PIP502 FORCEOFF_NSYS_CIF_D[0..11] C24 2 12 PIP3016 RGB : Laser PIU7012 FORCEON 100n 16 PIP503 3 NLSYS0CIF0D11SYS_CIF_D116 PIC2401 C2- PIU706 PIP3017 PIP504 4 10 NLSYS0CIF0XCLK 17 Range can PIU7010 INVALID_N SYS_CIF_XCLK PIP3018 PIP505 5 uart [3] POSYS0CIF0XCLKGNDSYS_CIF_XCLK 3 18 V+NLSYS0CIF0SHUTTERPIU703 PIP506 6 14 SYS_CIF_SHUTTER7 Finder POSYS0CIF0SHUTTERSYS_CIF_SHUTTERPIU7014 GND V-NLSYS0CIF0STROBEPIU707 PIP3019 19 PIP507 7 POSYS0CIF0STROBE SYS_CIF_STROBE PIP3020 PIP508 8 Receptacle SYS_CIF_STROBESN65C3221E PIC2502 PIC2602 20 «full» «full» GND PIP3021 S8B-PH-SM4 VIO1.8 NLSYS0REG0ENC25COC25 COC26C26 21 POSYS0REG0EN SYS_REG_EN100n 100n PIP3022 : Programming «full» : Bottom : Camera SYS_REG_EN PIC2501 PIC2601 22 GND ci Connector GND PIP3023 23 Receptacle System Connector VSYS4.2 PIP3024 24 NLSYS0CIF0RST0NSYS_CIF_RST_NGND POSYS0CIF0RST0NSYS_CIF_RST_N PIP3025 25 NLSYS0CIF0SCLSYS_CIF_SCL POSYS0CIF0SCLSYS_CIF_SCL PIP3026 26 NLSYS0CIF0SDASYS_CIF_SDA POSYS0CIF0SDASYS_CIF_SDA PIP3027 27 FH26-27S-0.3SHW

Abbildung 1.1: Zielsetzung der Arbeit, bestehend aus einem autonomen Miniroboter und agilen Leiterplattenentwurfsprozess

Universität Bielefeld. Der praktische Entwurfsprozess vermittelte einerseits ein tiefgreifendes Verständnis der Prozesse sowie Wechselwirkungen und offenbart andererseits Herausforderungen sowie Handlungsbedarf im Bereich des Leiterplattenentwurfs. Ent- sprechend bildet der Übergang zum Leiterplattenentwurf einen Schwerpunkt eines Instrumentariums für die interdisziplinäre Entwicklung intelligenter Produkte im Quer- schnittsprojekt Systems Engineering des Spitzencluster Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe (it’s OWL).

Zielsetzung der Arbeit

Entsprechend der Motivation besteht die Zielsetzung dieser Arbeit aus der Entwick- lung eines modularen autonomen Miniroboters und der Modellbildung eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses (siehe Abbildung 1.1). Das erste Ziel dieser Arbeit ist eine mechanische, elektronische und informationstech- nische Entwicklung eines modularen vollständig autonomen Miniroboters, welcher im Gegensatz zu existieren Minirobotern eine einfache Anpassung an zum ursprünglichen Entwurfszeitpunkt nicht abgedeckte Aufgaben unterstützt und eine Erweiterung um zukünftige Technologien begünstigt. Eine zusätzliche Leitlinie bildet die Kombination handelsüblicher Sensortechnologie und Informationsverarbeitung zu einem ressour-

3 1 Einleitung cenefﬁzienten und leistungsstarken Miniroboter als Plattform zur Lehre verschiedener Aspekte intelligenter technischer Systeme und zur wissenschaftlichen Forschung im Kontext autonomer Robotersysteme. Dabei besteht die Informationsverarbeitung aus einem heterogenen Netz verschiedener gebräuchlicher Mikrocontroller, Einplatinen- computer und programmierbarer logischer Schaltungen. Das zweite Ziel dieser Arbeit, ein methodischer und agiler Schaltungs- beziehungsweise Leiterplattenentwurfsprozess, resultiert aus den Herausforderungen der praktischen interdisziplinären Entwicklung eines intelligenten technischen Systems respektive des modularen autonomen Miniroboters. Einerseits vermittelt eine praktische Anwendung ein tiefgreifendes Verständnis der Prozesse sowie Wechselwirkungen und andererseits proﬁtiert die Prozessgestaltung von den Erfahrungen sowie Erkenntnissen aus einer praktischen interdisziplinären Entwicklung. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit bildet dabei im Unterschied zum Stand der Technik die detaillierte Darstellung der Schaltungs- entwicklung, die Kopplung zwischen System- und Leiterplattenentwurf sowie eine steigende Wiederwendung sowohl von Bauteilen als auch von Schaltungsfragmenten.

Aufbau der Arbeit

Im Anschluss an diese Einleitung führt Kapitel 2 im Kontext der Arbeit angewandte Me- thoden und Verfahren der Systemtechnik ein. Es definiert wesentliche Systembegriffe, beschreibt Grundlagen verschiedener Modellierungssprachen und repräsentiert eine Entwurfsraumexploration. Die Spracheinführungen umfassen eine standardisierte Sys- temmodellierung für Blockdiagramme, eine gebräuchliche Merkmalsmodellierung der Softwareproduktlinienentwicklung, eine international normierte Geschäftsprozessmo- dellierung sowie eine durch den Autor spezifizierte Entwicklungsprozessmodellierung zur Identifizierung und Strukturierung von Abhängigkeiten beziehungsweise Wechsel- wirkungen in einem Entwicklungsprozess. Die Entwurfsraumexploration beschreibt unter anderem eine Mehrzieloptimierung und repräsentiert sowie vergleicht verschiedene Bewertungsfunktionen beziehungsweise Methoden der Entscheidungsfindung. Kapitel 3 dokumentiert die interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters. Es gibt einen Überblick über den Stand der Technik leistungsfähiger Miniroboter, beschreibt die Anforderungen an den entwickelten Miniroboter und er- läutert die Entwicklungen der einzelnen Fachdisziplinen beziehungsweise Teilprozesse. Der Systementwurf spezifiziert die Module, Schnittstellen, Gestalt und Softwarearchi- tektur des Miniroboters. Die Konstruktion charakterisiert verschiedene Baugruppen und Bauteile. Der Leiterplattenentwurf beschreibt unter anderem die Architektur, Plat- zierung und Entflechtung der Leiterplatten beziehungsweise Flachbaugruppen. Die Softwareentwicklung erläutert Startprogramm, Betriebssystem und Werkzeugkette beziehungsweise Softwareerstellungssystem der Mikrocontroller und des Einplatinen- computers. Die logische Schaltungsentwicklung beschreibt die Logikentwicklung der programmierbaren logischen Schaltung. Die Produktion dokumentiert unter anderem

4 die Beschaffung, Fertigung und Inbetriebnahme sowie Kostenverteilung. Außerdem repräsentiert das Kapitel die wichtigsten Leistungsdaten, vergleicht den entwickelten Miniroboter mit dem Stand der Technik und referenziert realisierte Anwendungen. Kapitel 4 beschreibt das Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses. Es beginnt mit einer Übersicht über den Stand der Technik in Literatur, Lehre, Forschung, Normen, Richtlinien, Softwarewerkzeugen und Praxis. Aufbauend auf den Erkenntnis- sen aus der interdisziplinären Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters sowie dem Stand der Technik wird eine Problemstellung ausgearbeitet und eine einheitliche Begriffsdeﬁnition eingeführt. Anschließend wird ein Entwurfsmodell entwickelt und eine alternative Schaltungsmodellierung beschrieben. Basierend auf dem Entwurfs- modell wird ein kompletter Entwurfsprozess speziﬁziert und eine denkbare Umsetzung verschiedener Bibliotheken vorgestellt. Abschließend werden die Leistungsmerkma- le des Entwurfsprozesses zusammengetragen und eine theoretische Ausführung des entwickelten Leiterplattenentwurfsprozesses dargestellt. Kapitel 5 fasst wesentliche Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen. Außerdem wird ein Ausblick auf denkbare Erweiterungen des modularen autonomen Miniroboters und Umsetzungen des agilen Leiterplattenentwurfsprozesses gegeben.

Anmerkungen

Auf Grund der Interdisziplinarität dieser Arbeit und hinsichtlich einer eindeutigen Ter- minologie wird größtenteils auf Abkürzungen und englische Begriffe im Text verzichtet. Abbildung und Quelltext der Hard- und Software des entwickelten Miniroboters sind in der ursprünglichen englischen Sprache beschrieben und entsprechend im Fließtext übersetzt. Begriffsdeﬁnition und -einführungen beinhalten grundsätzlich zwecks einer eindeutigen Zuordnung gebräuchliche englische Begriffe oder Eigennamen in runden Klammern. Die Farben verschiedener Diagramme basieren auf ColorBrewer von Brewer [22].

2 Systemtechnik

Die Systemtechnik (systems engineering) beschäftigt sich mit der systematischen Ver- wendung von Methoden und Werkzeugen zur interdisziplinären, ingenieurmäßigen Entwicklung komplexer technischer Systeme. Sie umfasst eine Vielzahl von Teilgebie- ten und begleitet insgesamt die Systementwicklung. Die durch den Autor gewählte Übersetzung orientiert sich an der Softwaretechnik (software engineering) und besitzt eine Abgrenzung zum eigentlichen Systementwurf (system design). Die Systemtech- nik begleitet und unterstützt die Tätigkeit der Systementwicklung und repräsentiert eine eigene Fachdisziplin in der Produktentstehung. Entsprechend der Gesellschaft für Systems Engineering (GfSE) sind Aufgaben der Systemtechnik unter anderem die Anforderungsentwicklung, Systemarchitekturentwicklung, Systementwicklung, Systemanalyse sowie Verifikation und Validierung. Das Kapitel enthält eine kurze Begriffsdefinition und beschreibt entscheidende Me- thoden sowie Werkzeuge der Systemtechnik im Kontext des agilen Leiterplattenent- wurfsprozesses. Dies beinhaltet unter anderem eine System-, Merkmals-, Geschäftspro- zess- und Entwicklungsprozessmodellierung sowie eine Entwurfsraumexploration. Die Modellierungen beschreiben jeweils eine standardisierte, gebräuchliche oder eigens vom Autor entwickelte grafische Modellierungssprache. Die Entwurfsraumexploration enthält neben einer Methodenbeschreibung auch eine Einführung und Gegenüber- stellung verschiedener Bewertungsfunktionen. Dabei besteht die Geschäfts- und Ent- wicklungsprozessmodellierung aus einer überarbeiteten Version der Veröffentlichung „Datenflussmodellierung als Methode zur Optimierung von Entwicklungsprozessen am Beispiel der Leiterplattenentwicklung“ [A6].

2.1 Begriffsdeﬁnitionen

Die Begriffsdeﬁnition speziﬁziert nur die wesentlichen Ausdrücke der Systemtechnik und erfolgt in Anlehnung an das Internationale Elektrotechnische Wörterbuch [41] sowie dem DIN-TERMinologieportal [43]. „Ein System ist eine Zusammenfassung von technisch-organisatorischen Mitteln zur autonomen Erfüllung eines Aufgabenkomplexes“ [43, Stichwort: System, DIN 25424-1:1981-09]. Es bildet eine „Menge miteinander in Verbindung stehender Ele- mente, die in einem bestimmten Zusammenhang als Ganzes gesehen und als von ihrer Umgebung abgegrenzt betrachtet werden“ [41, IEV-Nummer: 151-11-27]. Die System- grenze ist eine willkürliche Abgrenzung zwischen dem System und seiner Umgebung.

7 2 Systemtechnik

Eine Schnittstelle ist eine „gemeinsame Übergangsstelle zwischen einem betrachteten System und einem anderen System oder zwischen Teilen eines Systems, durch die Information oder elektrische Energie übertragen wird“ [43, Stichwort: Schnittstelle, DIN EN 61131-2:2008-04]. Sie beschreibt eine „Grenze zwischen zwei Funktionsein- heiten, die durch funktionelle Merkmale, Signalkenngrößen oder andere Merkmale als geeignet festgelegt ist“ [41, IEV-Nummer: 351-42-25]. Ein Objekt ist eine „abstrakte Darstellung einer bestimmten Komponente innerhalb eines Gerätes“ [43, Stichwort: Objekt, DIN EN 61158-5-12:2015-09]. Es repräsentiert ein „Konzept für alle materiellen Gegenstände (Erzeugnis, Produkt, Ware, Sache, materielles Gut) und für alle nicht-materiellen Gegenstände (Dienstleistung, Beratung, geistiges Gut, Software), das durch Eigenschaften, d. h. durch all jene Merkmale charakterisiert wird, die dieses Konzept von einem anderen unterscheidet sowie zweifelsfrei und eindeutig beschreibt“ [43, Stichwort: Objekt, DIN 4002-2:2007-07]. Außerdem ist es in „der objektorientierten Modellierung, eine besondere Instanziierung einer Klasse“ [43, Stichwort: Objekt, DIN EN ISO 11073-10471:2011-07]. Eine Eigenschaft ist eine „allgemeine Bezeichnung für beschreibende Informationen zu einem Objekt“ [43, Stichwort: Eigenschaft, DIN EN 61158-6-21:2013-03] und ein „spezielles Charakteristikum eines Objekttyps“ [43, Stichwort: Eigenschaft, DIN EN ISO 16484-5:2014-09]. Ein Merkmal repräsentiert eine „verallgemeinerte Eigenschaft, die aus einer Men- ge verwandter Eigenschaften beschrieben wird“ [43, Stichwort: Merkmal, DIN EN 61360-1:2004-12]. „Eine Klasse ist eine Verallgemeinerung des Objektes, eine Vorlage für die Festlegung von [...][Eigenschaften]. Alle Objekte in einer Klasse sind in ihrer Form und in ihrem Verhalten identisch, enthalten aber üblicherweise unterschiedliche Daten [...]“ [43, Stichwort: Klasse, DIN EN 6115-5-15:2013-01]. Eine Klasse beschreibt einen „Satz von Objekten, die allesamt den gleichen Typ von Systemkomponenten repräsentieren“ [43, Stichwort: Klasse, DIN EN 61158-5-15:2013-01].

2.2 Systemmodellierung

Die Systemmodellierung ist ein interdisziplinäres, phasenübergreifendes und formali- siertes Werkzeug der modellbasierten Systemtechnik (Model-Based System Engineering (MBSE)). Ein verbreiteter Standard zur Systemmodellierung ist die Systems Modeling Language (SysML) der Object Management Group (OMG). Sie ist eine universale grafische Modellierungssprache für die Spezifikation, Analyse, Entwurf und Verifikation komplexer Systeme [61]. Die Sprache repräsentiert eine erweiterte Untermenge der Unified Modeling Language (UML). Die Systems Modeling Language (SysML) wurde von der Object Management Group (OMG) und dem International Council On Systems Engineering (INCOSE) zusammen entwickelte und im September 2007 als Version 1.0 veröffentlicht [125]. Es folgten die

8 2.2 Systemmodellierung

«block» Block 1 «full» port 1 : Block 8 «full» port 2 : Block 9 parts : Block 2

part 2 [0..1] part 3

«block» «block» Block 3 Block 4

proxy ports proxy ports port 1 : ~Interface Block 2 port 1 : ~Interface Block 2 port 2 : Interface Block 3 port 2 : Interface Block 4

values parts value : Integer = 100 part 1 : Block 5 [2] part 2 : Block 6

values «block» value : Integer = 20 Block 7

parts : Block 8

values value : Integer = 50 {redeﬁnes value} value 2 : String = “Text”

Abbildung 2.1: Beispiel eines Blockdeﬁnitionsdiagramms

Version 1.1 im November 2008, 1.2 im Juni 2010, 1.3 im Juni 2012 und 1.4 im Juni 2015 [126, 127, 128, 129]. Die folgende Syntax- und Semantikbeschreibung sowie die Bezeichnungen basieren auf einem Handbuch von Friedenthal, Moore und Steiner [61] sowie der englischen und deutschen Notationsübersicht von Weilkiens [161, 160]. Die Beschreibungen beschränken sich auf die verwendeten Elemente der Modellierungssprache und entsprechen keiner vollständigen Einführung. Sie repräsentieren eine Formalisierung der traditionellen Blockdiagramme und dienen der Modellierung verschiedener System- strukturen.

2.2.1 Blockdefinitionsdiagramm Ein Blockdefinitionsdiagramm (block definition diagram) definiert die Merkmale und strukturellen beziehungsweise hierarchischen Beziehungen eines Blocks (siehe Ab- bildung 2.1). Es besteht aus einzelnen Blöcken, verschiedenen Eigenschaften und strukturellen Beziehungen.

9 2 Systemtechnik

Blöcke

Ein Block (block) modelliert eine Gruppe respektive Klasse struktureller Element eines Systems. Er wird durch ein Rechteck dargestellt und ist unterteilt in eine Folge von Ab- schnitten. Der oberste Abschnitt ist obligatorisch. Er enthält mindestens einen Stereotyp in Guillemets («, ») und einen Blocknamen in fetter Schriftstärke. Dabei repräsentiert der Stereotyp eine Erweiterung vorhandener Modellelemente beziehungsweise eine sogenannte Metaklasse und beschreibt vornehmlich einen Verwendungszusammenhang eines Blocks. Weitere wahlweise Eigenschaften, wie beispielsweise Einzelteile und Werte, beﬁnden sich jeweils in weiteren Abschnitten. Die Abschnitte besitzen jeweils eine zentrierte führende Beschriftung in kursiver Schriftart.

Einzelteile

Ein Einzelteil (part) ist ein strukturelles Merkmal eines Blocks. Es entspricht einer Instanz eines anderen Blocks und ist vergleichbar mit einem Element einer Stückliste. Es besitzt einen optionalen Namen, einen durch ein Doppelpunkt eingeleiteten obligatorischen typisierenden Block und eine Multiplizität in eckigen Klammern. Einzelteile (parts) werden in einem separaten Abschnitt eines Blocks modelliert. part name : block name [multiplicity]

Multiplizität

Eine Multiplizität (multiplicity) beschreibt die zulässige Anzahl einer Eigenschaft. Sie entspricht einem Intervall und besteht typischerweise aus einer mittels zwei Punkten getrennten unteren und oberen Grenze. Eine unbeschränkte obere Grenze wird durch einen Stern (*) symbolisiert und zwei gleiche Grenzen werden nur durch eine Zahl dargestellt. Eine fehlende Multiplizität modelliert eine identische obere und untere Grenze von eins. lower bound..upper bound

Werte

Ein Wert (value) speziﬁziert einen Zahlen- oder Textwert eines Blocks. Er besitzt einen Namen, einen durch ein Doppelpunkt eingeleiteten charakterisierenden Block oder Datentypen und wahlweise einen Standardwert hinter einem Gleichheitszeichen. Werte (values) werden in einem separaten Abschnitt eines Blocks speziﬁziert. value name : type name = default value

10 2.2 Systemmodellierung

Anschlüsse

Ein Anschluss (port) repräsentiert einen Zugangspunkt an der Grenze eines Blocks und dessen typisierten Einzelteilen. Er wird allgemein durch ein Rechteck auf der Kante des zugehörigen Blocks beziehungsweise Einzelteils sowie einem Namen, einen durch ein Doppelpunkt eingeleiteten typisierenden Block und eine Multiplizität in eckigen Klammern entweder innerhalb oder neben dem Rechteck symbolisiert. Ein Anschluss kann weitere verschachtelte (nested) Anschlüsse besitzen und wird als vollwertiger oder stellvertretender sowie konjugierter Anschluss speziﬁziert. Ein vollwertiger Anschluss (full port) ähnelt einem Einzelteil an der Grenze eines Blocks und wird mittels eines Blockes typisiert. «full» port name : block name [multiplicity]

Ein stellvertretender Anschluss (proxy port) legt Eigenschaften eines Blocks frei und besitzt keine interne Struktur oder ein Verhalten. Er wird mittels eines Schnittstel- lenblocks (interface block) typisiert. Alle folgenden Abbildungen implizieren einen stellvertretenden Anschluss für unspeziﬁzierte Anschlüsse. «proxy» port name : interface block name [multiplicity]

Ein konjugierter (conjugated) Anschluss besitzt eine umgekehrte Richtung der Fließ- eigenschaften. Die Konjugierung gilt auch für verschachtelte Anschlüsse und kehrt die Richtung aller Fließeigenschaften um. Der konjugierte Anschluss erlaubt die Wieder- verwendung eines Schnittstellenblocks an beiden Seiten einer Verbindung. Vollwertige Anschluss und Einzelteile können nicht konjugiert werden, da sie aus weiteren Ein- zelteilen bestehen dürfen und diese selbst feste Anschlussrichtungen besitzen. Ein konjugierter Anschluss wird mittels einer Tilde (~) vor dem Schnittstellenblock gekennzeichnet. «proxy» port name : ~interface block name [multiplicity]

Alternativ wird ein Anschluss in einem separaten Abschnitt eines Blocks für vollwertige Anschlüsse (full ports) oder stellvertretende Anschlüsse (proxy ports) modelliert. port Name : block name [multiplicity] port Name : interface block name [multiplicity]

Kompositionen

Eine Komposition (composition) setzt zwei Blöcke in eine Teil-Ganzes-Beziehung und ist äquivalent zu einem Einzelteil. Sie wird durch einen Pfeil sowie einen Namen und eine Multiplizität am Ende des Teils modelliert. Der Pfeil besitzt einen schwarzen Diamant am Ende des Ganzen und eine offene Pfeilspitze am Ende des Teils. Eine Komposition repräsentiert eine alternative Modellierung zum Einzelteil.

11 2 Systemtechnik

port 1 : ~Interface part 2 : Block 3 port 1 : Block 2 ~Interface initialValues port 2 : Block 3 «full» port 2 : −3 port 1 : Interface value = 300 × 10 Interface Block 8 Block 2 Block 3 «full» : Block 2 port 2 : port 1 : port 2 : Block 9 Interface part 3 : Block 4 Interface Block 1 Block 4 port 2 : ~Interface port 1 : initialValues 6 Block 4 ~Interface value = 5 × 10 Block 2

Abbildung 2.2: Beispiel eines internen Blockdiagramms

Generalisierungen

Eine Generalisierung (generalization) ist eine gerichtete Beziehung zwischen einem speziellen und einem generellen Block. Sie wird durch einen durchgezogenen Pfeil mit geschlossener, nicht ausgefüllter Pfeilspitze symbolisiert. Der spezielle Block im- pliziert respektive erbt alle Merkmale des generellen Blocks. Außerdem unterstützt eine Generalisierung eine Neudefinition (redefinition) existierender Werte des generellen Blocks. Sie besitzt einen Namen, einen durch ein Doppelpunkt eingeleiteten charakterisierenden Block oder Datentypen, wahlweise einen Standardwert hinter einem Gleichheitszeichen und in geschweiften Klammern eingeleitet durch redefines den ursprünglichen Namen des Werts. value name : type name = default value {redefines value name}

2.2.2 Internes Blockdiagramm

Ein internes Blockdiagramm (internal block diagram) ähnelt einem traditionellen elektrischen Blockdiagramm und beschreibt die Verbindungen zwischen Einzelteilen eines Blocks (siehe Abbildung 2.2).

Block

Ein Block (block) wird als großes Rechteck dargestellt und bildet den Rahmen eines internen Blockdiagramms.

12 2.3 Merkmalsmodellierung

Einzelteile

Ein Einzelteil (part) repräsentiert einen Teil eines Blocks. Es wird durch ein Rechteck dargestellt und ist unterteilt in eine Folge von Abschnitten. Der oberste Abschnitt ist obligatorisch und die weiteren wahlfreien Abschnitte besitzen jeweils eine zentrierte führende Beschriftung in kursiver Schriftart. Ein Einzelteil besitzt im obersten Abschnitt jeweils in fetter Schriftstärke einen optionalen Namen, einen durch ein Doppelpunkt eingeleiteten obligatorischen typisierenden Block und eine Multiplizität in eckigen Klammern. part name : block name [multiplicity]

Anfangswerte

Ein Anfangswert (initial value) definiert einen spezifischen Wert eines Einzelteils. Er besitzt einen durch ein Gleichheitszeichen getrennten Namen und Wert. value name = value Anfangswerte (initial values) werden in einem separaten Abschnitt eines Einzel- teils spezifiziert. Der Begriff Anfangswert stammt dabei aus der Softwaretechnik und repräsentiert allgemein Wertverfeinerungen.

Anschlüsse

Ein Anschluss (port) beschreibt eine Schnittstelle des umgebenden Blocks oder eines inneren Einzelteils und ist identisch zum Blockdeﬁnitionsdiagramm.

Verbinder

Ein Verbinder (connector) verbindet zwei Anschlüsse und wird durch eine Linie dargestellt.

2.3 Merkmalsmodellierung

Die Merkmalsmodellierung ist eine gebräuchliche Modellierung für das Variabilitätsma- nagement in der Softwareproduktlinienentwicklung [36, 37] und stammt ursprünglich aus der Feature-Oriented Domain Analysis (FODA) [94]. Ein Merkmalsmodell (feature model) ist eine kompakte graﬁsche Repräsentation aller Varianten einer Produktlinie. Es besteht aus einzelnen Merkmalen und wird in einem Merkmalsdiagramm visualisiert (siehe Abbildung 2.3). Merkmalsdiagramme existieren in verschiedene Ausführungen und Notationen. Die folgende Beschreibung basiert auf der Notation von Czarnecki [35].

13 2 Systemtechnik

Board

Microcontroller Conﬁguration Memory Communication

Universal Asynchronous STM32F103 STM32F405 Controller Area Network Receiver Transmitter

(a) Merkmalsbaum

(¬Control Area Network ∨ STM32F103 ∨ STM32F405) ∧ (¬Universal Asynchronous Receiver Transmitter ∨ STM32F103 ∨ STM32F405)

(b) Existenzbedingungen

Abbildung 2.3: Beispiel eines Merkmalsdiagramms (Energiemanagementmodul)

Das Merkmalsdiagramm ist primär ein Und-Oder-Baum und besteht aus unterschiedlichen in einer Baumstruktur angeordneten Knoten (siehe Abbildung 2.3a). Ein Und- Knoten gruppiert mehrere Merkmale und ein Oder-Knoten kennzeichnet mehrere Auswahlmöglichkeiten. Die Unterknoten (Kinder) eines Und-Knotens beschreiben entweder notwendige oder wahlfreie Merkmale. Notwendige Merkmale werden mit einem ausgefüllten Kreis und wahlfreies Merkmal mit einem nicht ausgefüllten Kreis gekennzeichnet. Die Kinderknoten eines Oder-Knotens beﬁnden sich untereinander in einer exklusiven oder inklusiven Alternative beziehungsweise Oder-Verknüpfung. Die exklusive Alternative ist logisch ausschließend und erlaubt eine Auswahl genau eines Merkmals. Die inklusive Alternative ist logisch nicht-ausschließend und unterstützt eine Auswahl mehrerer Merkmale. Die exklusive Alternative wird durch einen nicht ausgefüllten Kreisausschnitt und die inklusive Alternative durch einen ausgefüllten Kreisausschnitt zwischen den Verbindungslinien markiert. In der Literatur werden teilweise entgegen der Aussagenlogik statt exklusive und inklusive Alternative die unpräzisen Begriffe Alternative und Oder-Verknüpfung verwendet. Zusätzlich zur Baumstruktur besitzt ein Merkmalsdiagramm Querbeziehungen zwischen einzelnen Merkmalen. Diese Existenzbedingungen beschreiben beispielsweise fordernde oder ausgrenzende Beziehungen zwischen verschiedener Knoten eines

14 2.4 Geschäftsprozessmodellierung

Modells. Eine mögliche Beschreibung dieser Existenzbedingungen basiert auf einer Konjunktive NormalForm (KNF) (siehe Abbildung 2.3b). Eine Konjunktive Normal- Form (KNF) ist eine Formel der Aussagenlogik und besteht aus einer Konjunktion respektive logische Und-Verknüpfung von Termen. Die einzelnen Terme bestehen aus einer Disjunktion beziehungsweise logischen Oder-Verknüpfung von Merkmalen oder negierten Merkmalen. Dabei repräsentiert eine Disjunktion eines negierten und nicht negierten Merkmals einer Forderung und eine Disjunktion zweier negierter Merkmale einer Ausgrenzung.

2.4 Geschäftsprozessmodellierung

Die Geschäftsprozessmodellierung ist eine Modellierungssprache zur graﬁschen Dar- stellung von Prozessabläufen. Innerhalb der Geschäftsprozessmodellierung existieren unter anderem folgende etablierte graﬁsche Modellierungssprachen:

• Business Process Model and Notation (BPMN) [124]

• Ereignisgesteuerte ProzessKette (EPK) [142]

• Integrated DEFinition Method 3 (IDEF3) [109]

• Aktivitätsdiagramm der Uniﬁed Modeling Language (UML) [130]

Dabei bildet die Prozessmodellierung einen Schwerpunkt der verschiedenen Sprachen. Die Betrachtung der Datenflüsse ist von untergeordneter Bedeutung. Die Business Process Model and Notation (BPMN) zeichnet sich durch eine ausgeprägte Werkzeugunterstützung und weite Verbreitung aus [2, 47, 60]. Sie ermöglicht die Geschäftsprozessmodellierung und grafische Darstellung von Arbeitsabläufen. Die Modellierungssprache wurde ursprünglich von dem IBM Mitarbeiter White [162] entwickelt und 2004 von der Business Process Management Initiative (BPMI) [25] veröffentlicht. Sie wurde 2006 als ein offizieller Standard von der Object Management Group (OMG) [26] publiziert, 2011 in die Version 2.0 verabschiedete [124] und im Jahr 2013 in die Version 2.0.1 zum internationalen Standard ISO/IEC 19510:2013 erhoben [89]. Die Modellierungssprache definiert Symbole für Aufgaben, Ereignisse und logische Verzweigungen sowie Verbindungen zwischen Symbolen zur Beschreibung von Sequenzflüssen und Assoziationen (siehe Abbildung 2.4). Nachfolgend werden nur Elemente der Modellierungssprache beschrieben, welche in dieser Arbeit verwende- tet werden und für die entworfene Entwicklungsprozessmodellierung relevant sind. Die Texte basieren auf den deutschen Einführungen von Harder [78] und Götz [71]. Die deutschen und englischen Bezeichnungen der Elemente korrespondieren mit der Berliner BPM-Offensive [13] und Object Management Group (OMG) [124].

15 2 Systemtechnik

Datensenke Aufgabe 1 Datenquelle

Aufgabe 2 Aufgabe 3

Datenobjekt

Abbildung 2.4: Beispiel einer Geschäftsprozessmodellierung

Aufgaben

Eine Aufgabe (task) modelliert eine einzelne Tätigkeit in einem Entwicklungspro- zess und wird durch ein abgerundetes Rechteck dargestellt. Ein Name innerhalb des Rechtecks beschreibt die Aufgabe und informiert über den Zweck oder Inhalt einer Tätigkeit.

Sequenzﬂüsse

Ein Sequenzfluss (sequence flow) bestimmt die Abhängigkeiten zwischen Aufgaben oder weiteren Elementen und wird durch einen durchgezogenen Pfeil symbolisiert. Der Sequenzfluss gibt dem Entwicklungsprozess eine Ablaufstruktur.

Ereignisse

Ein Ereignis (event) kann im Verlauf eines Prozesses auftreten und wird durch einen Kreis dargestellt. Generell werden drei Arten von Ereignissen unterschieden und es können verschiedene Spezialisierungen der Ereignisse existieren.

Startereignisse

Ein Startereignis (start event) steht am Anfang eines Prozesses oder Prozessabschnitts und wird durch einen Kreis mit dünner Randlinie dargestellt. Ein Startereignis hat keinen eingehenden Sequenzﬂuss.

16 2.4 Geschäftsprozessmodellierung

Zwischenereignisse

Ein Zwischenereignis (intermediate event) kennzeichnet ein Ereignis im Verlauf einer Prozessausführung und wird durch einen Kreis mit doppelter dünner Randlinie dargestellt. Eine Spezialisierung des Zwischenereignisses modelliert einen Sprung im Prozessmodell. Dieser wird als Link bezeichnet und durch einen Pfeil gekennzeichnet. Es wird zwischen einer Quelle mit ausgefülltem Pfeil und einem Ziel mit nicht ausgefülltem Pfeil unterschieden.

Endereignisse

Ein Endereignis (end event) steht am Ende eines Prozesses oder Prozessabschnitts und wird durch einen Kreis mit dicker Randlinie dargestellt. Ein Endereignis hat keinen ausgehenden Sequenzﬂuss.

Gateways

Ein Gateway (gateway) ermöglicht eine Aufspaltung und Zusammenführung von Sequenzﬂüssen. Er beeinﬂusst den weiteren Verlauf eines Prozesses und wird durch eine Raute symbolisiert. Dabei existieren verschiedene Arten von Gateways.

Exklusive Gateways

Ein exklusives Gateway (exclusive gateway) dient der Darstellung von alternativen Flüssen und wird durch eine leere Raute dargestellt. Der Fluss genau eines eingehenden Sequenzﬂusses wird, basierend auf einer vordeﬁnierten Bedingung, genau auf einen der ausgehenden Flüsse weitergeleitet.

Parallele Gateways

Ein paralleles Gateway (parallel gateway) dient der Darstellung von parallelen Flüssen und wird durch eine Raute mit einem Pluszeichen in der Innenfläche symbolisiert. Es wird zwischen verzweigendem und zusammenführendem parallelem Gateway unterschieden. Der verzweigende parallele Gateway teilt einen Sequenzfluss in zwei oder mehr Flüsse auf. Alle ausgehenden Pfade eines parallelen Gateways werden unab- hängig voneinander ausgeführt. Die ausgehenden Flüsse können sowohl gleichzeitig als auch in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden. Der zusammenführende parallele Gateway vereint zwei oder mehr Flüsse zu einem Sequenzfluss. Der Fluss aller eingehenden Sequenzflüsse wird gemeinsam auf einen ausgehenden Fluss zusam- mengeführt.

17 2 Systemtechnik

Datenobjekte

Ein Datenobjekt (data object) modelliert eine gespeicherte Information und wird durch ein Rechteck mit abgeknickter Ecke dargestellt. Ein Name unterhalb des Symbols beschreibt das Datenobjekt. Weiterhin wird durch einen ausgefüllten oder nicht ausge- füllten Pfeil ein Dateneingang oder Datenausgang speziﬁziert.

Datenspeicher

Ein Datenspeicher (data store) symbolisiert ein Element, auf das Aufgaben lesend und schreibend zugreifen können und wird durch einen Zylinder mit zwei Linien am oberen Ende gekennzeichnet. Der Datenspeicher wird über einen Namen unterhalb des Elements benannt.

Datenassoziation

Eine Datenassoziation (data association) verknüpft ein Datenobjekt mit Aufgaben oder Sequenzﬂüssen und wird durch einen gepunkteten Pfeil oder eine Linie symbolisiert.

2.5 Entwicklungsprozessmodellierung

Viele Entwicklungsprozesse in Unternehmen sind historisch gewachsen und folgen einem linearen Verlauf. Neue Produktentwicklungen sind oft eine Weiterentwicklung bestehender Produkte. Wenn auch nicht explizit im Entwicklungsprozess ersichtlich, profitiert der gesamte Prozess von dem Wissen und den Erfahrungen der Entwickler aus vorhergehenden Projekten. Insbesondere ihre Fähigkeit zur Abschätzung der Wech- selwirkungen zwischen unterschiedlichen Fachdisziplinen beeinflusst den Verlauf der Entwicklung. Diese Fähigkeit kommt an ihre Grenzen, sobald auf neue Anforderungen reagiert werden muss, neue Fachdisziplinen zum Entwicklungsprozess hinzukommen oder Kompetenzen beziehungsweise Mitarbeiter ausscheiden. Im Zusammenhang mit Industrie 4.0 sind eine steigende Komplexität und neue Herausforderungen zu erwarten, so dass die Abschätzungen immer ungenauer werden. Bewährte Entwicklungsprozesse stoßen dadurch an ihre Grenzen und es ist anzunehmen, dass entweder immer seltener effiziente Lösungen gefunden werden oder die Anzahl der benötigten Iterationen im Entwicklungsprozess steigen. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, müssen die Wechselwirkungen zwischen Entwicklungsaufgaben als Teil des Entwicklungsprozes- ses betrachtet werden. Dies benötigt ein genaues Verständnis der Informationsflüsse zwischen den Entwicklungsaufgaben. Die nachfolgend vorgestellte Entwicklungspro- zessmodellierung adressiert diesen Bedarf. Im Unterschied zur Geschäftsprozessmodellierung liegt der Schwerpunkt der Ent- wicklungsprozessmodellierung nicht in der Modellierung eines vollständigen Ge-

18 2.5 Entwicklungsprozessmodellierung

Aufgabe Datenquelle Ein- Entwicklungs- schränkung objekt

Datensenke Reprä- sentation

Abbildung 2.5: Beispiel einer Entwicklungsprozessmodellierung schäftsprozesses, sondern in der Identifikation und Beschreibung der Datenflüsse in einem Entwicklungsprozess. Die Entwicklungsprozessmodellierung hilft, Abhän- gigkeiten und Wechselwirkungen im Entwicklungsprozess zu identifizieren und den Prozess anschließend zu strukturieren und zu optimieren. Die strukturierte Daten- flussmodellierung des Entwicklungsprozesses gibt dem Entwickler ein Verständnis über seine Beziehungen zu anderen Entwicklungsaufgaben und ermöglicht ihm, seine Kommunikationspartner zu identifizieren und somit selbstständig Abstimmungen, Optimierungen oder Konfliktlösungen im laufenden Entwicklungsprozess durchzu- führen. Dies bedeutet gleichzeitig, dass die vorhergehenden Entwicklungsprozesse unter Umständen neu ausgeführt werden müssen. Die Grundidee ist, den Entwickler zu einem mündigen Teil des Entwicklungsprozesses zu machen und ihn nicht auf die reine Konkretisierung zu beschränken. Im Vergleich zu einer Matrix der Datenflüsse zwischen einzelnen Aufgaben visualisiert die Entwicklungsprozessmodellierung zu- sätzlich den Prozess. Dies ist insbesondere bei der Identifizierung von Datenobjekten und Prozessoptimierung hilfreich. Die entworfene Entwicklungsprozessmodellierung basiert auf einer Untermenge der oben vorgestellten Geschäftsprozessmodellierung. Die Modellierungssprache wurde durch Einschränkungen und Anpassungen an das Modellierungsziel adaptiert (siehe Ab- bildung 2.5). Dies reduziert die Komplexität der Diagramme, vereinheitlicht die Gestalt der Diagramme und vereinfacht die Anwendung der Modellierungssprache. Im Gegen- satz zur Geschäftsprozessmodellierung bildet die Entwicklungsprozessmodellierung keine streng fortlaufende Abfolge von Entwicklungsaufgaben ab. Der Schwerpunkt liegt in der Modellierung der Datenflüsse und somit der Schnittstellen zwischen einzelnen Entwicklungsaufgaben.

Aufgaben

Eine Aufgabe beschreibt einzelne Entwicklungsaufgaben. Die Granularität sollte sich an dem Austausch von Datenobjekten orientieren. Im Unterschied zur Geschäftspro- zessmodellierung wird die Anzahl eingehender und ausgehender Sequenzﬂüsse der

19 2 Systemtechnik

Aufgaben zur Diagrammvereinheitlichung jeweils auf eins reduziert. Vereinende beziehungsweise verzweigende Flüsse werden immer durch ein zusammenführendes oder verzweigendes parallelen Gateway modelliert.

Sequenzﬂüsse

Ein Sequenzfluss beschreibt den Datenfluss zwischen Aufgaben in einem Entwick- lungsprozess ohne Rekursionen. Der Datenfluss ist zwar unidirektional, aber aufgrund von Wechselwirkungen im Prozess existiert eine parallele bidirektionale Abstimmung zwischen den Aufgaben. Außerdem werden Datenobjekte nicht einmalig ausgetauscht, sondern entstehen im Rahmen der Entwicklung sukzessive zwischen den in Beziehung stehenden Aufgaben. Rücksprünge zu einzelnen Aufgaben sind jederzeit möglich. Im Fall einer Änderung eines Datenobjekts geht der Rücksprung einher mit einer wiederholten Ausführung des gesamten restlichen Entwicklungsprozesses. Eine explizite Modellierung von Konfliktlösungen ist nicht notwendig, da Konflikte in einer Ent- wicklungsaufgabe nur durch die Anpassung eines eingehenden Datenobjekts gelöst werden können. Die Konfliktlösung erfolgt somit durch eine inverse Interpretation der eingehenden Sequenzflüsse.

Ereignisse

In der Entwicklungsprozessmodellierung wird nur der Link verwendet. Er kennzeichnet externe Datenquellen und -senken. Datenquellen werden mittels eines nicht ausgefüll- ten Pfeils und Datensenken mittels eines ausgefüllten Pfeils symbolisiert.

Datenobjekte

Die Entwicklungsprozessmodellierung unterscheidet drei Arten von Datenobjekten im Entwicklungsprozess.

Entwicklungsobjekte

Ein Entwicklungsobjekt wird direkt von einer Aufgabe zu einer anderen Aufgabe transferiert. Die Informationen werden in der Regel in Form von Modellen und speziﬁzierten Datenformaten transferiert.

Repräsentationen

Eine Repräsentation wird aus Entwicklungsobjekten abgeleitet und dient dem Datenaus- tausch zwischen verschiedenen Fachdisziplinen. Der Austausch erfolgt üblicherweise über ein standardisiertes Datenaustauschformat und die enthaltenen Informationen

20 2.6 Entwurfsraumexploration sind entweder reduziert oder um weitere Details aus der empfangenden Fachdisziplin angereichert. Das Datenobjekt wird durch einen ausgefüllten Pfeil speziﬁziert.

Einschränkungen

Eine Einschränkung beeinﬂusst den Lösungsraum einer anderen Entwicklungsaufgabe und wird oft dokumentenorientiert, beispielsweise in Form von Tabellen oder Textdo- kumenten, ausgetauscht. Das Datenobjekt wird durch einen nicht ausgefüllten Pfeil speziﬁziert und dient der expliziten Modellierung von direkten Wechselwirkungen zwischen Entwicklungsaufgaben.

Datenassoziationen Im Unterschied zum Modellierungsstandard wird in der entwickelten Modellierung auf gerichtete Datenassoziationen verzichtet. Stattdessen werden die Datenflüsse mittels Sequenzflüssen modelliert. Diese Einschränkung basiert auf der Annahme, dass die Sequenzflüsse zwischen Entwicklungsaufgaben auf dem Austausch von Datenobjekten basieren und nicht willkürlich sind. Außerdem wird auf eine Datenassoziation zwischen Datenobjekt und Sequenzfluss verzichtet und das Datenobjekt direkt in den Sequenz- fluss eingefügt. Dieses reduziert die Komplexität der Diagramme und ermöglicht die Verwendung von einfachen Graphen und entsprechenden Softwarewerkzeugen, wie beispielsweise yEd von yWorks. Auf eine direkte Einfügung der Datenobjekte in die Se- quenzflüsse kann zugunsten einer Kompatibilität mit der Geschäftsprozessmodellierung verzichtet werden.

2.6 Entwurfsraumexploration

Die Entwurfsraumexploration (Design Space Exploration (DSE)) ist eine Methode zur Sondierung alternativer Entwürfe. Ziel der Entwurfsraumexploration ist die Ermittlung einer paretooptimalen und ressourceneffizienten Lösung. Die Entwurfsraumexploration generiert verschiedene Entwürfe und ist verbunden mit einer Entscheidungsfindung. Die Entwurfsraumexploration wird unter anderem in der Mikroelektronik [121] sowie dem gemeinsamen Hardware- und Softwareentwurf (hardware/software co- design) [11] eingesetzt. Sie ähnelt der Synthese und Analyse von Lösungsvarianten im Problemlösungszyklus der Systemtechnik [76] sowie der Konzepterstellung und Nutzwertanalyse der Konstruktionslehre [131, 165]. Die verschiedenen Fachdisziplinen nutzen jeweils fachspezifische Prozesse und unterschiedliche Entscheidungsverfah- ren. Allesamt generieren verschiedene Entwürfe und beinhalten eine unterschiedlich ausgeprägte Mehrzieloptimierung sowie Entscheidungsfindung. Insgesamt fehlt in der Literatur eine interdisziplinäre Betrachtung und Gegenüberstellung der einzelnen Bewertungsfunktion der unterschiedlichen Entscheidungsverfahren.

21 2 Systemtechnik

Entwurfs- und Bildraum Der Entwurfsraum X beziehungsweise Entscheidungs- oder Suchraum der klassischen Mehrzieloptimierung repräsentiert die Menge der alternativen Entwürfe x respektive Suchpunkte oder Lösungskandidaten.

x ∈ X mit x ∈ Rn

Eine Abbildungsfunktion f oder Zielfunktion beschreibt die Abbildung des Ent- wurfsraums auf mehre beispielsweise physikalische, technische oder wirtschaftliche Eigenschaften. f : X → Rm Der mehrdimensionale Bildraum Y respektive Lösungsraum repräsentiert die Menge der Eigenschaften der Entwürfe.

Y = {f (x)|x ∈ X}

Mehrzieloptimierung Die Mehrzieloptimierung (multi-objective optimization) beziehungsweise Paretoopti- mierung ist ein Optimierungsproblem mit mehreren Zielen.

f1(x) → min, . . . ,fm(x) → min mit x ∈ X Ein Paretooptimum beschreibt einen Zustand in dem eine weitere Verbesserung einer Eigenschaft nur durch gleichzeitige Verschlechterung einer anderen erreicht werden kann [33]. Die Paretomenge P repräsentiert die Menge aller paretooptimalen Zustände.

P(Y)= x|y′ ∈ Y : y′′ ∈ Y : ∀i ∈{1, . . . ,m} : y′ ≤ y′′, ∃i ∈{1, . . . ,m} : y′ < y′′ i i i i = {y′ ∈ Y : x|y′′ ∈ Y : y′′ ≻ y′, y′′ 6= y′} = ; Der Zustand ist nach dem Ökonomen und Soziologen Pareto benannt und wurde von ihm ursprünglich in der Volkswirtschaftslehre beschrieben [133]. Jede nicht paretooptimale Konfiguration wird durch mindestens eine paretooptimale Konfiguration dominiert (siehe Abbildung 2.6). Die Menge der paretooptimalen Konfiguration wird Paretofront bezeichnet [69].

Entscheidungsﬁndung Die Entscheidungsﬁndung (decision making) vergleicht oder bewertet mittels einer Visualisierung oder Bewertungsfunktion verschiedene Entwürfe beziehungsweise Lö- sungen.

22 2.6 Entwurfsraumexploration

11 SFH7773 SFH7770 10

9 TSL27723 TMD27713 8

6 APDS-9901

Periode in ms VCNL4020 4

1 ISL29029

0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1/Distanz in 1/m Paretooptimal Dominiert

Abbildung 2.6: Beispiel einer Paretooptimierung (Näherungssensoren)

Die Visualisierung stellt mehrere, gleichwertige Eigenschaften verschiedener Ent- würfe beispielsweise mittels Balken-, Säulen- oder Netzdiagramme graﬁsche dar. Ein Balken- oder Säulendiagramm präsentiert Eigenschaftswerte separiert als horizontale Balken oder senkrechte Säulen. Ein Netzdiagramm visualisiert Eigenschaftswerte in einer Spinnennetzform und besitzt pro Eigenschaft eine Achse (siehe Abbildung 2.7). Die Achsen besitzen eine einheitliche Orientierung mit Optimum entweder im Zentrum oder am äußeren Rand. Eine Bewertungsfunktion U bildet die mehrdimensionalen Eigenschaftswerte eines Entwurfs x auf einen einzelnen Zahlenwert ab und erlaubt die Bewertung anhand einer Kennzahl. Eine Auswahl verschiedener Bewertungsfunktion wird im weiteren Verlauf kompakt beschrieben. Die Funktionsbeschreibungen basieren teilweise auf dem Manuskript der Lehrveranstaltung „Multicriteria Optimization and Decision Analysis“ von Emmerich und Deutz [52, 53]. Eine einfache Bewertungsfunktion zur Zusammenfassung mehrerer Eigenschafts- werte ist die mit ω gewichtete lineare Aggregation Uaggre.

m U (x)= ω f (x) aggre X i i i=1 Eine verbreitete nichtlineare Bewertungsfunktion in der Volkswirtschaftslehre ist die Cobb-Douglas-Nutzenfunktion UCD für nicht negative Abbildungsfunktion. Eine

23 2 Systemtechnik

Emitterstrom Frequenz

0% 25% 50% 75% 100% 1/Stromaufnahme Entfernung

1/Preis Lagerbestand

APDS-9901 SFH7773 TMD27711 VCNL4020

Abbildung 2.7: Beispiel eines Netzdiagramms (Näherungssensoren) zusätzliche Einschränkung gewährleistet konstante Skalenerträge und erzeugt einen doppelten Bewertungswert bei Verdopplung aller Eigenschaftswerte.

m m U (x)= f (x)ai mit f (x) > 0, . . . ,f (x) > 0, a > 0, . . . ,a > 0, a = 1 CD Y i 1 m 1 m X i i=1 i=1 Verschiedene technische Gütekriterien, beispielsweise das Leistungsaufnahme-Aus- führungszeit-Produkt (power-delay product) der Digitaltechnik, entsprechen einer Aus- prägung der Cobb-Douglas-Nutzenfunktion, wenngleich sie die beiden letzten Neben- bedingungen beziehungsweise Einschränkungen verletzen. Eine alternative Bewertungsfunktion bildet die Entfernung zu einem Referenzpunkt d. Sie bewertet die einzelnen Entwürfe entsprechend eines gewichteten Abstands zu einer idealen Lösung x′. Eine denkbare ideale Lösung bildet dabei der Nullpunkt.

m d(x, x′)= vγ ω |f (x) − f (x′)|γ mit γ ≥ 1, ω > 0, . . . , ω > 0 uX i i i 1 m t i=1 Neben einer direkten Bewertung existieren auch Ansätze zur anfänglichen Beurtei- lung respektive Skalierung der einzelnen Eigenschaftswerte mittels Wertskalaren oder

24 2.6 Entwurfsraumexploration

1 1 1

0,5 0,5 0,5 Bewertungswert Bewertungswert Bewertungswert 0 0 0 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 Eigenschaftswert Eigenschaftswert Eigenschaftswert

l = 1 1 l = r = 1 5 r = 5 5 l = 1 r = 1 l = r = 1 l = 5 r = 5 l = r = 5

(a) Maximierung (b) Minimierung (c) Zielwert

Abbildung 2.8: Beispiel verschiedener Wünschbarkeitsfunktionen

Wertfunktionen. Diese beschreiben jeweils einen Zusammenhang zwischen Ausprägung beziehungsweise Größe und Bewertung respektive Wert einer einzelnen Eigenschaft. Die Nutzwertanalyse der Konstruktionslehre spezifiziert ein ganzzahliges Wertspek- trum von 0 bis 10 oder „absolut unbrauchbar“ bis „Ideallösung“ für die Repräsentation der Wertvorstellungen [131, S. 172]. Der Wünschbarkeitsindex (desirability index), ursprünglich von Harrington für die Qualitätssicherung vorgeschlagen [79], definiert für jede Eigenschaft eine Wertefunktion beziehungsweise Wünschbarkeitsfunktion. Die Wünschbarkeitsfunktion variiert zwischen 0 bis 1 und stellt eine Skalentransforma- tion der Originalwerte dar. Je näher der Wert an dem maximalen Wert liegt, desto gewünschter, also besser ist er hinsichtlich der Optimierung. Die Werte- oder Wünsch- barkeitsfunktionen unterscheiden sich dabei je nach Optimierungsziel der betrachteten Eigenschaft. Derringer und Suich [39] definieren drei verschiedene unstetige Wünschbarkeits- funktion v (siehe Abbildung 2.8).

Eine einseitige Wünschbarkeitsfunktion vmax zur Maximierung eines Eigenschafts- werts. min 0, yi ≤ yi  y −ymin li v (x)= i i max min max  max min , yi < yi < yi  yi −yi max 1, yi ≥ yi  Eine einseitige Wünschbarkeitsfunktion min zur Minimierung eines Eigenschafts- werts. max 0, yi ≥ yi  max ri yi −yi max min vmin(x)=  min max , yi < yi < yi  yi −yi min 1, yi ≤ yi 

25 2 Systemtechnik

Eine zweiseitige Wünschbarkeitsfunktion vtarget zur Erreichung eines Zielwerts einer Eigenschaft. min 0, yi ≤ y  i y −ymin li  i i , ymin < y ≤ t  t −ymin i i i v (x)=  i i target  max ri  yi −yi max t −ymax , ti < yi < yi i i 0, y ≥ ymax  i i  Aufgrund der Wünschbarkeitsfunktion werden die Werte der Eigenschaften direkt vergleichbar und unterschiedliche Maßeinheiten der Eigenschaften sind nicht mehr relevant. Im Unterschied zur direkten Bewertungsfunktion wird der Wünschbarkeitsindex maximiert.

Der Wünschbarkeitsindex nutzt ursprünglich den geometrischen Mittelwert Ugeom der einzelnen Wünschbarkeitsfunktionen.

m U (x)= vm v (f (x)) geom uY i i t i=1

Eine Alternative stellt der arithmetische Mittelwert Uarithm der Wünschbarkeitsfunk- tionen dar. m 1 U (x)= v (f (x)) arithm m X i i i=1 Die Nutzwertanalyse der Konstruktionslehre nutzt im Gegensatz dazu eine gewichtete Summe Usum der Wertfunktionen [131, S. 174].

m m U (x)= ω v (f (x)) mit ω > 0, . . . ,ω > 0, ω = 1 sum X i i i 1 m X i i=1 i=1

Im Bereich der Gewichtung der einzelnen Eigenschaften existieren verschiedene Methoden aus dem Bereich der Entscheidungstheorie, beispielsweise der paarweise Vergleich der Eigenschaften des analytischen Hierarchieprozesses (Analytic Hierarchy Process (AHP)) von Saaty.

Gegenüberstellung Die Gegenüberstellung vergleicht die verschiedenen Bewertungsfunktionen mittels Niveaukurven. Eine Niveaukurve (level curve) L respektive Indifferenzkurve der Volks- wirtschaftlehre oder Isoquante der Wirtschaftswissenschaften bezeichnet eine Funktion aller indifferenten, also gleich guten, Bewertungsniveaus xˆ beziehungsweise Entwürfe.

L(xˆ)= {x|x ∈ X : f (x)= f (xˆ)}

26 2.6 Entwurfsraumexploration

0,5

0,45

APDS-9901 0,4

0,35

0,3

0,25 Lagerbestand /

1000 0,2

0,15 TMD27711 VCNL4020 0,1 SFH7773

0,05

0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 Preis in € Maximalwert Minimalwert lineare Aggregation Cobb-Douglas-Nutzenfunktion Entfernung zum Referenzpunkt geometrischer Wünschbarkeitsindex arithmetischer Wünschbarkeitsindex gewichtete Summe

Abbildung 2.9: Beispiel von Niveaukurven verschiedener Bewertungsfunktionen

Die Niveaukurve erlaubt einen Vergleich verschiedener Bewertungsfunktionen respektive Entwürfe und dienen der graﬁschen Gegenüberstellung unterschiedlicher Funktionen (siehe Abbildung 2.9). Der Maximalwert repräsentiert die Grenze zu inakzeptablen Eigenschaftswerten und der Minimalwert die Abgrenzung zu indifferenten Werten. Die lineare Aggregation, Cobb-Douglas-Nutzenfunktion und Entfernung zum Referenzpunkt basieren direkt auf den Abbildungsfunktionen oder Eigenschaften der Entwürfe und sind somit abhängig von den Maßeinheiten. Die Cobb-Douglas-Nut- zenfunktion begünstigt kleine beziehungsweise extrem ausgeprägte Eigenschaften. Die Entfernung zum Referenzpunkt bildet einen Kreis um den Referenzpunkt (Null- punkt). Die letzten drei Bewertungsfunktionen nutzen bewertete genauer gesagt auf ein festes Intervall skalierte Abbildungsfunktion oder Eigenschaften. Der arithmetische Mittelwert und die gewichtete Summe der Nutzwertanalyse begünstigen inakzeptable Eigenschaftswerte. Sie beinhalten im nicht differenzierbaren Bereich nicht paretooptimale Punkte. Der geometrische Wünschbarkeitsindex entfernt sich jeweils von den inakzeptablen Werten der Abbildungsfunktionen und wird stärker durch kleine Werte der Wünschbarkeitsfunktionen beeinﬂusst. Alleinig der geometrische Wünsch- barkeitsindex stellt sicher, dass ein inakzeptables Niveau einer Zielgröße unabhängig von anderen Zielgrößen als unvertretbar betrachtet wird. Entsprechend benötigt der

27 2 Systemtechnik

Wünschbarkeitsindex keine zusätzlichen Ausschlusskriterien. Diese deﬁnieren Gren- zen für Eigenschaften und führen zum vorzeitigen Ausschluss grenzüberschreitender Alternativen.

Anwendung Die Entwurfsraumexploration der Näherungssensoren des Miniroboters nutzt die Wünschbarkeitsfunktionen und den geometrischen Mittelwert als Bewertungsindex. Die Wünschbarkeitsfunktionen erlaubt eine unabhängige Bewertung der einzelnen Eigenschaften und der geometrische Mittelwert vermeidet Lösungen mit besonders schlechten Eigenschaften. Außerdem benötigt der Mittelwert keine zusätzliche Gewich- tung der einzelnen Eigenschaften. Stattdessen können schlechte Eigenschaftswerte mittels des Formwerts der Wünschbarkeitsfunktionen schlechter oder besser bewertet werden.

2.7 Zusammenfassung

Die Systemtechnik beschreibt verschiedene Methoden und Werkzeuge zur interdiszipli- nären ingenieurmäßigen Entwicklung komplexer technischer Systeme. Sie beinhaltet eine kurze Einführung in die System-, Merkmals-, Geschäftsprozess- und Entwicklungs- prozessmodellierung sowie der Entwurfsraumexploration. Die Systemmodellierung dient der Spezifikation von Systemstrukturen und nutzt die Blockdefinitionsdiagram- me und internen Blockdiagramme der Systems Modeling Language (SysML). Sie bildet unter anderem die Basis verschiedener struktureller Abbildungen dieser Arbeit. Die Merkmalsmodellierung erlaubt die Verknüpfung und Darstellung verschiedener Merkmale beziehungsweise Eigenschaften eines Systems. Sie verwendet eine Notati- on der Softwaretechnik und dient als Basis verschiedener Merkmalsdiagramme. Die Geschäftsprozessmodellierung zerlegt einen Prozess in einzelne Aufgaben und Sequenz- flüsse. Sie nutzt die Business Process Model and Notation (BPMN) und ist die Grundlage einer entworfenen Entwicklungsprozessmodellierung. Letztere dient der Identifika- tion und Beschreibung der Datenflüsse in einem Entwicklungsprozess. Sie erweitert die Geschäftsprozessmodellierung und spezifiziert eine Datenflussmodellierung für Entwicklungsprozesse. Die entworfene Entwicklungsprozessmodellierung erlaubt die Identifizierung von Abhängigkeiten sowie Wechselwirkungen im Entwicklungsprozess und unterstützt eine anschließende Strukturierung sowie Optimierung des Prozesses. Sie beschreibt zusammen mit der Geschäftsprozessmodellierung unter anderem die Notation verschiedener Entwurfsprozessabbildungen. Außerdem wird die spezifizierte Entwicklungsprozessmodellierung genutzt, um die Abhängigkeiten und Wechselwir- kungen im Leiterplattenentwurfsprozess zu identifizieren und den Entwicklungsprozess zu optimieren. Dabei werden in einem ersten Schritt die Datenflüsse in einem existierenden Entwicklungsprozess modelliert. Aufbauend auf diesem Modell wird der

28 2.7 Zusammenfassung

Prozess angepasst und erweitert. Die Entwurfsraumexploration ist eine Methode zur Sondierung alternativer Entwürfe und zur Ermittlung einer optimalen und ressour- cenefﬁzienten Lösung. Sie besteht unter anderem aus einer Mehrzieloptimierung sowie Entscheidungsﬁndung und beinhaltet eine Einführung sowie Gegenüberstellung verschiedener Bewertungsfunktionen. Die Entwurfsraumexploration bildet beispielsweise die Grundlage der Bauteilauswahl des Näherungssensors. Insgesamt prägt die Systemtechnik den agilen Leiterplattenentwurfsprozess.

3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Der erste kommerzielle Miniroboter für die Lehre und Forschung war der Khepera. Er wurde 1991 an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) entwickelt und annähernd ein Jahrzehnt eingesetzt [116]. Die Firma K-Team wurde ursprünglich gegründet, um die Kommerzialisierung des Khepera zu unterstützen. Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche verschiedene Miniroboter an verschiedenen Instituten und Unternehmen für unterschiedliche Forschungsprojekte und Anwendungen entwickelt. Die Miniroboter unterscheiden sich unter anderem in Größe, Antrieb, Leistungsfä- higkeit und Kosten. Einerseits existieren günstige und einfache Miniroboter ähnlich dem Thymio II für ungefähr 131 € und andererseits teurere und leistungsstärkere Miniroboter gleich dem Khepera IV für zirka 3720 € [70]. Allerdings sind keine kos- tengünstigen und gleichzeitig leistungsstarken kommerziellen Miniroboter verfügbar. Handelsübliche Roboter besitzen immer einen Zielkonflikt zwischen Anwendungsfall und Leistungsfähigkeit beziehungsweise verfügbarer Funktionalität. Es existieren viele einfache und leistungsschwache Roboter für einen Roboterschwarm oder leistungsstarke Roboter für einzelne autonome Systeme. Ziel der interdisziplinären Entwicklung des Autonomous Mini Robots (AMiRos) ist die Kombination handelsüblicher Sensortechnologie und Informationsverarbeitung zu einem völlig autonomen und ressourceneffizienten Miniroboter. Alleine die schnelle, kontinuierliche Weiterentwicklung und Leistungssteigerung im Bereich der Informati- onsverarbeitung führt zu einer Diskrepanz zwischen dem entwickelten Produkt und dem aktuellen Stand der Technik. Die Ausprägung des Missverhältnisses hängt unter anderem von der Entwicklungszeit und dem Zugriff auf neue Technologien ab. Dabei ist der Zugriff auf neue beziehungsweise zukünftige Technologien abhängig von dem Produktvolumen und voraussichtlichem Marktabsatz. Die Entwicklung des AMiRo entspricht keiner kommerziellen Produktentwicklung. Der AMiRo wird nur in einer kleinen Stückzahl und nicht in Serie produziert. Außerdem wird er in einem kleinen kontinuierlich wechselnden Team von Mitarbeitern und Studenten entwickelt. Dies resultiert insgesamt in einer begrenzten Bauteilauswahl, erhöhten Fertigungskosten, wiederholten Einarbeitungszeiten und längeren Entwurfszeiten. Der AMiRo wirkt einer erwarteten Obsoleszenz mittels einer modularen und er- weiterbaren Systemarchitektur entgegen. Diese erlaubt eine partielle Optimierung und Modernisierung einzelner Module beziehungsweise Aspekte sowie eine kostengünstige anwendungsspezifische Erweiterungen. Aufgrund der bedarfsgerechten partiellen Wei-

31 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Sensorik Antriebstechnik

AMiRo PAF30 PAF10 A15 PAP1058 PAP1059 PAP1057 PAP1055 PAP1053 PAP1046 PAP1051 PAP1049 PAP1049 PAP1047 PAP1045 PAP1045 PAP1043 PAP1043 PAP1041 PAP1039 PAP1037 PAP1035 PAP1035 PAP1033 PAP1033 PAP1031 PAP1031 PAP1029 PAP1027 PAP1027 PAP1025 PAP1023 PAP1016 PAP1021 PAP1019 PAP1017 PAP1015 PAP1013 PAP1013 PAP1011 PAP1011 PAP104 PAP109 PAP109 PAP107 PAP107 PAP105 PAP103 PAP103 PAP101 PAP101 A15 PAP1052 PAP1055 PAP1051 PAP1047 PAP1040 PAP1039 PAP1037 PAP1022 PAP1021 COF3 COF1 PAP1061 PAP1062 COP1 PAP1060 PAP1058 PAP1056 PAP1054 PAP1052 PAP1050 PAP1050 PAP1048 PAP1048 PAP1046 PAP1044 PAP1044 PAP1042 PAP1040 PAP1038 PAP1038 PAP1036 PAP1034 PAP1034 PAP1032 PAP1030 PAP1028 PAP1028 PAP1026 PAP1026 PAP1024 PAP1024 PAP1022 PAP1020 PAP1020 PAP1018 PAP1016 PAP1014 PAP1014 PAP1012 PAP1012 PAP1010 PAP1010 PAP108 PAP108 PAP106 PAP106 PAP104 PAP102 PAD101 PAD101 A30 PAR3901 PAR3902 PAP704

[0..*] COR39 COD1 PAD100 PAC2902 PAC2901 PAC1602 PAC1601 PAC1601 PAC2902 PAC2901 PAC5501 PAC5501 PAC5502 PAR4202 PAR4201 PAR4201 PAR8401 PAR8402 PAC402 PAC401 PAR402 PAR401 PAR401 PAR5501 PAR5502 PAR3901 PAR8802 PAR8502 PAC7502 PAR8702 COC55 COC29 COR42 COR55 COC16 PAD102 PAC7401 PAC7402 PAC7402 COC4 COR4 A90 PAR9202 PAR9201 COR84 COC74 COR88 COR85 COC75 COR87 PAL702 PAL702 PAR6701 PAL701 PAR6702 PAR6702 PAC3002 PAC3001 PAR8801 PAR8501 PAC7501 PAR8701 PAC1801 PAC1801 PAC1802 PAL302 PAL301 PAL301 PAU201 PAU202 PAU202 PAU203 PAU203 PAR3002 COL7 COR67 COC30 PAR3002 PAR3001 PAR3001 PAR3202 PAR3202 PAR3201 PAR3201 PAX102 PAX101 PAX101 PAR1602 PAR1601 PAR1802 PAR1801 COC18 COL3 COR92 COR30 COR32 COR16 COR18 PAR9202 PAQ20G PAQ10D PAQ10G PAQ10S PAQ10S PAQ20G PAQ20D PAQ20D A20 PAR2802 PAR2801 A11PAC102 PAC101 PAC4402 PAC4401 A10 PAU1006 PAU1005 PAU2004 PAU2005 PAU2005 PAU1003 PAU1004 PAU24012 PAU24013 PAU24014 PAU24015 PAU808 PAU24016 PAU807 PAU807 PAU24017 PAU806 PAU24018 PAL1201 PAU24019 PAU805 PAL1202 PAU408 PAU407 PAU407 PAU406 PAU406 PAU405 PAU405 PAU606 PAU605 PAU603 PAU604 A70 PAC7602 PAC7601 COR28 PAP701 PAU1006 PAU1003 PAU606 PAU603 COU2 PAR1401 COQ1 COQ2 COC1 COX1 COC44 PAU24021 COU10 PAU8017 PAC2102 PAC2101 PAU4017 PAC702 PAC701 COU6 PAC2101 PAU1007 PAU1002 COC76 PAU24011 PAU24020 PAU607 PAU602 PAU205 A70 PAR8902 PAC7602 PAU809 PAU804 PAU206 PAU205 PAU204 PAU204 COR14 PAU409 PAU404 PAX103 PAX103 PAX104 PAC102 PAR2202 PAR2201 PAR2201PAR2802 PAC2202 PAC2201 PAC4402 PAC902 PAC901 COU20 PAR1402 PAQ10G PAQ20S PAQ20S PAU1008 PAU1001 PAU8012 PAU8011 PAU8010 COU24 PAU801PAU802PAU803 PAU4012 PAU4011 PAU4010 PAU401PAU402PAU403 PAU608 PAU601 PAU2003 PAU2002 PAU2002 PAU2001 PAU2001 PAR8902 COR22 COC22 COC21 COC9 COC7 COU8 COP7 COU4 A81 PAU8012 PAU8011 PAU802PAU803 PAU4012 PAU4011 PAU402PAU403 PAR2202 PAC2202 PAU24010 PAU2401 PAC902 PAR802 PAR801 PAC2602 PAC2602 PAC2601 PAP702 PAC1401 PAC1402 PAC2102 PAR2401 PAR2301 PAC702 PAR901 PAR1001 COC26 COR89 PAU801 COR8 PAU401 COC14 PAR8901 PAU2409 PAU2408 PAU2407 PAU2407 PAU2406 PAU2405 PAU2404 PAU2404 PAU2403 PAU2403 PAU2402 PAU2402 COR24 COR23 COR9 COR10 PAR7301 PAR7302 PAR7302 PAC5602 PAC5601 PAR802 PAC5601 PAR2402 COC56 PAR2302 PAU8013 PAU8014 PAU8014 PAU8015 PAU8015 PAU8016 COL12 PAC4002 PAC4001 PAU4013 PAU4014 PAU4014 PAU4015 PAU4015 PAU4016 PAU4016 PAR902 PAR1002 COR73 PAU101 PAU106 PAR9102 PAL1102 PAC3901 PAC5001 PAC4901 PAR5701 PAC4301 PAR7002 PAR7001 PAR7001 PAC202 PAR302 PAR9002 PAC7702 PAC7202 PAR8601 PAR302 COL11 COC40 COC39 COC50 COC49 COR57 COC43 PAR2001 COR70 PAR2002 PAR2002 PAR602 PAR601 PAR601 PAU26028 PAU26028 PAU2601 A12PAU103 PAU102 PAU105PAU106PAU105 COR91 PAC7301 PAC7302 COC2 COR3 PAR9101 PAL501 PAL1101 PAC3902 PAP703 PAC5002 PAC4902 PAR5702 PAC4302 PAL101 PAC4002 COU1 COR20 PAC8402 PAC8401 COR6 PAC201 PAR301 PAR9001 COR90 PAC7701 COC77 PAC7201 COC72 PAR8602 COR86 PAR4101 PAR4102 PAC7701 COR41 COP5 PAU103 PAU104 PAL1201 PAQ40D PAQ40G PAQ40D PAQ40S PAQ40G COC84 PAC8402 PAU26027 PAU2602

Power Management Light Ring COC73 PAR4002 PAR4001

Di Wheel Drive Extensions COR40 PALS102 PAQ60S PAQ60S PATP601 PAC7301 PAC2301 PAC2302 PAU15016 PAU15015 PAU15014 PAU15013 PAU15013 PAU15012 PAU15011 PAU15011 PAU15010 PAU1509 PAU1508 PAU1507 PAU1507 PAU1506 PAU1505 PAU1505 PAU1504 PAU1503 PAU1502 PAU1502 PAU1501 PAU1501 PAC1102 PAC1101 PAC1101 COTP6 PAC4702 PAC4701 COC47 PAQ60D COQ4 A206PU62 A204PAU26023 PAU26024 PAU26025 PAU26026 COQ6 PAP705 PAP4018 COC23 COC11 PAC3401 PAC3402 PAC3402 PAR4302 PAR4301 PAQ40S PAC4201 PAC4201 PAC4202 PAC3401 PAQ60G COR43 COC42 A92PAL901 PAL902 COL5 COL1 COC34 PAC6001 PAC6001 PAC6002 PAR7101 PAR7102 PAR7102 PAP501 COC60 COR71 PATP301 PAU15017 PAC601 PAU15017 PAC602 PAC602 PAU15064 PAC4501 PAC4502 PAR4401 PAR4402 PAR4402 COC45 COR44 PAP4015PAP4016 PAC5901 PAC5902 PAC6102 PAC6101 PAC6101 PAU15018 PAU15063PAU15064PAU15063 COTP3 COL9 COC6 COC59 PAU21013 PAR3402 PAR3401 COC61 PAP4014 PAU15019 PAU15059 PAU15062 PAU2106 PAU2109 PAU2107 PAP4013PAP4016PAP4013 PAP4015 PAC3802 PAC3801 PAC3801 PAU15020 PAU15061 PAU26024 PAU2605 PAU15061 COR34 PAL901 PAC5801 PAC5802 PAC6201 PAC6201 PAC6202 PAU2105 PAU2108 COC58 COC62 PAP3023 PAP3021 PAP3019 PAP3017 PAP3015 PAP3015 PAP3013 PAP3011 PAP309 PAP307 PAP305 PAP303 PAP303 PAP301 PAP301 COC38 PAU15021PAU15020 PAP4012 PAU2104 PAU15021 PAU15060 PAL502 PAL102 PAC1002 PATP401 PAC1001 PAC1001 PAP4011 PAU2103 PAU21012 PAU21011 PAU21010 PAP3026 PAU15022 PAU15059 PAP3025 PAC4801 PAC5701 A50 PAR6901 PAC5701 PAC5702 COU21 PAR7401 PAC4802 PAR7402 PAC4801 PAR7402 PAR4802 PAR4801 PAR8101 PAR8102 PAR8102 PAR7502 PAR7501 PAR7501 PAC6302 PAC6301 PAC6301 PAR7801 PAR7802 PAR7802 COP4 COC57 COR74 COR48 COR75 COC63 COR78 PAU2102PAU2103PAU2102 PAU2101 PAU21011 COR81 PAU15023 A30 PAR3601 PAR3602 PAR3501 PAR3502 PAR3802 PAR3801 PAP4010 PAU15023 PAU15058 PAU26023 PAU2606PAU2605PAU2604PAU2603PAU2606 PAU1208 PAU1208 PAU1207 PAU1207 PAU1206 PAU1205 PAU1205 PAU1401 PAU1405 PAU1405 PAR5202 COTP4 COC48 PAU2101 PAU21012 PAP409 PAU15024 PAU15057 PAU15057PAU15058 PAC4802 COR36 COR35 COR38 PAR6801 PAR6802 PAR5101 PAR5102 PAR5102 PAR4902 PAR4901 PAR7702 PAR7701 PAR7701 PAU1402 COU15 COR52 PAU23013 COLS1 PAU1402 COU14 COR68 COR51 COR49 COR77 COC10 COU26 PAC3502 PAC3501 PAR3601 PAR3501 PAP405 PAC3201 PAP408 PAU15029PAU15028 PAU15027 PAU15025 PAU15056 A62PAL601 PAL602 PAL201 PAR5201PAR5202PAR5201 PAL202 COC35 PAP3024 PAP3022 PAP3020 PAP3018 PAP3016 PAP3014 PAP3012 PAP3010 PAP3010 PAP308 PAP306 PAP304 PAP302 PAP302 PAU23012 PAU2303PAU2302PAU2301 PAU1403 PAU1404 PAU1404 PAP407 PAU15026 PAU15055 PAU26021 PAU26022 COU12 COC32 PAR6902 PAR6901 PAC5401 PAC5402 PAR6601 PAR6601 PAR6602 PAR6602 PAR7202 PAR7201 PAR7201 PAR5001 PAR5002 PAR5002 PAR8302 PAR8301 PAC6602 PAC6602PAR7801PAC6601 PAC6601 PAU23011 PAU2302 PAP507 PAP506 COR69 COC54 COR66 COR72 COR50 COR83 COC66 PATP201 A30 PAR3702 PAR3701 PAR3701PAR3802 PAP404 PAC3202 PAP406 PAU15027 PAU15054 A50 PAR5402 PAR5401 PAU23010 PAU2303 PAU1301 PAU1307 PAU1308 PAC3701 PAC3702 PAP405 COC37 PAU15028 PAU15053 PAU2309 COU23 PAU2304 COTP2 PAU15053PAU15054 COR37 PAC7102 PAC7101 PAC6702 PAC6701 PAC6701 PAU1201 PAU1202 PAU1203 PAU1204 COR54 PAU1201 PAU1202 PAU1203 PAU1204 PAU1302PAU1301PAU1302 PAU1307PAU1308 COC71 PAU2307 PAU2308 PAU2306 PAU2305 COC67 PAU26021 PAU2608PAU2607 PAR3702 PAP404 PAR5801 PAR5802 PAU15029 PAU15052 PAR5402 COU13 COR58 PAU2307 PAU2306 PAC302 PAC301 PAC301 A10 PAU1304 PAU1303 PAU1305 PAU1306 PAP403 PAU15030 PAU15051 PAC7001 PAC7002 PAC6802 PAC6801 PAC6801 COC70 COC68 PAC3302 PAC3301 PAC3301 PAU15031 PAU15050 COC3 PAU15031 PAU1304 PAU1305 PAC2501 PAC2502 PAR6001 PAR6002 PAC1302 PAC1301 PAC1301 PAP805 COR60 COP3 PATP501 PAP401PAP402 PAU15032 PAU15049 PAU26017 PAU26018 PAU26019 PAU26020 PAU2609 PAU15049PAU15050 PAP401PAP402 COC33 PAR8002 PAR8001 PAR8001 PAC6902 PAC6901 PAC6901 PAQ50S PAQ50D PAQ50D COR80 COC69 PAQ70G PAP502 PAP503 COL6 COL2 COTP5 PAC3601 PAC3601 PAC3602 PAL1001 PAL1001 PAL1002 PAL1002 PAC5201 PAC5202 PAC5202 COC36 COL10 PAP4017 COC25 COC52 COC13 PAU15033 PAU15034 PAU15035 PAU15035 PAU15036 PAU15037 PAU15038 PAU15038 PAU15039 PAU15040 PAU15040 PAU15041 PAU15042 PAU15042 PAU15043 PAU15044 PAU15044 PAU15045 PAU15046 PAU15047 PAU15047 PAU15048 PAU15048 PAQ70D PALS101 PALS101 COQ7 PAU26010 A70 PAC7902 PAC7901 PAC4601 PAC4602 COQ5 PAL1302 PAL1301 PAQ70S COC46 PATP101 PAQ50G PAL601 PAL201 COTP1 A3GPAQ30S PAQ30G PAP803 COC79 PAR9502 PAP6017 PAR102 PAR101 PAR201 PAR202 PAR2101 PAR2102 PAR2102 PAR9501 PAR9502 PAC7802 PAC7801 PAC8302 PAC8301 PAR9902 PAR9901 PAR702 PAR701 PAR701 A50 PAC5101 PAC5102 PAC5102 PAU1604 PAU1603 PAU1603 PAU1602 PAU1602 PAU1601 PAU1601 PAC7902 PAQ30D PAR6101 PAR6102 PAC4101 PAC4102 PAR10002 PAR10001 COR1 COR2 COR21 PAU1708 PAU1707 PAU1707 PAU1706 PAU1706 PAU1705 PAU1705 COR7 COQ3 A60 PAR6202 PAR6201 PAU26017 PAU26012PAU26011PAU26010 COR95 COC78 COC83 COR99 PAR7901 PAR7902 PAR7902 COC51 PAR102 PAR201 COR61 COC41 PAR9501 PAC7802 PAC8302 PAR9902 COR79 PAQ30S PAU9016 PAU9016 PAU9015 PAU9015 PAU9014 PAU9014 PAU9013 PAR8202 PAR8201 PAR8201 PAU5016 PAU5016 PAU5015 PAU5015 PAU5014 PAU5014 PAU5013 COR100 COR62 PAR6101 PAC4101 PAR10002

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Cognition Image Processing

Konstruktion Systementwurf Leiterplattenentwurf

Softwareentwicklung Softwareentwicklung Mikrocontroller Computermodul

Abbildung 3.1: Interdisziplinärer Entwurfsprozess des AMiRos [Sensor: 159, S. 1] [Motor: 58][Mikrocontroller: 148, 45][Comutermodul: 74, 54] terentwicklung einzelner Module wird sowohl der Entwicklungsaufwand als auch die Entwicklungszeit reduziert und damit die zu erwartende Obsoleszenz hinausgezögert. Der AMiRo entspricht einem mobilen intelligenten technischen System und die Entwicklung erfordert entsprechend ein interdisziplinäres Expertenwissen unter anderem in der Sensorik, Antriebstechnik, Konstruktion, Leiterplattenentwicklung und Softwareentwicklung leistungsstarker eingebetteter Systeme (siehe Abbildung 3.1). Entsprechend erfolgt die Entwicklung iterativ, inkrementell und interdisziplinär zwischen verschiedenen Entwicklungsobjekten und Fachdisziplinen. Der Systementwurf beinhaltet die Entwicklung der groben Architektur des Roboters und die Unterteilung in einzelne Module. Die Konstruktion umfasst Auswahl beziehungsweise Speziﬁzierung der mechanischen sowie elektromechanischen Bauteile und Baugruppen. Der Leiter- plattenentwurf enthält die Auswahl der elektronischen Bauteile und die Entwicklung der Schaltung sowie des Layouts der Leiterplatten. Die Softwareentwicklung beinhaltet die Implementierung der Basissoftware der verschiedenen Mikrocontroller und des Anwendungsprozessors. Abschließend erfolgt eine Dokumentation der Produkti- on, eine Zusammenfassung der Leistungsdaten und eine Beschreibung verschiedener Anwendungen.

32 3.1 Stand der Technik

Ein Prototyp des AMiRos wurde bereits in „AMiRo – Autonomous Mini Robot for Research and Education“ [A7] veröffentlicht. Insgesamt wurden zwei Prototypenserien der Basisversion und eine der Erweiterungsversion entwickelt, gefertigt und getestet. Der nachfolgend beschriebene AMiRo entspricht einer überarbeiteten und optimierten Version und wurde in einer kleinen Serie gefertigt. Teilweise wurden Grundlagen oder Teilaspekte von Studenten in betreuten Studien-, Diplom-, Bachelor- und Masterarbeiten erarbeitet. Außerdem wurden verschiedene Themen von Hilfskräften und anderen Mitarbeitern realisiert oder weiterentwickelt. Der Schwerpunkt des Autors bildete die Systementwicklung, der Leiterplattenentwurf und die Basissoftwareentwicklung des Linux Betriebssystems.

3.1 Stand der Technik

Der Stand der Technik beschränkt sich auf leistungsfähige Miniroboter für die Verwen- dung auf einem Tisch oder Fußboden. Die Leistungsfähigkeit setzt mindestens einen leistungsstarken Anwendungsprozessor für eine lokale Bildverarbeitung und Aufga- benplanung voraus. Entsprechend Navarro und Matía [120] werden unter anderem der S-Bot, Kobot, e-puck und Khepera III in Experimenten mit Roboterschwärmen in verschiedenen Forschungseinrichtungen benutzt. Der Stand der Technik ist unterteilt in gehandelte kommerzielle und rein wissenschaftlich genutzte universitäre Miniroboter.

3.1.1 Kommerzielle Miniroboter

Der SRV-1, e-puck, K-Junior V2, Khepera III und Khepera IV sind kommerzielle Mini- roboter. Sie wurden teilweise an Universitäten entwickelt und werden größtenteils zum Zeitpunkt dieser Arbeit noch gewerblich verkauft. Der e-puck, Khepera III und K-Junior V2 besitzen in der Basisversion keinen Anwendungsprozessor und werden daher zusammen mit entsprechenden Erweiterungsmodulen betrachtet.

SRV-1

Der SRV-1 [34] (siehe Abbildung 3.2a) ist ein kommerzieller Miniroboter von Surveyor. Er hat eine Länge von 120 mm, eine Breite von 105 mm und eine Höhe von zirka 75 mm. Der Roboter ist ausgestattet mit zwei Laserpointer, einer Kamera und einer Wireless Local Area Network (WLAN) Kommunikation. Er nutzt einen BF537 Anwen- dungsprozessor von Analog Devices mit einer maximalen Frequenz von 500 MHz, einen Arbeitsspeicher von 32 MiB und einen Festwertspeicher von 4 MiB. Der SRV-1 besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Ketten. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit eine Spannung von 7,4 V und einer Kapazität von 2 Ah versorgt den Roboter.

33 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

(a) SRV-1 [145] (b) e-puck [96]

(e) Khepera III [98] (f) Khepera IV [100]

Abbildung 3.2: Kommerzielle Miniroboter

34 3.1 Stand der Technik e-puck

Der e-puck [117, 67] (siehe Abbildung 3.2b) wurde von der EPFL für die technische Ausbildung entwickelt und wird unter anderem von GCtronic kommerziell vertrieben. Er hat einen Durchmesser von 75 mm und eine Höhe von zirka 60 mm. Der Roboter ist ausgestattet mit acht Näherungssensoren, drei Bodensensoren, einem Beschleuni- gungssensor, drei Mikrophonen, einer Kamera und einem Lautsprecher. Er nutzt einen dsPIC30 Mikrocontroller von Microchip mit einer maximalen Frequenz von 64 MHz, einen Arbeitsspeicher von 8 KiB und einen Festwertspeicher von 144 KiB. Der e-puck besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Rädern und eine drahtlose Bluetooth Kommunikation. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Spannung von 3,7 V und einer Kapazität von 1,6 Ah versorgt den Roboter. Er nutzt eine quelloffene Hard- und Software. Der e-puck kostet CHF 850 und die Bodensensoren CHF 300 bei GCtronic. Das Overo Extension Modul [68] ist ein kommerzielles Erweiterungsmodul für den e-puck von GCtronic und ist unter anderem ausgestattet mit zwei zusätzlichen Nähe- rungssensoren. Es nutzt einen AM3703 Anwendungsprozessor von Texas Instruments mit einer maximalen Frequenz von 800 MHz, einen Arbeitsspeicher von 512 MiB und einer Speicherkarte mit mehreren GiB als Festwertspeicher. Das Modul verfügt über eine drahtlose Bluetooth- und WLAN-Kommunikation sowie einen Universal Serial Bus (USB) Anschluss. Der e-puck und Anwendungsprozessor sind mittels eines Uni- versal Asynchronous Receiver Transmitters (UART) miteinander verbunden. Die Overo Extension kostet CHF 800 bei GCtronic.

K-Junior

Der K-Junior V2 [105] (siehe Abbildung 3.2c) ist ein kommerzieller Miniroboter von K-Team für die Forschung und Lehre. Das System hat einen Durchmesser von 125 mm und eine Höhe von 40 mm. Der Roboter ist ausgestattet mit sechs Näherungssenso- ren, vier Bodensensoren, einem Beschleunigungssensor, einem Mikrophon und einer Kamera. Er nutzt einen PIC18F Mikrocontroller von Mikrochip mit einer maximalen Frequenz von 16 MHz, einen Arbeitsspeicher von 3862 B und einen Festwertspeicher von 64 KiB. Der K-Junior besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Rädern. Er verfügt über eine drahtlose Bluetooth-Kommunikation. Eine Lithium-Ionen- Batterie mit eine Spannung von 3,7 V und einer Kapazität von 1,2 Ah versorgt den Roboter. Der K-Junior V2 kostet CHF 750 bei K-Team. Der K-Junior Smart Evo [103] (siehe Abbildung 3.2d) ist eine kommerzielle Erwei- terung von K-Team für den K-Junior V2. Er ist unter anderem ausgestattet mit einem Beschleunigungssensor, zwei Mikrophonen, einer Kamera und zwei Lautsprechern. Das Modul nutzt einen OMAP3503 Anwendungsprozessor von Texas Instruments mit einer maximalen Frequenz von 600 MHz, einen Arbeitsspeicher von 512 MiB, einen Fest- wertspeicher von 512 MiB und eine Speicherkarte mit mehreren GiB als zusätzlichen

35 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Festwertspeicher. Es verfügt über eine drahtlose Bluetooth- und WLAN-Kommunikation sowie einen USB-Anschluss. Der SmartEvo kostet CHF 1400 bei K-Team.

Khepera III

Der Khepera III [99] (siehe Abbildung 3.2e) ist ein kommerzieller Miniroboter von K-Team und wurde zusammen mit der EPFL für die Forschung entwickelt. Er hat einen Durchmesser von 130 mm und eine Höhe von 70 mm. Der Roboter ist ausgestattet mit acht Näherungssensoren, fünf Abstandssensoren und zwei Bodensensoren. Er nutzt einen dsPIC30 Mikrocontroller von Microchip mit einer maximalen Frequenz von 60 MHz, einen Arbeitsspeicher von 4 KiB und einen Festwertspeicher von 66 KiB. Der Khepera III besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Rädern und eine drahtlose Bluetooth-Kommunikation. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Spannung von 7,4 V und einer Kapazität von 1,35 Ah versorgt den Roboter. Der KoreBot II [106] ist ein Erweiterungsmodul von K-Team und erweitert den Khe- pera III um einen leistungsstarken Anwendungsprozessor, eine WLAN-Kommunikation und einen USB-Anschluss. Er nutzt einen PXA270 Anwendungsprozessor von Marvell mit einer maximalen Frequenz von 600 MHz, einen Arbeitsspeicher von 128 MiB und einen Festwertspeicher von 32 MiB. Der KoreBot II kostet CHF 890 bei K-Team.

Khepera IV

Der Khepera IV [101] ist ein kommerzieller Miniroboter von K-Team für die Forschung und Lehre. Er hat einen Durchmesser von 140 mm und eine Höhe von 58 mm. Der Ro- boter ist ausgestattet mit acht Näherungssensoren, fünf Abstandssensoren, vier Boden- sensoren, einem Beschleunigungssensor, einem Drehratensensor, zwei Mikrophonen, einer Kamera und einem Lautsprecher. Er nutzt einen DM3730 Anwendungsprozessor von Texas Instruments mit einer maximalen Frequenz von 800 MHz, einen Arbeitsspei- cher von 512 MiB, einen Festwertspeicher von 512 MiB und eine Speicherkarte mit mehreren GiB als zusätzlichen Festwertspeicher. Der Khepera IV besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Rädern. Er verfügt über eine drahtlose Bluetooth- und WLAN-Kommunikation. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit eine Spannung von 7,4 V und einer Kapazität von 3,4 Ah versorgt den Roboter. Der Khepera IV kostet CHF 2650 bei K-Team.

3.1.2 Universitäre Miniroboter Der S-Bot, marXbot, Kobot, WolfBot und BeBot sind universitäre Miniroboter. Sie wurden in Rahmen von Forschungsprojekten entwickelt und besitzen eine eingeschränkte Verbreitung. Der marXbot ist ein Nachfolger des S-Bot und der WolfBot dient als Reprä- sentant für günstige Roboter auf Basis eines Einplatinencomputers. Der BeBot wurde unter anderem vom Autor entwickelt.

36 3.1 Stand der Technik

(a) S-Bot [55] (b) marXbot [50]

(e) Ursprünglicher BeBot (f) Überarbeiteter BeBot

Abbildung 3.3: Universitäre Miniroboter

37 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

S-Bot

Der S-Bot [118, 119] (siehe Abbildung 3.3a) wurde von der EPFL im Swarm-bots Projekt entwickelt. Er hat einen Durchmesser von 120 mm und eine Höhe von zirka 150 mm. Der Roboter ist unter anderem ausgestattet mit 15 Näherungssensoren, vier Bodensen- soren, zwei Temperatursensoren, zwei Feuchtigkeitssensoren, acht Umgebungslicht- sensoren, einen Beschleunigungssensor, vier Mikrophonen, einer omnidirektionalen Kamera, 24 mehrfarbigen Leuchtdioden und zwei Lautsprechern. Er nutzt mehrere PIC Mikrocontroller von Microchip sowie einen PXA255 Anwendungsprozessor von Intel mit einer maximalen Frequenz von 400 MHz, einen Arbeitsspeicher von 64 MiB und einen Festwertspeicher von 32 MiB. Die Mikrocontroller und der Anwendungs- prozessor sind mittels einer Inter-Integrated Circuit (I2C) Kommunikation miteinander verbunden. Der S-Bot besitzt zwei Greifer und einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Ketten sowie Rädern. Er verfügt über eine WLAN-Kommunikation und einen USB-Anschluss. Zwei Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energie von zusammen 10 Wh versorgen den Roboter. marXbot

Der marXbot [18] (siehe Abbildung 3.3b) wurde von der EPFL in den Swarmanoid and Perplexus Projekte entwickelt. Er hat einen Durchmesser von 170 mm und eine Höhe von 290 mm. Der Roboter ist unter anderem ausgestattet mit 24 Näherungssensoren, einen rotierenden Abstandssensor, zwölf Bodensensoren, einen Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor, vier Mikrophonen, einer frontalen sowie omnidirektionalen Ka- mera, 13 mehrfarbigen Leuchtdioden und zwei Lautsprechern. Er nutzt mehrere PIC Mikrocontroller von Microchip sowie einen iMX31 Anwendungsprozessor von Freescale mit einer maximalen Frequenz von 533 MHz, einen Arbeitsspeicher von 128 MiB und einer Speicherkarte mit mehreren GiB als Festwertspeicher. Die Mikrocontroller und der Anwendungsprozessor sind mittels einer Controller Area Network (CAN) Kommu- nikation miteinander verbunden. Der marXbot besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Ketten sowie Rädern und einer Verbindungsvorrichtung. Er verfügt über eine drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf, eine drahtlose Blue- tooth-Kommunikation, eine WLAN-Kommunikation und einen USB-Anschluss. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Spannung von 3,6 V und einer Kapazität von 10,6 Ah versorgt den Roboter.

Kobot

Der Kobot [151] (siehe Abbildung 3.3c) wurde an der Middle East Technical University (METU) für die Forschung im Bereich Roboterschwärme entwickelt. Er hat einen Durch- messer von 120 mm und eine Höhe von 70 mm. Der Roboter ist ausgestattet mit acht Näherungssensoren und einer omnidirektionalen Kamera. Er nutzt mehre PIC16F und

38 3.1 Stand der Technik

PIC12F Mikrocontroller von Microchip sowie einen PXA255 Anwendungsprozessor von Intel mit einer maximalen Frequenz von 200 MHz, einen Arbeitsspeicher von 32 MiB und einen Festwertspeicher von 32 MiB. Die Mikrocontroller und der Anwendungspro- zessor sind unter anderem mittels einer I2C-Kommunikation miteinander verbunden. Der Kobot besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Rädern. Er verfügt über eine drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf. Eine Lithium-Ionen- Batterie mit einer Spannung von 3,7 V und einer Kapazität von 2 Ah versorgt den Roboter.

WolfBot

Der WolfBot [14] wurde von der North Carolina State University (NCSU) für die Forschung und Lehre entwickelt. Er hat einen Durchmesser von 175 mm und eine Höhe von zirka 180 mm. Der Roboter ist ausgestattet mit sechs Näherungssensoren, einem Beschleunigungssensor, einem Mikrophon und einer Kamera. Er nutzt einen AM3358 Anwendungsprozessor von Texas Instruments mit einer maximalen Frequenz von 1 GHz, einen Arbeitsspeicher von 512 MiB und einen Festwertspeicher von 4 GiB. Der WolfBot besitzt einen omnidirektionalen Antrieb, bestehend aus drei Rädern. Er verfügt über eine drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf und eine WLAN-Kommunikation. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Spannung von 7,4 V und einer Kapazität von 5,2 Ah versorgt den Roboter. Der WolfBot kombiniert kommerzielle Standardteile und entwickelte mechanische sowie elektrische Baugruppen zu einem Roboter. Beispielsweise besteht die Informationsverarbeitung aus einem BeagleBone Black Einplatinencomputer. Der WolfBot nutzt einen offenen Hardwareentwurf und quelloffene Software.

BeBot

Der BeBot wurde am Heinz Nixdorf Institut (HNI) der Universität Paderborn für die Forschung und Lehre entwickelt. Er wurde kontinuierlich weiterentwickelt und es existieren zwei unterschiedliche Versionen. Die ursprüngliche Version [A13, A8] (siehe Abbildung 3.3e) hat eine Grundﬂäche von 90 mm × 90 mm und eine Höhe von zirka 50 mm. Das Gehäuse besteht aus einem spritzgegossenen Schaltungsträger (Molded Interconnect Device (MID)), besitzt Leiterbahnen auf der Oberﬂäche und erlaubt eine direkte Bestückung von elektrischen Bauteilen. Die Schaltung des Gehäuses besteht aus zwölf infrarot Sendern und Empfängern, zwei Mikrocontrollern sowie mehreren Transistoren und Widerständen. Sie realisiert eine Sensorverarbeitung von zwölf Näherungssensoren direkt auf dem Gehäuse. Der BeBot besitzt einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Ketten und 2 W Gleichstromgetriebemotoren mit integrierten Inkrementalgebern. Die Ketten ermöglichen eine robuste Bewegung sogar auf leicht unebenen Untergrund. Der Ro-

39 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters boter wird von einer Lithium-Ionen-Batterie mit eine Spannung von 3,7 V und einer Kapazität von 3,9 Ah versorgt. Der Roboter nutzt eine modulare Architektur und besitzt zwei Module. Die einzelnen Module und das Gehäuse sind untereinander mittels einer I2C-Kommunikation verbunden. Das untere Basismodul implementiert unter anderem Spannungsversor- gung, Motorregelung und Basisverhalten. Es besitzt einen Mikrocontroller, einen Be- schleunigungssensor, einen Drehratensensor und eine Batterieüberwachung. Das obere Erweiterungsmodul bietet eine leistungsstarke Informationsverarbeitung und drahtlose Kommunikation. Es nutzt einen PXA270 Anwendungsprozessor von Marvell mit einer maximalen Frequenz von 520 MHz, einen Arbeitsspeicher von 64 MiB und einen Festwertspeicher von 64 MiB. Das Modul besitzt zusätzlich eine XC3S1600E programmierbare logische Schaltung von Xilinx für parallele rechenintensive Anwendungen und eine Kamera zur Bildverarbeitung. Der Anwendungsprozessor und die programmierbare logische Schaltung sind über eine Speicherschnittstelle mit hoher Bandbreite verbunden. Außerdem verfügt das Erweiterungsmodul über fünf USB-Anschlüsse, eine drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf sowie eine drahtlose Bluetooth- und externe WLAN-Kommunikation. Die überarbeitete Version [A11, A5] (siehe Abbildung 3.3f) basiert auf dem gleichen mechanischen Fahrwerk und Basismodul. Sie besitzt eine neue Schaltung auf dem Ge- häuse, ein neues Erweiterungsmodul, einen Lichtdom und einen Deckel mit integrierten Antennen. Das Gehäuse nutzt leistungsfähigere Näherungssensoren und Mikrocon- troller. Das Erweiterungsmodul integriert ein leistungsstarkes Computermodul in den BeBot. Das Computermodul nutzt einen OMAP3530 Anwendungsprozessor von Texas Instruments mit einer maximalen Frequenz von 600 MHz, einen Arbeitsspeicher von 256 MiB, einen Festwertspeicher von 512 MB und eine zusätzliche Speicherkarte als Festwertspeicher mit mehreren GiB. Außerdem besitzt es eine integrierte drahtlose Bluetooth- und WLAN-Kommunikation. Das Erweiterungsmodul ersetzt die drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf durch zwei zusätzlich Mikrophone, zwölf mehrfarbige Leuchtdioden, eine Kamera und eine Infrarotkommunikation. Die Leuchtdioden illuminieren einen Lichtdom auf dem Roboter und dienen der optischen Kommunikation. Die Infrarotkommunikation dient der drahtlosen Kommunikation mit mechanischen Erweiterungsmodulen.

3.1.3 Auswertung Die betrachteten leistungsfähigen Miniroboter (siehe Tabelle 3.1) sind größtenteils mit einer Hand greifbar und besitzen alle einen leistungsstarken Anwendungsprozessor. Der marXBot und WolfBot sind mit einem Durchmesser von über 150 mm nicht für Experimente auf einem Tisch geeignet. Nur der BeBot besitzt eine programmierbare logische Schaltung. Viele neuere Roboter nutzen einen Anwendungsprozessor von Texas Instruments beziehungsweise ein Computermodul von Gumstix. Die Mikrocon- troller und Anwendungsprozessoren der Miniroboter sind mittels einer UART-, I2C-

3.1 Stand der Technik Quelloffen

✓ Kommerziell

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

nWh in

Energie Ketten

2 14,43 2 14,43 2 14,40 Räder 2 2 38,16 2 9,99 2 4,44 2 5,92 3 38,48 2 2 10,00 2 25,16 2 7,40 BF537 AM3703 AM3358 DM3730 prozessor OMAP3530 OMAP3503 Intel PXA255 Intel PXA255 Anwendungs-

Analog Devices Marvell PXA270 Marvell PXA270

Freescale iMX31 Texas Instruments Texas Instruments Texas Instruments Texas Instruments Texas Instruments

Kamera

sensoren

Boden-

sensoren

Sensoren Antrieb Batterie

Näherungs-

nl in Volumen Tabelle 3.1: Stand der Technik im Bereich der Miniroboter in mm x H) oder (L x B x H) Abmessung ( e-puck 2012 75 x 60 0,27 10 3 1 marXbotBeBot 2010 170 x 2011 290K-Junior 90 x 90 6,58 x 90 2013Khepera 24 IV 0,73 2014 12 125 12 x 150 2 140 x 58 1,84 0,89 1 6 8 4 1 4 1 WolfBot 2014 175 x 180 4,33 6 1 Names-bot Jahr 2003 120 x 150 1,70 15 4 1 Khepera III 2009 130 x 70 0,93 8 2 Kobot 2007 120 x 70 0,79 8 1 BeBot 2008 90 x 90 x 70 0,57 12 1 SRV-1 2007 120 x 105 x 75 0,95 1

41 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters oder CAN-Kommunikation verbunden. Der marXbot nutzt bewusst zur Entlastung des Anwendungsprozessors eine CAN-Kommunikation. Alle Miniroboter nutzen eine Lithium-Ionen-Batterie und nur drei Roboter eine Batteriespannung von über 7,2 V. Die Miniroboter sind entweder nicht kommerziell verfügbar oder kosten zum aktuellen Zeitpunkt zwischen 1750 € bis 2400 €. Außerdem sind der Khepera IV,K-Junior V2, marXbot und WolfBot parallel zum AMiRo entstanden.

3.2 Anforderungen

Die Anforderungen beschreiben notwendige Eigenschaften beziehungsweise Merkmale eines Systems. Eine Anforderung ist ein „Erfordernis oder [eine] Erwartung, das oder die festgelegt, üblicherweise vorausgesetzt oder verpflichtend ist“ [41, IEV-Nummer: 192-01-13]. Die Anforderungen resultieren unter anderem aus den Erkenntnissen der BeBot Anwendung sowie Weiterentwicklung und der Literatur beispielsweise „The e-puck, a Robot Designed for Education in Engineering“ [117] sowie „AMiRESot – A New Robot Soccer League with Autonomous Miniature Robots“ [A15]. Der Autor entwickelte unter anderem in seiner Diplomarbeit „Prozessor-FPGA- Hardware mit ZigBee, Bluetooth und WLAN für mobile Roboter“ [A4] das ursprüngli- che Erweiterungsmodul, setzte den BeBot im Forschungsprojekt Group of Unmanned Assistant Robots Deployed In Aggregative Navigation supported by Scent detection (GUAR- DIANS) als mobile Kommunikationsplattform ein [A12, A14] und betreute studentische Projekte [A13, A8]. Er konstruierte eine Lichtkuppel [A1], evaluierte die programmierbare logische Schaltung [A9] und betreute eine industrielle Abschlussarbeit [B22]. Weiterhin entwickelte der Autor den BeBot wesentlich weiter und war damit hauptver- antwortlich für die überarbeitete Version. Unter anderem entwickelte er im Rahmen des GUARDIANS Projekts das Cerebric Computermodul [A11, A5], integrierte dieses im Kontext des Sonderforschungsbereichs 614 „Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus“ in den BeBot [A2] und überarbeitete die Schaltung des Gehäuses zusammen mit studentischen Hilfskräften. Entsprechend Mondada u. a. [117] sollte der e-puck Tischgröße besitzen, da ein Roboter, der direkt neben dem Computer auf einem Tisch verwendet wird, die Effizi- enz eines Studenten während einer Versuchsdurchführung erhöht. Der AMiRo muss entsprechend eine kleine Abmessung besitzen und sowohl eine Verwendung auf einem Tisch als auch auf einer kleinen Laborfläche unterstützen. Aufgrund der AMiRESot [A15] muss der AMiRo eine runde Grundfläche mit einem maximalen Durchmesser von 110 mm aufweisen. In Anlehnung an Mondada u. a. [117] sollte ein Miniroboter viele Bereiche der technischen Ausbildung, beispielsweise Signalverarbeitung, Regelungstechnik, eingebettete Systeme oder verteilte intelligente Systeme, unterstützen und benötigt dafür viele verschiedene Funktionalitäten. Der e-puck besitzt zwar verschiedene Sensoren, aber

42 3.3 Systementwurf nur eine eingeschränkte Rechenleistung. Um den AMiRo neben der Lehre auch in der Forschung, beispielsweise in der Bildverarbeitung [A1] oder in Roboterschwärmen [32], einzusetzen, benötigt der AMiRo eine ausreichende Rechenleistung für eine Echtzeitbildverarbeitung und ein komplex autonomes Verhalten. Forschungsprojekte an einer Universität besitzen unterschiedliche Anforderungen, beispielsweise eine dynamisch programmierbare Schaltung [A9], ein drahtloses selbst verwaltendes Netz [A8] oder mechanische Manipulatoren [A2]. Der AMiRo muss entsprechend eine modulare und erweiterbare Architektur besitzen und eine Anpassung an verschiedenen Aufgaben unterstützen. Der Einsatz von Roboterschwärmen in Forschungsprojekten, beispielsweise dem GUARDIANS [32], zeigte einen Bedarf an kostengünstigen Minirobotern und begrenzt die Kosten für einen AMiRo auf maximal 1000 €. Eine einfache Integration des Miniroboters in bestehende Projekte und eine Wie- derverwendung von existierender Software setzt standardisierte Programmiergerüste voraus. Entsprechend muss der AMiRo moderne Softwarewerkzeuge der Robotertech- nik unterstützen.

3.3 Systementwurf

Der Systementwurf beschreibt die Partitionierung des Systems in einzelne Funktionen, Prozesse und Komponenten. „Bei allen [...] Entwicklungs- und Konstruktionsarten [...] müssen zuerst die Gesamt- und Subsystemkonzepte erarbeitet werden.“ [165, S. 19] Der Systementwurf des AMiRos basiert unter anderem auf der Entwicklung des BeBots, dem Stand der Technik sowie betreuten Studien-, Bachelor-, Diplom- und Mas- terarbeiten verschiedener Studenten. Im Rahmen der Arbeiten wurden unter anderem Marktrecherchen und Machbarkeitsstudien durchgeführt, Teilkonzepte entwickelt und Bauteile ausgewählt. Die Ergebnisse der studentischen Arbeiten wurden während der weiteren Entwicklung überarbeitetet, erweitert und optimiert. Fiagueu, Hesse, Jonas und Plümpe [B5] erarbeiteten in ihrer Projektgruppe „Ent- wurf eines Fußballroboters“ ein Konzept eines modular aufgebauten Miniroboters. Sie recherchierten unter anderem verschiedene wiederauﬂadbare Batterien, diskrete Infrarotsensoren, Anwendungsprozessoren und drahtlose Kommunikationsstandards. Korona [B17] entwickelte in seiner Studienarbeit „Entwicklung einer Basisplatine für Miniroboter“ eine zentrale Flachbaugruppe für einen Miniroboter und nahm diese in Betrieb. Außerdem ermittelte er unter anderem Anforderungen an eine System- sowie Kommunikationsstruktur eines mobilen Miniroboters und entwarf ein Konzept einer Systemarchitektur. Aufbauend auf dem Stand der Technik, der Projektgruppe und der Studienarbeit von Korona wurden verschiedene Systementwürfe entwickelt und analysiert. Der folgende Systementwurf ist unterteilt in Module, Schnittstellen, Gestalt und Softwarearchitektur.

43 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

AMiRo

[0..*]

Di Wheel Drive Power Management Extensions Light Ring

[0..1]

Proximity Sensor Image Sensor

Cognition Image Processing

Abbildung 3.4: Blockdeﬁnitionsdiagramm des AMiRos

3.3.1 Module

Das Modul beschreibt ein „austauschbares, komplexes Element innerhalb eines Gesamt- systems, eines Gerätes oder einer Maschine, das eine geschlossene Funktionseinheit bildet“ [15, Stichwort: Modul]. Die Module orientieren sich an dem (Sense-Think-Act) Paradigma und erweitern dieses um Energie und Kommunikation. Die Basisversion des AMiRos besteht aus einem Zweiradantriebs-, Energiemanage- ment-, Näherungssensor- und Lichtringmodul (siehe Abbildung 3.4). Zusätzliche wahlfreie Erweiterungsmodule werden zwischen Energiemanagement- und Lichtringmo- dul nachgerüstet. Die Erweiterungsversion des AMiRos besteht zusätzlich aus einem Kognitions-, Bildverarbeitungs- und Bildsensormodul. Dabei bilden das Näherungs- und Bildsensormodul jeweils ein spezifisches Untermodul des Energiemanagement- beziehungsweise Lichtringmoduls. Diese Untermodule platzieren Sensoren im Gehäuse des AMiRos und besitzen eine dedizierte Verbindung zu einem anderen Modul. Idealerweise besitzt jedes normale Modul mindestens eine Informationsverarbeitung und einen programmierbaren Lesespeicher. Die Informationsverarbeitung besteht entweder aus einem Mikrocontroller, einem leistungsstarken Anwendungsprozessor oder einer programmierbaren logischen Schaltung. Der programmierbare Lesespeicher enthält unter anderem spezifische Identifikatoren, Konfigurationen und Kalibrierungen eines Moduls. Eine Ausnahme bilden dabei die Sensoruntermodule.

44 3.3 Systementwurf

Die Verteilung der Sensoren, Aktoren, Energiespeicher und drahtlosen Kommuni- kation resultiert unter anderem aus der Konstruktion und dem Leiterplattenentwurf. Beispielsweise beeinﬂusst die Konstruktion die Position des Antriebs und Energiespei- chers sowie der Leiterplattenentwurf die Platzierung der Leuchtdioden und Kommuni- kation. Aufgrund der freien Softwarewerkzeugkette, Verbreitung sowohl der Mikro- controller als auch Softwareunterstützung, Verfügbarkeit bei verschiedenen Händlern, Anschluss- sowie Softwarekompatibilität zwischen unterschiedlichen Leistungsklassen und kontinuierlicher Erweiterung um neue Generationen nutzt der AMiRo die STM32 Mikrocontrollerfamilie.

Zweiradantriebsmodul

Das Zweiradantriebsmodul (Di Wheel Drive) realisiert den Antrieb inklusive Motorre- gelung und Wegmessung beziehungsweise Odometrie zur Schätzung von Position und Orientierung. Ein zusätzliches Trägheitsnavigationssystem, bestehend aus verschiedenen Bewegungssensoren, unterstützt die Odometrie und erlaubt eine Koppelnavigation. Die Koppelnavigation (dead reckoning) ist eine kontinuierliche näherungsweise Orts- bestimmung aufgrund von Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit. Als Basis des AMiRos besitzt das Zweiradantriebsmodul zusätzliche Näherungssensoren für eine Untergrunddetektion und Linienverfolgung. Der Antrieb der untersuchten Miniroboter besteht überwiegend aus einem differenziellen und selten einem omnidirektionalen Antrieb. Ein differenzieller Antrieb erlaubt eine unabhängige Dreh- und Vorwärtsbewegung. Er besteht aus zwei parallelen Rädern auf derselben Achse und ein oder mehreren Gleitern beziehungsweise Lenkrollen. Ein omnidirektionaler Antrieb erlaubt eine Fahrt in beliebige Richtung. Er besteht beispielsweise aus drei, in einem gleichwinkligen Dreieck angeordneten, Allseitenrädern. Ein Allseitenrad besitzt zusätzliche Rollen auf der Laufﬂäche im rechten Winkel zur Drehachse des Rades. Auf diese Weise lässt sich das Rad entlang der Achse verschieben. Fiagueu, Hesse, Jonas und Plümpe [B5] entwickelten und untersuchten in ihrer Projektgruppe „Entwurf eines Fußballroboters“ unter anderem einen omnidirektionalen Antrieb. Der Antrieb besaß einen Durchmesser von 115 mm und erfüllte damit nicht die Anforderungen. Außerdem verfügten die einzelnen Räder über einen ungleichmäßigen Radius und damit einen unruhigen Lauf. Plümpe [B20] realisierte in seiner Studienarbeit „Entwicklung eines Zweiradantriebs für Miniroboter“ einen differenziellen Antrieb. Er stellte unter anderem verschiedene Antriebsarten gegenüber und setzte einen differenziellen Schritt- sowie Gleichstrommo- torantrieb prototypisch um. Aufbauend auf einem Vergleich der Antriebe entwickelte er eine Flachbaugruppe für einen Gleichstrommotorantrieb. Er entwarf, simulierte und dimensionierte ein mathematisches Modell eines Antriebs und Reglers mittels MathWorks Simulink. Den parametrisierten Regler implementierte er mithilfe eines Mikrocontrollers auf der entwickelten Flachbaugruppe und wertete die Leistungsda- ten des Antriebs aus. Er bewertete den differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei

45 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Gleichstromgetriebemotoren mit integrierten Inkrementalgeber als optimale Lösung für einen Miniroboter. Letztere erlaubten eine Geschwindigkeitsregelung und Odometrie beziehungsweise Wegmessung. Korona [B18] entwickelte aufbauend auf den Ergebnissen der Studienarbeit von Plümpe in seiner Diplomarbeit „Regelung eines zweirädrigen balancierenden Minirobo- ters“ eine Flachbaugruppe und einen Regler für einen balancierenden Antrieb. Dieser bestand aus einem differenziellen Antrieb ohne zusätzlicher mechanischer Stabilisie- rung und bildete beispielsweise die Grundlage eines Segway® Personal Transporters. Korona untersuchte und verglich unter anderem verschiedene Sensoren, Filter und Regler für einen balancierenden Miniroboter. Er entwickelte eine Flachbaugruppe und realisierte eine mathematische Modellierung mittels MathWorks Simulink. Unter anderem entwarf und simulierte er Modelle für einen Antrieb, eine Winkelmessung, einen Komplementärﬁlter, eine Zustandsregelung und einen balancierenden Miniroboter. Außerdem implementierte und demonstrierte er einen durch einen Mikrocontroller gesteuerten balancierenden Miniroboter. Dreidimensionale Bewegungssensoren insbesondere Beschleunigungssensor besitzen die untersuchten Miniroboter erst ab 2010 und nur der marXbot sowie Khepera IV verfügen über einen zusätzlichen Drehratensensor. Die einzelnen Sensorelemente eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors, Drehratensensors oder Magnetometers messen jeweils eine lineare Beschleunigung, eine Winkelgeschwindigkeit oder einen magnetischen Fluss in oder um eine Achse. Hesse [B13] wählte in seiner Studienarbeit „Entwicklung eines inertialen Navigations- systems für Miniroboter“ einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor sowie ein Magnetometer aus und entwickelte eine Flachbaugruppe für einen Bewegungssen- sor. In seiner Diplomarbeit „Analyse und Optimierung inertialer Navigationssysteme“ evaluierte Hesse [B12] das entwickelte System und implementierte eine aufbauende Orientierungsberechnung in MathWorks Simulink. Er untersuchte die verschiedenen Sensoren sowie Störquellen und entwickelte eine Sensordatenfusion, bestehend aus einem faktorisierten Quaternionenalgorithmus sowie einem erweiterten Kalman-Filter. Korona [B18] verwendete in seiner oben beschriebenen Diplomarbeit außerdem einen Beschleunigungssensor und Drehratensensor für die Winkelmessung. Er model- lierte die Sensoren und dessen Filterung und implementierte einen entsprechenden Filter mithilfe eines Mikrocontrollers. Das Zweiradantriebsmodul basiert auf der Studienarbeit von Plümpe und Hesse sowie der Diplomarbeit von Korona. Es nutzt aufgrund fehlender adäquater Allseitenräder einen differenziellen Antrieb, bestehend aus zwei Getriebemotoren. Das Modul besitzt im Unterschied zur Studienarbeiten von Hesse und der Diplomarbeit von Korona Bewegungssensoren mit einer integrierten digitalen Schnittstelle. Außerdem nutzt es die Näherungssensoren des Näherungssensormoduls für eine Untergrunddetektion. Das Modul unterstützt zwar einen balancierenden AMiRo, aber besitzt standardmäßig Gleiter zur Vermeidung einer kontinuierlichen aktiven Regelung auch im Stillstand des Roboters. Infolge einer zentralen Anordnung der Räder und eines symmetrischen

46 3.3 Systementwurf

Aufbaus, benötigt der Antrieb zwei Gleiter jeweils vorn und hinten. Er unterstützt dafür aber eine Rotation direkt auf der Stelle und lässt sich bei Bedarf auch mit angepasstem Regler und nur einem Gleiter betreiben.

Energiemanagementmodul

Das Energiemanagementmodul (Power Management) integriert einen Energiespeicher in den AMiRo und regelt die Energieversorgung und -überwachung der anderen Module. Als zentrales Element besitzt es einen leistungsstarken Mikrocontroller zur Ausführung reaktiver Verhalten und eine drahtlose Bluetooth-Kommunikation zur Steuerung und Programmierung. Bluetooth ist ein globaler Funkstandard mit niedrigem Energiebedarf für den Datenaustausch über kurze Distanzen. Die Technologie ist in Milliarden von Produkten von Mobiltelefonen bis zu medizinischen Geräten und Computern eingebaut [17]. Die Energiespeicher der untersuchten Miniroboter bestehen alle aus einer Lithium- Ionen-Batterie. Diese Batterietechnologie besitzt eine hohe speziﬁsche Energie, eine relativ niedrige Selbstentladung und keinen Kapazitätsverlust bei häuﬁger Teilentla- dungen (Memory-Effekt) [23]. Eine Batterie besteht aus einzelnen seriellen und/oder parallelen Zellen. Eine einzelne Zelle hat je nach Material eine Nennspannung von 3,6 V bis 3,7 V, eine vom Ladezustand abhängige Spannung zwischen 3 V bis 4,3 V und eine zylindrische oder prismatische Form. Verbreitete zylindrische Zellenformen sind 18350, 18650 und 26650 mit einem nominalen Durchmesser und einer Höhe von 18 mm × 35 mm, 18 mm × 65 mm und 26 mm × 65 mm. Eine typische prismatische Zellenform ist die Panasonic CGA-103450A mit einer nominalen Dicke, Breite und Höhe von 10 mm × 34 mm × 50 mm [132]. Das Energiemanagementmodul nutzt aufgrund einer Motorspannung von 6 V zwei serielle Zellen mit einer Batteriespannung von insgesamt 8,4 V. Auf diese Weise lassen sich alle Spannungen unabhängig des Batterieladezustands mittels Abwärtswandler erzeugen und gleichzeitig der Strom und damit der Leiterdurchmesser reduzieren. Die Batterieüberwachung wurde aus der Studienarbeit und die Schaltspannungsregler teilweise aus der Diplomarbeit von Korona [B17, B18] übernommen.

Näherungssensormodul

Das Näherungssensormodul (Proximity Sensor) besteht aus mehreren Näherungssen- soren sowie Benutzereingabeschnittstellen und erlaubt eine Hindernisdetektion und Benutzerinteraktion. Die untersuchten Miniroboter nutzen überwiegend aktive Infrarotsensoren als Boden- und Näherungssensoren. Nur der Khepera III und IV besitzt zusätzliche Ultraschall- sensoren als weitreichende Abstandssensoren. Die Sensoren erzeugen ein Infrarot- beziehungsweise Ultraschallsignal und messen die Amplitude beziehungsweise Laufzeit der reﬂektierten Antwort.

47 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Jonas [B14] entwickelte in seiner Studienarbeit „Entwicklung einer Infrarot-Nähe- rungssensorik für Miniroboter“ eine starr flexible Flachbaugruppe für ein direkt in das Gehäuse montiertes Infrarotnäherungssensorsystem. Er verglich unter anderem unterschiedliche Näherungssensoren und untersuchte verschiedene Infrarotsensoren, bestehend aus Infrarotsender und Phototransistor in einer Testumgebung. Aufbauend auf den Untersuchungen wählte er einen Sensor aus, entwarf eine Sensoranordnung und entwickelte eine Starrflex-Leiterplatte. Zusätzlich implementierte er eine Sen- sorsignalauswertung inklusive Umgebungslichtfilter und Blendvermeidung mithilfe eines Mikrocontrollers auf der Flachbaugruppe. Aufgrund der Starrflex-Leiterplatte besaß die entwickelte Flachbaugruppe relativ hohe Fertigungskosten zugunsten einer flexiblen Montage. Jonas [B15] entwickelte in seiner Diplomarbeit „Ressourceneffiziente aktive In- frarotsensorik für kooperative Miniroboter“ eine Flachbaugruppe für ein diskretes Infrarotnäherungssensorsystem. Er untersuchte und wählte unter anderem diskrete Infrarotsender sowie -empfänger aus und entwarf sowie simulierte verschiedene Sen- soranordnung. Auf Basis der Untersuchungen und Simulationen wählte er eine diskrete Infrarotlicht emittierende Diode und eine diskrete Photodiode aus. Die entwickelte Flachbaugruppe nutzte zwei Operationsverstärker, um eine Empfangsschaltung, bestehend aus Transimpedanzverstärker und Pufferstufe, zu realisieren. Jonas simulierte ein Übertragungsprotokoll für eine parallele Datenübertragung sowie Hindernisdetektion anhand einer Pulslängenmodulation sowie eines Zeitmultiplexverfahren in MathWorks Simulink. Außerdem implementierte er das Protokoll mithilfe eines Mikrocontrollers. Das Infrarotnäherungssensorsystem besaß eine maximale Reichweite von 340 mm für die Hindernisdetektion und 1050 mm für die Kommunikation sowie eine Auflösung von 12 bit und eine Abtastrate von 42 Hz. Plümpe [B21] entwickelte in seiner Diplomarbeit „Ressourceneffiziente Ultraschall- sensorik für kooperative Miniroboter“ eine Flachbaugruppe für eine Ultraschallab- standssensorsystem. Er untersuchte unter anderem verschiedene Ultraschallwandler, Sende- und Empfangsschaltungen. Basierend auf den Untersuchungen entwarf er eine überdeckende Sensoranordnung und entwickelte eine Flachbaugruppe mit variabler Sendespannung. Außerdem implementierte er eine Signalverarbeitung für ein Pulsechoverfahren mithilfe eines Mikrocontrollers. Die einzelnen Sensoren besaßen eine minimale Reichweite von 400 mm, maximale Reichweite von 6 m, eine Auflösung von 12 bit und eine Abtastrate von 20 Hz. Das Näherungssensormodul der Prototypen des AMiRos nutzt ein diskretes Infra- rotnäherungssensorsystem basierend auf der Diplomarbeit von Jonas. Das Infrarot- näherungssensorsystem besitzt im Vergleich zum Ultraschallabstandssensorsystem von Plümpe unter anderem eine schnellere Abtastrate, mehr Sensoren und weniger Interferenzen zwischen Robotern. Im Unterschied zur Diplomarbeit von Jonas befinden sich die diskreten Infrarotsender und -empfänger in einzelnen Halterungen auf der Flachbaugruppe und werden, anstatt von innen, von außen durch das Gehäuse gesteckt. Diese Lösung bietet im Vergleich zur Starrflex-Leiterplatten der Studienarbeit

48 3.3 Systementwurf von Jonas einen reduzierten Kostenaufwand und eine gleichzeitige Datenübertragung und Hindernisdetektion. Jürgens [B16] implementierte in seiner Bachelorarbeit „Kooperative Infrarot-basierte Hindernisdetektion und Roboteridentifikation“ ein blendungsvermeidende Hindernis- detektion auf einem Prototyp des Näherungssensormoduls. Außerdem vermaß er die Sensoren und identifizierte sowie untersuchte verschiedene Störquellen. Insgesamt zeigten die diskreten Infrarotsensoren des Prototyps außerhalb von Laborbedingungen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Störquellen und eine schnelle Messsignalsätti- gung im Bereich der räumlich nahen Datenübertragung zwischen Robotern. Das Näherungssensormodul nutzt daher moderne integrierte Infrarotnäherungssen- soren mit eingebautem Umgebungslichtfilter und eine biegbare Semiflex-Leiterplatte. Die Semiflex-Leiterplatte bietet die Vorteile der Starrflex-Leiterplatten der Studien- arbeit von Jonas zu einem günstigeren Preis. Sie erlaubt eine direkte Platzierung der Sensoren auf der Leiterplatte und eine Montage der Leiterplatte direkt in das Gehäuse auf Höhe der Räder. Zusätzlich besitzt das Näherungssensormodul dedizierte Berührungssensoren zum Ein- und Ausschalten verschiedener Verhalten und Betriebs- zustände. Ein Berührungssensor reagiert auf Objektannäherungen und weist keine mechanischen Teile auf. Er lässt sich entsprechend einfacher integrieren und nicht mechanisch zerstören.

Lichtringmodul

Das Lichtringmodul (Light Ring) ist bestückt mit mehrfarbigen Leuchtdioden und dient der gerichteten Zustandsvisualisierung zur optischen Identiﬁkation, Detektion und Kommunikation. Außerdem implementiert es eine drahtlose Kommunikation zwischen AMiRos beziehungsweise ein drahtloses Sensornetzwerk. Mittels einer Erwei- terungsschnittstelle unterstützt es einen Laserabstandssensor und somit eine simultane Lokalisierung und Kartenerstellung (Simultaneous Localization and Mapping). Der S-Bot, marXbot und BeBot besitzt eine Zustandsvisualisierung. Sie bieten insbesondere im kollaborativen Roboterverhalten und bei der Benutzerinteraktion einen Mehrwert [A1, A2]. Der BeBot nutzt dabei drei in Reihe geschaltete Leuchtdioden pro Seite und einen Lichtleiter aus einem satinierten Plexiglas® (siehe Abbildung 3.3f). Gehring [B8] ermittelte in seiner Studienarbeit „Entwicklung eines Funkmoduls für kooperative Miniroboter“ unter anderem Anwendungsszenarien und Anforderun- gen an eine drahtlose Kommunikation für Miniroboter. Er untersuchte und verglich verschiedene Kommunikationsstandards, wie beispielsweise WLAN und Bluetooth, hinsichtlich Leistungsdaten und Ressourcenbedarf. Aufbauend auf dem Vergleich führ- te er eine Marktrecherche sowie Bauteilauswahl eines Funksendeempfängers durch und entwickelte eine Flachbaugruppe. Aufgrund des geringen Energiebedarfs im Ver- gleich zu WLAN und der hohen Anzahl an Kommunikationsteilnehmer gegenüber Bluetooth nutzte das entwickelte Funkmodul einen Sendeempfänger für eine drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf.

49 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Ausschließlich der marXbot besitzt standardmäßig einen speziell entwickelten rotierenden Abstandsensor für eine simultane Lokalisierung und Kartenerstellung. Der Khepera III und IV unterstützen einen Laserabstandssensoren über ein zusätzliches Modul. Das Lichtringmodul nutzt einzeln zu steuernde Leuchtdioden und ein kommerzielles Funkmodul mit einem entsprechenden Sendeempfänger der Studienarbeit von Gehring. Das Funkmodul ist im Vergleich zum diskreten Modul der Studienarbeit sowohl getestet und zertiﬁziert als auch kostengünstiger. Aufgrund der Baugröße und Kosten nutzt der AMiRo standardmäßig keinen Laserabstandssensoren sondern besitzt nur eine entsprechende Schnittstelle für einen URG-04LX Laserabstandssensor von Hokuyo. Der URG-04LX Laserabstandssensor von Hokuyo besitzt eine einfache serielle sowie USB-Schnittstelle, eine maximale Messdistanz von 4 m, einen Messwinkel von 240◦, eine Messrate von 10 Hz sowie eine Auﬂösung von 1 mm und 0,36◦.

Kognitionsmodul

Das Kognitionsmodul (Cognition) besitzt einen leistungsstarken Anwendungsprozessor und unterstützt die Ausführung komplexer autonomer Verhalten. Zusätzlich integriert es den AMiRo mittels einer drahtlosen Kommunikation in ein bestehendes Computer- netzwerk und besitzt eine Audioverarbeitung. Der BeBot besitzt in beiden Versionen jeweils eine anwendungsspezifische Flachbau- gruppe zur Integration eines Anwendungsprozessors. Aufgrund der kleinen Bauteilgrö- ße, der vielen Anschlüsse und der zusätzlichen Bauteile eines Anwendungsprozessors sind die Leiterplatten entsprechend komplex und insbesondere in kleinen Stückzahlen teuer. Eine kostengünstige alternative zu einer anwendungsspezifischen Flachbau- gruppe bildet ein Einplatinencomputer beziehungsweise ein Computermodul. Ein Einplatinencomputer vereint alle zum Betrieb notwendigen Bauteile auf einer einzelnen Flachbaugruppe. Eines der ersten quelloffenen Einplatinencomputer ist das BeagleBoard von 2008 [46] und der bekannteste ist das erste Raspberry Pi von 2012 [51]. Ein Computermodul besitzt im Unterschied zum Einplatinencomputer keine externen Steckverbindern für Peripheriegeräte und erfordert eine Integration in eine andere Flachbaugruppe. Aufgrund der Wiederverwendung der Module in verschiedenen Flachbaugruppen und Geräten sind Computermodule kostengünstig insbesondere in kleinen Stückzahlen. Die e-puck Overo Extension und der Khepera IV nutzen das Gumstix Overo Computermodul und damit die gleiche Prozessorfamilie des überarbei- teten BeBots. Das Gumstix Overo ist ein bekanntes und kleines Computermodul. Es ist seit 2009 auf dem Markt und wird kontinuierlich gepflegt und weiterentwickelt [72]. Gerber [B9] entwickelte in seiner Bachelorarbeit „Entwurf eines Prozessormodules für den Miniroboter AMiRo“ einen Prototyp der Kognitionsflachbaugruppe. Er erstellte auf Basis vorgegebener Bauteile, beispielsweise eines Gumstix Overo Computermoduls und eines drahtlosen Kommunikationsmoduls, einen Schaltplan und ein Layout für eine Leiterplatte mit einem Durchmesser von 92 mm.

50 3.3 Systementwurf

Abel [B2] realisierte und evaluierte in seinem Masterprojekt „Linux OS for AMiRo“ das Betriebssystem des Kognitionsmoduls prototypisch mittels einer Gumstix Summit Erweiterungsplatine. Unter anderem realisierte er einen Prototyp der zentralen Kom- munikationsschnittstelle des AMiRos auf einer Lochrasterplatine und vernetzte damit ein Computermodul mit einem Prototyp des AMiRos. Außerdem passte er Betriebssys- temkern, Betriebssystem und die Softwareerstellungsumgebung an und visualisierte Daten der zentralen Kommunikationsschnittstelle auf einem Computer. Das Kognitionsmodul basiert entsprechend auf der Bachelorarbeit von Gerber und nutzt ein Gumstix Overo Computermodul sowie ein drahtloses Kommunikationsmodul mit Bluetooth und WLAN nach IEEE 802.11. Die IEEE 802.11 bezeichnet eine Familie von Normen der Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) für die WLAN- Kommunikation [85].

Bildverarbeitungsmodul

Das Bildverarbeitungsmodul (Image Processing) nutzt eine programmierbare logische Schaltung und erlaubt die Implementierung rechenintensiver paralleler Algorithmen, beispielsweise eine kontinuierliche Bilddatenvorverarbeitung. Es dient dem Energiema- nagement- oder Kognitionsmodul als Zusatzprozessor beziehungsweise Hardwarebe- schleuniger und unterstützt eine Realisierung einer integrierten Schaltung oder eines Prozessorsystems. Nava u. a. [A9] realisierten im Rahmen der Untersuchung „Applying dynamic reconfiguration in the mobile robotics domain: A case study on computer vision algorithms“ verschiedene Bildverarbeitungsalgorithmen auf der programmierbaren logischen Schal- tung des BeBots und identifizierten dabei unter anderem Anforderungen an ein Bild- verarbeitungsmodul. Griessl [B11] entwickelte in seiner Studienarbeit „Entwicklung einer konfigurierbaren Hardware für Bildverarbeitung in mobilen Systemen“ eine entsprechendes Bildverarbeitungsmodul für den Prototyp des AMiRos und nahm dieses in Betrieb. Er verglich unter anderem verschiedene verfügbare programmierbare logische Schaltun- gen und wählte ein preisgünstiges sowie energieeffizientes Bauteil aus. Außerdem bestimmte er einen seriellen Festwertspeicher, einen dynamischen Datenspeicher, eine USB-Schnittstellensteuerung und eine Spannungsversorgung. Er entwickelte einen Schaltplan und spezifizierte eine Anschlussbelegung der programmierbaren logischen Schaltung. Weiterhin konstruierte er ein Layout und simulierte die Speicherschnittstelle zwischen programmierbare logische Schaltung sowie dynamischen Datenspeicher. Das Bildverarbeitungsmodul basiert auf der Studienarbeit von Griessl. Es besitzt im Unterschied zum Prototyp unter anderem keine USB-Schnittstellensteuerung und weniger dedizierte Spannungsversorgungen. Außerdem nutzt es Signale der System- schnittstelle für die Programmierung des seriellen Festwertspeichers und der programmierbaren logischen Schaltung. Entsprechend Nava u. a. besitzt das Modul neben einer Speicherschnittstelle zum Kognitionsmodul eine Kameraschnittstelle zum Bildsensor-

51 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters und Kognitionsmodul. Auf diese Weise beﬁndet sich die programmierbare logische Schaltung direkt zwischen Kamera und Anwendungsprozessor und unterstützt eine sequenzielle Vorverarbeitung oder parallele Bearbeitung der Bilddaten.

Bildsensormodul

Das Bildsensormodul (Image Sensor) besitzt einen Bildsensor und erstellt ein elektrisches Abbild der frontalen Umgebung. Es ist entweder direkt mit einem Kognitions- oder Bildverarbeitungsmodul verbunden. Die Bildsensoren der untersuchten Miniroboter bestehen überwiegend aus einem einzelnen frontalen Kameramodul und selten aus einer omnidirektionalen Kamera. Eine omnidirektionale Kamera besitzt einen speziellen Spiegel und erzeugt eine 360◦ horizontale Abbildung der Umgebung. Ein Kameramodul besteht mindestens aus einer Leiterplatte, einem Bildsensor, einem Linsenhalter und einer Linse. Der Bildsensor nimmt ein zweidimensionales Abbild aus Licht und Infrarotstrahlung auf und überträgt dieses mittels einer elektrischen Schnittstelle an eine Informationsverarbeitung. Kameramodule werden häuﬁg in Reinräumen gefertigt und in großen Stückzahlen direkt beim Hersteller gekauft. Der Prototyp nutzt daher ein existierendes Caspa Bildsensormodul von Gumstix. Dieses ist relativ groß und beansprucht daher den oberen Teil der Prototypen. Aufgrund des Raspberry Pi Einplatinencomputers sind mittlerweile auch kleine Kameramodule zu einem günstigen Preis erhältlich. Das Bildsensormodul nutzt entsprechend ein kleines Kameramodul des Raspberry Pi und platziert dieses direkt auf Höhe der Näherungssensoren. Das P5V04A Kameramodul von Sunny besteht aus einem OV5647 Bildsensor von OmniVision und besitzt eine Blendenzahl von 2,8, einen Öffnungswinkel von 65◦ sowie einer Brennweite von 690 mm. Der OV5647 Bildsensor besitzt eine maximale und minimale Auﬂösung von 2592 x 1944 beziehungsweise 320 x 240 Bildpunkten mit maximal 15 beziehungsweise 120 Bildern pro Sekunde.

3.3.2 Schnittstellen Die Schnittstellen speziﬁzieren die Verbindungen zwischen den Modulen (siehe Abbil- dung 3.5). Eine Schnittstelle charakterisiert eine „Verbindungsstelle zwischen Funkti- onseinheiten eines Datenverarbeitungs- oder -übertragungssystems, an der der Aus- tausch von Daten oder Steuersignalen erfolgt“ [15, Stichwort: Schnittstelle]. Der AMiRo besitzt eine System-, Fahrgestell-, Rohr- und Kameraschnittstelle. Die Systemschnittstel- le zwischen Energiemanagement- und Lichtringmodul bildet die zentrale Schnittstelle des AMiRos und verbindet zusätzliche Erweiterungsmodule. Die zusätzlichen Schnitt- stellen dienen der Platzierung von Sensoren sowie Aktoren im Gehäuse und verbinden jeweils zwei speziﬁsche Module direkt miteinander. Die Fahrgestellschnittstelle zwischen Zweiradantriebs- und Energiemanagementmodul entspricht einer reduzierten Systemschnittstelle und überbrückt die räumliche Distanz zwischen den Modulen.

52 3.3 Systementwurf CAN UART SPI CI EBI CTRL VSYS VIO Light Ring Module Image Sensor Module (Microcontroller, Light Dome, (Camera Module) Low-Power Wireless Communication)

Extension Modules

Proximity Sensor Module Power Management Module (Proximity Sensors, (Microcontroller, Power Supplies and Monitors, Touch Sensors) Battery Chargers and Monitors, Bluetooth)

Di Wheel Drive Module (Microcontroller, Motor Drivers, Ground Sensors, Motion Sensor)

Power Supply Multipoint Point-to-Point Multiport

Abbildung 3.5: Systemarchitektur des AMiRos

Die Rohrschnittstelle zwischen Energiemanagement- und Näherungssensormodul erlaubt eine Integration von Sensoren in das Gehäuse. Die Kameraschnittstelle zwischen Lichtring und Bildsensormodul reduziert die Systemschnittstelle auf Kameramodul relevante Signale. Jedes Modul mit einer Informationsverarbeitung besitzt zusätzlich eine dedizierte Programmierschnittstelle für die Programmierung und Fehlersuche. Das Kognitions- modul besitzt außerdem mehrere USB-Schnittstellen. Der Universal Serial Bus (USB) ist ein serielles Bussystem und verbindet einen Computer beziehungsweise Gastgeber (Host) mit einem Gerät (Device).

Systemschnittstelle

Die Systemschnittstelle zwischen Energiemanagement-, wahlfreien Erweiterungsmo- dulen und Lichtringmodul besteht aus zwei Paaren von Steckverbindern mit jeweils 60 und insgesamt 120 Kontakten. Dabei besteht das obere Paar aus zwei Steckern und das untere aus zwei Buchsen. Sie beinhaltet fünf Kommunikationsschnittstellen, zehn Steuersignale und fünf verschiedene Spannungsversorgungen (siehe Abbildung 3.5).

Kommunikationsschnittstellen Die Kommunikationsschnittstellen der Systemschnitt- stelle beinhalten drei serielle und zwei parallele Kommunikationsstandards. Die seriellen Kommunikationsstandards sind CAN, UART und SPI. Das Controller Area Network (CAN) ist ein serieller echtzeitfähiger Feldbus und ermöglicht eine Nachrichten basierte Mehrempfängerkommunikation. Es nutzt ein bidirektionales differenzielles Signal, bestehend aus zwei Leitungen und verbindet alle Informationsverarbeitungseinheiten. Der Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) ist eine asynchrone serielle

53 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

1000

500 Rate in kbit/s

0 I2C Fast Mode UART Multiprocessor Mode CAN 11 bit Identiﬁer CAN 29 bit Identiﬁer 8 bit Daten 16 bit Daten 32 bit Daten 64 bit Daten Symbole

Abbildung 3.6: Abschätzung der Datenübertragungsraten verschiedener serieller Bus- systeme

Schnittstelle und besteht aus einem Sende- und Empfangssignal für eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation. Er bildet eine sternförmige Kommunikation zwischen den Modulen. Dabei repräsentiert das Energiemanagement den zentralen Sender und Empfang für alle anderen Module. Das Serial Peripheral Interface (SPI) ist eine synchrone serielle Schnittstelle und umfasst ein Auswahl-, Takt-, Sende- und Empfangssignal für eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation. Die Systemschnittstelle besitzt zwei Auswahlsignale und unterstützt damit zwei verschiedene Kommunikationspartner. Das Richtungssignal der zusätzlichen Systemsteuersignale kontrolliert die Kommunikationsrichtung der Schnittstelle. Die parallelen Kommunikationsstandards sind CI und EBI. Das Cam- era Interface (CI) beinhaltet ein CPI für Bilddaten des Bildsensors, einen I2C für die Konﬁguration des Sensors sowie vier Steuersignale und ein Taktsignal. Das Camera Parallel Interface (CPI) ist eine unidirektionale parallele Schnittstelle und besteht aus einem Bildpunkttaktsignal, acht bis zwölf Datensignalen sowie einem horizontalen und vertikalen Synchronisationssignal. Der Inter-Integrated Circuit (I2C)-Bus ist ein synchrones serielles Bussystem und besteht aus einem bidirektionalen Takt- und Da- tensignal. Das External Bus Interface (EBI) ist eine parallele Speicherschnittstelle und erweitert einen Prozessor um zusätzliche Peripheriegeräte. Es besteht aus sechzehn Daten-, zehn Adress- und neun Steuersignalen sowie einem Taktsignal. Das CAN-Netzwerk bildet die primäre interne Kommunikationsschnittstelle. Es besitzt zwar im Mittel eine geringer abgeschätzte Datenübertragungsrate (siehe Ab- bildung 3.6), aber ist dafür echtzeitfähig und unterstützt eine Mehrempfängerkom- munikation zwischen beliebigen Informationsverarbeitungseinheiten. Gehring [B7] untersuchte in seiner Diplomarbeit „Dezentrales Kommunikationssystem für verteilte Recheneinheiten in modularen, eingebetteten Systemen“ verschiedene CAN-An- wendungsschichtprotokoll und entwickelte ein neues dezentrales Protokoll für einen modularen Miniroboter.

Steuersignale Die Steuersignale (CTRL) der Systemschnittstelle bestehen aus sechs grundsätzlichen und drei zusätzlichen Steuersignalen. Grundsätzliche Steuersignale

54 3.3 Systementwurf

sind ein Kaltzurücksetz-, Warmzurücksetz-, Reglereinschalt-, Ausschalt-, Synchronisa- tions- und Nachbarschaftssignal. Das Kaltzurücksetzsignal setzt den AMiRo in einen Anfangszustand zurück und das Warmzurücksetzsignal setzt alle Module oberhalb des Energiemanagementmoduls zurück. Das Reglereinschaltsignal aktiviert alle Span- nungsregler des AMiRos. Das Ausschaltsignal löst einen Neustart oder ein Ausschalten des AMiRos aus. Das Synchronisationssignal synchronisiert die verschiedenen Startpro- gramme beziehungsweise Informationsverarbeitungseinheiten bei allen Zustandsän- derungen. Das Nachbarschaftssignal verbindet jeweils zwei benachbarte Module und dient der Nachbarschaftsorganisation und Synchronisation. Zusätzliche Steuersignale sind ein Richtungssignal sowie ein dediziertes Programmier- und Erledigtsignal. Das Richtungssignal beeinﬂusst die Kommunikationsrichtung einer SPI-Kommunikation zwischen Bildverarbeitungs-, Energiemanagement- und/oder Kognitionsmodul. Das Programmier- und Erledigtsignal steuern die Konﬁguration einer wahlfreien programmierbaren logischen Schaltung. Das Kaltzurücksetz-, Warmzurücksetz-, Ausschalt-, Synchronisations-, Richtungs-, Programmier- und Erledigtsignal sind bidirektional und bilden jeweils zwischen allen Modulen eine Oder-Logik. Das Reglereinschaltsignal wird aktiv durch das Energiemanagement gesteuert. Das Nachbarschaftssignal existiert dediziert pro oberem als auch unterem Steckverbinder und verbindet jeweils nur zwei benachbarte Module bidirektional mittels eine Oder-Logik. Die Signale steuern unter anderem verschiedene Zustandsänderungen (siehe Ab- bildung 3.7). Der Kaltstart (cold reset) resultiert aus einem externen oder internen Kaltzurücksetzsignal und initialisiert das Startprogramm des Zweiradantriebs- sowie Energiemanagementmoduls. Das Einschalten (enable) aktiviert die Spannungsver- sorgungen und startet die Startprogramme der restlichen Module. Das Laden (boot) überführt alle Module in die jeweiligen Betriebssysteme und synchronisiert die In- itialisierung der Basissoftware. Der Warmstart (warm reset) beendet die Betriebssys- temausführung, schaltet die Spannungsversorgung ab und initialisiert einen Kaltstart. Das Ausschalten (power down) ähnelt dem Warmstart, aber aktiviert den Schlafzu- stand des Zweiradantriebs- sowie Energiemanagementmoduls statt eines Kaltstarts. Das Aufwachen (wake up) deaktiviert den Schlafzustand des Zweiradantriebs- sowie Energiemanagementmoduls und ersetzt einen Kaltstart.

Spannungsversorgungen Die Spannungsversorgungen der Systemschnittstelle unterteilen sich in eine variable Systemspannung und vier stabilisierte Regelspannungen. Die Systemspannung (VSYS) dient als zentrale Spannungsversorgung für zusätzliche oder unterbrechungsfreie Spannungen. Sie ist immer aktiv und unterstützt beziehungsweise verfügt über verschiedene Stromeinspeisungen. Sie besitzt eine Spannung von 6 V bis 12 V und unterstützt einen maximalen Strom von 4,8 A. Die Regelspannungen (VIO) sind im Ausschaltzustand deaktiviert und werden durch das Energiemanagementmodul gesteuert sowie erzeugt. Sie unterstützen jeweils einen maximalen Strom von 1,2 A und besitzen eine typische Spannung von 1,8 V, 3,3 V, 4,2 V und 5 V. Dabei entspricht die

55 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Kaltzurücksetzsignal Warmzurücksetzsignal Reglereinschaltsignal Ausschaltsignal Synchronisationssignal Nachbarschaftssignal Zustand Kaltstart Einschalten Laden Warmstart

(a) Kaltstart, Einschalten, Laden und Warmstart

Kaltzurücksetzsignal Warmzurücksetzsignal Reglereinschaltsignal Ausschaltsignal Synchronisationssignal Nachbarschaftssignal Zustand Ausschalten Aufwachen

(b) Ausschalten und Aufwachen

Abbildung 3.7: Zeitablaufdiagramme der Systemsteuersignale des AMiRos für verschiedene Zustandsänderungen

4,2 V der Ladeschlussspannung einer einzelligen Lithium-Ionen-Batterie und damit der typischen maximalen Versorgungsspannung eines Anwendungsprozessors respektive Computermoduls.

Fahrgestellschnittstelle

Die Fahrgestellschnittstelle besteht aus einer ﬂexiblen Flachbandleitung mit 24 Kon- takten. Sie entspricht einer reduzierten Systemschnittstelle zwischen Zweiradantriebs- und Energiemanagementmodul. Sie besitzt nur die zwei seriellen CAN- und UART- Schnittstellen sowie die sechs grundsätzlichen Steuersignale der Systemschnittstel- le. Außerdem beinhaltet sie die Systemspannung sowie 3,3 V-Regelspannungen der Systemschnittstelle und unterstützt einen maximalen Strom von 3 A sowie 0,5 A.

Rohrschnittstelle

Die Rohrschnittstelle nutzt eine ﬂexible Flachbandleitung mit 16 Kontakten. Sie bildet eine dedizierte Schnittstelle zwischen Energiemanagement- und Näherungssensormo- dul. Sie beinhaltet zwei dedizierte I2C-Schnittstellen und drei Unterbrechungssignale der Informationsverarbeitung des Energiemanagementmoduls. Außerdem nutzt sie die 3,3 V-Regelspannung der Systemschnittstelle sowie eine unterbrechungsfreie Mo-

56 3.3 Systementwurf dulspannung des Energiemanagementmoduls und unterstützt einen maximalen Strom von 1 A sowie 0,5 A.

Kameraschnittstelle

Die Kameraschnittstelle besteht aus einer ﬂexiblen Flachbandleitung mit 27 Kontak- ten und ist kompatible zur Kameraschnittstelle des Gumstix Overo Computermoduls [73]. Sie bildet die Systemschnittstelle zwischen Lichtring- und Bildsensormodul. Sie besteht aus der CI-Schnittstelle, dem Reglereinschaltsignal sowie den 1,8 V und 4,2 V- Regelspannungen der Systemschnittstelle. Die Spannungen unterstützen jeweils einen maximalen Strom von 0,2 A. Im Unterschied zur original Schnittstelle von Gumstix unterstützt diese Kame- raschnittstelle nur eine Taktleitung und verbindet die primäre Taktleitung mit Masse. Aufgrund der ungünstigen Anordnung der primären Taktleitung zwischen vertika- lem Synchronisationssignal und Bildpunkttakt entstehen Bildstörungen infolge von Übersprechen in der Flachbandleitung. Demgegenüber wird die sekundäre Taktleitung ﬂankiert von einer selten genutzten zwölften Datenleitung und einem Steuersignal.

Programmierschnittstelle

Die Programmierschnittstelle nutzt einen externen Steckverbinder mit 16 Kontakten. Sie besteht mindestens aus einer UART-Schnittstelle und einer Versorgungsspannung der Informationsverarbeitung. Optional beinhaltet sie ein Zurücksetz- und Startpro- grammauswahlsignal sowie eine speziﬁsche Programmier- oder Fehlersuchschnittstelle der Informationsverarbeitung.

3.3.3 Gestalt Die Gestalt beschreibt die „Form, die etwas hat, in der etwas erscheint“ [15, Stichwort: Gestalt]. Sie wird primär beeinﬂusst durch Gehäuse, Antrieb, Energiespeicher und Systemsteckverbinder.

Gehäuse

Die Gehäuse der untersuchten Miniroboter bestehen in der Regel aus mittels Spa- nen, Spritzguss oder generativen Fertigungsverfahren hergestellten Bauteilen. Beim Spanen wird „(Material) mit einem geeigneten Werkzeug in Form von Spänen (von einem Werkstück, um es zu formen, um die Oberﬂäche zu glätten)“ [15, Stichwort: spanen] abgetragen. Der Spritzguss ist ein „Verfahren zur Verarbeitung von thermo- plastischen Stoffen, bei dem das erwärmte Material in eine kalte Form gespritzt wird“ [15, Stichwort: Spritzgus]. „Dafür ist [normalerweise] ein kostenintensives Werkzeug unvermeidbar, welches in einem langwierigen Fertigungsprozess hergestellt werden

57 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Batterie

Motor Motor Rad Rad

Batterie

Abbildung 3.8: Platzierung der Motoren und Batterien im Gehäuse des AMiRos muss“ [165, S. 79]. In generativen Fertigungsverfahren entstehen „die Bauteile [...] durch das schichtweise Hinzufügen von Material“ [165, S. 49]. „In einem automatisier- ten Bauprozess werden die gewünschten Objekte mit speziﬁschen Materialien (ﬂüssig, pulverförmig oder fest als Draht oder Folie) schichtweise aufgebaut“ [165, S. 50]. Einige generative Fertigungsverfahren, beispielsweise 3D-Druck, sind zwar in den letzten Jahren auch in die Heimanwendung vorgedrungen, aber waren zum Zeitpunkt der Entwicklung in Qualität und Kosten nicht konkurrenzfähig zu konventionellen Fertigungsverfahren. Das Gehäuse besitzt entsprechend der Anforderungen eine zylindrische Form. Es besteht aus einer Leiterplatte als Basis, einem Rohr als Umrandung und einer Kuppel als Deckel. Das Rohr und die Kuppel nutzen in einer Werkstatt verfügbare konventionelle Fertigungsverfahren und Maschinen.

Antrieb

Der differenzielle Antrieb besitzt entsprechend der Anforderungen einen innen liegenden Antrieb, bestehend aus zwei gegenüberliegenden Radantriebsmodulen (siehe Abbildung 3.8). Ein einzelnes Radantriebsmodul besteht aus einem flachen Getriebemo- tor mit integriertem Inkrementalgeber und einem Rad direkt auf der Motorachse. Auf diese Weise lassen sich teure anwendungsspezifische Getriebe und Inkrementalgeber vermeiden sowie die Konstruktion vereinfachen. Entsprechend der räumlichen Beschränkung und eingeschränkten Verfügbarkeit leistungsstarker, präziser, flacher Miniaturantriebstechnik nutzt der AMiRo einen 2619 Getriebemotor von Faulhaber. Dieser besitzt eine Nennspannung von 6 V, eine Überset- zung von 22:1 und einen IE2-16 Inkrementalgeber mit 16 Impulsen pro Umdrehung.

58 3.3 Systementwurf

Light Ring Image Processing Cognition Power Management

Image Sensor (CI) (SPI) (EBI) (CAN) (UART) Proximity Sensor Camera Interface Receiver Transmitter External Bus Interface Controller Area Network Universal Asynchronous Serial Peripheral Interface Di Wheel Drive

Slave Master

Abbildung 3.9: Gestalt und Schnittstellen des AMiRos

Er verfügt zusätzlich über ein vorgespanntes Kugellager und einen sechs poligen 51021-0600 Steckverbinder von Molex am Ende der Anschlussleitung als Sonderaus- führung.

Energiespeicher

Der Energiespeicher bildet neben dem Antrieb den größten und damit entscheidenden Einﬂussfaktor auf die Gestalt. Er besteht aus zwei symmetrisch angeordneten quadratischen Batterien (siehe Abbildung 3.8). Diese erlauben eine optimale Raumnutzung und gleichmäßige Gewichtsverteilung für einen differenziellen Antrieb. Aufgrund der räumlichen Beschränkung und Kosten nutzt der AMiRo zwei kunden- speziﬁsche 2S1P CGA103450A Lithium-Ionen-Batterie von BMZ mit einer Spannung von 7,4 V und einer Kapazität von 1995 mAh. Eine Batterie besteht aus einer Serie von zwei prismatischen CGA-103450A Standardzellen von Panasonic mit einer Spannung von 3,7 V, einer Schutzschaltung von BMZ und einem standardisiertem Kabelsatz mit einem drei poligen XHP3 Steckverbinder von JST am Ende der Anschlussleitung.

Steckverbinder

Der Systemsteckverbinder beeinﬂusst die Anordnung der Module und bildet damit ein zentrales Element der modularen Gestalt. Ein Stapel von einzelnen übereinan- der angeordneten Modulen unterstützt eine beliebige Erweiterung durch zusätzliche Module (siehe Abbildung 3.9). Der Abstand zwischen den Modulen beeinﬂusst au- ßerdem die elektrische Bauteilauswahl und -platzierung. Elektrische Bauteile außer Steckverbindern besitzen oft eine Höhe unter 2 mm und selten eine Höhe über 3,5 mm. Der Systemsteckverbinder nutzt entsprechend FX8C Steckverbinder von Hirose mit 60 Kontakten und einer Stapelhöhe von 7 mm. Die einzelnen Steckverbinder unterstützen je nach Stecker und Buchse eine variable Höhe zwischen 5 mm bis 16 mm.

59 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Die Fahrgestell-, Rohr- und Kameraschnittstellen bestehen jeweils aus einer reduzierten System- oder spezifischen Modulschnittstelle. Sie nutzen jeweils eine flexible Flachbandleitung und bieten somit zusätzliche Freiheiten bei der Konstruktion. Eine Programmierbuchse befinden sich auf jedem Modul und muss daher klein und gut verfügbar sein. Gleichzeitig darf die Montage der Programmierkabel kein teures Herstellungswerkzeug benötigen. Die Programmierbuchse nutzt daher eine LX60 Steckbuchse von Hirose mit 16 Kontakten und einer Höhe von 2 mm.

3.3.4 Softwarearchitektur

Die Softwarearchitektur des AMiRos ist angelehnt an das Dreischichtenmodell von Strube [149] aus der Kognitionswissenschaft und dem Operator-Controller-Modul des Sonderforschungsbereich 614 „Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus“ [1]. Alle Sensoren und Aktoren des AMiRos sind jeweils mit einem Mikrocontroller verbunden. Die Mikrocontroller sind untereinander über eine echtzeitfähige Kommunikation vernetzt und besitzen jeweils ein Echtzeitbetriebssystem. Sie unterstützt somit eine nicht kognitive Regulierung beziehungsweise motorische Informationsverarbeitung zur kontinuierlichen reaktiven Steuerung und Regelung. Einer der Mikrocontroller ist besonders Leistungsstark und erlaubt außerdem eine assoziative Regulierung respektive reﬂektorische Informationsverarbeitung zur Überwachung und Ablaufsteuerung. Ein zusätzlicher leistungsstarker Anwendungsprozessor mit Linux Betriebssystem un- terstützt eine kognitive Regulierung beziehungsweise Informationsverarbeitung zum Zielmanagement sowie zur Planung und Selbstoptimierung. Insgesamt bildet der AMiRo ein heterogenes verteiltes System. Die energieefﬁzienten Mikrocontrollern realisieren hochfrequente Sensorverarbeitung und Aktorregelung. Der leistungsstarke Anwendungsprozessor führt speicherintensive Dateninterpretation und Planung aus. Die programmierbare logische Schaltung implementiert stark parallele Bildverarbeitungsalgorithmen.

3.4 Konstruktion

Die Konstruktion beschreibt „das Konstruieren [oder] das Ergebnis des Konstruierens“ [15, Stichwort: Konstruktion]. Konstruieren bedeutet „Form und Zusammenbau eines technischen Objektes durch Ausarbeitung des Entwurfs, durch technische Berechnun- gen, Überlegungen usw. maßgebend [zu] gestalten“ [15, Stichwort: konstruieren]. Ein funktionsmäßig nicht zerlegbares technisches Objekt wird als Bauteil und der Zu- sammenbau mehrerer Bauteile als Baugruppe bezeichnet. Dabei kann eine Baugruppe selbst aus mehreren Baugruppen und Bauteilen bestehen. Die Bauteile in einer Bau- gruppe stehen untereinander in Beziehung und sind mittels einer Verbindungstechnik, beispielsweise durch schrauben oder kleben, miteinander verbunden.

60 3.4 Konstruktion

„Beim Entwickeln und Konstruieren werden die Produkteigenschaften mit Hilfe von Modellen und Daten abgebildet“ [165, S. 13]. Ein Modell spezifiziert die Form und damit die Geometrie, das Material und die Oberfläche eines Bauteils oder die Beziehungen zwischen Bauteilen einer Baugruppe. Die Zuordnungen vorn, hinten, links, rechts, oben sowie unten beschreiben die Perspektive des Betrachters und werden auch Vorderansicht, Rückansicht, linke Seiten- ansicht, rechte Seitenansicht, Draufsicht sowie Unteransicht bezeichnet. Die folgenden Abbildungen zeigen die Modelle in einer isometrischen Ansicht und ordnen die drei Raumachsen in einem Winkeln von 120◦ zueinander an. Die im weiteren Verlauf beschriebenen dreidimensionalen Modelle wurden, soweit nicht anders aufgeführt, mit dem Konstruktionswerkzeug Solid Edge der Firma Siemens Product Lifecycle Management Software erstellt oder entwickelt. Die Norm-, Standard- und Fertigteile wurden im Laufe der Entwicklung ausgewählt und entsprechend der zugehörigen technischen Zeichnungen oder Datenblätter modelliert. Die Werkstücke, Leiterplattengrundrisse und Baugruppen wurden speziell für den AMiRo entwickelt. Die dreidimensionalen Modelle der elektrischen Bauteile der Leiterplatten wurden mehrheitlich direkt im Leiterplattenentwurfswerkzeug aus einfachen gefärbten Qua- dern und Zylindern konstruiert. Einige Hersteller, insbesondere von Steckverbindern, bieten Modelle ihrer Produkte in einem Datenaustauschformat an. Diese wurden in das Konstruktionswerkzeug importiert, ausgerichtet und materialspezifisch eingefärbt. Das fertige Modell wurde anschließend mittels eines Datenaustauschformats in das Lei- terplattenentwurfswerkzeug transferiert und zusammen mit den Anschlussflächen der Bauteile in einer Bauteildatenbank gespeichert. Die Flachbaugruppenmodelle wurden aus den Leiterplattengrundrissen und elektrischen Bauteilmodellen im Leiterplattenent- wurfswerkzeug erstellt und als Flachbaugruppe mittels eines Datenaustauschformats in das Konstruktionswerkzeug transferiert. Die Geräte kombinieren verschiedene Norm-, Standard- und Fertigteile sowie Werkstücke, Baugruppen und Flachbaugruppen zu einem Roboter.

3.4.1 Normteile Die Normteile umfassen alle serienmäßig nach einer Norm produzierten Bauteile. Die Bauteile sind in einer Norm detailliert beschrieben und somit herstellerunabhängig im Handel oder bei verschiedenen Herstellern erhältlich. Die Normteile des AMiRos bestehen aus Unterlegscheiben, Hutmuttern, Linsenschrauben, Flachkopfschrauben, Senkschrauben, Gewindestiften und Dichtungsringen (siehe Abbildung 3.10). Die Unterlegscheiben nach DIN 125 haben einen Außendurchmesser von 7 mm, einen Innendurchmesser von 3,2 mm, eine Höhe von 0,5 mm und besteht aus Nylon (Polyamid 6.6). Die Hutmuttern nach DIN 1587 haben einem metrisches ISO-Regel- gewinde von M3, eine Höhe von 7 mm, eine Schlüsselweite von 5,5 mm und besteht aus rostfreien Stahl. Die Linsenschrauben nach ISO 7380 haben ein metrisches ISO- Regelgewinde von M2, eine Länge von 3 mm und besteht aus verzinkten Stahl. Die

61 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

(a) Unterlegscheibe (b) Hutmutter (c) Linsenschraube (d) Flachkopf- schraube

(e) Senkschraube (f) Gewindestift (g) Dichtungsring

Abbildung 3.10: Normteile des AMiRos vier verschiedenen Flachkopfschrauben nach ISO 7045 (DIN 7985) haben ein metrisches ISO-Regelgewinde von M3, eine Länge von 4 mm, 6 mm, 8 mm oder 16 mm und bestehen aus rostfreien Stahl. Die zwei verschiedenen Senkschrauben nach ISO 7046 (DIN 965) haben ein metrisches ISO-Regelgewinde von M2 oder M3, eine Länge inklusive Kopf von 5 mm oder 6 mm und bestehen aus rostfreien Stahl oder schwarz chromatisierten Stahl. Die Gewindestifte nach DIN 913 haben ein metrisches ISO- Regelgewinde von M3, eine Länge von 5 mm und bestehen aus verzinkten Stahl. Die Dichtungsring nach DIN ISO 3601 haben einen Innendurchmesser von 38 mm, einen Schnurdurchmesser von 7 mm und bestehen aus schwarzen Nitrilkautschuk.

3.4.2 Standardteile Die Standardteile umfassen alle serienmäßig nur von einem Hersteller produzierten Produkte. Sie sind im Handel oder direkt beim Hersteller erhältlich. Die Standardteile des AMiRos bestehen aus Abstandsbolzen, Montageblöcken, Distanzhülsen, Computer- modul, Kameramodul und Flachbandleitungen (siehe Abbildung 3.11). Die Abstandsbolzen mit Innen- und Außengewinde von Ettinger haben ein metrisches ISO-Regelgewinde von M3, eine Höhe von 7 mm, eine Schlüsselweite von 6 mm und bestehen aus schwarzen Perlon (Polyamid 6). Die Montageblöcke von Ettinger haben eine Länge sowie Breite von 6 mm, eine Höhe von 12 mm, zwei senkrecht zueinander angeordnete durchgängige Innengewinde mit einem metrischen ISO-Regelgewinde von M3 und bestehen aus vernickelten Messing. Die Distanzhülsen von Ettinger haben einen Außendurchmesser von 6 mm, einen Innendurchmesser von 3,2 mm, eine Höhe von 3 mm und bestehen aus vernickelten Messing. Das Overo Tide beziehungsweise

62 3.4 Konstruktion

(a) Abstandsbolzen (b) Montageblock (c) Distanzhülse

(d) Computermodul (e) Kameramodul

Abbildung 3.11: Standardteile des AMiRos

Tidalstrom Computermodul von Gumstix [75] hat eine Länge von 58 mm, eine Breite von 17 mm, eine Höhe von 4,2 mm und an der Unterseite jeweils an beiden kurzen Seiten parallele Steckverbinder. Das P5V04A Kameramodul von Sunny hat eine Breite 8 mm, eine Länge von 16,8 mm, eine Höhe von zirka 5 mm und besitzt flexible sowie versteifte Abschnitte. Die Flachbandleitungen bilden jeweils ein langes flaches Quader mit Verstärkungen und Kontakten an den schmalen Enden. Sie bestehen aus flexiblen Leiterplatten und damit aus Kupfer- sowie Polyimidfolie. Die Flachbandleitung 21020-0255 von Molex besitzt einseitig 24 Kontakte mit einem Abstand von 0,5 mm. Sie hat eine Breite von 12,5 mm, eine Länge von 101,6 mm und eine Höhe von 0,3 mm. Die Flachbandleitung 21020-0169 von Molex besitzt einseitig 16 Kontakte mit einem Abstand von 0,5 mm. Sie hat eine Breite von 8,5 mm, eine Länge von 127 mm und eine Höhe von 0,3 mm. Die Flachbandleitung CBL047 von Gumstix besitzt jeweils gegenüberliegend auf der Ober- und Unterseite 27 Kontakte mit einem Abstand von 0,3 mm. Sie hat eine Breite von 8,4 mm, eine Länge von 80 mm und eine Höhe von 0,2 mm. Die Flachbandleitung 15015-0627 von Molex besitzt einseitig 27 Kontakte mit einem Abstand von 0,3 mm. Sie hat eine Breite von 8,4 mm, eine Länge von 152,4 mm und eine Höhe von 0,2 mm.

3.4.3 Fertigteile Die Fertigteile umfassen speziell angepasste und nach Auftrag gefertigte Produkte eines Herstellers. Die Produkte entsprechen Standardteilen mit minimalen Modifikatio- nen oder kundenspezifischen Montagen aus herstellerspezifischen Standardteilen. Sie

63 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

(a) Motor (b) Batterie

Abbildung 3.12: Fertigteile des AMiRos werden von einem Hersteller in Abstimmung mit einem Kunden entwickelt, spezifiziert und dokumentiert. Die Fertigteile des AMiRos bestehen aus Motoren und Batterien (siehe Abbildung 3.12). Die Motoren bestehen aus einem modifizierten Flachgetriebemotor von Faulhaber. Das Motorgehäuse hat einen Durchmesser von 26 mm sowie eine Länge von 21,5 mm und besteht aus Kunststoff. Die Motorwelle hat einen Durchmesser von 3 mm sowie eine Länge von 9,9 mm und besteht aus Metall. Die Batterien bestehen aus einer kundenspezifischen Batterie von BMZ mit einer maximale Länge von 35 mm, Breite von 22 mm und Höhe von 55 mm.

3.4.4 Werkstücke Die Werkstücke umfassen alle aus einem Halbzeug mittels Sägen, Drehen, Fräsen, Polieren oder Laserschneiden hergestellten Teile. Ein Halbzeug ist eine vorgefertigte Lieferform für Werkstoffe zumeist aus Metall oder Kunststoff. Die Eigenschaften, beispielsweise Material und Form, sind zumeist in einer Norm deﬁniert. Die Werkstücke des AMiRos bestehen aus U-Proﬁl, Abstandshalter, Rad, Basisrohr, Erweiterungsrohr und Lichtkuppel (siehe Abbildung 3.13).

U-Proﬁl

Das U-Profil (siehe Abbildung 3.13a) trägt den Motor, verbindet die Zweiradantriebs- und Energiemanagementflachbaugruppe und fixiert die Batterien. Es hat eine Länge von 50 mm, eine Breite von 40 mm und eine Höhe von 13 mm. Die beiden parallelen gleichlangen Flansche besitzen jeweils zwei Gewindelöcher mit einem metrischen ISO- Regelgewinde von M3 im Abstand von 42 mm für die Befestigung der Flachbaugruppen. Die Stirnfläche besitzt eine leicht zur linken Seitenansicht verschobene mittige Bohrung von 12 mm und drei um 120◦ versetzte umlaufende Senkbohrungen von 2,2 mm für den Einbau eines Motors. Das Halbzeug des U-Profils besteht aus einem Aluminium U-Profil mit einer Breite von 40 mm, Höhe von 20 mm und Wandstärke von 2 mm

64 3.4 Konstruktion

(a) U-Proﬁl (b) Abstandshalter (c) Rad

(d) Basisrohr (e) Erweiterungsrohr (f) Lichtkuppel

Abbildung 3.13: Werkstücke des AMiRos

(40 mm × 20 mm × 2 mm) oder einem Vierkantrohr mit einer Breite von 40 mm und Wandstärke von 2 mm (40 mm × 40 mm × 2 mm).

Abstandshalter

Der Abstandshalter (siehe Abbildung 3.13b) verlängert die oberen Befestigungslöcher des U-Profils für die Abstandsbolzen und schützt die Leiterbahnen auf der Energiema- nagementleiterplatte. Er hat eine Länge von 50 mm, eine Breite von 13 mm und eine Höhe von 1 mm. Die Fläche besitzt zwei Bohrungen von 3,2 mm im Abstand von 42 mm für die Schraubverbindung zwischen U-Profil und Energiemanagementflachbaugruppe. Das Halbzeug des Abstandshalters besteht aus einer Polyethylene (PE) Platte mit einer Höhe von 1 mm.

Rad

Das Rad (siehe Abbildung 3.13c) überträgt eine Rotation vom Motor auf den Unter- grund und trägt einen Dichtring als Bereifung. Es hat einen Durchmesser von 45 mm und eine Länge von 6 mm. Die runde Ebene verfügt über eine zentrale H7 Bohrung von 3 mm und sechs auf einem Kreis mit einem Radius von 12,5 mm zirkulär angeordnete Bohrungen mit einem Durchmesser von 11 mm. Die Stirnseite besitzt eine kreisförmige Nut oberhalb der sechs Bohrungen mit einer Tiefe von 3 mm. Senkrecht zur zentralen

65 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Bohrung und einer der sechs Bohrungen verläuft eine weitere Bohrung. Diese besitzt oberhalb der waagerechten Bohrung einen Durchmesser von 3,2 mm und unterhalb ein metrisches ISO-Regelgewinde von M3. Auf dem Radumfang beﬁndet sich eine V-Nut mit einer Tiefe von 2,5 mm. Das Halbzeug des Rads besteht aus einer Aluminiumplatte mit einer Höhe von 6 mm.

Basisrohr

Das Basisrohr (siehe Abbildung 3.13d) trägt die Näherungssensorflachbaugruppe, versenkt und schützt die einzelnen Näherungssensoren und dient dem AMiRo als Gehäuse. Es hat einen Außendurchmesser von 100 mm, einer Wandstärke von 3 mm und eine Höhe von 51,6 mm. Die Innenseite verfügt über jeweils acht rechteckige gefaste Vertiefungen, ovale Langlöcher und Gewindebohrungen mit einem metrischen ISO-Regelgewinde von M2 für die einzelnen starren Leiterplattenabschnitte, Nähe- rungssensoren und Linsenschrauben der Näherungssensorbaugruppe. Die Elemente sind gleichmäßig in einer Kreisbahn mit einem Versatz von 22,5◦ angeordnet. Die Au- ßenseite besitzt zusätzlich jeweils rechts und links ein paar ovale gefaste Vertiefungen für die Kontaktelektroden des Berührungssensors der Näherungssensorleiterplatte und Fasen an den ovalen Langlöchern. Die Rückseite besitzt eine Bohrung von 4 mm für einen Ladegerätestecker, vier Aussparung für Ladekontakte und eine Aussparung für die Programmierbuchse der Zweiradantriebsflachbaugruppe. Die Vorderseite verfügt über eine Senkbohrung für die Kamera in einer Höhe von 30 mm. Alle vier Seiten besitzen in einer Höhe von 8 mm eine Senkbohrung von 3,2 mm für die Befestigung der Zweiradantriebsbaugruppe. Eine Lippe mit einer Höhe von 2 mm auf der oberen Außenseite fixiert die überliegende Lichtkuppel der Basisversion des AMiRos oder das Erweiterungsrohr der Erweiterungsversion. Das Halbzeug des Basisrohrs besteht aus einem satinierten Plexiglas®-Rohr mit einem äußeren Durchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 3 mm.

Erweiterungsrohr

Das Erweiterungsrohr (siehe Abbildung 3.13e) verlängert das Basisrohr in der Erweite- rungsversion des AMiRos und dient der Kognitions- und Bildverarbeitungsbaugruppe als Gehäuse. Es hat einen Außendurchmesser von 100 mm, einer Wandstärke von 3 mm und eine Höhe von 18,2 mm. Eine Lippe mit einer Höhe von 1 mm und 1,2 mm auf der unteren Innen- und oberen Außenseite ﬁxiert das unterliegende Basisrohr und die über- liegenden Lichtkuppel. Die Rückseite besitzt im unteren Bereich drei Aussparungen für drei Steckverbinder auf der Kognitionsﬂachbaugruppe. Die untere Innenlippe besitzt zusätzliche Freistellungen an zwei der Aussparungen für die Kognitionsleiterplatte. Das Halbzeug des Basisrohrs besteht aus einem satinierten Plexiglas®-Rohr mit einem äußeren Durchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 3 mm.

66 3.4 Konstruktion

Lichtkuppel

Die Lichtkuppel (siehe Abbildung 3.13f) streut das Licht einer unterliegenden Licht- ringflachbaugruppe und dient dem AMiRo als Zustandsanzeige und Deckel. Sie hat einen Durchmesser von 100 mm und eine Höhe von 15 mm. Die vordere und seitlichen Oberkanten besitzen eine Abrundung mit einem Radius von 13 mm. Die Unterseite besitzt für die Lichtringflachbaugruppe eine Aussparung mit einem Durchmesser von 64 mm und eine Tiefe von 7 mm sowie acht zirkulare Bohrungen von 6 mm auf einem Radius von 37 mm für die Leuchtdioden der Lichtringflachbaugruppe. Vier Stufenboh- rungen von 6,4 mm bis 3,2 mm in einem Quadrat mit einer Breite von 42 mm auf der Oberseite verbinden Lichtkuppel und Lichtringflachbaugruppe. Eine Lippe mit einer Höhe von 1 mm auf der unteren Seite fixiert das unterliegende Basisrohr. Das Halbzeug der Lichtkuppel besteht aus einem lichtdurchlässigen, weißen Plexiglas®-LED-Platte mit einer Stärke von 15 mm.

3.4.5 Leiterplattengrundrisse

Die Leiterplattengrundrisse umfassen alle Grundrisse der einzelnen Leiterplatten der Flachbaugruppen. Sie beschreiben die Konturen, Bohrungen und Aussparungen der Leiterplatten und wurden basierend auf Konstruktionsmodellen direkt im Leiterplat- tenentwurfswerkzeug speziﬁziert. Die runden Leiterplattengrundrisse basieren auf dem Modulleiterplattengrundriss. Dessen Durchmesser wurde entsprechend der mechanischen Konstruktion vergrößert oder verkleinert. Anschließend wurden Nasen für Steckverbinder hinzugefügt. Dabei war zu beachten, dass die Steckverbinder nur an der oberen und unteren Kante eines Rohres positioniert werden durften, damit das Rohr weiterhin über die mittleren Flachbaugruppen geschoben werden kann. Eine Ausnahme bildet die Netzgerätebuchse, da dieser aufgrund der Länge des Netzge- rätesteckers eine Verbindung durch eine Bohrung gestattet. Abschließend wurden nicht benötigte Randﬂächen aus dem Leiterplattengrundriss entfernt. Die Leiterplatten- grundrisse des AMiRos bestehen aus Modul-, Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Näherungssensor-, Lichtring-, Kognitions-, Bildverarbeitungs- und Bildsensorleiterplat- tengrundriss (siehe Abbildung 3.14).

Modulleiterplattengrundriss

Der Modulleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14a) besteht aus einem Kreis mit einem Durchmesser von 92 mm. Er besitzt vier 3,2 mm Bohrungen für die mechanische Befestigung der Flachbaugruppen. Die Bohrungen sind in einem Quadrat mit einer Breite von 42 mm im Zentrum des Kreises angeordnet. Der Modulgrundriss und die Modulleiterplatte wurden direkt im Konstruktionswerkzeug entwickelt und dienen als Basis für die anderen runden Leiterplatten.

67 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

(a) Modulleiterplatte (b) Zweiradantriebs- (c) Energiemanagement- ﬂachbaugruppe ﬂachbaugruppe

(d) Lichtring- (e) Näherungssensor- (f) Kognitions- flachbaugruppe flachbaugruppe flachbaugruppe

(g) Bildverarbeitungs- (h) Bildsensor- ﬂachbaugruppe ﬂachbaugruppe

Abbildung 3.14: Flachbaugruppen des AMiRos 180◦ um die senkrechte Achse verdreht

Zweiradantriebsleiterplattengrundriss

Der Zweiradantriebsleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14b) besteht aus einem Kreis mit einem Durchmesser von 99 mm. Er besitzt links und rechts jeweils einen 49 mm langen und 9 mm breiten ovalen Ausschnitt für die Räder. Zwei 3,2 mm und 4,2 mm beziehungsweise 3,2 mm und 11,6 mm große Langlöcher am Rand des Grund- risses fungieren als Befestigungen für die Haltebaugruppen. Das vordere und hintere Langloch dienen zusätzlich jeweils als Befestigung für eine Gleitbaugruppe. Der Durch- messer wurde dem Gehäuse beziehungsweise Basisrohr angepasst und entsprechend vergrößert. Der Grundriss bietet ausreichend Standﬂäche für das Basisrohr und verhin-

68 3.4 Konstruktion

PAC40Proximity1101 COC40Proximity11 PAC40Proximity1102 PAC40Proximity2101 COC40Proximity21 PAC40Proximity2102 PAC40Proximity4101 COC40Proximity41 PAC40Proximity4102 PAC40Proximity3101 COC40Proximity31 PAC40Proximity3102 PAC40Proximity1201 COC40Proximity12 PAC40Proximity1202 PAC40Proximity2201 COC40Proximity22 PAC40Proximity2202 PAC40Proximity4201 COC40Proximity42 PAC40Proximity4202 PAC40Proximity3201 COC40Proximity32 PAC40Proximity3202 PAU10Proximity1106 PAU10Proximity1107 PAU10Proximity1108 PAU10Proximity1109 PAU10Proximity11010 PAU10Proximity2106 PAU10Proximity2107 PAU10Proximity2108 PAU10Proximity2109 PAU10Proximity21010 PAU10Proximity4106 PAU10Proximity4107 PAU10Proximity4108 PAU10Proximity4109 PAU10Proximity41010 PAU10Proximity3106 PAU10Proximity3107 PAU10Proximity3108 PAU10Proximity3109 PAU10Proximity31010 PAU10Proximity1206 PAU10Proximity1207 PAU10Proximity1208 PAU10Proximity1209 PAU10Proximity12010 PAU10Proximity2206 PAU10Proximity2207 PAU10Proximity2208 PAU10Proximity2209 PAU10Proximity22010 PAU10Proximity4206 PAU10Proximity4207 PAU10Proximity4208 PAU10Proximity4209 PAU10Proximity42010 PAU10Proximity3206 PAU10Proximity3207 PAU10Proximity3208 PAU10Proximity3209 PAU10Proximity32010 PAC20Proximity1101 PAR20Multiplexer102 PAR10Proximity1102 PAR10Multiplexer102 PAC30Proximity1101 PAC20Proximity2101 PAR40Multiplexer102 PAR10Proximity2102 PAR30Multiplexer102 PAC30Proximity2101 PAC20Proximity4101 PAR90Multiplexer102 PAR10Proximity4102 PAR80Multiplexer102 PAC30Proximity4101 PAC20Proximity3101 PAR70Multiplexer102 PAR10Proximity3102 PAR60Multiplexer102 PAC30Proximity3101 PAC20Proximity1201 PAR20Multiplexer202 PAR10Proximity1202 PAR10Multiplexer202 PAC30Proximity1201 PAC20Proximity2201 PAR40Multiplexer202 PAR10Proximity2202 PAR30Multiplexer202 PAC30Proximity2201 PAC20Proximity4201 PAR90Multiplexer202 PAR10Proximity4202 PAR80Multiplexer202 PAC30Proximity4201 PAC20Proximity3201 PAR70Multiplexer202 PAR10Proximity3202 PAR60Multiplexer202 PAC30Proximity3201 COC20Proximity11COR20Multiplexer1COR10Proximity11COU10Proximity11COR10Multiplexer1COC30Proximity11 COC20Proximity21COR40Multiplexer1COR10Proximity21COU10Proximity21COR30Multiplexer1COC30Proximity21 COC20Proximity41COR90Multiplexer1COR10Proximity41COU10Proximity41COR80Multiplexer1COC30Proximity41 COC20Proximity31COR70Multiplexer1COR10Proximity31COU10Proximity31COR60Multiplexer1COC30Proximity31 COC20Proximity12COR20Multiplexer2COR10Proximity12COU10Proximity12COR10Multiplexer2COC30Proximity12 COC20Proximity22COR40Multiplexer2COR10Proximity22COU10Proximity22COR30Multiplexer2COC30Proximity22 COC20Proximity42COR90Multiplexer2COR10Proximity42COU10Proximity42COR80Multiplexer2COC30Proximity42 COC20Proximity32COR70Multiplexer2COU10Proximity32COR10Proximity32COR60Multiplexer2COC30Proximity32 PAC20Proximity1102 PAR20Multiplexer101PAU10Proximity1105 PAU10Proximity1104PAR10Proximity1101PAU10Proximity1103 PAR10Multiplexer101 PAU10Proximity1102PAU10Proximity1101 PAC30Proximity1102 PAC20Proximity2102 PAR40Multiplexer101PAU10Proximity2105 PAU10Proximity2104PAR10Proximity2101PAU10Proximity2103PAR30Multiplexer101PAU10Proximity2102 PAU10Proximity2101PAC30Proximity2102 PAC20Proximity4102 PAR90Multiplexer101PAU10Proximity4105 PAU10Proximity4104PAR10Proximity4101PAU10Proximity4103PAR80Multiplexer101PAU10Proximity4102 PAU10Proximity4101PAC30Proximity4102 PAC20Proximity3102 PAR70Multiplexer101PAU10Proximity3105 PAU10Proximity3104PAR10Proximity3101PAU10Proximity3103PAR60Multiplexer101PAU10Proximity3102 PAU10Proximity3101PAC30Proximity3102 PAC20Proximity1202 PAR20Multiplexer201PAU10Proximity1205 PAU10Proximity1204PAR10Proximity1201PAU10Proximity1203 PAR10Multiplexer201PAU10Proximity1202 PAU10Proximity1201PAC30Proximity1202 PAC20Proximity2202 PAR40Multiplexer201PAU10Proximity2205 PAU10Proximity2204PAR10Proximity2201PAU10Proximity2203 PAR30Multiplexer201PAU10Proximity2202 PAU10Proximity2201 PAC30Proximity2202 PAC20Proximity4202 PAR90Multiplexer201PAU10Proximity4205 PAU10Proximity4204PAR10Proximity4201PAU10Proximity4203PAR80Multiplexer201PAU10Proximity4202 PAU10Proximity4201PAC30Proximity4202 PAC20Proximity3202 PAR70Multiplexer201PAU10Proximity3205 PAU10Proximity3204PAR10Proximity3201PAU10Proximity3203PAR60Multiplexer201PAU10Proximity3202 PAU10Proximity3201PAC30Proximity3202

PAL10Proximity1101 PAL10Proximity2101 PAL10Proximity4101 PAL10Proximity3101 PAL10Proximity1201 PAL10Proximity2201 PAL10Proximity4201 PAL10Proximity3201 COL10Proximity11 COL10Proximity21 COL10Proximity41 COL10Proximity31 COL10Proximity12 COL10Proximity22 COL10Proximity42 COL10Proximity32 PAL10Proximity1102 PAC10Proximity1102 COC10Proximity11 PAC10Proximity1101 PAL10Proximity2102 PAC10Proximity2102 COC10Proximity21 PAC10Proximity2101 PAL10Proximity4102 PAC10Proximity4102COC10Proximity41 PAC10Proximity4101 PAL10Proximity3102 PAC10Proximity3102 COC10Proximity31 PAC10Proximity3101 PAL10Proximity1202 PAC10Proximity1202COC10Proximity12 PAC10Proximity1201 PAL10Proximity2202 PAC10Proximity2202 COC10Proximity22 PAC10Proximity2201 PAL10Proximity4202 PAC10Proximity4202COC10Proximity42 PAC10Proximity4201 PAL10Proximity3202 PAC10Proximity3202COC10Proximity32 PAC10Proximity3201

PAP1018 PAR50Multiplexer101COR50Multiplexer1 PAR50Multiplexer102 PAR50Multiplexer201COR50Multiplexer2 PAR50Multiplexer202 PAP1016

COC1 PAP1015 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018PAU10Multiplexer1017 PAU10Multiplexer1016PAU10Multiplexer1015 PAU10Multiplexer1014 PAU10Multiplexer1013 PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAC101 PAC102 PAU10Multiplexer2020 PAU10Multiplexer2019 PAU10Multiplexer2018 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016 PAU10Multiplexer2015PAU10Multiplexer2014 PAU10Multiplexer2013 PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAP1014 PAP1013 PAR201 PAC301 PAR102 PAL101 PAC201 PAP1012 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 PAP1011 PAR202 PAC302 PAR101 PAL102 PAC202 PAP1010 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer2

PAP109COP1 COS1 COS2 COS3 COS4 PAP108 PAP107 PAU105PAU104 PAU103 PAU102 PAU101 PAP106 PAU106 PAU1020 PAP105 PAU107 PAU1019 PAU108 COU1 PAU1018 PAP104 PAU10Multiplexer101 PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103PAU10Multiplexer104 PAU10Multiplexer105PAU10Multiplexer106 PAU10Multiplexer107 PAU10Multiplexer108 PAU10Multiplexer109 PAU10Multiplexer1010 PAU109 PAU1017 PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202 PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204 PAU10Multiplexer205 PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207 PAU10Multiplexer208 PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAP103 PAU1010 PAU1016 PAP102 PAS101 PAS201 PAS301 PAS401 PAU1011 PAU1012PAU1013PAU1012PAU1011 PAU1013 PAU1014 PAU1015 PAP101 PAC10Multiplexer102COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201 PAP1017

Abbildung 3.15: Näherungssensorgrundriss des AMiRos dert gleichzeitig durch einen kleineren Durchmesser im Vergleich zum Basisrohr ein überstehen der Leiterplatte.

Energiemanagementleiterplattengrundriss

Der Energiemanagementleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14c) besteht aus einem Kreis mit einem Durchmesser von 86 mm. Er besitzt eine linke und rechte Aussparung für die Räder sowie eine hintere Nase für eine Netzgerätebuchse. Die Leiterplatte ist 60 mm lang und 89 mm breit. Die Abmessungen wurden dem Basisrohr und der Näherungssensorﬂachbaugruppe angepasst und bieten ausreichend Platz zur Näherungssensorﬂachbaugruppe.

Näherungssensorleiterplattengrundriss

Der Näherungssensorleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14e) nutzt eine teilweise biegbare Semiflex-Leiterplatte und besitzt dicke starre und dünne flexible Abschnitte. Der Grundriss (siehe Abbildung 3.15) besteht aus einem 266,9 mm langen und 25 mm breiten Streifen mit acht starren Abschnitten von 10 mm. Die flexiblen Abschnitte sind 26,7 mm lang und 13,8 mm breit und besitzen in den Übergängen eine Rundung mit einem Radius von 1,2 mm. Die Länge eines flexiblen Abschnitts wurden im Konstruktionswerkzeug konstruiert und mittels einer Tabellenkalkulation berechnet. Der flexible Abschnitt besteht aus einem am Gehäuse anliegenden Bereich mit großem Radius und jeweils einem Übergang zum starren Abschnitt mit kleinem Radius. Die Radien und Winkel der inneren Faser eines flexiblen Abschnitts wurden im Konstruktionswerkzeug zeichnerisch ermittelt. Die entsprechend Abwicklung der Biegezone (siehe Gleichung 3.1) wurden hierauf aufbauend in einer Tabellenkalkulation berechnet. Dabei wurde nicht die neutrale Faser verwendet, sondern die minimale Länge bestimmt. Dies begründet sich in der Begrenzung durch das Gehäuses und der Toleranzen der Leiterplatte und dem Gehäuse.

2 L = r · α X i i i=0 (3.1) π L = · (8,5 mm · 7,5◦ + 46,8 mm · 30◦ + 8,5 mm · 7,5◦)= 26,73 mm 180◦

69 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

L = Länge einer Biegezone

ri = Radius

αi = Winkel i ≡ 0, i ≡ 2 = Übergang zum starren Abschnitt i ≡ 1 = Gehäuse anliegenden Bereich

Aufgrund von Fehlern in dem Leiterplattenentwurfswerkzeug konnte keine gebogene Näherungssensorﬂachbaugruppe erstellt und in das Konstruktionswerkzeug transferiert werden. Die Näherungssensorleiterplatte wurden stattdessen im Konstruktionswerk- zeug modelliert und mit acht einzelnen Näherungssensoren zu einer Näherungssen- sorﬂachbaugruppe kombiniert.

Lichtringleiterplattengrundriss

Der Lichtringleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14d) besteht aus einem Kreis mit einen Durchmesser von 92 mm und entspricht damit einer Modulleiterplatte.

Kognitionsleiterplattengrundriss

Der Kognitionsleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14f) besteht aus einem Kreis mit einer Nase hinten links sowie rechts und hat einen Durchmesser von 92 mm. Die Nasen dienen zwei Steckverbindern als Basis und positionieren diese in der Wand des Erweiterungsrohrs.

Bildverarbeitungsleiterplattengrundriss

Der Bildverarbeitungsleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14g) besteht aus einem Kreis mit einer Aussparung vorn. Er hat einen Durchmesser von 92 mm und eine Breite von 84 mm. Die vordere Aussparung dient als Freistellung für die drahtlose Kommunikation der anderen Flachbaugruppen.

Bildsensorleiterplattengrundriss

Der Bildsensorleiterplattengrundriss (siehe Abbildung 3.14h) besteht aus einem ab- gerundeten Rechteck. Er hat eine Länge von 10 mm und eine Breite von 35 mm. Ein Langloch zur Befestigung der Flachbaugruppe ist im hinteren Bereich positioniert.

3.4.6 Flachbaugruppen Die Flachbaugruppen umfassen alle mit elektrischen Bauteilen bestückte Leiterplat- ten. Sie wurden mit Ausnahme der Näherungssensorﬂachbaugruppe vom Leiterplat- tenentwurfswerkzeug in das Konstruktionswerkzeug über ein Datenaustauschformat

70 3.4 Konstruktion

transferiert. Aufgrund einer abweichenden Ausrichtung der Leiterplatte im Leiterplat- tenentwurfswerkzeug sind die Sichten der transferierten runden Flachbaugruppen im Konstruktionswerkzeug 180◦ um die senkrechte Achse verdreht. Die Flachbaugruppen des AMiRos bestehen aus Modul-, Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Lichtring-, Näherungssensor-, Kognitions-, Bildverarbeitungs- und Bildsensorﬂachbaugruppen (siehe Abbildung 3.14).

3.4.7 Baugruppen

Die Baugruppen repräsentieren mechanische Zusammenbauten. Sie bestehen aus Bauteilen oder anderen Baugruppen und speziﬁzieren die Beziehungen zwischen den einzelnen Bauteilen. Dabei wurden die Kabelbäume beziehungsweise Flachbandleitung nicht modelliert. Die Baugruppen des AMiRos bestehen aus Gleit-, Halte-, Radantriebs-, Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Näherungssensor-, Lichtring-, Kognitions-, Bildverarbeitungs- und Bildsensorbaugruppe (siehe Abbildung 3.16).

Gleitbaugruppe

Die Gleitbaugruppe (siehe Abbildung 3.16a) stabilisiert den AMiRo und dient dem differenziellen Antrieb als Gleiter. Sie besteht aus einer Flachkopfschraube mit einer Länge von 8 mm, einer Unterlegscheibe, einer Distanzhülse und Hutmutter. Die Flach- kopfschraube steckt von oben in der Zweiradantriebsleiterplatte und die restlichen Bauteile sind der Reihe nach von unten auf diese montiert. Die Leiterplatte ist dabei zwischen Flachkopfschraube und Unterlegscheibe gespannt.

Haltebaugruppe

Die Haltebaugruppe (siehe Abbildung 3.16b) verbindet und ﬁxiert eine Zweiradan- triebs- und Näherungssensorbaugruppe. Sie besteht aus einem Montageblock und einer Flachkopfschraube mit einer Länge von 6 mm. Der Montageblock steht auf der Zweiradantriebsleiterplatte und ist von unten mit einer Flachkopfschraube ﬁxiert. Die kurze Gewindebohrung des Montageblocks ist orthogonal zur Flachkopfschraube am oberen Ende positioniert.

Radantriebsbaugruppe

Die Radantriebsbaugruppe (siehe Abbildung 3.16c) überträgt die Rotation vom Motor auf den Untergrund. Sie besteht aus einem U-Profil, Abstandshalter, Rad, Dichtring, Ge- windestifte und drei Senkschrauben mit einem ISO-Regelgewinde von M2. Das U-Profil trägt den Motor und verbindet die Zweiradantriebs- und Energiemanagementflachbau- gruppe. Der Abstandshalter verlängert den oberen Flansch und die Befestigungslöcher

71 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

(a) Gleit- (b) Halte- (c) Radantriebs- (d) Bildsensor- baugruppe baugruppe baugruppe baugruppe

(e) Zweiradantriebs- (f) Energiemanagement- (g) Näherungssensor- baugruppe baugruppe baugruppe

(h) Lichtring- (i) Kognitions- (j) Bildverarbeitungs- baugruppe baugruppe baugruppe

Abbildung 3.16: Baugruppen des AMiRos des U-Profils und schützt beziehungsweise isoliert die Leiterbahnen auf der Energie- managementleiterplatte. Der Motor steckt in der großen Bohrung der Stirnfläche des U-Profils und wird durch drei Senkschrauben in den Senkbohrungen im U-Profil sowie Gewindebohrungen im Motor gehalten. Das Rad steckt auf der Motorwelle und wird durch einen orthogonalen Gewindestift in der Gewindebohrung im Rad fixiert. Der Dichtring wird auf das Rad gespannt und über die Nut im Rad fixiert.

Zweiradantriebsbaugruppe

Die Zweiradantriebsbaugruppe (siehe Abbildung 3.16e) dient als Basis für den AMiRo und trägt die Radantriebsbaugruppen. Sie besteht aus einer Zweiradantriebsﬂachbau-

72 3.4 Konstruktion gruppe, zwei Radantriebsbaugruppen, vier Haltebraugruppen, zwei Gleitbaugruppen und vier Flachkopfschrauben mit einer Länge von 4 mm. Die zwei Radantriebsbau- gruppen stehen rechts und links auf der Zweiradantriebsflachbaugruppe und stecken in den großen Aussparungen. Sie werden mittels der vier Flachkopfschrauben von unten fixiert. Die zwei Gleitbaugruppen werden innen liegend in das vordere und hintere Langloch montiert. Die Schrauben der Gleitbaugruppen sind oberhalb und die restlichen Bauteile unterhalb der Leiterplatte platziert. Die vier Haltebaugruppen werden auf der Leiterplatte mittels der vier Langlöcher fixiert. Die kurze orthogonale Gewindebohrung zeigt jeweils zur nächsten Außenseite der Leiterplatte.

Energiemanagementbaugruppe

Die Energiemanagementbaugruppe (siehe Abbildung 3.16f) bildet die Basis des Bau- gruppenstapels. Sie besteht aus einer Energiemanagementflachbaugruppe, zwei Batte- rien und vier Abstandsbolzen. Die Batterien sind unterhalb der Energiemanagement- flachbaugruppe platziert und befinden sich im zusammengebauten Zustand zwischen den zwei U-Profilen. Die Abstandsbolzen stecken in den vier Bohrungen der Leiterplatte und fixieren die Baugruppe auf der Zweiradantriebsbaugruppe.

Näherungssensorbaugruppe

Die Näherungssensorbaugruppe (siehe Abbildung 3.16g) dient dem AMiRo als Gehäuse und trägt die Näherungssensorflachbaugruppe. Sie besteht aus einem Basisrohr, einer Näherungssensorflachbaugruppe, acht Linsenschrauben und vier Senkschrauben mit einem ISO-Regelgewinde von M3. Die Näherungssensorflachbaugruppe ist gebogen in das Basisrohr eingefügt und an den starren Abschnitten mittels der Linsenschrauben von innen fixiert. Die einzelnen Näherungssensoren schauen dabei durch das Gehäuse und der Anfang befindet sich in der hinteren linken Seitenansicht. Die Senkschrauben stecken in den Senklöchern an allen vier Seiten und fixieren die Baugruppe mittels der Haltebaugruppen auf der Zweiradantriebsbaugruppe.

Lichtringbaugruppe

Die Lichtringbaugruppe (siehe Abbildung 3.16h) dient dem AMiRo als Deckel. Sie besteht aus einer Lichtringflachbaugruppe, einer Lichtkuppel und vier Flachkopfschrau- ben mit einer Länge von 16 mm. Die Lichtkuppel steckt auf der Lichtringflachbaugruppe und die Flachkopfschrauben fixieren diese Baugruppe auf der Energiemanagement- oder Bildverarbeitungsbaugruppe. Die senkrechte Kante der Lichtkuppel ist hinten positioniert und die Leuchtdioden der Lichtringflachbaugruppe stecken in den einzelnen Aussparungen der Lichtkuppel.

73 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Kognitionsbaugruppe

Die Kognitionsbaugruppe (siehe Abbildung 3.16i) bildet ein Erweiterungsmodul. Sie besteht aus einer Kognitionsﬂachbaugruppe, vier Abstandsbolzen, einem Computermodul und einer gegenüberliegend Flachbandleitung mit 27 Kontakten. Die Abstandsbolzen sind in den vier Bohrungen der Leiterplatte platziert und ﬁxieren die Baugruppe auf der Energiemanagementbaugruppe. Das Computermodul steckt mittig auf zwei Steck- verbindern und ist zusätzliches über die Flachbandleitung mit der Flachbaugruppe verbunden.

Bildverarbeitungsbaugruppe

Die Bildverarbeitungsbaugruppe (siehe Abbildung 3.16j) bilden ein weiteres Erwei- terungsmodul. Sie besteht aus einer Bildverarbeitungsﬂachbaugruppe und vier Ab- standsbolzen. Die Abstandsbolzen stecken in den vier Bohrungen der Leiterplatte und ﬁxieren die Baugruppe auf der Kognitionsbaugruppe.

Bildsensorbaugruppe

Die Bildsensorbaugruppe (siehe Abbildung 3.16d) trägt einen Bildsensor. Sie besteht aus einer Bildsensorflachbaugruppe, einem Kameramodul und einer Flachkopfschraube mit einer Länge von 4 mm. Das Kameramodul steckt und klebt oben auf der Bildsen- sorflachbaugruppe. Die Flachkopfschraube steckt von unten in dem Langloch der Leiterplatte und fixiert die Baugruppe an der vorderen Haltebraugruppe.

3.4.8 Geräte

Die Geräte entsprechen speziﬁschen mechanischen Zusammenbauten. Sie beschreiben eine räumlich abgegrenzte Anordnung und bestehen aus einzelnen Baugruppen. Die Geräte bilden die Basisversion und Erweiterungsversion des des AMiRos (siehe Abbildung 3.17).

Basisversion

Die Basisversion des AMiRos (siehe Abbildung 3.17a) beinhaltet eine Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Näherungssensor- und Lichtringbaugruppe sowie zwei einseitige Flachbandleitungen mit 16 beziehungsweise 24 Kontakten. Die Energiemanagement- baugruppe steckt auf der Zweiradantriebsbaugruppe und ist mittels der Abstandbolzen und U-Proﬁle montiert. Die Batterien sind vor und hinter den Motoren zwischen den U-Proﬁlen platziert. Die Näherungssensorbaugruppe steht auf der Zweiradantriebs- baugruppe und ist über die Montageblöcke und Senkschrauben mit dieser verbunden. Die Lichtringbaugruppe steckt auf dem Basisrohr der Näherungssensorbaugruppe und

74 3.4 Konstruktion

(a) Basisversion (b) Erweiterungsversion

Abbildung 3.17: Geräte des AMiRos

ist mittels der Flachkopfschrauben und den Abstandsbolzen auf der Energiemanage- mentbaugruppe verschraubt. Das Basisrohr und die Lichtkuppel sind mittels oberer Außenlippe und unterer Innenlippe ineinander gesteckt. Die Zweiradantriebs- und Energiemanagementﬂachbaugruppe sind elektrisch über eine Flachbandleitung mit 24 Kontakten und die Energiemanagement- und Näherungssensorﬂachbaugruppe über eine Flachbandleitung mit 16 Kontakten verbunden.

Erweiterungsversion

Die Erweiterungsversion des AMiRos (siehe Abbildung 3.17b) besteht aus den einzelnen Baugruppen der Basisversion, einer Kognitions-, Bildverarbeitungs- und Bildsensor- baugruppe sowie einem Erweiterungsrohr und einer einseitigen Flachbandleitung mit 27 Kontakten. Die Bildsensorbaugruppe ist mittels der Flachkopfschraube mit dem vorderen Montageblock verschraubt und schaut durch ein Senkloch im Basis- rohr. Zwischen Energiemanagement- und Lichtringbaugruppe sind die Kognitions- und Bildverarbeitungsbaugruppe positioniert. Die einzelnen Baugruppen sind jeweils aufeinander gesteckt und mittels der Abstandsbolzen verschraubt. Das Erweiterungs- rohr steckt auf dem Basisrohr und ist mittels der Aussparungen und Steckverbinder auf der Kognitionsﬂachbaugruppe ausgerichtet. Die obere Außenlippe des Basisrohrs passt dabei in die untere Innenlippe des Erweiterungsrohrs. Die Aussparung in der Innenlippe dient der Kognitionsleiterplatte als Freistellung. Die Lichtringbaugruppe steckt auf dem Erweiterungsrohr und ist mittels der Flachkopfschrauben und den

75 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Abstandsbolzen auf der Bildverarbeitungsbaugruppe verschraubt. Die Bildsensor- und Lichtringﬂachbaugruppe sind elektrisch über eine Flachbandleitung verbunden.

3.5 Leiterplattenentwurf

Der Leiterplattenentwurf beschreibt den Entwurf der Schaltung einer Flachbaugruppe und die Entflechtung eines Layouts einer Leiterplatte. Die Flachbaugruppe ist eine „Leiterplatte oder Verdrahtungsplatte, die mit gesondert hergestellten Bauteilen und anderen Teile bestückt ist“ [43, Stichwort: Flachbaugruppe; DIN EN 61188-5-1:2003-06]. Eine Mehrlagenleiterplatte ist eine „Leiterplatte mit aufeinander folgenden Lagen aus Leiterbildern und Isolierstoff, wobei Leiterbilder in mehr als zwei Lagen vorhanden sind und elektrisch leitend miteinander verbunden sein können“ [41, IEV-Nummer: 541-01-07]. Dabei ist das Leiterbild eine „Darstellung des elektrisch leitenden Materials einer Leiterplatte“ [41, IEV-Nummer: 541-01-04]. Die nachfolgend beschriebenen Flachbaugruppen wurden mit dem Leiterplattenent- wurfswerkzeug Altium Designer der Firma Altium entwickelt. Die Darstellung besteht aus einer Architektur, Platzierung und Entflechtung der einzelnen Flachbaugruppen beziehungsweise Leiterplatten. Die Architektur beschreibt die Struktur der einzelnen Funktionseinheiten inklusive Eigenschaften und Funktionen. Dabei werden nur zentrale Bauteile der einzelnen Funktionseinheiten detailliert wiedergegeben. Die Platzierung stellt die Positionen des zentralen Bauteils der einzelnen Funktionseinheiten auf der Leiterplatte dar. Die Entflechtung beschreibt den Lagenaufbau der Leiterplatte und die allgemeine Verteilung der Leiterbahnen sowie -flächen auf einzelnen Leiterbahnebenen. Die Flachbaugruppen sind untereinander über einen Stecker (plug) und eine Buchse (receptacle) oder zwei Steckverbinder (connector) und eine Flachbandleitung verbunden. Ein gespiegelter beziehungsweise entgegengesetzter Steckverbinder (opposite connector) besitzt dabei eine gespiegelte Anschlussbelegung zum Steckverbinder mit gleicher Namensgebung. Die Bauteile wurden größtenteils zum Anfang des Systementwurfs ausgesucht. Die Mikrocontroller wurden infolge ihrer Anschlusskompatibilität in der laufenden Ent- wicklung teilweise aktualisiert und die Näherungssensoren eines Prototyp des AMiRos [A7] wurden aufgrund von Umgebungslichtabhängigkeiten komplett ausgetauscht. Die Bauteilauswahl erfolgte entsprechend einer hohen Verfügbarkeit, minimalen Gehäusegröße und niedrigen Kosten. Dabei wurden nur Bauteile ausgewählt, die keine erhöhten Anforderungen an die Leiterplattentechnologie stellen und damit keine höheren Fertigungskosten verursachen. Außerdem wurde die Anzahl unterschiedlicher Bauteile minimiert und damit die Kosten reduziert. Die Schaltungen der einzelnen Funktionseinheiten basieren in der Regel auf den Datenblättern der eingesetzten integrierten Schaltungen und wurden den Anforderungen entsprechend angepasst. Die Bauteilplatzierung minimierte die Bauteilabstände und Netzkreuzungen auf einer Leiterplatte. Dabei wurden Kollisionen mit der Mechanik oder anderen Flachbau-

76 3.5 Leiterplattenentwurf

«full» : Charging Station Connector «full» : Chassis Connector Di Wheel Drive Board Assembly «full» : Motor Receptacle [2] «full» : Programming Receptacle

Information Power Supply Sensor System Motor Drive Processing

Abbildung 3.18: Blockdefinitionsdiagramm der Zweiradantriebsflachbaugruppe gruppen beachtet. Die Programmierbuchsen wurden einheitlich positioniert und alle hohen Bauteile wurden auf der Oberseite montiert. Externe Steckverbinder wurden am hinteren Leiterplattenrand angeordnet und eine drahtlose Kommunikation im vorderen Bereich der Leiterplatte platziert. Auf diese Weise wurde sowohl die Beeinflussung der Sensoren durch externe Kabel als auch die Störung der Funkkommunikation minimiert. Die Leiterbahnentflechtung minimierte die Anzahl an Durchkontaktierungen und Leiterbahnlängen eines Leiternetzes. Zusätzlich wurden Leiterflächen hinsichtlich einer minimalen Anzahl an Engstellen optimiert. Der AMiRo nutzt für zentrale Bauteile, beispielsweise Berührungssensoren und Mikrocontroller der Zweiradantriebs- und Energiemanagementflachbaugruppe, eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung. Diese erlaubt dem AMiRo flexibel zwischen verschiedenen Stromsparmoden zu wechseln, aktiv Energie zu sparen und trotzdem auf Sensorereignisse zu reagieren. Gleichzeitig erschweren die verschiedenen Spannungsversorgungen den Entwurf der Schaltung. Aufgrund einer internen Schutzschaltung moderner integrierter Schaltungen kann eine Spannung an einem Si- gnaleingang bei abgeschalteter Versorgungsspannung zu einem Stromfluss vom Signal- zum Versorgungsspannungseingang führen. Selbst ein hochohmiger Widerstand mit aktiver Spannungsversorgung an einem Eingang einer integrierten Schaltung kann zu einer Erhöhung der abgeschalteten Versorgungsspannung führen und unter Umständen die integrierte Schaltung oder die abgeschaltete Spannungsversorgung aufgrund eines rückwärtigen Stromflusses beschädigen. Entsprechend benötigt jeder Widerstand gegen Spannungsversorgung eine genaue Auswahl der korrekten Versorgungsspannung.

3.5.1 Zweiradantriebsﬂachbaugruppe

Die Zweiradantriebsﬂachbaugruppe (Di Wheel Drive Board Assembly) besteht aus einer Energieversorgung, einem Sensorsystem, einer Informationsverarbeitung und einem Motorantrieb (siehe Abbildung 3.18). Sie besitzt einen Ladestationsanschluss, zwei Motorbuchsen, einen Fahrgestellsteckverbinder und eine Programmierbuchse. Der Ladestationsanschluss (Charging Station Connector) verbindet den AMiRo mit einer

77 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Power Supply

Supervised Low Power Switching Voltage Power Path Controller Switching Voltage Regulator Regulator

Low Power Step-Down Step-Down Converter Power Monitor Converter

Abbildung 3.19: Blockdefinitionsdiagramm der Energieversorgung der Zweiradan- triebsflachbaugruppe externen Ladestation und enthält vier Ladestifte. Ein Ladestift besteht aus einem gefe- derten Kontakt von Mill-Max mit einem Nennstrom von 2 A. Die Motorbuchse (Motor Receptacle) verbindet jeweils einen Motor mit einem Kanal des Motorantriebs und einem Zählereingang der Informationsverarbeitung. Sie besteht aus einem kleinen Steckverbinder von Molex mit sechs Kontakten, einem Leiterabstand von 1,25 mm und einem Nennstrom von 1 A. Der Fahrgestellsteckverbinder (Chassis Connector) implementiert eine Fahrgestellschnittstelle (siehe Unterabschnitt 3.3.2) und verbindet das Zweiradantriebs- sowie Energiemanagementmodul mittels einer flexiblen Flach- bandleitung. Er besteht aus einem Flachbandleitungssteckverbinder von Omron mit 24 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,5 mm und einem Nennstrom von 0,5 A. Die Programmierbuchse (Programming Receptacle) implementiert eine Programmierschnitt- stelle. Sie besteht unter anderem aus einem flachen Steckverbinder von Hirose mit 16 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,5 mm und einem Nennstrom von 0,5 A. Die Energieversorgung (Power Supply) besteht aus einer Energiepfadsteuerung, einem Schaltspannungsregler und einem überwachten Schaltspannungsregler für geringen Energiebedarf (siehe Abbildung 3.19). Die Energiepfadsteuerung (Power Path Controller) verbindet den Ladestationsanschluss und damit die Ladespannung unidirektional mit der Systemspannung. Sie beinhaltet eine verlustarme Energiepfadsteuerung LTC4412 von Linear Technology und zwei P-Kanal Leistungstransistoren. Die Leistungs- transistoren unterstützen eine maximale Spannung von 20 V und einen maximalen Strom von 5,5 A. Der Schaltspannungsregler (Switching Voltage Regulator) besteht aus einem synchronen Abwärtswandlern und erzeugt aus der Systemspannung eine Motorspannung für den Antrieb. Der Abwärtswandler (Step-Down Converter) enthält einen synchronen Abwärtsregler TPS62110 von Texas Instruments und erzeugt aus der

78 3.5 Leiterplattenentwurf

Systemspannung eine Motorspannung von 6 V mit einem maximalen Strom von 1,5 A. Der Abwärtsregler besitzt eine Effektivität von über 85 % ab einem Ausgangsstrom von 2 mA. Der überwachte Schaltspannungsregler für geringen Energiebedarf (Supervised Low Power Switching Voltage Regulator) erzeugt aus der Systemspannung eine unterbrechungsfreie Modulspannung. Er besteht aus einem synchronen Abwärtswandlern für geringen Energiebedarf und einem Leistungsmonitor. Der Abwärtswandlern für geringen Energiebedarf (Low Power Step-Down Converter) ist immer aktiv und erzeugt aus der Systemspannung eine Modulspannung für die Informationsverarbeitung. Er beinhaltet einen synchronen Abwärtsregler für geringen Energiebedarf TPS62120 von Texas Instruments und erzeugt aus der Systemspannung eine Modulspannung von 3,3 V mit einem maximalen Strom von 75 mA. Der Abwärtsregler für geringen Energiebedarf besitzt im Vergleich zum synchronen Abwärtswandler einen geringeren Flächenbedarf und eine Effektivität von über 85 % ab einem Ausgangsstrom von 3 mA. Der Leistungsmonitor (Power Monitor) misst Spannung sowie Strom am Ausgang des Abwärtswandlers und stellt die Messwerte mittels einer I2C-Schnittstelle zur Verfü- gung. Er enthält einen Leistungsmonitor INA219 von Texas Instruments mit einer I2C- Schnittstelle. Der Leistungsmonitor misst eine absolute Spannung gegenüber Masse und einen differenziellen Spannungsabfall über einen Messwiderstand. Er besitzt eine Auflösung von 9 bit bis 12 bit, eine Umsetzungszeit von 84 µs bis 532 µs und eine Mittelwertbildung über 1 bis 128 Messwerte. Er hat eine minimale differenzielle und absolute Schrittweite von 10 µV beziehungsweise 4 mV. Ein Strommesswiderstand mit einem Widerstand von 100 mΩ und einer Nennleistung von 250 mW wandelt den Ausgangsstrom des Abwärtswandlers für geringen Energiebedarf in eine differenzielle Messspannung. Das Sensorsystem (Sensor System) besteht aus einem Bewegungssensor und Boden- sensor (siehe Abbildung 3.20). Der Bewegungssensor (Motion Sensor) besteht aus einem Beschleunigungssensor, Drehratensensor und Magnetometer. Der Beschleuni- gungssensor (Accelerator) erfasst Beschleunigungen in drei Achsen. Er beinhaltet einen drei Achsen Beschleunigungssensor LIS331DLH von STMicroelectronics mit geringem Energiebedarf und integriertem SPI-Anschluss. Der Beschleunigungssensor besitzt einen konfigurierbaren Messbereich von ±2 g bis ±8 g, eine maximale Auflösung von 12 bit, eine konfigurierbare Datenrate von 50 Hz bis 1000 Hz sowie einen minimalen aktiven Strombedarf von 10 µA. Der Drehratensensor (Gyroscope) misst die Winkelge- schwindigkeit um drei Achsen. Er enthält einen drei Achsen Drehratensensor L3G4200D von STMicroelectronics mit geringem Energiebedarf und integriertem SPI-Anschluss. Der Drehratensensor besitzt einen konfigurierbaren Messbereich von ±250 ◦/s bis ±2000 ◦/s mit einer Sensitivität von 8,75 m◦/(s bit) bis 70 m◦/(s bit), eine konfigurierbare Datenrate von 100 Hz bis 800 Hz sowie einen minimalen aktiven Strombedarf von 6,1 mA. Das Magnetometer (Magnetometer) ermittelt das dreidimensionale Erdma- gnetfeld. Es beinhaltet ein drei Achsen Magnetometer HMC5883L von Honeywell mit einer I2C-Schnittstelle. Das Magnetometer besitzt einen konfigurierbaren Messbereich von ±88 µT bis ±810 µT, eine maximale Auflösung von 12 bit, eine Datenrate von

79 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Sensor System

Motion Sensor Ground Sensor

Accelerator Gyroscope Magnetometer

[4]

Four Channel Proximity Sensor Multiplexer

Abbildung 3.20: Blockdeﬁnitionsdiagramm des Sensorsystems der Zweiradantriebs- ﬂachbaugruppe

0,75 Hz bis 75 Hz sowie einen durchschnittlichen aktiven Strombedarf von 100 µA. Der Bodensensor (Ground Sensor) besteht aus einem Vierkanalmehrfachkoppler und vier Näherungssensoren. Der Vierkanalmehrfachkoppler (Four Channel Multiplexer) kombiniert vier einzelne Näherungssensor zu einem I2C-Bussystem und bildet vier unabhängige sekundäre I2C-Schnittstellen aus einer primären I2C-Schnittstelle. Er ent- hält einen I2C-Vierkanalmehrfachkoppler PCA9544A von NXP mit vier unabhängigen Kanälen. Der Näherungssensor (Proximity Sensor) misst periodisch die Reflektionscha- rakteristik eines emittierten infrarot Lichtimpulses. Er beinhaltet einen integrierten Näherungs- und Umgebungslichtsensor VCNL4020 von Vishay mit integrierter I2C- Schnittstelle. Der Näherungssensor besitzt einen Messbereich von 1 mm bis 200 mm, einen Emitterstrom von 10 mA bis 200 mA, eine maximale Auflösung von 16 bit, eine Abtastrate von 2 Hz bis 250 Hz und einen minimalen aktiven Strombedarf von 5 µA. Die Informationsverarbeitung (Information Processing) besteht aus einer Steuerung, einem Statuslicht und einem CAN-Sendeempfänger (siehe Abbildung 3.21). Die Steue- rung (Controller) besteht aus einem Mikrocontroller, einem separaten programmierbaren Lesespeicher und einem konfigurierbaren Gatter mit geringem Energiebedarf. Der Mikrocontroller (Microcontroller) bildet die zentrale Steuer- und Recheneinheit der Leiterplatte. Er beinhaltet einen ARM-basierten 32 bit Mikrocontroller von STMi- croelectronics mit 51 konfigurierbaren Anschlüssen. Die Schaltung unterstützt sowohl

80 3.5 Leiterplattenentwurf

Information Processing

Control Area Network Status Light Controller Transceiver

Programmable Low Power Microcontroller Read-Only Memory Conﬁgurable Gate

Abbildung 3.21: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Zweirad- antriebsﬂachbaugruppe

einen STM32F103 als auch einen STM32F405 Mikrocontroller. Der STM32F103 Mikro- controller enthält einen Cortex-M3 Prozessorkern mit einer maximalen Frequenz von 72 MHz, einen Arbeitsspeicher von 64 KiB und einen Festwertspeicher von 512 KiB. Der STM32F405 Mikrocontroller verfügt über einen Cortex-M4 Prozessorkern mit Gleitkommaeinheit und einer maximalen Frequenz von 168 MHz, einen Arbeitsspei- cher von 192 KiB und einen Festwertspeicher von 1024 KiB. Die Anschlussbelegung des Mikrocontrollers wurde mittels einer Zuordnungsmatrix für eine in beiden Va- rianten verfügbare Anschlusskonfiguration ermittelt. Die Anschlusskonfigurationen sind beschränkt durch die reduzierte Anschlusskonfigurierbarkeit, Schnittstellenanzahl und Speicherdirektzugriffskanäle des STM32F103 Mikrocontrollers. Die Anschlüsse sind nur Gruppenweise zu konfigurieren, besitzen nur ein Unterbrechungssignal pro Bankindex und nur zwölf Kanäle mit fester Schnittstellenzuordnung für den Spei- cherdirektzugriff. Die Anschlussbelegung benutzt eine Fehlersuchschnittstelle, eine CAN-Schnittstelle, einen SPI, zwei UARTs, zwei I2C-Schnittstellen, zwei Zeitgeber mit zwei Kanälen, eine Pulsweitenmodulation mit vier Kanälen, einen Analog-Digital- Wandler mit zwei Kanälen und zehn Unterbrechungssignale. Insgesamt nutzt die An- schlusskonfigurationen 43 konfigurierbare Anschlüsse und damit 84 % der verfügbaren Anschlüsse. Der programmierbare Lesespeicher (Programmable Read-Only Memory) sichert nichtflüchtige Daten der einzelnen Module. Er enthält einen elektrisch lösch- baren programmierbaren Lesespeicher AT24C01B von Atmel mit einem Speicher von 1 Kibit und einer I2C-Schnittstellen. Das konfigurierbare Gatter mit geringem Ener- giebedarf (Low Power Configurable Gate) bildet ein logisches Nicht-Und-Gatter. Es erzeugt ein Aufwachsignal für den Mikrocontroller aus dem Unterbrechungssignal des Beschleunigungssensors und dem Nachbarschaftssignal des Fahrgestellsteckverbinders.

81 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Motor Drive

[2]

Motor Driver Current Sensor Low-Pass Filter

Abbildung 3.22: Blockdeﬁnitionsdiagramm des Motorantriebs der Zweiradantriebs- ﬂachbaugruppe

Das Gatter besteht aus einem konfigurierbaren Gatter mit niedrigem Energiebedarf SN74AUP1G58 von Texas Instruments und ist über seine Eingänge als logisches Nicht- Und-Gatter konfiguriert. Das Statuslicht (Status Light) blinkt im Betriebszustand und wird vom Mikrocontroller gesteuert. Es beinhaltet eine rechtwinklige Leuchtdiode von Avago Technologies mit einem maximalen Durchlassstrom von 20 mA und einer grünen Farbe. Der CAN-Sendeempfänger (Control Area Network Transceiver) verbindet den Mikrocontroller mit dem differenziellen CAN-Bus des AMiRos. Er enthält einen CAN-Sendeempfänger SN65HVD230 von Texas Instruments mit einer Busspannung von 3,3 V und einer maximalen Datenrate von 1 Mbit/s. Der Motorantrieb (Motor Drive) besteht aus einem Motortreiber, zwei Stromsenso- ren und einem Tiefpassfilter (siehe Abbildung 3.22). Der Motortreiber (Motor Driver) steuert die zwei externen Motoren. Er enthält einen integrierten Motorleistungstrei- ber A3906 von Allegro Microsystems mit zwei H-Brücken, einem Spannungsbereich von 2,5 V bis 9 V und einem maximalen kontinuierlichen Ausgangsstrom von 1 A pro H-Brücke. Der Stromsensor (Current Sensor) wandelt jeweils den Strom eines Motors in eine proportionale Messspannung um. Er besteht aus einem Strommesswiderstand mit einem Widerstand von 10 mΩ und einer Nennleistung von 250 mW. Der Tiefpass- filter (Low-Pass Filter) verstärkt und filtert die zwei Messspannungen. Er beinhaltet einen vierfachen Operationsverstärker AD8648 von Analog Devices und bildet zwei Reihenschaltungen, bestehend aus nicht invertierenden Verstärker und Sallen-Key- Tiefpassfilter. Der Operationsverstärker besitzt eine Bandbreite von 24 MHz, einen Kurzschlussstrom von 120 mA und eine Strombedarf von 2 mA pro Verstärker. Die einzelnen Funktionseinheiten sind über verschiedene Bussysteme und Signa- le mit dem Mikrocontroller verbunden (siehe Abbildung 3.23). Die zentrale Span- nungsversorgung erfolgt über den Fahrgestellsteckverbinder mit einer 3,3 V-Regel- und Systemspannung. Die 3,3 V-Regelspannung speist den Leistungsmonitor, CAN- Sendeempfänger und das Sensorsystem mit Ausnahme des Beschleunigungssensors. Die Systemspannung speist die Energieversorgung. Die zusätzliche Modulspannung versorgt nur den Beschleunigungssensor, die Ein-/Ausgangsspannung des gesamten

82 3.5 Leiterplattenentwurf [2] 2 [2] 2 [4] : Gyroscope Filter 2 : Current Sensor [2] : Low-Pass : Motor Drive : Motor Driver 2 4 [2] [4] 2 [2] : Accelerator : Motion Sensor analog [2] 2 pwm [4] 4 «full» : Motor encoder [2] Receptacle [2] spi [2] can : Magnetometer : Sensor System uart [2] : Information Processing «full» : Chassis Connector i2c [2] Multiplexer : Four Channel «full» 4 Receptacle i2c [4] : Programming : Ground Sensor Abbildung 3.23: Internes Blockdiagramm der Zweiradantriebsﬂachbaugruppe : Power Supply : Power Monitor Power Switching : Supervised Low Voltage Regulator Sensor [4] : Proximity

83 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

2 41 3 52 Widerstand 49 2,03 4 10 Transistor 2 0,29 5 4 Steckverbindung 8 5,67 7 1 Spule 11 1,09 8 2 Anschlüsse Oszillator 1 0,42 22 1 Kondensator 62 1,82 33 1 Integrierte Schaltung 18 37,67 49 1 Diode 2 0,21 137 1 80 60 40 20 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 Bauteile Bauteilkosten in € Netze (a) Bauteil- und Bauteilkostenverteilung (b) Netzverteilung

Abbildung 3.24: Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Zweiradantriebsﬂachbau- gruppe

Bewegungssensors und die zentrale Informationsverarbeitung mit Ausnahme des CAN- Sendeempfängers. Die Motorspannung speist den Motortreiber und damit den Antrieb. Die Schaltung besteht aus 153 Bauteilen mit Kosten von insgesamt 49,20 € (siehe Abbildung 3.24a). Die Kondensatoren und Widerstände bilden ungefähr 73 % der Bauteile und nur 8 % der Bauteilkosten mit einem durchschnittlichen Preis von 0,035 €. Im Gegensatz entsprechen die integrierten Schaltungen nur rund 11 % der Bauteile und 77 % der Bauteilkosten mit einem mittleren Preis von 2,09 €. Die Schaltung enthält 114 Netze (siehe Abbildung 3.24b). Die meisten Netze verbinden zwei Anschlüsse einer integrierten Schaltung oder eines Steckverbinders direkt oder besitzen einen zusätzlichen Widerstand gegen Masse oder eine Spannungsversorgung. Dabei erzeugen die Widerstände ein deﬁniertes Spannungspotential im Ausschaltzu- stand oder bildet eine verdrahtete Und-Logik zwischen den Anschlüssen. Das größte Netz bildet mit 137 Anschlüssen die Masse. Die drei größeren Netze mit 22, 33 und 49 Anschlüssen formen die System-, Modul- und 3,3 V-Regelspannung.

Platzierung

Die Bauteile sind überwiegend auf der Oberseite der Leiterplatte platziert (siehe Abbildung 3.25). Es sind nur ﬂache Bauteile vorne und hinten im Bereich der Batterien positioniert. Der Fahrgestellsteckverbinder ist quer zwischen den Motoren montiert. Die hohe Spule des Schaltspannungsreglers und die Motorbuchse sind unterhalb der Motoren am äußeren Rand der zylindrischen Motorgehäuse platziert. Die Unterseite der Leiterplatte beﬁndet sich außerhalb des AMiRo und wurde aus Sicherheitsgründen nur für die Platzierung notwendiger Bauteile verwendet.

84 3.5 Leiterplattenentwurf

Oberseite Unterseite

Beschleunigungssensor CAN-Sendeempfänger Drehratensensor Energiepfadsteuerung Fahrgestellsteckverbinder Gatter mit geringem Energiebedarf Ladestationsanschluss Magnetometer Mikrocontroller Motorbuchse Motortreiber Näherungssensor Programmierbarer Lesespeicher Programmierbuchse Schaltspannungsregler Überwachter Schaltspannungsregler Statuslicht Tiefpassﬁlter für geringen Energiebedarf Vierkanalmehrfachkoppler

Abbildung 3.25: Bauteilplatzierung der Zweiradantriebsﬂachbaugruppe

Entﬂechtung

Die Leiterplatte nutzt einen Lagenaufbau mit vier Leiterbahnebenen und durchgehen- den Durchkontaktierungen (siehe Abbildung 3.26). Die Leiterbahnebenen besitzen einen Abstand von 360 µm zwischen den äußeren Leiterbahnebenen und einen Ab- stand von 710 µm zwischen den inneren Leiterbahnebenen. Sie bestehen jeweils aus einer Kupferschicht mit einer Dicke von 35 µm. Die Leiterplatte hat eine Dicke von zirka 1,6 mm. Die Fertigungstechnologie besitzt eine minimale Leiterbahnbreite von 150 µm und eine minimalen Leiterbahnabstand von 150 µm. Die Durchkontaktierungen nutzen einen Bohrdurchmesser von 300 µm und einen umlaufenden Restring von 150 µm. Die Leiterbahnen sind auf der oberen und unteren Leiterbahnebene angeordnet. Die obere Leiterbahnebene verfügt überwiegend über Ausfächerungen der Anschlussflä- chen und einige kurze Verbindungen. Sie besitzt zusätzlich unter anderem Leiterflächen für die Motorspannung, Systemspannung und Masse. Die erste innere Leiterbahnebene ist in drei Leiterflächen unterteilt und mit der Ladespannung, Modulspannung und 3,3 V-Regelspannung verbunden. Die zweite innere Leiterbahnebene bildet eine Leiter-

85 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

PAU1601 PAU1602PAU1603 PAU1604 PAU1605 PAU1206 PAU1207 PAU1208 PAU1209 PAU12010 PAU1601 PAU1602 PAU1603 PAU1604 PAU1605 PAU1206 PAU1207 PAU1208 PAU1209 PAU12010 PAC5402 PAR3701 PAL1102 PAC5302 PAC4001 PAL801 PAR2702 PAC4101 PAC5402 PAR3701 PAL1102 PAC5302 PAC4001 PAL801 PAR2702 PAC4101 COC54 COR37 COU16 COL11 COC53 COC40 COL8 COU12 COR27 COC41 COC54 COR37 COU16 COL11 COC53 COC40 COL8 COU12 COR27 COC41 PAU16010PAC5401 PAR3702PAU1609PAU1608PAU1609 PAU1608PAL1101 PAU1607PAC5301 PAU1606 PAC4002PAU1205PAL802PAU1204 PAU1203PAR2701PAU1202PAC4102PAU1201 PAU16010PAC5401 PAR3702PAU1609PAU1608PAU1609 PAU1608PAL1101 PAU1607PAC5301 PAU1606 PAC4002PAU1205PAL802PAU1204 PAU1203PAR2701PAU1202PAC4102PAU1201

PAC5502 PAC5202 PAC3902 PAC4202 PAC5502 PAC5202 PAC3902 PAC4202

COC55 COC52 COC39 COC42 COC55 COC52 COC39 COC42 PAC5501 PAC5201 PAC3901 PAC4201 PAC5501 PAC5201 PAC3901 PAC4201

PAC3801COC38 PAC3802PAC3801 PAC3802 PAU1108 PAU1107 PAU1106 PAU1105 PAL701 PAC3801COC38 PAC3802PAC3801 PAC3802 PAU1108 PAU1107 PAU1106 PAU1105 PAL701 COL7 COL7 COC50 COC46 COC50 COC46 PAC5002 PAC5001 PAU1109 PAU1104 PAL702 PAC4601PAC4602 PAC5002 PAC5001 PAU1109 PAU1104 PAL702 PAC4601PAC4602 PAC3702 PAU11010 PAU1103 PAC3702 PAU11010 PAU1103 COF1 COU11 COF2 COF1 COU11 COF2 COC37 PAU11011 PAU1102 PAC3502 COC37 PAU11011 PAU1102 PAC3502 PAF10 COC35 PAF20 PAF10 COC35 PAF20 PAU1501 PAU1502 PAU1503 PAU1504PAU1503PAU1502PAU1501 PAU1504 PAU1505 PAC4702 PAU11012 PAU1101 PAC4301 PAU1306 PAU1307PAU1308 PAU1309PAU1308 PAU1309 PAU13010 PAU1501 PAU1502 PAU1503 PAU1504PAU1503PAU1502PAU1501 PAU1504 PAU1505 PAC4702 PAU11012 PAU1101 PAC4301 PAU1306 PAU1307PAU1308 PAU1309PAU1308 PAU1309 PAU13010 PAC4902 PAR3401 PAL1002 PAC4802 PAC3701 PAU11013 PAU11014 PAU11015 PAU11016PAU11015 PAU11016 PAC3501 PAC4401 PAL901 PAR3002 PAC4501 PAC4902 PAR3401 PAL1002 PAC4802 PAC3701 PAU11013 PAU11014 PAU11015 PAU11016PAU11015 PAU11016 PAC3501 PAC4401 PAL901 PAR3002 PAC4501 COC49 COR34 COU15 COL10 COC48 COC47 COC43 COC44 COL9 COU13 COR30 COC45 COC49 COR34 COU15 COL10 COC48 COC47 COC43 COC44 COL9 COU13 COR30 COC45 PAC4901 PAR3402 PAL1001 PAC4801 PAC4402 PAL902 PAR3001 PAC4502 PAC4901 PAR3402 PAL1001 PAC4801 PAC4402 PAL902 PAR3001 PAC4502 PAU15010 PAU1508PAU1509 PAU1507 PAU1506 PAC4701 PAC3602COC36 PAC3601 PAC4302 PAU1305 PAU1304 PAU1303 PAU1302 PAU1301PAU1302PAU1303PAU1304 PAU1301 PAU15010 PAU1508PAU1509 PAU1507 PAU1506 PAC4701 PAC3602COC36 PAC3601 PAC4302 PAU1305 PAU1304 PAU1303 PAU1302 PAU1301PAU1302PAU1303PAU1304 PAU1301

PAC6002 PAR4502 PAC6101 PAC6201 PAR4101 PAR4401COR44 PAR4402PAR4402PAR4401 PAC6002 PAR4502 PAC6101 PAC6201 PAR4101 PAR4401COR44 PAR4402PAR4402PAR4401 COC60 COR45 COC61 COC62 COR41 COC60 COR45 COC61 COC62 COR41

PAC5901COC59 PAC5902 PAC6001 PAR4501 PAC6102 PAC6202 PAR4102 PAR4001COR40 PAR4002PAR4001 PAR4002 PAU14011 PAU14010 PAC5901COC59 PAC5902 PAC6001 PAR4501 PAC6102 PAC6202 PAR4102 PAR4001COR40 PAR4002PAR4001 PAR4002 PAU14011 PAU14010 PAR3202COR32 PAR3201PAR3202 PAR3201 PAU14012 PAU1409 PAR2901COR29 PAR2902PAR2901 PAR2902 PAR3202COR32 PAR3201PAR3202 PAR3201 PAU14012 PAU1409 PAR2901COR29 PAR2902PAR2901 PAR2902 COC56 COC58 COC56 COC58 PAC5601 PAC5602PAC5601 PAC5602 PAC5801 PAC5802PAC5801 PAC5802 PAU14013 PAU1408 PAC5601 PAC5602PAC5601 PAC5602 PAC5801 PAC5802PAC5801 PAC5802 PAU14013 PAU1408 PAR3801 PAR3302COR33 PAR3301PAR3302 PAR3301 PAR2801COR28 PAR2802PAR2801 PAR2802 PAR3801 PAR3302COR33 PAR3301PAR3302 PAR3301 PAR2801COR28 PAR2802PAR2801 PAR2802 PAU14014 PAU1407 PAU14014 PAU1407 COR38 PAU1807 PAU1806 PAU1805PAU1804PAU1803 PAU1802 PAU1801 COR38 PAU1807 PAU1806 PAU1805PAU1804PAU1803 PAU1802 PAU1801 PAU14015 PAU1406 PAU14015 PAU1406 PAU17020PAU17019 PAU17018 PAU17017 PAU17016 PAR3502COR35 PAR3501PAR3502 PAR3501 COU14 PAR2601COR26 PAR2602PAR2601 PAR2602 PAU17020PAU17019 PAU17018 PAU17017 PAU17016 PAR3502COR35 PAR3501PAR3502 PAR3501 COU14 PAR2601COR26 PAR2602PAR2601 PAR2602 PAR3802 PAU14016 PAU1405 PAR3802 PAU14016 PAU1405 PAU1701 PAU17015 PAR3602COR36 PAR3601PAR3602 PAR3601 PAU14017 PAU1404 PAR2501COR25 PAR2502PAR2501 PAR2502 PAU1701 PAU17015 PAR3602COR36 PAR3601PAR3602 PAR3601 PAU14017 PAU1404 PAR2501COR25 PAR2502PAR2501 PAR2502 PAU1702 PAU17014 PAU14018 PAU1403 PAU1702 PAU17014 PAU14018 PAU1403 COU18 COU18 PAU1703 COU17 PAU17013 PAC5702 COC57 PAC5701 PAU14019 PAU1402 PAU1703 COU17 PAU17013 PAC5702 COC57 PAC5701 PAU14019 PAU1402 PAU1704 PAU17021 PAU17012 PAU1704 PAU17021 PAU17012 PAU1705 PAU17011 PAU14020 PAU1401 PAU1705 PAU17011 PAU14020 PAU1401 PAR3902 PAR3902 PAU1706 PAU1707 PAU1708 PAU1709 PAU17010 PAC5102COC51 PAC5101 PAR3101COR31 PAR3102PAR3101 PAR3102 PAU1706 PAU1707 PAU1708 PAU1709 PAU17010 PAC5102COC51 PAC5101 PAR3101COR31 PAR3102PAR3101 PAR3102 COR39 COR39 PAR3901 PAU1808 PAU1809 PAU18010PAU18011PAU18012 PAU18013PAU18014 PAR3901 PAU1808 PAU1809 PAU18010PAU18011PAU18012 PAU18013PAU18014

PAR4602COR46 PAR4601PAR4602 PAR4601 PAR4702 PAC6402 PAR5101 PAC6301 PAR4602COR46 PAR4601PAR4602 PAR4601 PAR4702 PAC6402 PAR5101 PAC6301 COR47 COC64 COR51 COC63 COP7 COR47 COC64 COR51 COC63 COP7 PAL302 PAR5002COR50 PAR5001PAR5002 PAR5001 PAR4701 PAC6401 PAR5102 PAC6302 PAL302 PAR5002COR50 PAR5001PAR5002 PAR5001 PAR4701 PAC6401 PAR5102 PAC6302 PAC1201 PAC1201

COL3 COC12 COL3 COC12 PAR2402 PAC3301 PAR2402 PAC3301 COR24 COC33 PAU10012 PAU10011 PAU10010 PAU1009 PAP708 PAP707 COR24 COC33 PAU10012 PAU10011 PAU10010 PAU1009 PAP708 PAP707 PAR2401 PAC3302 PAR2401 PAC3302 PAC1202 PAU10013 PAU1008 PAC1202 PAU10013 PAU1008 PAC3401COC34 PAC3402 PAU10014 PAU1007 PAC3401COC34 PAC3402 PAU10014 PAU1007 COU10 COU10 PAU10015 PAU1006 COP1 PAP706 PAP705 PAP704 PAP703 PAP702 PAP701 PAU10015 PAU1006 COP1 PAP706 PAP705 PAP704 PAP703 PAP702 PAP701 PAL301 PAC3101COC31 PAC3102 PAL301 PAC3101COC31 PAC3102 PAU10016 PAU1005 PAU10016 PAU1005 PAL602COL6 PAL601 PAR4301 PAL602COL6 PAL601 PAR4301 COR43 PAR502 PAL202 COR43 PAR502 PAL202 PAU1001 PAU1002 PAU1003 PAU1004 PAR202 COR5 PAU308 PAU307 PAU306PAU305 COL2 PAU1001 PAU1002 PAU1003 PAU1004 PAR202 COR5 PAU308 PAU307 PAU306PAU305 COL2 PAU4016 PAU4015 PAU4014 PAU4013 PAC3202 PAP1026 PAR4302 PAU4016 PAU4015 PAU4014 PAU4013 PAC3202 PAP1026 PAR4302 PAR702 COC30 PAR501 PAC802 PAL201 PAR702 COC30 PAR501 PAC802 PAL201 COR7 COC32 PAC3001 PAC3002PAC3001 PAC3002 COR2 COC8 COU3 COR7 COC32 PAC3001 PAC3002PAC3001 PAC3002 COR2 COC8 COU3 PAC1101 PAU401 PAU4012 PAC2702COC27 PAC2701 PAR4202 PAC1101 PAU401 PAU4012 PAC2702COC27 PAC2701 PAR4202 PAP1024 COR42 PAP1024 COR42 PAU402 PAU4011 PAR701 PAC1002 PAR401 PAC801 PAC902 PAU402 PAU4011 PAR701 PAC1002 PAR401 PAC801 PAC902 COC11 COC10 PAP1023 COR4 COC9 COC11 COC10 PAP1023 COR4 COC9 COU4 PAC3201 PAP1022 PAR4201 COU4 PAC3201 PAP1022 PAR4201 PAU403 PAU4010 PAR802 PAC1001 PAU905 PAU904 PAU903PAU904 PAU902 PAU901 PAR201 PAR402 PAU301 PAU302 PAU303 PAU304PAU303PAU302 PAU304 PAC901 PAU403 PAU4010 PAR802 PAC1001 PAU905 PAU904 PAU903PAU904 PAU902 PAU901 PAR201 PAR402 PAU301 PAU302 PAU303 PAU304PAU303PAU302 PAU304 PAC901 PAU4017 COR8 PAU4017 COR8 PAC1102 PAU404 PAU409 PAU906 PAU9016 PAP1021 PAC1102 PAU404 PAU409 PAU906 PAU9016 PAP1021 COU9 PAP1020 COU9 PAP1020 PAR801 PAC2901 PAU907 PAU9015 PAR601 PAR801 PAC2901 PAU907 PAU9015 PAR601 PAP1019 PAU208PAU207 PAU206 PAU205 COR6 PAP1019 PAU208PAU207 PAU206 PAU205 COR6 PAU405 PAU406PAU407 PAU408 COC29 PAU908 PAU9014 PAU405 PAU406PAU407 PAU408 COC29 PAU908 PAU9014 PAP1018 PAR602 PAC501 PAP1018 PAR602 PAC501 PAP1017 COU2 COC5 PAP1017 COU2 COC5 PAC2902 PAU909 PAU9010 PAU9011 PAU9012 PAU9013 PAP1016 COL1 PAC2902 PAU909 PAU9010 PAU9011 PAU9012 PAU9013 PAP1016 COL1 PAR1001COR10 PAR1002PAR1001 PAR1002 PAR901COR9 PAR902PAR901 PAR902 PAR301 PAC502 PAR1001COR10 PAR1002PAR1001 PAR1002 PAR901COR9 PAR902PAR901 PAR902 PAR301 PAC502 PAL102 PAL101 COR3 PAL102 PAL101 COR3 PAP1015 PAP1015 PAP1014 PAP1014 PAR4802 PAR4902 PAC2801COC28 PAC2802PAC2801 PAC2802 PAL501COL5 PAL502 PAU201PAU202 PAU203 PAU204 PAR302 PAR4802 PAR4902 PAC2801COC28 PAC2802PAC2801 PAC2802 PAL501COL5 PAL502 PAU201PAU202 PAU203 PAU204 PAR302 COC13 COR48 COR49 PAP1013 COC13 COR48 COR49 PAP1013 PAC1301 PAC1302 PAP1012 PAC1301 PAC1302 PAP1012 PAR4801 PAR4901 PAP1011 PAC701COC7 PAC702 PAR4801 PAR4901 PAP1011 PAC701COC7 PAC702 PAC602 COC6 PAC601 PAC602 COC6 PAC601 PAC201COC2 PAC202 PAP1010 PAC401 PAC201COC2 PAC202 PAP1010 PAC401 PAP109 COC4 PAP109 COC4 PAP108 PAP108 PAP801PAP802 PAP803 PAP804 PAP805 PAP806 PAP107 PAC402 PAQ10D PAP801PAP802 PAP803PAP804 PAP805 PAP806 PAP107 PAC402 PAQ10D PAU801 PAU806 PAP106 PAU801 PAU806 PAP106 PAU802 COU8 PAU805 PAU802 COU8 PAU805 PAP105 COQ1 PAP105 COQ1 PAU803 PAU804 PAP104 PAU103 PAU102 PAU101 PAU803 PAU804 PAP104 PAU103 PAU102 PAU101 PAP103 PAQ10G PAQ10SPAQ10G PAQ10S PAP103 PAQ10G PAQ10SPAQ10G PAQ10S PAC102 PAP102 PAR101 COU1 PAC102 PAP102 PAR101 COU1 PAP101 COR1 PAP101 COR1

PAP807 PAP808 COC1 PAP807 PAP808 COC1 PAR102 PAU104 PAU105 PAU106 PAQ20S PAQ20G PAR102 PAU104 PAU105 PAU106 PAQ20S PAQ20G PAC101 PAP1025 COQ2 PAC101 PAP1025 COQ2 PAQ20D PAQ20D COP8 PAC301 COC3 PAC302 COP8 PAC301 COC3 PAC302

COC24 COC25 COC24 COC25 PAC2401 PAC2402 PAR1902COR19 PAR1901 PAC2501PAC2502 PAC2401 PAC2402 PAR1902COR19 PAR1901 PAC2501 PAC2502

PAC1901COC19 PAC1902PAC1901 PAC1902 PAR1801COR18 PAR1802PAR1801 PAR1802 PAC1901COC19 PAC1902PAC1901 PAC1902 PAR1801COR18 PAR1802PAR1801 PAR1802

PAR2302 PAR2302 COR23 PAU5048PAU5047 PAU5046 PAU5045PAU5044 PAU5043PAU5042 PAU5041PAU5040 PAU5039 PAU5038PAU5037 PAU5036 PAU5035PAU5034 PAU5033 COR23 PAU5048PAU5047 PAU5046 PAU5045PAU5044 PAU5043PAU5042 PAU5041PAU5040 PAU5039 PAU5038PAU5037 PAU5036 PAU5035 PAU5034PAU5033 PAR2301 PAR2102COR21 PAR2101PAR2102 PAR2101 PAC2102COC21 PAC2101 PAR2001COR20 PAR2002PAR2001 PAR2002 PAR2201COR22 PAR2202PAR2201 PAR2202 PAR2301 PAR2102COR21 PAR2101PAR2102 PAR2101 PAC2102COC21 PAC2101 PAR2001COR20 PAR2002PAR2001 PAR2002 PAR2201COR22 PAR2202PAR2201 PAR2202

PAU5049 PAU5032 PAU5049 PAU5032 PAU5050 PAU5031 PAR1701COR17 PAR1702 PAU5050 PAU5031 PAR1701COR17 PAR1702 PAU608 PAU607 PAU606 PAU605 PAU5051 PAU5030 PAU708PAU707 PAU706 PAU705 PAU608 PAU607 PAU606 PAU605 PAU5051 PAU5030 PAU708PAU707 PAU706 PAU705 PAU5052 PAU5029 PAU5052 PAU5029 PAU5053 PAU5028 PAU5053 PAU5028 COR16 COR16 PAU5054 PAU5027 PAR1601 PAR1602 PAU5054 PAU5027 PAR1601 PAR1602 PAU5055 PAU5026 PAU5055 PAU5026 PAR1302COR13 PAR1301 PAR1302COR13 PAR1301 COU6 PAU5056 COU5 PAU5025 COU7 COU6 PAU5056 COU5 PAU5025 COU7 PAU5057 PAU5024 PAU5057 PAU5024 PAR1101COR11 PAR1102 PAU5058 PAU5023 PAR1101COR11 PAR1102 PAU5058 PAU5023 PAU5059 PAU5022 PAU5059 PAU5022 PAR1402COR14 PAR1401 PAR1402COR14 PAR1401 PAU5060 PAU5021 PAU5060 PAU5021 PAU5061 PAU5020 PAU5061 PAU5020 PAR1502COR15 PAR1501 PAR1502COR15 PAR1501 PAU601 PAU602 PAU603 PAU604 PAU5062 PAU5019 PAU701 PAU702 PAU703 PAU704 PAU601 PAU602 PAU603 PAU604 PAU5062 PAU5019 PAU701 PAU702 PAU703 PAU704 PAU5063 PAU5018 PAU5063 PAU5018 COC20 COC20 PAU5064 PAU5017 PAC2002 PAC2001 PAU5064 PAU5017 PAC2002 PAC2001

PAC2601COC26 PAC2602PAC2601 PAC2602 PAC1801COC18 PAC1802 PAC2601COC26 PAC2602PAC2601 PAC2602 PAC1801COC18 PAC1802 PAP6016 PAP6016 COF3 PAU501 PAU502 PAU503 PAU504 PAU505 PAU506 PAU507 PAU508 PAU509 PAU5010 PAU5011 PAU5012 PAU5013 PAU5014 PAU5015 PAU5016 PAP6015 COF3 PAU501 PAU502 PAU503 PAU504 PAU505 PAU506 PAU507 PAU508 PAU509 PAU5010 PAU5011 PAU5012 PAU5013 PAU5014 PAU5015 PAU5016 PAP6015 COD2 PAP6014 COD2 PAP6014 PAF30 PAD202 PAD201 PAP6012PAP6013 PAP6020 PAF30 PAD202 PAD201 PAP6012PAP6013 PAP6020 COP6 PAP6010PAP6011 COP6 PAP6010PAP6011 PAC1702 PAC2202 PAC2302 PAC1402 COC15 PAP609 PAC1702 PAC2202 PAC2302 PAC1402 COC15 PAP609 PAC1601COC16 PAC1602 COC17 COC22 COC23 COC14 PAC1502PAC1501 PAP608 PAP6019 PAC1601COC16 PAC1602 COC17 COC22 COC23 COC14 PAC1502 PAC1501 PAP608 PAP6019 PAC1701 PAC2201 PAC2301 PAC1401 PAP606PAP607 PAC1701 PAC2201 PAC2301 PAC1401 PAP606PAP607 PAL401COL4 PAL402PAL401 PAL402 PAP605 PAL401COL4 PAL402PAL401 PAL402 PAP605 PAD101 PAP603PAP604 PAD101 PAP603PAP604 COD1PAD100 PAP602 COD1PAD100 PAP602 PAD102 PAX101 PAX104 PAP601 PAD102 PAX101 PAX104 PAP601 PAR1201COR12 PAR1202PAR1201 PAR1202 PAP6018 PAR1201COR12 PAR1202PAR1201 PAR1202 PAP6018 COX1 PAF40COF4 COX1 PAF40COF4 PAX102 PAX103 PAP6017 PAX102 PAX103 PAP6017

COP5 COP2 COP5 COP2 PAP501 PAP401COP4 PAP301COP3 PAP201 PAP501 PAP401COP4 PAP301COP3 PAP201

(a) Entﬂechtung ohne Leiterﬂächen (b) Bohrdaten

Abbildung 3.26: Entﬂechtung und Bohrdaten der Zweiradantriebsleiterplatte

ﬂäche für die Masse. Die untere Ebene beinhaltet lange Leiterbahnen zur Verbindung der Ausfächerungen und besitzt eine zusätzliche Leiterﬂäche für die Masse.

3.5.2 Energiemanagementﬂachbaugruppe

Die Energiemanagementflachbaugruppe (Power Management Board Assembly) besteht aus zwei Batteriemanagements, einer Energieversorgung, einer Informationsverar- beitung und einer Kommunikation (siehe Abbildung 3.27). Sie besitzt eine Netzge- rätebuchse, eine Batteriebuchse, einen entgegengesetzten Rohrsteckverbinder, eine Programmierbuchse, einen entgegengesetzten Fahrgestellsteckverbinder und einen oberen Systemsteckverbinder. Die Netzgerätebuchse (Power Receptacle) verbindet die Flachbaugruppe mit einem externen Netzgerät. Sie besteht aus einem Hohlsteckver- binder von CUI mit einem Nennstrom von 5 A. Die Batteriebuchse (Battery Receptacle) verbindet die Flachbaugruppe mit einer dedizierten wiederaufladbaren Batterie. Sie besteht aus einem drei poligen Steckverbinder von JST mit einem Leiterabstand von 2,5 mm und einem Nennstrom von 3 A. Der entgegengesetzte Rohrsteckverbinder (Opposite Tube Connector) implementiert eine Rohrschnittstelle und verbindet das Energiemanagement- und Näherungssensormodul mittels einer flexiblen Flachband- leitung. Er besteht aus einem Flachbandleitungssteckverbinder von Hirose mit 16 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,5 mm und einem Nennstrom von 0,5 A. Die Pro- grammierbuchse (Programming Receptacle) ist identisch zur Zweiradantriebsflachbau-

86 3.5 Leiterplattenentwurf

«full» : Power Receptacle «full» : Top System Connector Power Management «full» : Opposite Tube Connector «full» : Programming Receptacle Board Assembly «full» : Battery Receptacle [2] «full» : Opposite Chassis Connector

[2]

Information Battery Management Power Supply Communication Processing

Bluetooth Sounder Communication

Abbildung 3.27: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Energiemanagementﬂachbaugruppe

Battery Management

Battery Voltage Divider Battery Fuel Gauge Battery Charger Ideal Diode

Abbildung 3.28: Blockdeﬁnitionsdiagramm des Batteriemanagements der Energiema- nagementﬂachbaugruppe gruppe. Der entgegengesetzte Fahrgestellsteckverbinder (Opposite Chassis Connector) bildet die Entsprechung zum Fahrgestellsteckverbinder der Zweiradantriebsleiterplatte und nutzt den gleichen Steckverbinder, allerdings mit einer gespiegelten Anschluss- belegung. Der obere Systemsteckverbinder (Top System Connector) implementiert die Systemschnittstelle und realisiert die Basis des Modulstapels. Er besteht aus zwei Stapelsteckverbindern von Hirose mit 60 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,6 mm und einem Nennstrom von 0,4 A. Das Batteriemanagement (Battery Management) (siehe Abbildung 3.28) besteht aus einem Spannungsteiler, einer Batterieüberwachung, einem Batterieladegerät und einer idealen Diode. Der Batteriespannungsteiler (Battery Voltage Divider) halbiert die Batteriespannung für die Batterieüberwachung. Er enthält einen Operationsverstär- ker TLV2401 von Texas Instruments als Impedanzwandler mit einer Bandbreite von 5,5 kHz und einem Strombedarf von 900 nA. Die Batterieüberwachung (Battery Fuel

87 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Power Supply «full» : Inverter

[4]

Supervised Low Power Supervised Switching Linear Voltage Power Path Controller Switching Voltage Voltage Regulator Regulator Regulator

Low Power Step-Down Power Monitor Step-Down Converter Power Monitor Converter

Abbildung 3.29: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Energieversorgung der Energiemana- gementﬂachbaugruppe

Gauge) misst kontinuierlich Spannung, Strom und Temperatur der Batterie. Außerdem berechnet sie unter anderem Ladezustand, Restkapazität und Restlaufzeit der Batte- rie. Die Batterieüberwachung beinhaltet eine auf Verfolgung des Scheinwiderstands basierende Batterieüberwachung BQ27500 von Texas Instruments für Lithium-Ionen- Batterien mit einer Zelle und nutzt daher die halbierte Spannung einer Batterie mit zwei Zellen. Die Batterieüberwachung misst den Strom mittels eines Strommesswider- stands von 10 mΩ. Das Batterieladegerät (Battery Charger) lädt die wiederaufladbare Batterie mittels der Systemspannung. Es enthält eine synchrone Schaltladesteuerung BQ24103A von Texas Instruments für Lithium-Ionen-Batterien mit zwei Zellen. Die Schaltladesteuerung besitzt eine integrierte Ausschaltautomatik bei Übertemperatur und einen Ladestrom von 1,2 A. Die ideale Diode (Ideal Diode) verbindet die Batterie unidirektional mit der Systemspannung. Sie ähnelt der Energiepfadsteuerung der Zweiradantriebsflachbaugruppe, nutzt allerdings nur einen Leistungstransistor und ist immer aktiv. Die Energieversorgung (Power Supply) besteht aus einer Energiepfadsteuerung, einem lineare Spannungsregler, einem überwachten Schaltspannungsregler für geringen Energiebedarf, vier überwachten Schaltspannungsregler und einem Negator (siehe Abbildung 3.29). Die Energiepfadsteuerung (Power Path Controller) steuert die unidirektionale Verbindung zwischen Netzgerätebuchse und Systemspannung. Sie ist identisch zur Zweiradantriebsflachbaugruppe. Der Negator (Inverter) invertiert das Steuersignal der Netzgerätebuchse und aktiviert die Energiepfadsteuerung erst bei ein- gestecktem Netzgerätestecker. Er enthält einen Transistor und bildet ein diskretes Nicht- Gatter mit positiv hochohmigem Eingang. Der lineare Spannungsregler (Linear Voltage Regulator) erzeugt aus der Systemspannung eine Batterieüberwachungsspannung für

88 3.5 Leiterplattenentwurf

Information «full» : System Voltage Divider Processing

Control Area Network Status Light Controller Transceiver

[2]

Programmable Low Power Microcontroller Read-Only Memory Conﬁgurable Gate

Abbildung 3.30: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Energie- managementﬂachbaugruppe

die zwei Batterieüberwachungen. Er beinhaltet einen linearen Längsregler TPS71525 von Texas Instruments mit geringem Spannungsabfall und erzeugt eine Batterieüber- wachungsspannung von 2,5 V mit einem maximalen Strom von 50 mA. Der überwachte Schaltspannungsregler für geringen Energiebedarf (Supervised Low Power Switching Voltage Regulator) ist identisch zur Zweiradantriebsflachbaugruppe und erzeugt aus der Systemspannung eine unterbrechungsfreie Modulspannung von 3,3 V mit einem maximalen Strom von 75 mA. Die vier überwachten Schaltspannungsregler (Supervised Switching Voltage Regulators) erzeugen aus der Systemspannung die verschiedene Regel- spannungen des AMiRos. Sie bestehen jeweils aus einem synchronen Abwärtswandlern und einem Leistungsmonitor. Der Abwärtswandlern (Step-Down Converter) ähnelt der Zweiradantriebsflachbaugruppe. Sie erzeugen die Regelspannungen von 1,8 V, 3,3 V, 4,2 V und 5 V mit einem maximalen Strom von jeweils 1,5 A. Der Leistungsmonitor (Power Monitor) gleicht einem Monitor im überwachten Schaltspannungsregler für geringen Energiebedarf. Er unterscheidet sich durch einen Strommesswiderstand von 10 mΩ und einer jeweils unterschiedlichen I2C-Adresse. Die Informationsverarbeitung (Information Processing) ähnelt der Zweiradantriebs- flachbaugruppe (siehe Abbildung 3.30). Sie besitzt allerdings einen zusätzlichen Sys- temspannungsteiler. Außerdem verfügt die Steuerung über zwei konfigurierbare Gatter mit geringem Energiebedarf. Der Mikrocontroller gleicht der Zweiradantriebsleiter- platte. Die Schaltung und Anschlussbelegung unterstützt ebenfalls beide Varianten des STM32 Mikrocontrollers. Die Anschlussbelegung benutzt eine Fehlersuchschnittstelle, eine CAN-Schnittstelle, einen SPI, drei UARTs, zwei I2C-Schnittstellen, eine Pulswei- tenmodulation mit einem Kanal, einen Analog-Digital-Wandler mit einem Kanal und vierzehn Unterbrechungssignale. Insgesamt nutzt sie 50 konfigurierbare Anschlüsse

89 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters und damit 98 %. Der programmierbare Lesespeicher, die konfigurierbaren Gatter mit geringem Energiebedarf, das Statuslicht und der CAN-Sendeempfänger sind identisch zur Zweiradantriebsflachbaugruppe. Die konfigurierbaren Gatter mit geringem Energiebedarf (Low Power Configurable Gates) bilden ein logisches Nicht-Und-Gatter und Oder-Gatter. Sie erzeugen ein Aufwachsignal für den Mikrocontroller aus dem Unterbrechungssignal des Berührungssensors, Nachbarschaftssignal der Zweiradan- triebsleiterplatte und Einstecksignal der Netzgerätebuchse. Der Systemspannungsteiler (System Voltage Divider) reduziert die Systemspannung auf ein analoges Messsignal. Die Kommunikation (Communication) besteht aus einem Summer und einer Blue- tooth-Kommunikation. Der Summer (Sounder) wird von dem Mikrocontroller über eine variabler Frequenz gesteuert und besteht aus einem piezoelektronischen Summer PKLCS1212E4001 von Murata. Die Bluetooth-Kommunikation (Blutooth Communica- tion) verbindet den AMiRo drahtlos mit einem Computer oder einer Fernsteuerung. Sie beinhaltet ein Bluetooth-Modul WT12-A-AI von Bluegiga Technologies der Klasse 2 mit integrierter Antenne, einer Reichweite von zirka 30 m Sichtlinie und einem UART. Die einzelnen Funktionseinheiten sind mit dem Mikrocontroller verbunden (siehe Abbildung 3.31). Die Spannungsversorgung erfolgt über eine zentrale Systemspannung sowie über die Energieversorgung mit einer Modul-, Batterieüberwachungs- sowie 3,3 V-Regelspannung. Die Systemspannung versorgt die Energieversorgung und Batte- rieladegeräte. Die Modulspannung speist nur die zentrale Informationsverarbeitung mit Ausnahme des CAN-Sendeempfängers. Die Batterieüberwachungsspannung versorgt die Batterieüberwachungen. Die 3,3 V-Regelspannung speist die Leistungsmonitore, die Bluetooth-Kommunikation und den CAN-Sendeempfänger. Außerdem versorgen die verschiedenen Spannungen die Rohr-, Fahrgestell- und Systemsteckverbinder. Die Schaltung besteht aus 241 Bauteilen mit Kosten von insgesamt 82,19 € (siehe Abbildung 3.32a) und enthält 154 Netze (siehe Abbildung 3.32b).

Platzierung

Die Bauteile sind auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte platziert (siehe Abbil- dung 3.33). Die Netzgerätebuchse ist an der Rückseite des AMiRos und entsprechend die Bluetooth-Kommunikation an der Vorderseite positioniert. Um eine Störung der Funkkommunikation zu minimieren sind nur wenige Bauteile in der Nähe der Blue- tooth-Kommunikation platziert. Die Netzgerätebuchse ist auf der Oberseite positioniert, um nicht mit der Batterie zu kollidieren. Entsprechend ist der ﬂachere entgegengesetzte Rohrsteckverbinder auf der Unterseite angeordnet. Die gesamte Platzierung ist möglichst symmetrisch aufgebaut, um Entﬂechtungen wiederzuverwenden.

Entﬂechtung

Der Lagenaufbau, die Fertigungstechnologie und die Durchkontaktierungen der Lei- terplatte sind identisch zur Zweiradantriebsleiterplatte (siehe Abbildung 3.34a). Die

90 3.5 Leiterplattenentwurf cation : Sounder Communi- : Bluetooth : Communication «full» : Programming Receptacle : Power Monitor pwm Converter 2 uart [3] : Step-Down : Supervised Switching Voltage Regulator [4] «full» : Opposite Chassis Connector i2c [2] can : Power Supply spi [2] : Information Processing 2 io [3] : Power Monitor «full» : Top System Connector 2 [2] Converter Step-Down : Low Power : Supervised Low Power Switching Voltage Regulator Abbildung 3.31: Internes Blockdiagramm der Energiemanagementﬂachbaugruppe Gauge Charger : Battery : Battery : Battery Fuel Management [2] [2] 2 «full» : Opposite Tube Connector

91 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

2 48 3 51

4 29

Widerstand 98 4,78 5 8 Transistor 7 0,68 6 5 Steckverbindung 8 6,99 7 2 Spule 13 2,97 8 5 Anschlüsse Oszillator 1 0,42 12 2 Lautsprecher 1 1,4 30 1 Kondensator 85 2,72 41 1 Integrierte Schaltung 26 62,02 73 1 Diode 2 0,21 243 1 120100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 0 20 40 60 Bauteile Bauteilkosten in € Netze (a) Bauteil- und Bauteilkostenverteilung (b) Netzverteilung

Abbildung 3.32: Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Energiemanagementﬂach- baugruppe

Leiterbahnen sind auf der oberen, ersten inneren und unteren Leiterbahnebene angeordnet. Die äußeren Leiterbahnebenen beinhalten Ausfächerungen der Anschlussflächen und wenige längere Leiterbahnen. Zusätzlich besitzt die obere Ebene unter anderem eine Leiterfläche für die Modulspannung und die untere Leiterbahnebene Leiterflächen für die Batterie- sowie Systemspannung. Die meisten Leiterbahnen befinden sich auf der ersten inneren Leiterbahnebene und diese ist zusätzlich in Leiterflächen für die vier Regelspannungen und Masse unterteilt. Die zweite innere Leiterbahnebene bildet eine Leiterfläche für die Masse. Die Leiterplatte besitzt auf allen Ebenen im vorderen Bereich eine Leiterfreistellung für die Antenne.

3.5.3 Näherungssensorﬂachbaugruppe

Die Näherungssensorflachbaugruppe (Proximity Sensor Board Assembly) besteht aus einem Berührungssensorsystem, einem Näherungssensorsystem und einem Rohrsteck- verbinder. Der Rohrsteckverbinder (Tube Connector) implementiert die Rohrschnitt- stelle und bildet die Entsprechung zum entgegengesetzten Rohrsteckverbinder der Energiemanagementflachbaugruppe. Er nutzt den gleichen Steckverbinder der Ener- giemanagementflachbaugruppe, allerdings mit umgekehrter Anschlussbelegung. Das Berührungssensorsystem (Touch Sensor System) besteht aus einem kapazitiven Berüh- rungssensor und vier Kontaktelektroden. Der kapazitive Berührungssensor (Capacitive Touch Sensor) überwacht periodisch die Kapazität an seinen Eingängen. Er beinhaltet ei-

92 3.5 Leiterplattenentwurf

Oberseite Unterseite

Batteriebuchse Batterieladegeräte Batterieüberwachung Bluetooth-Kommunikation CAN-Sendeempfänger Energiepfadsteuerung Entgegengesetzter Fahrgestellsteck- Entgegengesetzter Rohrsteckverbin- Ideale Diode verbinder der Konﬁgurierbares Gatter mit geringem Lineare Spannungsregler Mikrocontroller Energiebedarf Netzgerätebuchse Oberer Systemsteckverbinder Programmierbarer Lesespeicher Programmierbuchse Spannungsteiler Statuslicht Überwachter Schaltspannungsregler Summer Überwachter Schaltspannungsregler für geringen Energiebedarf

Abbildung 3.33: Bauteilplatzierung der Energiemanagementﬂachbaugruppe PAF30 PAF10 PAF30 PAF10 A15 PAP1058 PAP1059 PAP1057 PAP1055 PAP1053 PAP1046 PAP1051 PAP1049 PAP1049 PAP1047 PAP1045 PAP1045 PAP1043 PAP1043 PAP1041 PAP1039 PAP1037 PAP1035 PAP1035 PAP1033 PAP1033 PAP1031 PAP1031 PAP1029 PAP1027 PAP1027 PAP1025 PAP1025 PAP1023 PAP1016 PAP1021 PAP1019 PAP1019 PAP1017 PAP1015 PAP1013 PAP1013 PAP1011 PAP1011 PAP104 PAP109 PAP109 PAP107 PAP107 PAP105 PAP103 PAP103 PAP101 PAP101 PAP1058 PAP1059 PAP1057 PAP1055 PAP1053 PAP1046 PAP1051 PAP1049 PAP1049 PAP1047 PAP1045 PAP1045 PAP1043 PAP1043 PAP1041 PAP1039 PAP1037 PAP1035 PAP1035 PAP1033 PAP1033 PAP1031 PAP1031 PAP1029 PAP1027 PAP1027 PAP1025 PAP1025 PAP1023 PAP1016 PAP1021 PAP1019 PAP1019 PAP1017 PAP1015 PAP1013 PAP1013 PAP1011 PAP1011 PAP104 PAP109 PAP109 PAP107 PAP107 PAP105 PAP103 PAP103 PAP101 PAP101 A15 PAP1052 PAP1055 PAP1051 PAP1047 PAP1040 PAP1039 PAP1037 PAP1022 PAP1021 PAP1052 PAP1055 PAP1051 PAP1047 PAP1040 PAP1039 PAP1037 PAP1022 PAP1021 COF3 COF1 COF3 COF1 PAP1061 PAP1061 PAP1062 PAP1062 COP1 COP1 PAP1034 PAP1028 PAP1034 PAP1028 PAP1060 PAP1058 PAP1056 PAP1054 PAP1052 PAP1050 PAP1050 PAP1048 PAP1048 PAP1046 PAP1044 PAP1044 PAP1042 PAP1040 PAP1038 PAP1038 PAP1036 PAP1034 PAP1032 PAP1030 PAP1028 PAP1026 PAP1026 PAP1024 PAP1024 PAP1022 PAP1020 PAP1020 PAP1018 PAP1016 PAP1014 PAP1014 PAP1012 PAP1012 PAP1010 PAP1010 PAP108 PAP108 PAP106 PAP106 PAP104 PAP102 PAP1060 PAP1058 PAP1056 PAP1054 PAP1052 PAP1050 PAP1050 PAP1048 PAP1048 PAP1046 PAP1044 PAP1044 PAP1042 PAP1040 PAP1038 PAP1038 PAP1036 PAP1034 PAP1032 PAP1030 PAP1028 PAP1026 PAP1026 PAP1024 PAP1024 PAP1022 PAP1020 PAP1020 PAP1018 PAP1016 PAP1014 PAP1014 PAP1012 PAP1012 PAP1010 PAP1010 PAP108 PAP108 PAP106 PAP106 PAP104 PAP102 PAD101 PAD101 PAD101 PAD101 A30 PAR3901 PAR3902 PAR3901 PAR3902 PAP704 PAP704 COR39 COR39 COD1 PAD100 COD1 PAD100 PAC2902 PAC2901 PAC1602 PAC1601 PAC1601 PAC2902 PAC2901 PAC1602 PAC1601 PAC1601 PAC2902 PAC2901 PAC2902 PAC2901 PAC5501 PAC5502 PAR4202 PAR4201 PAR4201 PAR8401 PAR8402 PAC402 PAC401 PAR402 PAR401 PAR401 PAR5501 PAR5502 PAC5501 PAC5502 PAR4202 PAR4201 PAR4201 PAR8401 PAR8402 PAC402 PAC401 PAR402 PAR401 PAR401 PAR5501 PAR5502 PAC5501 PAC5501 PAR3901 PAR8802 PAR8502 PAC7502 PAR8702 PAR3901 PAR8802 PAR8502 PAC7502 PAR8702 COC55 COC29 COR42 COR55 COC16 COC55 COC29 COR42 COR55 COC16 PAD102 PAC7401 PAC7402 PAC7402 COC4 COR4 PAD102 PAC7401 PAC7402 PAC7402 COC4 COR4 A90 PAR9202 PAR9201 PAR9202 PAR9201 COR84 COR84 COC74 COC74 COR88 COR85 COC75 COR87 COR88 COR85 COC75 COR87 PAL702 PAL702 PAR6701 PAL701 PAR6702 PAR6702 PAC3002 PAC3001 PAR8801 PAR8501 PAC7501 PAR8701 PAC1801 PAC1801 PAC1802 PAL302 PAL301 PAL301 PAL702 PAL702 PAR6701 PAL701 PAR6702 PAR6702 PAC3002 PAC3001 PAR8801 PAR8501 PAC7501 PAR8701 PAC1801 PAC1801 PAC1802 PAL302 PAL301 PAL301 PAU201 PAU202 PAU202 PAU203 PAU203 PAU201 PAU202 PAU202 PAU203 PAU203 PAR3002 PAR3002 COL7 COR67 COC30 PAR3002 PAR3001 PAR3001 PAR3202 PAR3202 PAR3201 PAR3201 PAX102 PAX101 PAX101 PAR1602 PAR1601 PAR1802 PAR1801 COC18 COL3 COL7 COR67 COC30 PAR3002 PAR3001 PAR3001 PAR3202 PAR3202 PAR3201 PAR3201 PAX102 PAX101 PAX101 PAR1602 PAR1601 PAR1802 PAR1801 COC18 COL3 COR92 COR30 COR32 COR16 COR18 COR92 COR30 COR32 COR16 COR18 PAR9202 PAR9202 PAQ20G PAQ20G PAQ10D PAQ10G PAQ10S PAQ10S PAQ20G PAQ20D PAQ20D PAQ10D PAQ10G PAQ10S PAQ10S PAQ20G PAQ20D PAQ20D A20 PAR2802 PAR2801 PAR2802 PAR2801 A11PAC102 PAC101 PAC4402 PAC4401 PAC102 PAC101 PAC4402 PAC4401 A10 PAU1006 PAU1005 PAU2004 PAU2005 PAU2005 PAU1003 PAU1004 PAU24012 PAU24013 PAU24014 PAU24015 PAU808 PAU24016 PAU807 PAU807 PAU24017 PAU806 PAU24018 PAL1201 PAU24019 PAU805 PAL1202 PAU408 PAU407 PAU407 PAU406 PAU406 PAU405 PAU405 PAU606 PAU605 PAU603 PAU604 PAU1006 PAU1005 PAU2004 PAU2005 PAU2005 PAU1003 PAU1004 PAU24012 PAU24013 PAU24014 PAU24015 PAU808 PAU24016 PAU807 PAU807 PAU24017 PAU806 PAU24018 PAL1201 PAU24019 PAU805 PAL1202 PAU408 PAU407 PAU407 PAU406 PAU406 PAU405 PAU405 PAU606 PAU605 PAU603 PAU604 A70 PAC7602 PAC7601 COR28 PAC7602 PAC7601 COR28 PAP701 PAP701 PAU1006 PAU1003 PAU606 PAU603 PAU1006 PAU1003 PAU606 PAU603 COU2 PAR1401 COU2 PAR1401 COQ1 COQ2 COC1 COX1 COC44 COQ1 COQ2 COC1 COX1 COC44 PAU24021 PAU24021 COU10 PAU8017 PAC2102 PAC2101 PAU4017 PAC702 PAC701 COU6 COU10 PAU8017 PAC2102 PAC2101 PAU4017 PAC702 PAC701 COU6 PAC2101 PAC2101 PAU1007 PAU1002 COC76 PAU24011 PAU24020 PAU607 PAU602 PAU1007 PAU1002 COC76 PAU24011 PAU24020 PAU607 PAU602 PAU205 PAU205 A70 PAR8902 PAC7602 PAU809 PAU804 PAU206 PAU205 PAU204 PAU204 COR14 PAU409 PAU404 PAR8902 PAC7602 PAU809 PAU804 PAU206 PAU205 PAU204 PAU204 COR14 PAU409 PAU404 PAX103 PAX103 PAX103 PAX104 PAX103 PAX104 PAC102 PAR2202 PAR2201 PAR2201PAR2802 PAC2202 PAC2201 PAC4402 PAC902 PAC901 PAC102 PAR2202 PAR2201 PAR2201PAR2802 PAC2202 PAC2201 PAC4402 PAC902 PAC901 COU20 PAR1402 COU20 PAR1402 PAQ10G PAQ10G PAQ20S PAQ20S PAQ20S PAQ20S PAU803 PAU403 PAU803 PAU403 PAU1008 PAU1001 PAU8012 PAU8011 PAU8010 COU24 PAU801 PAU803 PAU4012 PAU4011 PAU4010 PAU401 PAU403 PAU608 PAU601 PAU1008 PAU1001 PAU8012 PAU8011 PAU8010 COU24 PAU801 PAU803 PAU4012 PAU4011 PAU4010 PAU401 PAU403 PAU608 PAU601 PAU2003 PAU2002 PAU2002 PAU2001 PAU2001 PAR8902 COR22 COC22 COC21 COC9 COC7 PAU2003 PAU2002 PAU2002 PAU2001 PAU2001 PAR8902 COR22 COC22 COC21 COC9 COC7 COU8 COP7 COU4 COU8 COP7 COU4 A81 PAU8012 PAU8011 PAU802 PAU4012 PAU4011 PAU402 PAU8012 PAU8011 PAU802 PAU4012 PAU4011 PAU402 PAU802 PAU402 PAU802 PAU402 PAR2202 PAC2202 PAU24010 PAU2401 PAC902 PAR802 PAR801 PAR2202 PAC2202 PAU24010 PAU2401 PAC902 PAR802 PAR801 PAC2602 PAC2602 PAC2601 PAP702 PAC1401 PAC1402 PAC2602 PAC2602 PAC2601 PAP702 PAC1401 PAC1402 PAC2102 PAC2102 PAR2401 PAR2301 PAC702 PAR901 PAR1001 PAR2401 PAR2301 PAC702 PAR901 PAR1001 COC26 COR89 PAU801 COR8 PAU401 COC14 COC26 COR89 PAU801 COR8 PAU401 COC14 PAR8901 PAU2409 PAU2408 PAU2407 PAU2407 PAU2406 PAU2405 PAU2404 PAU2404 PAU2403 PAU2403 PAU2402 PAU2402 PAR8901 PAU2409 PAU2408 PAU2407 PAU2407 PAU2406 PAU2405 PAU2404 PAU2404 PAU2403 PAU2403 PAU2402 PAU2402 COR24 COR23 COR9 COR10 COR24 COR23 COR9 COR10 PAR7301 PAR7302 PAR7302 PAR7301 PAR7302 PAR7302 PAC5602 PAC5601 PAR802 PAC5602 PAC5601 PAR802 PAC5601 PAC5601 PAR2402 COC56 PAR2302 PAU8013 PAU8014 PAU8014 PAU8015 PAU8015 PAU8016 COL12 PAC4002 PAC4001 PAU4013 PAU4014 PAU4014 PAU4015 PAU4015 PAU4016 PAU4016 PAR902 PAR1002 PAR2402 COC56 PAR2302 PAU8013 PAU8014 PAU8014 PAU8015 PAU8015 PAU8016 COL12 PAC4002 PAC4001 PAU4013 PAU4014 PAU4014 PAU4015 PAU4015 PAU4016 PAU4016 PAR902 PAR1002 COR73 COR73 PAU101 PAU106 PAR9102 PAL1102 PAC3901 PAC5001 PAC4901 PAR5701 PAC4301 PAU101 PAU106 PAR9102 PAL1102 PAC3901 PAC5001 PAC4901 PAR5701 PAC4301 PAR7002 PAR7001 PAR7001 PAR7002 PAR7001 PAR7001 PAR302 PAR302 PAC202 PAR302 PAR9002 PAC7702 PAC7202 PAR8601 PAC202 PAR302 PAR9002 PAC7702 PAC7202 PAR8601 COL11 COC40 COC39 COC50 COC49 COR57 COC43 COL11 COC40 COC39 COC50 COC49 COR57 COC43 PAR2001 COR70 PAR2002 PAR2002 PAR602 PAR601 PAR601 PAR2001 COR70 PAR2002 PAR2002 PAR602 PAR601 PAR601 PAU26028 PAU2601 PAU26028 PAU2601 PAU26028 PAU26028 A12PAU103 PAU102 PAU105PAU106PAU105 COR91 PAC7301 PAC7302 PAU103 PAU102 PAU105PAU106PAU105 COR91 PAC7301 PAC7302 COC2 COR3 PAR9101 PAL501 PAL1101 PAC3902 PAP703 PAC5002 PAC4902 PAR5702 PAC4302 PAL101 COC2 COR3 PAR9101 PAL501 PAL1101 PAC3902 PAP703 PAC5002 PAC4902 PAR5702 PAC4302 PAL101 PAC4002 PAC4002 COU1 COR20 PAC8402 PAC8401 COU1 COR20 PAC8402 PAC8401 COR6 COR6 PAC7701 PAC7701 PAC201 PAR301 PAR9001 COR90 PAC7701 COC77 PAC7201 COC72 PAR8602 COR86 PAR4101 PAR4102 PAC201 PAR301 PAR9001 COR90 PAC7701 COC77 PAC7201 COC72 PAR8602 COR86 PAR4101 PAR4102 COR41 COR41 COP5 PAU103 PAU104 COP5 PAU103 PAU104 PAL1201 PAQ40D PAQ40G PAL1201 PAQ40D PAQ40G PAQ40D PAQ40S PAQ40G PAQ40D PAQ40S PAQ40G COC84 COC84 PAU26027 PAU2602 PAU26027 PAU2602 PAC8402 PAC8402 COC73 PAR4002 PAR4001 COC73 PAR4002 PAR4001 COR40 PALS102 COR40 PALS102 PAQ60S PAQ60S PAQ60S PATP601 PAQ60S PATP601 PAC7301 PAC7301 PAC2301 PAC2302 PAU15016 PAU15015 PAU15014 PAU15013 PAU15013 PAU15012 PAU15011 PAU15011 PAU15010 PAU1509 PAU1508 PAU1507 PAU1507 PAU1506 PAU1505 PAU1505 PAU1504 PAU1503 PAU1502 PAU1502 PAU1501 PAU1501 PAC1102 PAC1101 PAC1101 PAC2301 PAC2302 PAU15016 PAU15015 PAU15014 PAU15013 PAU15013 PAU15012 PAU15011 PAU15011 PAU15010 PAU1509 PAU1508 PAU1507 PAU1507 PAU1506 PAU1505 PAU1505 PAU1504 PAU1503 PAU1502 PAU1502 PAU1501 PAU1501 PAC1102 PAC1101 PAC1101 COTP6 COTP6 PAC4702 PAC4701 PAC4702 PAC4701 COC47 COC47 PAQ60D COQ4 PAQ60D COQ4 PAU2603 PAU2603 A206PU62 A204PAU26023 PAU26024 PAU26025 PAU26026 PAU26023 PAU26024 PAU26025 PAU26026 COQ6 PAP705 COQ6 PAP705 PAP4018 COC23 COC11 PAP4018 COC23 COC11 PAC3401 PAC3401 PAC3401 PAC3402 PAC3402 PAR4302 PAR4301 PAQ40S PAC4201 PAC4201 PAC4202 PAC3401 PAC3402 PAC3402 PAR4302 PAR4301 PAQ40S PAC4201 PAC4201 PAC4202 PAQ60G COR43 COC42 PAQ60G COR43 COC42 A92PAL901 PAL902 PAL901 PAL902 COL5 COL1 COL5 COL1 COC34 PAC6001 PAC6001 PAC6002 PAR7101 PAR7102 PAR7102 COC34 PAC6001 PAC6001 PAC6002 PAR7101 PAR7102 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PAR4602 COC15 COC27 PAR4601 PAR4602 COC15 PAR2501 PAC2401 PAC2402 COC53 PAC1201 PAC1202 PAR1101 PAR1102 PAU2201 PAU2202 PAU2203 PAU2203 PAR2501 PAC2401 PAC2402 COC53 PAC1201 PAC1202 PAR1101 PAR1102 PAU2201 PAU2202 PAU2203 PAU2203 PAP602 PAP602 PAP602 PAU25021 PAP602 PAU25021 A92PU0 PAU904 PAU903 PAU902 PAU9011 PAU504 PAU503 PAU502 PAU2501 PAU5011 PAU25010 COR98 PAU904 PAU903 PAU902 PAU9011 PAU504 PAU503 PAU502 PAU2501 PAU5011 PAU25010 COR98 PAC5302 PAC5302 COR46 COU16 COC85 COR46 COU16 COC85 PAC8501 PAC8501 PAP603 COC20 COC24 COC8 COC12 COR11 PAP603 COC20 COC24 COC8 COC12 COR11 COU9 COU5 PAU26015 PAU26014 COU9 COU5 PAU26015 PAU26014 PAU1101 PAU1108PAU1107 PAU1108 COU17 PAU701 PAU708PAU707 PAU1101 PAU1108PAU1107 PAU1108 COU17 PAU701 PAU708PAU707 PAU9010 PAR4601 PAU5010 PAU9010 PAR4601 PAU5010 PAP604 PAU1801 PAU1806 PAU1901 PAU1901PAU1902 PAU1906 PAR2902 PAC2401 PAU304 PAU305 PAU305 PAU306 PAU306 COU25 PAC1201 PAR1502 PAR1101 PAP604 PAU1801 PAU1806 PAU1901 PAU1901PAU1902 PAU1906 PAR2902 PAC2401 PAU304 PAU305 PAU305 PAU306 PAU306 COU25 PAC1201 PAR1502 PAR1101 PAC2001 PAC801 PAC8201 PAC8202 PAC8202PAR9802 PAC2001 PAC801 PAC8201 PAC8202 PAC8202PAR9802 PAP6018 PAP605 PAU1803 PAU1802 PAU1804 PAU1805 PAU1903 PAU1902 PAU1904 PAU1905 PAU1102PAU1101PAU1102 PAU1107 PAP801 PAU702PAU701PAU702 PAU707PAU708 PAP6018 PAP605 PAU1803 PAU1802 PAU1804 PAU1805 PAU1903 PAU1902 PAU1904 PAU1905 PAU1102PAU1101PAU1102 PAU1107 PAP801 PAU702PAU701PAU702 PAU707PAU708 PAP605 PAP605 COU18 COU19 PAU904 PAU909 COR29 PAU509 COU18 COU19 PAU904 PAU909 COR29 PAU509 PAU504 PAU504 PAL1302 PAU25020 PAU25011 COU22 PAL1302 PAU25020 PAU25011 COU22 PAP606 PAU1803 PAU1804 PAU1903 PAU1904 COU11 PAR2901 PAR1502 COU7 PAP606 PAU1803 PAU1804 PAU1903 PAU1904 COU11 PAR2901 PAR1502 COU7 A10 PAU1104 PAU1103 PAU1105 PAU1106 PAR6401 PAU704 PAU703 PAU705 PAU706 PAU1104 PAU1103 PAU1105 PAU1106 PAR6401 PAU704 PAU703 PAU705 PAU706 PAR6401 PAR6401 PAU1103 PAU1103 PAU905 PAU906 PAU907 PAU908 PAU505 PAU506 PAU507 PAU507 PAU508 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PAP2055 PAP2053 PAP2051 PAP2049 PAP2049 PAP2047 PAP2045 PAP2043 PAP2043 PAP2041 PAP2039 PAP2039 PAP2037 PAP2037 PAP2035 PAP2033 PAP2033 PAP2031 PAP2031 PAP2029 PAP2027 PAP2025 PAP2025 PAP2023 PAP2021 PAP2019 PAP2019 PAP2017 PAP2015 PAP2013 PAP2013 PAP2011 PAP2011 PAP209 PAP209 PAP207 PAP207 PAP205 PAP205 PAP203 PAP203 PAP201 PAP201 PAP6016 PAP6016 PAP2061 PAP2061 PAP2062 PAP2062 PAP6020 PAP6020 COP2 COP2 PAD201 PAD201 PAD201 PAD201 COD2 COD2 PAP2060 PAP2058 PAP2056 PAP2056 PAP2054 PAP2052 PAP2050 PAP2050 PAP2048 PAP2048 PAP2046 PAP2044 PAP2044 PAP2042 PAP2040 PAP2040 PAP2038 PAP2038 PAP2036 PAP2034 PAP2034 PAP2032 PAP2030 PAP2028 PAP2028 PAP2026 PAP2026 PAP2024 PAP2024 PAP2022 PAP2020 PAP2020 PAP2018 PAP2016 PAP2016 PAP2014 PAP2014 PAP2012 PAP2012 PAP2010 PAP2010 PAP208 PAP208 PAP206 PAP206 PAP204 PAP204 PAP202 PAP2060 PAP2058 PAP2056 PAP2056 PAP2054 PAP2052 PAP2050 PAP2050 PAP2048 PAP2048 PAP2046 PAP2044 PAP2044 PAP2042 PAP2040 PAP2040 PAP2038 PAP2038 PAP2036 PAP2034 PAP2034 PAP2032 PAP2030 PAP2028 PAP2028 PAP2026 PAP2026 PAP2024 PAP2024 PAP2022 PAP2020 PAP2020 PAP2018 PAP2016 PAP2016 PAP2014 PAP2014 PAP2012 PAP2012 PAP2010 PAP2010 PAP208 PAP208 PAP206 PAP206 PAP204 PAP204 PAP202 PAD202 PAD202 PAF40 PAF20 PAF40 PAF20 COF4 COF2 COF4 COF2

(a) Entﬂechtung ohne Leiterﬂächen (b) Bohrdaten

Abbildung 3.34: Entﬂechtung und Bohrdaten der Energiemanagementleiterplatte

93 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Proximity Sensor «full» : Tube Connector Board Assembly

[2]

Proximity Sensor Touch Sensor System System

[4] [4]

Capacitive Touch Four Channel Touch Electrode Proximity Sensor Sensor Multiplexer

Abbildung 3.35: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Näherungssensorﬂachbaugruppe

: Touch Sensor System : Proximity Sensor System [2]

4 i2c [4] : Capacitive : Multiplexer Touch Sensor [4] 4

: Touch : Proximity Electrode [4] Sensor [4]

«full» i2c [2] 2 : Tube Connector

Abbildung 3.36: Internes Blockdiagramm der Näherungssensorﬂachbaugruppe

ne kapazitive Berührungssensorsteuerung MPR121 von Freescale mit einem minimalen durchschnittlichen Strombedarf von 8 µA, einer konfigurierbaren Abtastperiode von 1 ms bis 128 ms und einer integrierten I2C-Schnittstelle. Die Kontaktelektrode (Touch Electrode) bildet eine kapazitive Fläche. Sie besteht aus einer runden Leiterfläche auf einer äußeren Leiterbahnebene. Das Näherungssensorsystem (Proximity Sensor System) und damit der Vierkanalmehrfachkoppler (Four Channel Multiplexer) sowie Näherungs- sensor (Proximity Sensor) sind identisch zur Zweiradantriebsflachbaugruppe. Die einzelnen Funktionseinheiten sind über verschiedene Bussysteme und Signale mit dem Rohrsteckverbinder verbunden (siehe Abbildung 3.36). Die Spannungsversorgung

94 3.5 Leiterplattenentwurf

Widerstand 28 0,75 2 8 Steckverbindung 1 0,84 3 30

Spule 9 0,31 4 9

Kondensator 37 1,28 Anschlüsse 62 1 Integrierte Schaltung 11 14,37 72 1 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 Bauteile Bauteilkosten in € Netze (a) Bauteil- und Bauteilkostenverteilung (b) Netzverteilung

Abbildung 3.37: Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Näherungssensorﬂachbau- gruppe

Oberseite

Unterseite

Kapazitive Berührungssensor Kontaktelektrode Näherungssensor Rohrsteckverbinder Vierkanalmehrfachkoppler

Abbildung 3.38: Bauteilplatzierung der Näherungssensorleiterplatte erfolgt über den Rohrsteckverbinder mit einer Modul- und 3,3 V-Regelspannung des Energiemanagementmoduls. Der Berührungssensor nutzt die Modulspannung und die restliche Leiterplatte verwendet die 3,3 V-Regelspannung. Die Schaltung besteht aus 86 Bauteilen mit Kosten von insgesamt 17,57 € (siehe Abbildung 3.37a) und enthält 49 Netze (siehe Abbildung 3.37b).

Platzierung

Die Flachbaugruppe nutzt eine teilweise biegbare Leiterplatte mit starren und biegbaren Abschnitten. Die Bauteile sind größtenteils auf der Oberseite der Leiterplatte platziert (siehe Abbildung 3.38). Jeder starre Abschnitt besitzt auf der Unterseite der Leiterplatte und damit der Außenseite des AMiRos einen integrierten Näherungssensor. Alle weiteren Bauelemente mit Ausnahme der Kontaktelektroden sind auf der Oberseite der Leiterplatte und damit auf der Innenseite des Gehäuses platziert. Die Anordnung der vier Kontaktelektroden, zwei Vierkanalmehrfachkoppler, eines Berührungssensors

95 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

PAC40Proximity1101 COC40Proximity11 PAC40Proximity1102 PAC40Proximity2101 COC40Proximity21 PAC40Proximity2102 PAC40Proximity4101 COC40Proximity41 PAC40Proximity4102 PAC40Proximity3101 COC40Proximity31 PAC40Proximity3102 PAC40Proximity1201 COC40Proximity12 PAC40Proximity1202 PAC40Proximity2201 COC40Proximity22 PAC40Proximity2202 PAC40Proximity4201 COC40Proximity42 PAC40Proximity4202 PAC40Proximity3201 COC40Proximity32 PAC40Proximity3202 PAU10Proximity1106 PAU10Proximity1107 PAU10Proximity1108 PAU10Proximity1109 PAU10Proximity11010 PAU10Proximity2106 PAU10Proximity2107 PAU10Proximity2108 PAU10Proximity2109 PAU10Proximity21010 PAU10Proximity4106 PAU10Proximity4107 PAU10Proximity4108 PAU10Proximity4109 PAU10Proximity41010 PAU10Proximity3106 PAU10Proximity3107 PAU10Proximity3108 PAU10Proximity3109 PAU10Proximity31010 PAU10Proximity1206 PAU10Proximity1207 PAU10Proximity1208 PAU10Proximity1209 PAU10Proximity12010 PAU10Proximity2206 PAU10Proximity2207 PAU10Proximity2208 PAU10Proximity2209 PAU10Proximity22010 PAU10Proximity4206 PAU10Proximity4207 PAU10Proximity4208 PAU10Proximity4209 PAU10Proximity42010 PAU10Proximity3206 PAU10Proximity3207 PAU10Proximity3208 PAU10Proximity3209 PAU10Proximity32010 PAC20Proximity1101 PAR20Multiplexer102 PAR10Proximity1102 PAR10Multiplexer102 PAC30Proximity1101 PAC20Proximity2101 PAR40Multiplexer102 PAR10Proximity2102 PAR30Multiplexer102 PAC30Proximity2101 PAC20Proximity4101 PAR90Multiplexer102 PAR10Proximity4102 PAR80Multiplexer102 PAC30Proximity4101 PAC20Proximity3101 PAR70Multiplexer102 PAR10Proximity3102 PAR60Multiplexer102 PAC30Proximity3101 PAC20Proximity1201 PAR20Multiplexer202 PAR10Proximity1202 PAR10Multiplexer202 PAC30Proximity1201 PAC20Proximity2201 PAR40Multiplexer202 PAR10Proximity2202 PAR30Multiplexer202 PAC30Proximity2201 PAC20Proximity4201 PAR90Multiplexer202 PAR10Proximity4202 PAR80Multiplexer202 PAC30Proximity4201 PAC20Proximity3201 PAR70Multiplexer202 PAR10Proximity3202 PAR60Multiplexer202 PAC30Proximity3201 COC20Proximity11COR20Multiplexer1COR10Proximity11COU10Proximity11COR10Multiplexer1COC30Proximity11 COC20Proximity21COR40Multiplexer1COR10Proximity21COU10Proximity21COR30Multiplexer1COC30Proximity21 COC20Proximity41COR90Multiplexer1COR10Proximity41COU10Proximity41COR80Multiplexer1COC30Proximity41 COC20Proximity31COR70Multiplexer1COR10Proximity31COU10Proximity31COR60Multiplexer1COC30Proximity31 COC20Proximity12COR20Multiplexer2COR10Proximity12COU10Proximity12COR10Multiplexer2COC30Proximity12 COC20Proximity22COR40Multiplexer2COR10Proximity22COU10Proximity22COR30Multiplexer2COC30Proximity22 COC20Proximity42COR90Multiplexer2COR10Proximity42COU10Proximity42COR80Multiplexer2COC30Proximity42 COC20Proximity32COR70Multiplexer2COU10Proximity32COR10Proximity32COR60Multiplexer2COC30Proximity32 PAC20Proximity1102 PAR20Multiplexer101PAU10Proximity1105 PAU10Proximity1104PAR10Proximity1101 PAU10Proximity1103PAR10Multiplexer101 PAU10Proximity1102 PAU10Proximity1101PAC30Proximity1102 PAC20Proximity2102 PAR40Multiplexer101PAU10Proximity2105 PAU10Proximity2104PAR10Proximity2101PAU10Proximity2103PAR30Multiplexer101PAU10Proximity2102 PAU10Proximity2101PAC30Proximity2102 PAC20Proximity4102 PAR90Multiplexer101PAU10Proximity4105 PAU10Proximity4104PAR10Proximity4101PAU10Proximity4103PAR80Multiplexer101PAU10Proximity4102 PAU10Proximity4101PAC30Proximity4102 PAC20Proximity3102 PAR70Multiplexer101PAU10Proximity3105 PAU10Proximity3104PAR10Proximity3101PAU10Proximity3103PAR60Multiplexer101PAU10Proximity3102 PAU10Proximity3101PAC30Proximity3102 PAC20Proximity1202 PAR20Multiplexer201PAU10Proximity1205 PAU10Proximity1204PAR10Proximity1201PAU10Proximity1203 PAR10Multiplexer201PAU10Proximity1202 PAU10Proximity1201PAC30Proximity1202 PAC20Proximity2202 PAR40Multiplexer201PAU10Proximity2205 PAU10Proximity2204PAR10Proximity2201PAU10Proximity2203 PAR30Multiplexer201PAU10Proximity2202 PAU10Proximity2201 PAC30Proximity2202 PAC20Proximity4202 PAR90Multiplexer201PAU10Proximity4205 PAU10Proximity4204PAR10Proximity4201PAU10Proximity4203PAR80Multiplexer201PAU10Proximity4202 PAU10Proximity4201PAC30Proximity4202 PAC20Proximity3202 PAR70Multiplexer201PAU10Proximity3205 PAU10Proximity3204PAR10Proximity3201PAU10Proximity3203PAR60Multiplexer201PAU10Proximity3202 PAU10Proximity3201PAC30Proximity3202

PAP1018 PAR50Multiplexer101COR50Multiplexer1 PAR50Multiplexer102 PAR50Multiplexer201COR50Multiplexer2 PAR50Multiplexer202 PAP1016

COC1 PAP1015 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018PAU10Multiplexer1017 PAU10Multiplexer1016 PAU10Multiplexer1015 PAU10Multiplexer1014 PAU10Multiplexer1013 PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAC101 PAC102 PAU10Multiplexer2020 PAU10Multiplexer2019 PAU10Multiplexer2018 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016 PAU10Multiplexer2015 PAU10Multiplexer2014 PAU10Multiplexer2013 PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAP1014 PAP1013 PAR201 PAC301 PAR102 PAL101 PAC201 PAP1012 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 PAP1011 PAR202 PAC302 PAR101 PAL102 PAC202 PAP1010 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer2

PAP109COP1 COS1 COS2 COS3 COS4 PAP108 PAP107 PAU105PAU104 PAU103 PAU102 PAU101 PAP106 PAU106 PAU1020 PAP105 PAU107 PAU1019 PAU108 COU1 PAU1018 PAP104 PAU10Multiplexer101 PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103PAU10Multiplexer104 PAU10Multiplexer105 PAU10Multiplexer106 PAU10Multiplexer107 PAU10Multiplexer108 PAU10Multiplexer109 PAU10Multiplexer1010 PAU109 PAU1017 PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202 PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204 PAU10Multiplexer205 PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207 PAU10Multiplexer208 PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAP103 PAU1010 PAU1016 PAP102 PAS101 PAS201 PAS301 PAS401 PAU1011 PAU1012PAU1013PAU1012PAU1011 PAU1013 PAU1014 PAU1015 PAP101 PAC10Multiplexer102COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201 PAP1017

(a) Entﬂechtung ohne Leiterﬂächen

PAC40Proximity1101 COC40Proximity11 PAC40Proximity1102 PAC40Proximity2101 COC40Proximity21 PAC40Proximity2102 PAC40Proximity4101 COC40Proximity41 PAC40Proximity4102 PAC40Proximity3101 COC40Proximity31 PAC40Proximity3102 PAC40Proximity1201 COC40Proximity12 PAC40Proximity1202 PAC40Proximity2201 COC40Proximity22 PAC40Proximity2202 PAC40Proximity4201 COC40Proximity42 PAC40Proximity4202 PAC40Proximity3201 COC40Proximity32 PAC40Proximity3202 PAU10Proximity1106 PAU10Proximity1107 PAU10Proximity1108 PAU10Proximity1109 PAU10Proximity11010 PAU10Proximity2106 PAU10Proximity2107 PAU10Proximity2108 PAU10Proximity2109 PAU10Proximity21010 PAU10Proximity4106 PAU10Proximity4107 PAU10Proximity4108 PAU10Proximity4109 PAU10Proximity41010 PAU10Proximity3106 PAU10Proximity3107 PAU10Proximity3108 PAU10Proximity3109 PAU10Proximity31010 PAU10Proximity1206 PAU10Proximity1207 PAU10Proximity1208 PAU10Proximity1209 PAU10Proximity12010 PAU10Proximity2206 PAU10Proximity2207 PAU10Proximity2208 PAU10Proximity2209 PAU10Proximity22010 PAU10Proximity4206 PAU10Proximity4207 PAU10Proximity4208 PAU10Proximity4209 PAU10Proximity42010 PAU10Proximity3206 PAU10Proximity3207 PAU10Proximity3208 PAU10Proximity3209 PAU10Proximity32010 PAC20Proximity1101 PAR20Multiplexer102 PAR10Proximity1102 PAR10Multiplexer102 PAC30Proximity1101 PAC20Proximity2101 PAR40Multiplexer102 PAR10Proximity2102 PAR30Multiplexer102 PAC30Proximity2101 PAC20Proximity4101 PAR90Multiplexer102 PAR10Proximity4102 PAR80Multiplexer102 PAC30Proximity4101 PAC20Proximity3101 PAR70Multiplexer102 PAR10Proximity3102 PAR60Multiplexer102 PAC30Proximity3101 PAC20Proximity1201 PAR20Multiplexer202 PAR10Proximity1202 PAR10Multiplexer202 PAC30Proximity1201 PAC20Proximity2201 PAR40Multiplexer202 PAR10Proximity2202 PAR30Multiplexer202 PAC30Proximity2201 PAC20Proximity4201 PAR90Multiplexer202 PAR10Proximity4202 PAR80Multiplexer202 PAC30Proximity4201 PAC20Proximity3201 PAR70Multiplexer202 PAR10Proximity3202 PAR60Multiplexer202 PAC30Proximity3201 COC20Proximity11COR20Multiplexer1COR10Proximity11COU10Proximity11COR10Multiplexer1COC30Proximity11 COC20Proximity21COR40Multiplexer1COR10Proximity21COU10Proximity21COR30Multiplexer1COC30Proximity21 COC20Proximity41COR90Multiplexer1COR10Proximity41COU10Proximity41COR80Multiplexer1COC30Proximity41 COC20Proximity31COR70Multiplexer1COR10Proximity31COU10Proximity31COR60Multiplexer1COC30Proximity31 COC20Proximity12COR20Multiplexer2COR10Proximity12COU10Proximity12COR10Multiplexer2COC30Proximity12 COC20Proximity22COR40Multiplexer2COR10Proximity22COU10Proximity22COR30Multiplexer2COC30Proximity22 COC20Proximity42COR90Multiplexer2COR10Proximity42COU10Proximity42COR80Multiplexer2COC30Proximity42 COC20Proximity32COR70Multiplexer2COU10Proximity32COR10Proximity32COR60Multiplexer2COC30Proximity32 PAC20Proximity1102 PAR20Multiplexer101PAU10Proximity1105 PAU10Proximity1104PAR10Proximity1101 PAU10Proximity1103PAR10Multiplexer101 PAU10Proximity1102 PAU10Proximity1101PAC30Proximity1102 PAC20Proximity2102 PAR40Multiplexer101PAU10Proximity2105 PAU10Proximity2104PAR10Proximity2101PAU10Proximity2103PAR30Multiplexer101PAU10Proximity2102 PAU10Proximity2101PAC30Proximity2102 PAC20Proximity4102 PAR90Multiplexer101PAU10Proximity4105 PAU10Proximity4104PAR10Proximity4101PAU10Proximity4103PAR80Multiplexer101PAU10Proximity4102 PAU10Proximity4101PAC30Proximity4102 PAC20Proximity3102 PAR70Multiplexer101PAU10Proximity3105 PAU10Proximity3104PAR10Proximity3101PAU10Proximity3103PAR60Multiplexer101PAU10Proximity3102 PAU10Proximity3101PAC30Proximity3102 PAC20Proximity1202 PAR20Multiplexer201PAU10Proximity1205 PAU10Proximity1204PAR10Proximity1201PAU10Proximity1203 PAR10Multiplexer201PAU10Proximity1202 PAU10Proximity1201PAC30Proximity1202 PAC20Proximity2202 PAR40Multiplexer201PAU10Proximity2205 PAU10Proximity2204PAR10Proximity2201PAU10Proximity2203 PAR30Multiplexer201PAU10Proximity2202 PAU10Proximity2201 PAC30Proximity2202 PAC20Proximity4202 PAR90Multiplexer201PAU10Proximity4205 PAU10Proximity4204PAR10Proximity4201PAU10Proximity4203PAR80Multiplexer201PAU10Proximity4202 PAU10Proximity4201PAC30Proximity4202 PAC20Proximity3202 PAR70Multiplexer201PAU10Proximity3205 PAU10Proximity3204PAR10Proximity3201PAU10Proximity3203PAR60Multiplexer201PAU10Proximity3202 PAU10Proximity3201PAC30Proximity3202

PAP1018 PAR50Multiplexer101COR50Multiplexer1 PAR50Multiplexer102 PAR50Multiplexer201COR50Multiplexer2 PAR50Multiplexer202 PAP1016

COC1 PAP1015 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018PAU10Multiplexer1017 PAU10Multiplexer1016 PAU10Multiplexer1015 PAU10Multiplexer1014 PAU10Multiplexer1013 PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAC101 PAC102 PAU10Multiplexer2020 PAU10Multiplexer2019 PAU10Multiplexer2018 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016 PAU10Multiplexer2015 PAU10Multiplexer2014 PAU10Multiplexer2013 PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAP1014 PAP1013 PAR201 PAC301 PAR102 PAL101 PAC201 PAP1012 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 PAP1011 PAR202 PAC302 PAR101 PAL102 PAC202 PAP1010 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer2

PAP109COP1 COS1 COS2 COS3 COS4 PAP108 PAP107 PAU105PAU104 PAU103 PAU102 PAU101 PAP106 PAU106 PAU1020 PAP105 PAU107 PAU1019 PAU108 COU1 PAU1018 PAP104 PAU10Multiplexer101 PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103PAU10Multiplexer104 PAU10Multiplexer105 PAU10Multiplexer106 PAU10Multiplexer107 PAU10Multiplexer108 PAU10Multiplexer109 PAU10Multiplexer1010 PAU109 PAU1017 PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202 PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204 PAU10Multiplexer205 PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207 PAU10Multiplexer208 PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAP103 PAU1010 PAU1016 PAP102 PAS101 PAS201 PAS301 PAS401 PAU1011 PAU1012PAU1013PAU1012PAU1011 PAU1013 PAU1014 PAU1015 PAP101 PAC10Multiplexer102COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201 PAP1017

(b) Bohrdaten

Abbildung 3.39: Entflechtung und Bohrdaten der Näherungssensorleiterplatte und Steckverbinders sind hinsichtlich einer minimalen Leiterbahnanzahl zwischen den starren Abschnitten optimiert. Jeder Abschnitt besitzt abgesehen von Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen den Platz für maximal ein weiteres Bauelement. Die vier Kontaktelektroden bilden eine symmetrische Anordnung. Sie befinden sich jeweils paarweise nebeneinander und besitzen einen Abstand von drei Abschnitten. Der Berüh- rungssensors befindet sich auf einer der starren Abschnitte zwischen den beiden Paaren von Kontaktelektroden. Die zwei Vierkanalmehrfachkoppler bilden jeweils zusammen mit vier Näherungssensoren eine Einheit und befinden sich jeweils südlich eines der zwei mittleren Sensoren einer Einheit. Der Rohrsteckverbinder befindet sich an einem Ende der Leiterplatte und verbindet diese mit dem Energiemanagementmodul.

Entﬂechtung

Die Flachbaugruppe nutzt eine Semiflex-Leiterplatte. Im Unterschied zu Starrflex-Lei- terplatten besteht die gesamte Leiterplatte aus einem Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe. Statt einer Polyimid Folie bildet ein entsprechend dünnes starres Basismaterial mit speziellem Lack auf der Außenseite den biegbaren Bereich. Auf diese Weise lässt sich die Leiterplatte kostengünstiger fertigen [167]. Die Leiterplatte nutzt einen Lagenaufbau mit vier Leiterbahnebenen und durchge- henden Durchkontaktierungen (siehe Abbildung 3.39a). Die Leiterbahnebenen besitzt einen Abstand von 127 µm zwischen den äußeren Leiterbahnebenen und einen Ab- stand von 1,55 µm zwischen den inneren Leiterbahnebenen. Die Leiterbahnebenen bestehen jeweils aus einer Kupferschicht mit einer Dicke von 35 µm. Die Leiterplatte hat eine Dicke von zirka 2 mm. Die Fertigungstechnologie und Durchkontaktierungen sind identisch zur Zweiradantriebs- und Energiemanagementflachbaugruppe. Die Leiterbahnen befinden sich auf allen vier Leiterbahnebenen. Die obere Leiter- bahnebene dient einer Ausfächerung der Anschlussflächen. Sie besitzt Leiterbahnen in den biegbaren Abschnitten und eine zusätzliche Leiterfläche für die Regelspannung.

96 3.5 Leiterplattenentwurf

«full» : Camera Connector «full» : Programming Receptacle Light Ring Board Assembly «full» : Laser Range Finder Receptacle «full» : Bottom System Connector

Information Laser Range Finder Low Power Wireless Light System Processing System Communication

[8]

Power Switch RS-232 Transceiver Mulicolour Light Diode Light Diode Driver

Abbildung 3.40: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Lichtringﬂachbaugruppe

Die erste und zweite innere Leiterbahnebene verfügt über Leiterbahnen und eine zusätzliche Leiterfläche für die Masse beziehungsweise Regelspannung. Die untere Leiterbahnebene beinhaltet Ausfächerungen der Anschlussflächen und eine Leiterfläche für die Masse. Alle Leiterbahnebenen verfügen über eine Freistellung der Leiterflächen im biegbaren Bereich. Die Leiterflächen besitzen soweit möglich nur wenige Engstellen. Die biegbaren Abschnitte entsprechen zusätzlichen Entwurfsregeln [166] und besitzen einen Einreißschutz am Leiterplattenrand.

3.5.4 Lichtringflachbaugruppe Die Lichtringflachbaugruppe (Light Ring Board Assembly) besteht aus einer Informa- tionsverarbeitung, einem Laserabstandssensorsystem, einem Lichtsystem und einer drahtlosen Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf (siehe Abbildung 3.40). Sie besitzt einen Kamerasteckverbinder, eine Laserabstandssensorbuchse, eine Program- mierbuchse und einen unteren Systemsteckverbinder. Der Kamerasteckverbinder (Cam- era Connector) implementiert eine Kameraschnittstelle und verbindet einen Bildsensor mit der Systemschnittstelle. Er besteht aus einem Flachbandleitungssteckverbinder von Hirose mit 27 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,3 mm und einem Nennstrom von 0,2 A. Die Laserabstandssensorbuchse (Laser Range Finder Receptacle) verbindet einen Laserabstandssensor URG-04LX von Hokuyo mit dem AMiRo. Er besteht aus einem Steckverbinder von JST mit 8 Kontakten, einem Leiterabstand von 2 mm und einem Nennstrom von 2 A. Der Steckverbinder beinhaltet einen UART und eine schaltbare 5 V Versorgungsspannung. Die Programmierbuchse (Programming Receptacle) ist identisch zur Zweiradantriebs- und Energiemanagementflachbaugruppe. Der untere System- steckverbinder (Bottom System Connector) implementiert die Systemschnittstelle und

97 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Information Processing

Control Area Network Controller Transceiver

Programmable Microcontroller Read-Only Memory

Abbildung 3.41: Blockdefinitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Licht- ringflachbaugruppe verbindet die Flachbaugruppe mit dem AMiRo. Er besteht aus zwei Stapelsteckver- bindern von Hirose mit 60 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,6 mm und einem Nennstrom von 0,4 A. Der untere Systemsteckverbinder bildet die Entsprechung zum oberen Systemsteckverbinder der Energiemanagementleiterplatte. Die Informationsverarbeitung (Information Processing) ähnelt der Zweiradantriebs- und Energiemanagementleiterplatte (siehe Abbildung 3.41). Sie besitzt allerdings kein Statuslicht und die Steuerung verfügt über keine konfigurierbaren Gatter mit geringem Energiebedarf. Der Mikrocontroller ähnelt der Zweiradantriebs- und Energiemanage- mentflachbaugruppe. Die Schaltung und Anschlussbelegung unterstützt ebenfalls beide Varianten des STM32 Mikrocontrollers. Die Anschlussbelegung benutzt eine Fehler- suchschnittstelle, eine CAN-Schnittstelle, zwei SPIs, drei UARTs, eine I2C-Schnittstelle und sechs Unterbrechungssignale. Insgesamt nutzt sie 29 konfigurierbare Anschlüsse und damit 57 %. Der programmierbare Lesespeicher und der CAN-Sendeempfänger sind identisch zur Zweiradantriebs- und Energiemanagementflachbaugruppe. Das Laserabstandssensorsystem (Laser Range Finder System) besteht aus einem Leis- tungsschalter und einem RS-232-Sendeempfänger und integriert einen Laserabstands- sensor. Der Leistungsschalter (Power Switch) steuert die Spannungsversorgung des Laserabstandssensors. Er enthält einen strombegrenzten Leistungsschalter TPS2051B von Texas Instruments mit einem Nennstrom von 500 mA. Der RS-232-Sendeempfänger (RS-232 Transceiver) ist ein spezieller Pegelwandler für einen UART. Er beinhaltet einen RS-232-Sendeempfänger SN65C3221E von Texas Instruments mit einer maximalen Datenrate von 1 Mbit/s. Das Lichtsystem (Light System) besteht aus acht mehrfarbigen Leuchtdioden und einem Leuchtdiodentreiber. Die mehrfarbige Leuchtdiode (Multicolour Light Diode)

98 3.5 Leiterplattenentwurf integriert eine rote, grüne und blaue Leuchtdiode in einem Gehäuse. Sie besteht aus einer hellen dreifarbigen Leuchtdiode ASMT-YTB2-0BB02 von Avago Technologies mit einem maximalen Durchlassstrom von 30 mA pro Diode. Sie besitzt eine typische Lichtstärke für die rote, grüne und blaue Farbe von 745 mcd, 1600 mcd und 380 mcd bei einem Durchlassstrom von 20 mA. Der Leuchtdiodentreiber (Light Diode Driver) steuert die Helligkeit der unabhängigen Dioden und damit Farben der einzelnen Leuchtdioden. Er beinhaltet einen Leuchtdiodentreiber TLC5947 von Texas Instruments mit 24 Kanälen, internem Oszillator und SPI-Anschluss. Jeder Kanal besitzt einen maximalen Strom von 30 mA und eine 12 bit Pulsweitenmodulation. Ein Widerstand konﬁguriert die Konstantstromquellen auf einen maximalen Kanalstrom von 20 mA. Die drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf (Low Power Wireless Com- munication) vernetzt die AMiRos untereinander über ein drahtloses Sensornetzwerk. Sie enthält ein integriertes Funkmodul A2500R24A von Anaren mit einem 2,4 GHz Sendeempfänger CC2500 von Texas Instruments und einer integrierten Antenne. Der Sendeempfänger besitzt eine konﬁgurierbare Datenrate von 1,2 kBaud bis 500 kBaud und einen maximalen Strombedarf von 21,5 mA im Sendezustand. Die einzelnen Funktionseinheiten sind über verschiedene Bussysteme und Signale mit dem Mikrocontroller verbunden (siehe Abbildung 3.42). Die Spannungsversorgung erfolgt über den Systemsteckverbinder mit einer 3,3 V und 4,2 V-Regelspannung des Energiemanagementmoduls. Die Leuchtdioden nutzen die 4,2 V-Regelspannung und die restlichen Bauteile verwendet die 3,3 V-Regelspannung. Die Schaltung besteht aus 59 Bauteilen mit Kosten von insgesamt 35,85 € (siehe Abbildung 3.43a) und enthält 102 Netze (siehe Abbildung 3.43b).

Platzierung

Die Bauteile sind überwiegend auf der Oberseite der Leiterplatte platziert (siehe Abbildung 3.44). Die acht mehrfarbigen Leuchtdioden sind am Rand der Platine entsprechend einem ausgeglichenen Verhältnis zwischen Lichtstreuung und -dämpfung in entsprechenden Löchern innerhalb der Lichtkuppel positioniert. Die Leuchtdioden sind umgeben von einem freien Ring, um die Reﬂexion und damit Leuchtkraft der Lichtkuppel zu verstärken. Die Bauteile sind weitestgehend mittig auf der Oberseite montiert und erlauben somit eine fast beliebige Bauteilplatzierung hoher Bauteile auf einer unterliegenden Erweiterungsﬂachbaugruppe. Der untere Systemsteckverbinder und notwendigerweise am Rand positionierte Bauteile bilden dabei eine Ausnahme.

Entﬂechtung

Der Lagenaufbau, die Fertigungstechnologie und die Durchkontaktierungen der Leiter- platte sind identisch zur Zweiradantriebs- und Energiemanagementleiterplatte (siehe Abbildung 3.45a). Die Leiterbahnen beﬁnden sich auf der oberen, ersten inneren und unteren Leiterbahnebene. Die meisten Leiterbahnen beﬁnden sich auf der ers-

99 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters Receptacle Finder Range Laser : «full» ae ag idrSystem Finder Range Laser : bidn .2 nensBokigamdrLichtringﬂachbaugruppe der Blockdiagramm Internes 3.42: Abbildung oe Switch Power : Transceiver RS-232 : Receptacle Programming : «full» io ieesCom- Wireless Information : o Power Low : Processing munication at[3] uart p [2] spi can ytmConnector System Bottom : «full» ih id [8] Diode Light ih System Light : ih Diode Light : Multicolour : Driver ci Connector Camera : «full» 3 [3] 24 [24] pwm

100 3.5 Leiterplattenentwurf

Widerstand 11 0,3 2 81 Steckverbindung 5 6,77 3 14 Spule 2 0,07 4 2 Oszillator 1 0,42 5 2

Kondensator 24 1,02 Anschlüsse 29 1 Integrierte Schaltung 7 23,01 32 1 Diode 9 4,27 76 1 30 20 10 0 10 20 30 0 50 100 Bauteile Bauteilkosten in € Netze (a) Bauteil- und Bauteilkostenverteilung (b) Netzverteilung

Abbildung 3.43: Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Lichtringflachbaugruppe ten inneren Leiterbahnebene. Die obere Leiterbahnebene beinhaltet Ausfächerungen der Anschlussflächen, kurze Leiterbahnen und Verbindungen zwischen Leuchtdioden- treiber und Leuchtdioden. Sie besitzt zusätzlich unter anderem Leiterflächen für die 3,3 V-Regelspannung und die einzelnen Leuchtdioden als Kühlfläche. Die erste innere Leiterbahnebene bindet Kamerasteckverbinder und Funkmodul an. Sie ist in zwei Leiterflächen unterteilt und mit der 4,2 V-Regelspannung und Masse verbunden. Die zweite innere Leiterbahnebene bildet eine Leiterfläche für die Masse. Die untere Lei- terbahnebene verbindet den Mikrocontroller mit der Programmierbuchse und dem unteren Systemsteckverbinder. Zusätzlich besitzt sie eine Leiterfläche für die Masse. Die Leiterplatte besitzt auf allen Ebenen im vorderen Bereich eine Leiterfreistellung für die Antenne der drahtlosen Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf.

3.5.5 Kognitionsﬂachbaugruppe Die Kognitionsﬂachbaugruppe (Cognition Board Assembly) besteht aus einer Infor- mationsverarbeitung, einem Tonein-/ausgabesystem, einem USB-System und einer drahtlosen Kommunikation (siehe Abbildung 3.46). Sie besitzt eine USB-Gerätebuchse, eine USB-Gastgeberbuchse, eine USB-Gastgeberstiftleiste, eine Programmierbuchse sowie einen oberen und unteren Systemsteckverbinder. Die USB-Gerätebuchse (Uni- versal Serial Bus Device Receptacle) verbindet den AMiRo mit einem Computer. Sie besteht aus einer USB-Buchse des Typs Micro-AB von Hirose. Die USB-Gastgeberbuch- se (Universal Serial Bus Host Receptacle) verbindet ein externes USB-Geräte mit dem AMiRo. Sie besteht aus einer USB-Buchse des Typs A von Lumberg. Die USB-Gastgeber- stiftleiste (Universal Serial Bus Device Pin Header) verbindet ein internes USB-Geräte mit der Informationsverarbeitung. Sie besteht aus einer abgewinkelten Stiftleiste von MPE-Garry mit fünf Kontakten und einem Abstand von 2,54 mm. Sie ist kompatible mit der auf Computerhauptplatinen gebräuchlichen Stiftleiste für USB-Anschlüsse. Die Programmierbuchse (Programming Receptacle) ist identisch zur Zweiradantriebs-,

101 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Oberseite Unterseite

Drahtlose Kommunikation mit niedri- CAN-Sendeempfänger Kamerasteckverbinder gem Energiebedarf Laserabstandssensorbuchse Leistungsschalter Leuchtdiodentreiber Mehrfarbige Leuchtdiode Mikrocontroller Programmierbarer Lesespeicher Programmierbuchse RS-232-Sendeempfänger Unterer Systemsteckverbinder

Abbildung 3.44: Bauteilplatzierung der Lichtringﬂachbaugruppe

PAU5025 PAU5026 PAU5025 PAU5026

PAU5024 PAU501 PAU5024 PAU501 PAU5023 PAU5030 PAU5029 PAU502 PAU5023 PAU5030 PAU5029 PAU502 PAU5022 PAU503 PAU5022 PAU503 PAU5021 PAU504 PAU5021 PAU504 COU5 COU5 PAU5020 PAU505 PAU5020 PAU505 PAU5019 PAU506 PAU5019 PAU506

PAC1902 PAU5018 PAU507 PAC1902 PAU5018 PAU507 PAD204 COC19 PAU5017 PAU508 PAD906 PAD204 COC19 PAU5017 PAU508 PAD906 PAD206PAD205 PAC1901 PAD905PAD904 PAD206PAD205 PAC1901 PAD905PAD904 COD2 PAU5016PAU5015 PAU5014 PAU5013PAU5012 PAU5011 PAU5010 PAU509 COD9 COD2 PAU5016PAU5015 PAU5014 PAU5013PAU5012 PAU5011 PAU5010 PAU509 COD9 PAD201PAD202PAD203 PAD901PAD902PAD903 PAD201PAD202PAD203 PAD901PAD902PAD903

PAP3027 PAP3025 PAP3023 PAP3021 PAP3019PAP3017 PAP3015 PAP3013 PAP3011 PAP309 PAP307 PAP305 PAP303PAP305 PAP303 PAP301 PAP3027 PAP3025 PAP3023 PAP3021 PAP3019 PAP3017 PAP3015 PAP3013 PAP3011 PAP309 PAP307 PAP305 PAP303PAP305 PAP303 PAP301 PAF30COF3 PAP3029 PAP3028 PAF40COF4 PAF30COF3 PAP3029 PAP3028 PAF40COF4

COP3 COP3 PAP3026 PAP3024 PAP3022PAP3020 PAP3018 PAP3016 PAP3014 PAP3012 PAP3010 PAP308 PAP306 PAP304 PAP302PAP304PAP306 PAP302 PAP3026 PAP3024 PAP3022PAP3020 PAP3018 PAP3016 PAP3014 PAP3012 PAP3010 PAP308 PAP306 PAP304 PAP302PAP304PAP306 PAP302

PAP501 PAP502 PAP503 PAP504 COP5 PAP505 PAP506 PAP507 PAP508 PAP501 PAP502 PAP503 PAP504 COP5 PAP505 PAP506 PAP507 PAP508

PAL202 PAC2101 PAL202 PAC2101

COL2 COC21 COL2 COC21 PAP509 PAP5010 PAL201 PAC2102 PAP509 PAP5010 PAL201 PAC2102 PAD304 PAC2001 PAD806 PAD304 PAC2001 PAD806

COC20 COC20 PAD305 PAD303 PAR1102COR11 PAR1101PAR1102 PAR1101 PAR902COR9 PAR901PAR902 PAR901 PAD801 PAD805 PAD305 PAD303 PAR1102COR11 PAR1101PAR1102 PAR1101 PAR902COR9 PAR901PAR902 PAR901 PAD801 PAD805 PAD306 COD3 PAD302 PAD802 COD8 PAD804 PAD306 COD3 PAD302 PAD802 COD8 PAD804 PAD301 PAU301 PAU308 PAC2002 PAD803 PAD301 PAU301 PAU308 PAC2002 PAD803

PAU302 PAU307 PAR502 PAU302 PAU307 PAR502 COR5 PAU603 PAU602 PAU601 COR5 PAU603 PAU602 PAU601 PAP1061 COU3 PAP2061 PAP1061 COU3 PAP2061 PAU303 PAU306 PAR501 PAU303 PAU306 PAR501 COU6 COU6 PAU304 PAU305 PAU304 PAU305 PAP101 PAP102 PAU604 PAU605 PAP201 PAP202 PAP101 PAP102 PAU604 PAU605 PAP201 PAP202 PAP103PAC202 PAP104 PAP203PAC402 PAP204 PAP103PAC202 PAP104 PAP203PAC402 PAP204

PAP105 PAP106 COR3 COR4 PAP205 PAP206 PAP105 PAP106 COR3 COR4 PAP205 PAP206 COC2 PAR302PAR301PAR302 PAR301 PAR401 PAR402 COC4 COC2 PAR302PAR301PAR302 PAR301 PAR401 PAR402 COC4 PAP107 PAP108 PAC1202COC12 PAC1201 PAR602COR6 PAR601 PAP207 PAP208 PAP107 PAP108 PAC1202COC12 PAC1201 PAR602COR6 PAR601 PAP207 PAP208 PAP109 PAC201 PAP1010 PAP209 PAC401 PAP2010 PAP109 PAC201 PAP1010 PAP209 PAC401 PAP2010 PAR101COR1 PAR102 PAC1102COC11 PAC1101PAC1102 PAC1101 PAR101COR1 PAR102 PAC1102COC11 PAC1101PAC1102 PAC1101 PAP1011 PAP1012 PAU1064PAU1063 PAU1062 PAU1061 PAU1060 PAU1059 PAU1058 PAU1057 PAU1056 PAU1055 PAU1054PAU1053 PAU1052 PAU1051 PAU1050 PAU1049 PAP2011 PAP2012 PAP1011 PAP1012 PAU1064PAU1063 PAU1062 PAU1061 PAU1060 PAU1059 PAU1058 PAU1057 PAU1056 PAU1055 PAU1054 PAU1053 PAU1052PAU1051 PAU1050 PAU1049 PAP2011 PAP2012 PAP1013 PAP1014 PAP2013 PAP2014 PAP1013 PAP1014 PAP2013 PAP2014 PAP1013 PAP1014 PAC901COC9 PAC902 PAP2013 PAP2014 PAP1013 PAP1014 PAC901COC9 PAC902 PAP2013 PAP2014 PAP1015 PAP1016 PAC1502 COC15 PAC1501 PAP2015 PAP2016 PAP1015 PAP1016 PAC1502 COC15 PAC1501 PAP2015 PAP2016

PAP1017 PAP1018 PAU101 PAU1048 PAP2017 PAP2018 PAP1017 PAP1018 PAU101 PAU1048 PAP2017 PAP2018 PAR802COR8 PAR801PAR802 PAR801 PAR1202COR12 PAR1201 PAR802COR8 PAR801PAR802 PAR801 PAR1202COR12 PAR1201 PAP1019 PAP1020 PAU102 PAU1047 PAP2019 PAP2020 PAP1019 PAP1020 PAU102 PAU1047 PAP2019 PAP2020 PAP1021 PAP1022 PAX101 PAX104 PAU103 PAU1046 PAP2021 PAP2022 PAP1021 PAP1022 PAX101 PAX104 PAU103 PAU1046 PAP2021 PAP2022 PAP1023 PAP1024 PAU104 PAU1045 PAP2023 PAP2024 PAP1023 PAP1024 PAU104 PAU1045 PAP2023 PAP2024 PAU105 PAU1044 PAU201 PAU208 PAU105 PAU1044 PAU201 PAU208 PAP1025 PAP1026 PAC1301COC13 PAC1302 PAP2025 PAP2026 PAP1025 PAP1026 PAC1301COC13 PAC1302 PAP2025 PAP2026 PAU106 PAU1043 PAU106 PAU1043 PAP1027 PAP1028 PAU107 PAU1042 PAP2027 PAP2028 PAP1027 PAP1028 PAU107 PAU1042 PAP2027 PAP2028 COX1 PAU202 PAU207 COX1 PAU202 PAU207 PAP1029 PAP1030 PAR1002 PAP2029 PAP2030 PAP1029 PAP1030 PAR1002 PAP2029 PAP2030 COP1 PAU108 PAU1041 COR10 COP2 COP1 PAU108 PAU1041 COR10 COP2 PAP1031 PAP1032 PAU109 COU1 PAU1040 COU2 PAP2031 PAP2032 PAP1031 PAP1032 PAU109 COU1 PAU1040 COU2 PAP2031 PAP2032 PAC1401COC14 PAC1402 PAR1001 PAC1401COC14 PAC1402 PAR1001 PAP1033 PAP1034 PAU1010 PAU1039 PAU203 PAU206 PAP2033 PAP2034 PAP1033 PAP1034 PAU1010 PAU1039 PAU203 PAU206 PAP2033 PAP2034 PAP1035 PAP1036 PAU1011 PAU1038 PAP2035 PAP2036 PAP1035 PAP1036 PAU1011 PAU1038 PAP2035 PAP2036 PAX102 PAX103 PAU1012 PAU1037 PAU204 PAU205 PAX102 PAX103 PAU1012 PAU1037 PAU204 PAU205 PAP1037 PAP1038 PAU1013 PAU1036 PAP2037 PAP2038 PAP1037 PAP1038 PAU1013 PAU1036 PAP2037 PAP2038 PAP1039 PAP1040 PAC501COC5 PAC502 PAU1014 PAU1035 PAP2039 PAP2040 PAP1039 PAP1040 PAC501COC5 PAC502 PAU1014 PAU1035 PAP2039 PAP2040 PAP1041 PAP1042 PAU1015 PAU1034 PAP2041 PAP2042 PAP1041 PAP1042 PAU1015 PAU1034 PAP2041 PAP2042 PAC1701COC17 PAC1702 PAC1701COC17 PAC1702 PAP1043 PAP1044 PAC601COC6 PAC602 PAU1016 PAU1033 PAP2043 PAP2044 PAP1043 PAP1044 PAC601COC6 PAC602 PAU1016 PAU1033 PAP2043 PAP2044 PAP1045 PAP1046 PAP2045 PAP2046 PAP1045 PAP1046 PAP2045 PAP2046

PAP1047 PAP1048 PAL102COL1 PAL101PAL102 PAL101 PAP2047 PAP2048 PAP1047 PAP1048 PAL102COL1 PAL101PAL102 PAL101 PAP2047 PAP2048 PAP1049 PAP1050 PAU1017 PAU1018 PAU1019PAU1020 PAU1021 PAU1022 PAU1023 PAU1024 PAU1025 PAU1026 PAU1027 PAU1028PAU1029 PAU1030 PAU1031 PAU1032 PAP2049 PAP2050 PAP1049 PAP1050 PAU1017 PAU1018 PAU1019PAU1020 PAU1021 PAU1022PAU1023 PAU1024 PAU1025 PAU1026 PAU1027 PAU1028PAU1029 PAU1030 PAU1031 PAU1032 PAP2049 PAP2050 PAP1051PAC101 PAP1052 PAP2051PAC301 PAP2052 PAP1051 PAC101 PAP1052 PAP2051 PAC301 PAP2052 PAP1053 PAP1054 PAP2053 PAP2054 PAP1053 PAP1054 PAP2053 PAP2054 COC1 COC3 COC1 COC3 PAP1055 PAP1056 PAC1602 PAP2055 PAP2056 PAP1055 PAP1056 PAC1602 PAP2055 PAP2056 PAP1057 PAC102 PAP1058 PAC702 PAR702 PAC802 PAP2057 PAC302 PAP2058 PAP1057 PAC102 PAP1058 PAC702 PAR702 PAC802 PAP2057 PAC302 PAP2058 COC7 COR7 COC16 COC8 COC7 COR7 COC16 COC8 PAP1059 PAP1060 PAC1001COC10 PAC1002 PAD101 COD1 PAD102 PAP2059 PAP2060 PAP1059 PAP1060 PAC1001COC10 PAC1002 PAD101 COD1 PAD102 PAP2059 PAP2060 PAC701 PAC2502COC25 PAC2501 PAR701 PAC1601 PAC801 PAC701 PAC2502COC25 PAC2501 PAR701 PAC1601 PAC801 PAU709 PAU708 PAU709 PAU708 PAP1062 PAU7010 PAU707 PAC2401 PAP2062 PAP1062 PAU7010 PAU707 PAC2401 PAP2062 PAU7011 PAU706 COC24 PAU7011 PAU706 COC24 PAU7012 PAU705 PAC2402 PAU7012 PAU705 PAC2402

COU7 COU7 PAD403 PAU7013 PAU704 PAC2301 PAD701 PAD403 PAU7013 PAU704 PAC2301 PAD701 PAD402 PAU7014 PAU703 COC23 PAD702 PAD402 PAU7014 PAU703 COC23 PAD702 PAD404 COD4 PAU7015 PAU702 PAC2302 COD7 PAD706 PAD404 COD4 PAU7015 PAU702 PAC2302 COD7 PAD706 PAD405 PAD401 PAU7016 PAU701 PAD703 PAD705 PAD405 PAD401 PAU7016 PAU701 PAD703 PAD705 PAD406 PAD704 PAD406 PAD704 PAC2201COC22 PAC2202 PAC2602COC26 PAC2601 PAC2201COC22 PAC2202 PAC2602COC26 PAC2601

PAR201COR2 PAR202 PAR1302COR13 PAR1301 PAR201COR2 PAR202 PAR1302COR13 PAR1301

PAU401 PAU4032 PAC1802 PAU401 PAU4032 PAC1802 COC18 COC18 PAU402 PAU4031 PAC1801 PAU402 PAU4031 PAC1801 PAU403 PAU4030 PAU403 PAU4030 PAU404 PAU4029 PAU404 PAU4029 PAU405 PAU4028 PAF20COF2 PAU405 PAU4028 PAF20COF2 PAU406 PAU4027 PAU406 PAU4027 PAU407 PAU4026 PAU407 PAU4026 PAU408 PAU4025 PAU408 PAU4025 COU4 COU4 PAU409 PAU4033 PAU4024 PAU409 PAU4033 PAU4024 PAU4010 PAU4023 PAU4010 PAU4023 PAU4011 PAU4022 PAP402PAP401 PAU4011 PAU4022 PAP402PAP401 PAU4012 PAU4021 PAP404PAP403 PAP4017 PAU4012 PAU4021 PAP404PAP403 PAP4017 PAU4013 PAU4020 PAP405 PAU4013 PAU4020 PAP405 PAU4014 PAU4019 PAP407PAP406 PAU4014 PAU4019 PAP407PAP406 PAU4015 PAU4018 PAP409PAP408 PAP4018 PAU4015 PAU4018 PAP409PAP408 PAP4018 PAU4016 PAU4017 PAP4011PAP4010 PAU4016 PAU4017 PAP4011PAP4010 COF1 PAP4012 COF1 PAP4012 PAF10 PAP4014PAP4013 COP4 PAF10 PAP4014PAP4013 COP4 PAP4016PAP4015 PAP4016PAP4015 PAP4019 PAP4019 PAD503PAD502PAD501 PAD603PAD602PAD601 PAD503PAD502PAD501 PAD603PAD602PAD601 COD5 COD6 PAP4020 COD5 COD6 PAP4020 PAD504PAD505PAD506 PAD604PAD605PAD606 PAD504PAD505PAD506 PAD604PAD605PAD606

(a) Entﬂechtung ohne Leiterﬂächen (b) Bohrdaten

Abbildung 3.45: Entﬂechtung und Bohrdaten der Lichtringﬂachbaugruppe

102 3.5 Leiterplattenentwurf

«full» : Universal Serial Bus Device Receptacle «full» : Top System Connector Cognition Board «full» : Universal Serial Bus Host Receptacle «full» : Programming Receptacle Assembly «full» : Universal Serial Bus Host Pin Header «full» : Bottom System Connector

Information Universal Serial Bus Wireless Audio System Processing System Communication

Abbildung 3.46: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Kognitionsﬂachbaugruppe

Energiemanagement- und Lichtringflachbaugruppe, besitzt allerdings nur einen UART. Der obere und untere Systemsteckverbinder sind identisch zur Energiemanagement- beziehungsweise Lichtringflachbaugruppe. Die Informationsverarbeitung (Information Processing) besteht aus einem mehrfarbigen Statuslicht, einer Steuerung, einem CAN-Sendeempfänger und einem Spannungs- pegelwandler (siehe Abbildung 3.47). Das mehrfarbige Statuslicht (Multicolour Status Light) wird durch die Steuerung gesteuert und blinkt im Betriebszustand. Es enthält eine rechtwinklige dreifarbige Leuchtdiode von Avago Technologies mit einer roten, grünen und blauen Leuchtdiode in einem Gehäuse sowie einem maximalen Durch- lassstrom pro Diode von 20 mA. Die Steuerung nutzt einen Computermodulsteckplatz, einen programmierbaren Lesespeicher und eine CAN-Steuereinheit. Der Computermo- dulsteckplatz (Computer-on-Module Slot) besteht aus zwei Computermodulbuchsen und einem Kamerasteckverbinder. Die zwei Computermodulbuchsen (Computer-on- Module Receptacles) verbinden die Leiterplatte mit einem Computermodul. Die zwei Computermodulbuchsen bestehen jeweils aus einem Platinensteckverbinder von Kyoce- ra mit 70 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,4 mm und einem Nennstrom von 0,5 A. Sie verbinden die Leiterplatte mit einem Overo Tide oder Tidalstrom Computermodul von Gumstix [75]. Diese besteht aus einem OMP3530 oder DM3730 Prozessor von Texas Instruments, einem Arbeitsspeicher von 512 MiB oder 1 GiB und einer Secure Digital (SD) Speicherkarte mit maximale 16 GiB Festwertspeicher. Der OMAP3530 und DM3730 Prozessor besitzt einen Cortex-A8 Prozessorkern mit einer maximalen Frequenz von 720 MHz beziehungsweise 1000 MHz, einen SGX530 Grafikbeschleuni- ger von PowerVR und einen C64x+ digitalen Signalprozessor von Texas Instruments. Der Kamerasteckverbinder (Camera Connector) implementiert die Kameraschnittstelle und verbindet das Computermodul mit der Systemschnittstelle. Er ist identisch zur Lichtringflachbaugruppe. Das Computermodul und damit die Computermodulbuchsen sowie Kamerasteckverbinder haben zusammen 155 konfigurierbare Anschlüsse. Die Schaltung nutzt insgesamt 118 Anschlüsse und damit 76 %. Die Computermodulschnitt- stelle enthält zusätzlich einen Batteriehalter von Keystone für einer CR2032 Knopfzelle. Diese besteht aus Lithium-Mangandioxid und hat einen Durchmesser von 20 mm, eine

103 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Information Processing

Multicolour Status Control Area Network Voltage Level Controller Light Transceiver Translator

Computer-on-Module Programmable Control Area Network Slot Read-Only Memory Controller

«full» : «full» : Camera Computer-on-Module [2] Connector Receptacle [2] Directionless Voltage Directionless Voltage Level Translator with Level Translator Pass Transistor

Abbildung 3.47: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Kogniti- onsﬂachbaugruppe

Höhe von 3,2 mm, eine Spannung von 3 V und eine Kapazität von 210 mAh. Die CAN- Steuereinheit (Control Area Network Controller) erweitert das Computermodul um eine CAN-Schnittstelle. Sie beinhaltet eine CAN-Steuereinheit MCP2515 von Microchip mit einer maximalen Datenrate von 1 Mbit/s, sechs Nachrichtenﬁltern, zwei Sende- und drei Empfangszwischenspeichern. Die CAN-Steuereinheit besitzt einen SPI-Anschluss zum Computermodul mit einer maximalen Datenrate von 10 MHz. Der programmierbare Lesespeicher und der CAN-Sendeempfänger sind identisch zur Zweiradantriebs-, Energiemanagement- und Lichtringﬂachbaugruppe. Der Spannungspegelwandler (Volt- age Level Translator) übersetzt die Signale zwischen der 1,8 V und 3,3 V-Regelspannung. Er besteht aus zwei richtungslosen Spannungspegelwandlern und einem richtungslosen Spannungspegelwandler mit Längstransistor. Der richtungslose Spannungspegelwand- ler (Directionless Voltage Level Translator) verbindet das Computermodul mit den unidirektionalen Steuersignalen des USB-Verteilers, der CAN-Steuereinheit und des Systemsteckverbinders. Er beinhaltet einen richtungslosen Spannungspegelwandler TXB0108 von Texas Instruments mit einer automatischen Richtungserkennung, einer Datenbreite von 8 bit und einer maximalen Datenrate von 60 Mbit/s. Der richtungslose Spannungspegelwandler mit Längstransistor (Directionless Voltage Level Translator with Pass Transistor) verbindet das Computermodul mit den bidirektionalen Signalen des Systemsteckverbinders. Er enthält einen richtungslosen Spannungspegelwandler

104 3.5 Leiterplattenentwurf

Audio System

[2] [2]

Stereo Audio Ampliﬁer Speaker Microphone

Abbildung 3.48: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Kognitionsﬂachbaugruppe

Universal Serial Bus System

Universal Serial Bus Universal Serial Bus Dual Universal Serial Dual Power Switch Hub Device Protection Bus Host Protection

Abbildung 3.49: Blockdeﬁnitionsdiagramm der USB-Systems der Kognitionsﬂachbau- gruppe

TXS0108 von Texas Instruments für verdrahte-Und-Anwendungen mit einer Daten- breite von 8 bit und eine maximale Datenrate von 2 Mbit/s. Das Tonein-/ausgabesystem (Audio System) besteht aus einem Stereo-Audioverstär- ker, zwei Lautsprechern und zwei Mikrophonen (siehe Abbildung 3.48). Der Stereo- Audioverstärker (Stereo Audio Ampliﬁer) verstärkt zwei analoge Tonsignale und erzeugt zwei Tonleistungssignale. Er beinhaltet einen Tonleistungsverstärker TPA2012D2 der Klasse D von Texas Instruments für Stereofonie mit einer maximalen Ausgangsleistung von 2,1 W. Der Lautsprecher (Speaker) wandelt jeweils ein elektrisches Tonleistungssi- gnal in Schall um. Er besteht aus einem Leiterplattenlautsprecher SMS-1508MS-R von PUI Audio mit einer Impedanz von 8 Ω und einer Nennleistung von 0,5 W. Das Mikro- phon (Microphone) wandelt jeweils einen Umgebungsschall in ein elektrisches analoges Tonsignal um. Es enthält ein ungerichtetes Verstärkermikrophon SPM0408HE5H von Knowles Acoustics mit einer Sensitivität von −22 dB, einem konﬁgurierbaren Verstär- kungsfaktor von 20 dB und einer Grenzfrequenz von 6,63 Hz. Das USB-System besteht aus einem USB-Verteiler, einem zweifachen Leistungs- schalter, einem USB-Geräteschutz und einem zweifachen USB-Gastgeberschutz (siehe Abbildung 3.48). Der USB-Verteiler nutzt eine USB-Gastgeberschnittstelle und stellt zwei USB-Gastgeberschnittstellen bereit. Er beinhaltet eine High-Speed USB-Vertei-

105 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters ler USB2512B von Microchip mit zwei Kanälen, einer maximalen Bandbreite von 480 Mbit/s sowie einer Unterstützung für Low-Speed-, Full-Speed- und Hi-Speed- Geräte. Der zweifache Leistungsschalter (Dual Power Switch) entspricht einem doppelten Leistungsschalter der Lichtringﬂachbaugruppe. Er enthält einen strombegrenzten zweifachen Leistungsschalter TPS2052B von Texas Instruments mit gemeinsamen Spannungseingang und einem Nennstrom von 500 mA pro Ausgang. Der USB-Geräte- schutz (Universal Serial Bus Device Protection) sowie zweifache USB-Gastgeberschutz (Dual Universal Serial Bus Host Protection) entkoppelt und schützen die USB-Schnitt- stellen auf der Leiterplatte vor Störungen und Spannungsimpulsen. Sie beinhalten jeweils eine Gleichtaktdrossel DLP11SN von Murata und verschieden angeordnete Suppressordioden RCLAMP0504F von Samtech für schnell schaltende Signale. Die Gleichtaktdrossel dämpft Störemissionen und die Suppressordioden schützt die USB- Bauteile vor Spannungsimpulsen. Die drahtlose Kommunikation (Wireless Communication) verbindet den AMiRo drahtlos mit Bluetooth-Geräten und lokalen WLAN-Funknetzwerken. Sie enthält ein integriertes Sendeempfängermodul TiWi-R2 von LS Research für WLAN nach IEEE 802.11 b/g/n und Bluetooth sowie eine Antenne. Die einzelnen Funktionseinheiten sind über verschiedene Bussysteme und Signale mit dem Computermodul verbunden (siehe Abbildung 3.50). Die Spannungsversor- gung erfolgt über den Systemsteckverbinder mit einer 1,8 V, 3,3 V, 4,2 V und 5 V- Regelspannung des Energiemanagementmoduls. Die 1,8 V-Regelspannung versorgt den programmierbaren Lesespeicher, die eine Seite der Spannungspegelwandler, die Mikrophone und die Ein-/Ausgänge der drahtlosen Kommunikation. Die 3,3 V-Regel- spannung speist die CAN-Steuereinheit, den CAN-Sendeempfänger, die andere Seite der Spannungspegelwandler und den USB-Verteiler. Die 4,2 V-Regelspannung versorgt das Computermodul, den Stereo- Audioverstärker und die drahtlose Kommunikation. Die 5 V-Regelspannung speist den zweifachen Leistungsschalter und damit die USB- Gastgeberbuchse sowie -stiftleiste. Die Schaltung besteht aus 125 Bauteilen mit Kosten von insgesamt 71,44 € (siehe Abbildung 3.51a) und enthält 217 Netze (siehe Abbildung 3.51b).

Platzierung

Die Bauteile sind auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte platziert (siehe Abbil- dung 3.52). Die Platzierung der Bauteile ist an dem Basisrohr, Erweiterungsrohr sowie der Energiemanagement- und Bildverarbeitungsflachbaugruppe angepasst. Es sind mit Ausnahme der Lautsprecher nur flache Bauteile auf der Unterseite positioniert, um den Platz für die Energiemanagementflachbaugruppe zu maximieren. Die Lautspre- cher wurden oberhalb der Aussparungen der Energiemanagementleiterplatte und den Rädern platziert. Das Computermodul ist mittig auf der Oberseite zwischen drahtloser Kommunikation und USB-Gastgeberbuchse positioniert. Der Kamerasteckverbinder ist am Kamerasteckverbinder des Computermoduls ausgerichtet. Die Spannungspe-

106 3.5 Leiterplattenentwurf 2 [2] : Top «full» «full» Device System :Universal Serial Bus Connector Receptacle ebi ci usb device spi [3] 2 can [2] «full» 2 uart [2] : Bottom [2] : Information Processing [2] : Microphone System Connector usb sdio host Ampliﬁer : Stereo Audio : Audio System «full» Receptacle : Programming : Speaker [2] System : Universal munication Serial Bus Hub : Wireless Com- : Universal Serial Bus 2 [2] Abbildung 3.50: Internes Blockdiagramm der Kognitionsﬂachbaugruppe «full» :Universal Serial Bus Host Receptacle «full» :Universal Serial Bus Host Pin Header

107 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Widerstand 23 0,64 Transistor 3 0,1

Steckverbindung 10 13,98 2 168 Spule 10 1,05 3 34 Oszillator 3 4,35 4 6 Mikrophon 2 5,37 5 2 Lautsprecher 2 8,4 10 1 Kondensator 57 2,45 12 2 Anschlüsse Integrierte Schaltung 12 32,28 22 1 Diode 1 0,48 31 1 Batterie 1 1,19 36 1 Antenne 1 1,15 170 1 80 60 40 20 0 10 20 30 40 0 100 200 Bauteile Bauteilkosten in € Netze (a) Bauteil- und Bauteilkostenverteilung (b) Netzverteilung

Abbildung 3.51: Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Kognitionsﬂachbaugruppe gelwandler, der programmierbare Lesespeicher und die CAN-Bausteine sind zentral unterhalb des Computermoduls auf der unteren Leiterplattenseite angeordnet. Die Antenne, Mikrophone, Lautsprecher und Steckverbinder sind am Leiterplattenrand positioniert.

Entﬂechtung

Die Leiterplatte nutzt einen Lagenaufbau mit sechs Leiterbahnebenen und durchge- henden Durchkontaktierungen (siehe Abbildung 3.53a). Der Abstand zwischen den Leiterbahnebenen beträgt 1000 µm in der Mitte und jeweils 100 µm zwischen allen weiteren Ebenen. Die Leiterbahnebenen bestehen jeweils aus einer Kupferschicht mit einer Dicke von 18 µm. Die Leiterplatte hat eine Dicke von zirka 1,6 mm. Die Fertigungs- technologie besitzt eine minimale Leiterbahnbreite von 125 µm und eine minimalen Leiterbahnabstand von 125 µm und partiell 100 µm. Die Durchkontaktierungen nutzen einen Bohrdurchmesser von 200 µm und einen umlaufenden Restring von 150 µm. Der Lagenaufbau, die Leiterbahnbreite und der Leiterbahnabstand sind auf eine Impedanz von 50 Ω angepasst. Die Leiterbahnen sind auf der oberen, zweiten und dritten inneren sowie unteren Leiterbahnebene angeordnet. Die äußeren Leiterbahnebenen beinhalten Ausfäche- rungen der Anschlussflächen und einige kurze Verbindungen. Zusätzlich besitzt die obere Ebene unter anderem eine Leiterfläche für die 3,3 V und 4,2 V-Regelspannungen. Die erste und vierte innere Leiterbahnebene bildet eine Leiterfläche für die Masse.

108 3.5 Leiterplattenentwurf

Oberseite Unterseite

Antenne Batteriehalter CAN-Sendeempfänger CAN-Steuereinheit Computermodulbuchse Drahtlose Kommunikation Kamerasteckverbinder Lautsprecher mehrfarbiges Statuslicht Mikrophon Oberer Systemsteckverbinder Programmierbarer Lesespeicher Richtungsloser Spannungspegel- Richtungsloser Spannungspegel- Programmierbuchse wandler wandler mit Längstransistor Stereo-Audioverstärker Unterer Systemsteckverbinder USB-Gastgeberbuchse USB-Gastgeberschutz USB-Gastgeberstiftleiste USB-Gerätebuchse USB-Geräteschutz USB-Verteiler Zweifacher Leistungsschalter

Abbildung 3.52: Bauteilplatzierung der Kognitionsﬂachbaugruppe

Die zweite und dritte innere Leiterbahnebene beinhaltet primär die Leiterbahnen des CI und EBI. Alle hochfrequenten Signale besitzen einen Längenausgleich innerhalb einer Schnittstelle und einen erhöhten Leiterbahnabstand. Die Leiterbahnen der niederfrequenten Schnittstellen beﬁnden sich auf der zweiten inneren Leiterbahnebene. Die untere Leiterbahnebene besitzt zusätzlich unter anderem eine Leiterﬂäche für die 1,8 V-Regelspannung. Die Leiterplatte hat auf allen Ebenen im vorderen Bereich eine Leiterfreistellung für die Antenne.

3.5.6 Bildverarbeitungsﬂachbaugruppe

Die Bildverarbeitungsﬂachbaugruppe (Image Processing Board Assemby) besteht aus einer Energieversorgung, einer Informationsverarbeitung und einer Speicherkartentermi- nierung (siehe Abbildung 3.54). Sie besitzt einen Speicherkartensteckverbinder, einen Erweiterungssteckverbinder, eine Programmierbuchse sowie einen oberen und unteren

109 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

PAE102 PAE102

COE1

PAE101 PAE101 PAR1002 COR10 PAR1002 PAR1001 COR10 PAU5044 PAU5045 PAU5046 PAU5047 PAU5048PAU5049 PAU5050 PAU5051 PAU5052 PAR1001 PAC5001COC50 PAC5002 PAC1402 PAC5501COC55 PAC5502PAC5501 PAC5502 PAU5044 PAU5045 PAU5046 PAU5047PAU5048 PAU5049PAU5050 PAU5051 PAU5052 PAU5043 PAU501 PAC1302 PAC5001COC50 PAC5002PAC5001 PAC5002 PAC5501COC55 PAC5502 COC13 COC14 PAC1402 COF1 PAU5043 PAU501 PAC1302 PAMK104 PAMK201 COC13 COC14 PAF10 PAU5042 PAU502 PAC1301 COF1 PAC1401 PAMK104 PAF10 PAU5042 PAU502 PAC1301 PAMK201 PAMK101 COMK1 PAU5041 PAU503 COMK2 PAMK204 PAC1401 PAMK103 PAU5040 PAU504 PAMK202 PAMK101 COMK1 PAU5041 PAU503 COMK2 PAMK204 PAMK103 PAU5040 PAU504 PAMK202 PAC5402 PAU5039 PAU505 PAC5101 COC54 COC51 PAMK102 COC52 PAR1301 COR25 PAMK203 PAC5201 PAC5202 PAR2501PAR2502 PAC5402 PAC5101 COR13 PAU5039 PAU505 COC54 COC51 PAC5401 PAU5038 PAU506 PAC5102 PAMK102 PAC5201COC52 PAC5202 PAR1301 PAR2501COR25 PAR2502 PAMK203 COTP1 PAR2402 PAU5056 PAU5053 PAR1302 PATP101 PAC5301 PAC5401 PAU5038 PAU506 COR13 PAC5102 COR24 COC53 PAC5602COC56 PAC5601 PAU5037 PAU507 PAC5701 COC57 PAC5702 PAR2402 PAU5056 PAU5053 PAR1302 PATP101COTP1 PAC5301 PAR2401 PAC5302 COR24 PAC5602 COC56 PAC5601 PAU5037 PAU507 PAC5701 COC57 PAC5702 COC53 PAU5036 PAU508 PAC5302 COTP2 PAR2401 COU5 PAR901 PATP201 PAU5036 PAU508 COR9 COTP2 PAU5035 PAU509 COU5 PAR901 COR9 PATP201 PAC4502 PAC4302 PAR902 PAU5035 PAU509 PAU5034 PAU5010 PAC4502 PAC4302 PAR902 PAC1102 PAU5034 PAU5010 COC45 COC43 PAU5033 PAU5055 PAU5054 PAU5011 PAC1202 COC12 COC11 PAC1102 COC45 COC43 COF2 PAU5033 PAU5055 PAU5054 PAU5011 PAC1202 COC12 COC11 PAU5032 PAU5012 PAC1201 PAF20 COF2 PAC1101 PAU5032 PAU5012 PAC1201 PAF20 PAC4501 PAC4301 PAU5031 PAU5013 PAC1101 PAC4501 PAC4301 PAU5031 PAU5013 PAU5030 PAU5014 PAC4701 COC47PAC4702 PAC4602COC46PAC4601 PAU5030 PAU5014 PAU5029 COP8 PAU5015 PAR1102COR11PAR1101 PAC4701COC47PAC4702 PAC4602COC46 PAC4601 PAU5028 PAU5016 PAU5029 COP8 PAU5015 PAR1102COR11PAR1101 PAU15016 PAU15017 PAU15018PAU15019 PAU15020 PAP8070 PAP8068 PAP8066 PAP8064 PAP8062 PAP8060 PAP8058 PAP8056 PAP8054 PAP8052PAP8050 PAP8048 PAP8046 PAP8044PAP8042 PAP8040PAP8038PAP8038 PAP8036PAP8034 PAP8032 PAP8030 PAP8028 PAP8026 PAP8024PAP8022 PAP8020 PAP8018 PAP8016 PAP8014 PAP8012PAP8010PAP8010 PAP808PAP806 PAP804 PAP802 PAX104 PAX101 PAU15016 PAU15017 PAU15018 PAU15019 PAU15020 PAU5028 PAU5016 PAC4202 PAU15015 PAU1501 PAC4102 PAP8070 PAP8068 PAP8066PAP8064 PAP8062 PAP8060 PAP8058 PAP8056 PAP8054 PAP8052 PAP8050PAP8048 PAP8046PAP8044 PAP8042 PAP8040PAP8038 PAP8036PAP8034 PAP8034PAP8032PAP8030 PAP8028 PAP8026 PAP8024 PAP8022PAP8020 PAP8018 PAP8016 PAP8014 PAP8012PAP8010 PAP808 PAP806 PAP804 PAP802 PAX104 PAX101 PAU15014 PAU1502 PAU5027 PAU5026 PAU5025 PAU5024 PAU5023 PAU5022 PAU5021 PAU5020 PAU5019 PAU5018 PAU5017 COX1 PAU15015 PAU1501 COC42 COC41 COU15 PAC4202 PAC4102 PAU15013 PAU1503 PAP8071 PAU15014 PAU1502 PAU5027 PAU5026 PAU5025 PAU5024 PAU5023 PAU5022 PAU5021 PAU5020PAU5019PAU5019 PAU5018 PAU5017 COX1 COC42 COC41 PAU15012 PAU15021 PAU1504 PAU15013 COU15 PAU1503 PAP8071 PAC4201 PAC4101 PAU15011 PAU1505 PAR1202COR12 PAR1201 PAX103 PAX102 PABT101 PAU15012 PAU15021 PAU1504 PAC4201 PAC4101 COP3COP1 PAP8072 COP2COP4 PAU15011 PAU1505 COP3COP1 PAR1202COR12 PAR1201 PAX103 PAX102 COP2COP4 PABT101 PAU15010 PAU1509 PAU1508 PAU1507 PAU1506 PAU15010 PAU1509 PAU1508 PAU1507 PAU1506 PAP8072 PAP8069 PAP8067 PAP8065 PAP8063 PAP8061 PAP8059 PAP8057 PAP8055 PAP8053 PAP8051PAP8049 PAP8047 PAP8045 PAP8043PAP8041 PAP8039 PAP8039PAP8037 PAP8035 PAP8033PAP8031 PAP8029 PAP8027PAP8025 PAP8023 PAP8021 PAP8019 PAP8017 PAP8015 PAP8013 PAP8011PAP809 PAP807PAP805 PAP803 PAP801 PAP8069 PAP8067PAP8065 PAP8063 PAP8061 PAP8059 PAP8057PAP8055 PAP8053 PAP8051 PAP8049PAP8047 PAP8045 PAP8043 PAP8041 PAP8039 PAP8037PAP8035 PAP8033PAP8031PAP8031 PAP8029 PAP8027PAP8025 PAP8023 PAP8021PAP8019 PAP8017 PAP8015 PAP8013 PAP8011 PAP809 PAP807 PAP805 PAP803 PAP801 PAC3901 COC39 PAP1061PAP3061 PAP2061PAP4061 PAC3802 COC38 PAC3801 PAC3901 COC39 PAP1061PAP3061 PAP2061PAP4061 PAC3902 PAC3802 COC38 PAC3801 PAR102COR1PAR101 PAR301COR3PAR302 PAC3902 COR3 PAR102 COR1PAR101 PAR301 PAR302 PAP301PAP101 PAP102PAP302 PAP401PAP201 PAP202PAP402 PAL701 COL7PAL702 PAC4902 COC49PAC4901 PAC4002 PAC4001COC40 PAL402 COL4PAL401 PAP301PAP101 PAP102PAP302 PAP401PAP201 PAP202PAP402 PAC202 PAP303PAP103 PAP104 PAP304 PAP403PAP203 PAP204 PAP404 PAC402 PAL701 COL7PAL702PAL701 PAL702 PAC4902 COC49PAC4901 PAC4002COC40 PAC4001 PAL402 COL4PAL401 PAP305PAP105 PAP106PAP306 PAU201 PAU202 PAU203 PAU204 PAU205 PAU206 PAU207 PAU208 PAU209 PAU2010 PAU301 PAU302 PAU303 PAU304 PAU305 PAU306 PAU307 PAU308 PAU309 PAU3010 PAP405PAP205 PAP206PAP406 PAC202 PAP303PAP103PAP104 PAP304 PAP403PAP203 PAP204 PAP404 PAC402 COC2 PAC501 PAR202 PAU101 PAU102 PAU103 PAU104 PAC701 COC4 COC5 COR2 COC7 PAP305PAP105 PAP106PAP306 PAU201 PAU202 PAU203 PAU204 PAU205 PAU206 PAU207 PAU208 PAU209 PAU2010 PAU301 PAU302 PAU303 PAU304 PAU305 PAU306 PAU307 PAU308 PAU309 PAU3010 PAP405PAP205 PAP206PAP406 PAP307PAP107 PAP108PAP308 PAP407PAP207 PAP208PAP408 COC2 PAC501 PAR202 PAU101 PAU102 PAU103 PAU104 PAC701 COC4 COC5 COR2 COC7 PALS204 PALS202 PAP309PAP109 PAP1010PAP3010 PAC502 PAR201 PAC702 PAP409PAP209 PAP2010PAP4010 PALS101 PALS103 PAP307PAP107 PAP108PAP308 PAP407PAP207 PAP208PAP408 PAC201 PAC401 PALS204 PALS202 PAC502 PAR201 PAC702 PALS101 PALS103 PAP3011PAP1011 PAP1012PAP3012 PAP4011PAP2011 PAP2012PAP4012 PAC201 PAP309PAP109 PAP1010PAP3010 PAP409PAP209 PAP2010PAP4010 PAC401 PAP3011PAP1011 PAP1012PAP3012 PAP4011PAP2011 PAP2012PAP4012 PAP3013PAP1013 PAP1014PAP3014 COU2 COU1 COU3 PAP4013PAP2013 PAP2014PAP4014 PAP3015PAP1015PAP1016 PAP3016 PAP4015PAP2015 PAP2016 PAP4016 PAP3013PAP1013 PAP1014PAP3014 COU2 COU1 COU3 PAP4013PAP2013 PAP2014PAP4014 PAP3017PAP1017 PAP1018PAP3018 PAP4017PAP2017 PAP2018PAP4018 PAP3015PAP1015 PAP1016 PAP3016 PAP4015PAP2015 PAP2016 PAP4016 PAP3019PAP1019 PAP1020PAP3020 PAC602 PAC1501 PAC802 PAP4019PAP2019 PAP2020PAP4020 PAP3017PAP1017 PAP1018PAP3018 PAP4017PAP2017 PAP2018PAP4018 COC6 COC15 COC8 PAC602 PAC1501 PAC802 PAP3019PAP1019 PAP1020PAP3020 COC6 COC15 COC8 PAP4019PAP2019 PAP2020PAP4020 PAP3021PAP1021 PAP1022 PAP3022 PAC601 PAC1502 PAC801 PAP4021PAP2021 PAP2022 PAP4022 PAP3023PAP1023 PAP1024PAP3024 PAU2020 PAU2019 PAU2018 PAU2017 PAU2016 PAU2015 PAU2014 PAU2013 PAU2012 PAU2011 PAU108PAU107 PAU106 PAU105 PAU3020 PAU3019 PAU3018 PAU3017 PAU3016 PAU3015 PAU3014 PAU3013 PAU3012 PAU3011 PAP4023PAP2023 PAP2024PAP4024 PAP3021PAP1021PAP1022 PAP3022 PAC601 PAC1502 PAC801 PAP4021PAP2021 PAP2022PAP4022 PAP3025PAP1025 PAP1026PAP3026 COP5 PAP4025PAP2025 PAP2026PAP4026 PAP3023PAP1023 PAP1024PAP3024 PAU2020 PAU2019 PAU2018 PAU2017 PAU2016 PAU2015 PAU2014 PAU2013 PAU2012 PAU2011 PAU108PAU107 PAU106 PAU105 PAU3020 PAU3019 PAU3018 PAU3017 PAU3016 PAU3015 PAU3014 PAU3013 PAU3012 PAU3011 PAP4023PAP2023 PAP2024PAP4024 PAP3027PAP1027 PAP1028PAP3028 PAP4027PAP2027 PAP2028PAP4028 PAP3025PAP1025 PAP1026PAP3026 COP5 PAP4025PAP2025 PAP2026PAP4026 PAP3029PAP1029 PAP1030PAP3030 PAP4029PAP2029 PAP2030PAP4030 PAP3027PAP1027 PAP1028PAP3028 PAP4027PAP2027 PAP2028PAP4028 COLS2 PAP5028 COBT1 COLS1 PAR801COR8 PAR802 PAR702PAR702PAR802 COR7PAR701 PAP3029PAP1029 PAP1030PAP3030 PAP4029PAP2029 PAP2030PAP4030 COLS2 COBT1 COLS1 PAP3031PAP1031 PAP1032PAP3032 PAP4031PAP2031 PAP2032PAP4032 PAR801COR8 PAR802 PAR702COR7PAR701 PAP5028 PAP501 PAP3031PAP1031 PAP1032PAP3032 PAP4031PAP2031 PAP2032PAP4032 PAP3033PAP1033 PAP1034PAP3034 PAP502 PAP4033PAP2033 PAP2034PAP4034 PAP501 PAP503 PAP3033PAP1033 PAP1034PAP3034 PAP502 PAP4033PAP2033 PAP2034PAP4034 PAP3035PAP1035 PAP1036PAP3036 PAP504 PAP4035PAP2035 PAP2036PAP4036 PAP503 PAP505 PAP3035PAP1035 PAP1036PAP3036 PAP504 PAP4035PAP2035 PAP2036PAP4036 PAP3037PAP1037 PAP1038PAP3038 PAP506 PAP4037PAP2037 PAP2038PAP4038 PAP505 PAP507 PAP3037PAP1037 PAP1038PAP3038 PAP506 PAP4037PAP2037 PAP2038PAP4038 PAP3039PAP1039 PAP1040PAP3040 PAP508 PAP4039PAP2039 PAP2040 PAP4040 PAP507 PAC1602 COC16PAC1601 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PAC1801 COC18PAC1802PAC1801 PAC1802 PAC1702COC17PAC1701 PAR1502COR15 PAR1501 PAR1402 COR14PAR1401 PAX203 PAX204 PAX203 PAX204 COX2 PAP1101 PAP1102PAP1103 PAP1104 PAP1105 PABT102 PAP1101 PAP1102 PAP1103 PAP1104 PAP1105 COX2 PABT102 PAX202PAX201 PAX202PAX201 PAL302COL3 PAL301 PAC2702COC27 PAC2701 PAL302COL3 PAL301PAL302 PAL301 PAC2702COC27 PAC2701

COC26 PAC2601 PAC2602 COP6 PAC2601COC26 PAC2602 COP6

PAU904 PAU901 PAP601 PAP603 PAP605 PAP607 PAP609 PAP6011 PAP6013 PAP6015 PAP6017 PAP6019 PAP6021 PAP6023 PAP6025 PAP6027 PAP6029 PAP6031PAP6033 PAP6035 PAP6037 PAP6039 PAP6041 PAP6043 PAP6045 PAP6047 PAP6049 PAP6051 PAP6053 PAP6055 PAP6057 PAP6059PAP6061 PAP6063 PAP6065 PAP6067 PAP6069 PAP601 PAP603 PAP605 PAP607 PAP609 PAP6011 PAP6013 PAP6015 PAP6017 PAP6019 PAP6021 PAP6023 PAP6025 PAP6027 PAP6029 PAP6031 PAP6033 PAP6035 PAP6037PAP6039 PAP6041 PAP6043 PAP6045 PAP6047 PAP6049 PAP6051 PAP6053 PAP6055 PAP6057 PAP6059 PAP6061 PAP6063 PAP6065 PAP6067 PAP6069 COU9 PAU904 PAU901 COU9 PAU903 PAU902 PAP6072 PAU903 PAU902 PAP6072 PAC2001 PAC2101 COC20 PAC2001 PAP6071 PAC2101 COC20 COC21 PAP6071 PAC2002 COC21 PAC2002 PAC2102 PAL101 PAP602 PAP604 PAP606 PAP608 PAP6010 PAP6012 PAP6014 PAP6016 PAP6018 PAP6020 PAP6022 PAP6024 PAP6026 PAP6028 PAP6030 PAP6032PAP6034 PAP6036 PAP6038 PAP6040 PAP6042 PAP6044 PAP6046 PAP6048 PAP6050 PAP6052 PAP6054 PAP6056 PAP6058 PAP6060PAP6062 PAP6064 PAP6066 PAP6068 PAP6070 PAC2102 PAL101 PAP602 PAP604 PAP606 PAP608 PAP6010 PAP6012 PAP6014 PAP6016 PAP6018 PAP6020 PAP6022 PAP6024 PAP6026 PAP6028 PAP6030 PAP6032 PAP6034 PAP6036 PAP6038PAP6040 PAP6042 PAP6044 PAP6046 PAP6048 PAP6050 PAP6052 PAP6054 PAP6056 PAP6058 PAP6060 PAP6062 PAP6064 PAP6066 PAP6068 PAP6070 COL1 PAU804 PAU803 PAP7016 COL1 PAU804 PAU803 PAU805 COU8 PAU802 PAP7016 PAL102 PAP7014PAP7015 PAL102 PAU805 COU8 PAU802 PAP7015 PAU806 PAU801 PAP7013 PAU806 PAU801 PAP7014 PAR2201 PAC3201 PAR2001 PAR2101 PAR2201 PAC3201 PAR2001 PAR2101 PAP7013 COR22 COC32 COR20 COR21 PAP7012 PAP7020 COP7 COR22 COC32 COR20 COR21 PAP7012 PAP7020 PAP7011 COP7 PAP7011 PAP906 PAR2202 PAC3202 PAR2002 PAR2102 PAP7010 PAP7010 PAP708PAP709 PAP906 PAR2202 PAC3202 PAR2002 PAR2102 PAP708PAP709 PAP908 PAP901PAP902 PAP706PAP707 PAP7019 PAP901 PAP706PAP707 PAP7019 COR17 COR19 PAP908 PAP902 PAP903PAP904 COP9 PAR1701 PAR1702 PAU10019 PAU10020 PAU10021PAU10022 PAU10023 PAU10024 PAU10025 PAU10026 PAU10027 PAR1902 PAR1901PAR1902 PAR1901 PAP704PAP705 PAP903PAP904 COP9 PAR1701COR17 PAR1702 PAU10019 PAU10020 PAU10021 PAU10022 PAU10023 PAU10024 PAU10025 PAU10026 PAU10027 PAR1902 COR19PAR1901 PAP704PAP705 COF3 PAU10018 PAU10028 PAC3302 COC33PAC3301 COF4 PAP703 PAP703 PAP905 PAU1104 PAU1105 COP10 PAP702 PAP905 COF3 PAU1104 PAU1105 PAU10018 PAU10028 PAC3302COC33 PAC3301 COF4 PAU10017 PAU10029 COP10 PAP702 PAP909 PAF30 PAF40 PAP701 PAP909 PAF30 PAU10017 PAU10029 PAF40 PAP701 PAU10016 PAU10030 PAC3101 COC31PAC3102 PAC3701 COC31 PAU10016 PAU10030 PAC3701 COC37 PAC3101 PAC3102PAC3102PAC3101 PAU1103 PAU1106PAL202 PAU10015 PAU10031 PAX302 PAX303 PAU1103 PAU1106PAL202 PAU10015 PAU10031 COC37 COL2 COU10 PAX302 PAX303 PAP907 COU11 COC24 PAP7018 COL2 COU10 PAC2201 PAU10014 PAU10032 PAC2401 PAC2402 PAR2302 PAC3702 COC24 PAU10014 PAU10032 PAP7018 PAP907 COU11 PAC2201 PAC2401 PAC2402PAC2401 PAC2402 PAR2302 PAC3702 PAP9010 PAU10013 PAU10033 COR23 COR23 PAL201 PAP9010 PAU10013 PAU10033 PAQ30G PAL201 PAU1102 COC22 PAU1107 PAU1102 PAU1107 PAQ30G COR16 PAU10012 PAU10034 COC25 COC22 PAR1601 PAR1602 PAC2502PAC2501 PAR2301 PAC3602PAR601 PAR1601COR16 PAR1602 PAU10012 PAU10034 PAC2502COC25 PAC2501 PAR2301 PAC3602PAR601 PAU10037 COC36COR6 COQ3 COX3 PAU10037 COC36COR6 PAU10011 PAU10035 PAC2302 PAQ30D PAC2302 PAU10011 PAU10035 COQ3 PAQ30DCOX3 COC23 PAU1101 PAU1108 PAU10010 PAU10036 PAR1802 COR18PAR1801PAR1802 PAR1801 COC23 PAP9011 PAP1001 PAP1002 PAP1003 PAP1004 PAC3601PAR602 PAU1101 PAU1108 PAP1001PAU10010 PAP1002 PAP1003 PAU10036PAP1004 PAR1802 COR18PAR1801 PAC3601PAR602 PAC2301 PAQ30S PAP9011 PAC2202 PAC2202 PAC2301 PAQ30S COC30 COC34 PAP7017 COC30 COC34 PAC3001 PAC3002 PAU1009 PAU1008 PAU1007 PAU1006 PAU1005 PAU1004PAU1003 PAU1002 PAU1001 PAC3402PAC3401 PAC3001 PAC3002PAC3001 PAC3002 PAC3402 PAC3401 PAP7017 PAX301 PAX304 PAU1009 PAU1008 PAU1007 PAU1006 PAU1005 PAU1004 PAU1003 PAU1002 PAU1001 PAX301 PAX304 PAC3502 PAC2902 PAU1201PAU1204 PAU1401 PAU1404 PAC2802 PAC3502 PAC2902 PAU1201 PAU1204 PAU1401 PAU1404 PAC2802 COC29 COU12 COU14 PAQ10G PAQ20G PAQ10G COC29 COU12 COU14 PAQ20G PAU1306 PAU1301PAU1301PAU1306 PAR401 COC35 PAC2901 PAU1202 PAU1203 PAU1402 PAU1403 COC28 PAR501 PAU1306 PAU1301PAU1306 PAU1301 PAR401 COC35 PAC2901 PAU1202 PAU1203 PAU1402 PAU1403 COC28 PAR501 COR4 PAP1005 COR5 COR4 PAP1005 COR5 COQ1 COU13 COQ2 COU13 COQ2 PAU1305 PAQ10DPAU1302 PAQ20D PAU1305 COQ1 PAQ10DPAU1302 PAQ20D PAU1304 PAU1303 PAR402 PAC3501 PAC2801 PAR502 PAR402 PAC3501 PAC2801 PAR502 PAQ10S PAQ20S PAU1304PAQ10S PAU1303 PAQ20S

PAD102 PAD103 PAD102 PAD103 COD1 PAD101 PAD104 PAD101 COD1 PAD104

(a) Entﬂechtung ohne Leiterﬂächen (b) Bohrdaten

Abbildung 3.53: Entﬂechtung und Bohrdaten der Kognitionsleiterplatte

Systemsteckverbinder. Der Speicherkartensteckverbinder (Memory Card Connector) verbindet die Informationsverarbeitung mit einer SD-Speicherkarte. Er besteht aus einem Micro-SD-Steckverbinder von Hirose. Der Erweiterungssteckverbinder (Extension Con- nector) erweitert den AMiRo um zusätzliche Kameraschnittstellen. Er besteht aus einem Flachbandleitungssteckverbinder von Hirose mit 51 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,3 mm und einem Nennstrom von 0,2 A. Die Programmierbuchse (Programming Receptacle) ist identisch zur Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Lichtring- und Kognitionsflachbaugruppe. Der obere und untere Systemsteckverbinder sind identisch zur Energiemanagement- und Kognitionsflachbaugruppe beziehungsweise Lichtring- und Kognitionsflachbaugruppe. Die Energieversorgung (Power Supply) besteht aus einem überwachten Schaltspannungsregler. Der überwachte Schaltspannungsregler (Supervised Switching Voltage Regulator) erzeugt aus der Systemspannung eine Kern- spannung für die Informationsverarbeitung. Er besteht aus einem Abwärtswandler (Step-Down Converter) sowie einem Leistungsmonitor (Power Monitor) und ähnelt der Energiemanagementflachbaugruppe. Der Abwärtswandler enthält einen synchronen Abwärtsregler TPS54327 von Texas Instruments. Er erzeugt aus der Systemspannung eine Kernspannung von 1,2 V mit einem maximalen Strom von 3,0 A. Der Abwärts- regler besitzt eine Effektivität von über 80 % ab einem Ausgangsstrom von 200 mA. Der Leistungsmonitor ist identisch zur Energiemanagementflachbaugruppe. Die Spei- cherkartenterminierung (Memory Card Termination) verbindet eine SD-Speicherkarte mit der Informationsverarbeitung. Der Drucktaster (Push Button) dient der Informati-

110 3.5 Leiterplattenentwurf

«full» : Memory Card Connector «full» : Top System Connector Image Processing «full» : Programming Receptacle Board Assembly «full» : Extension Connector «full» : Bottom System Connector

[2]

Information Memory Card Power Supply Push Button Processing Termination

Supervised Switching Voltage Regulator

Step-Down Converter Power Monitor

Abbildung 3.54: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Bildverarbeitungsﬂachbaugruppe

onsverarbeitung als Benutzereingabe. Er besteht aus einem horizontalen Drucktaster MCPTF-V von Multicomp. Die Informationsverarbeitung (Information Processing) besteht aus einem mehrfarbigen Statuslicht, einer Steuerung und einem CAN-Sendeempfänger (siehe Ab- bildung 3.55). Das mehrfarbige Statuslicht (Multicolour Status Light) blinkt im Be- triebszustand. Es ist identisch zur Kognitionsflachbaugruppe. Die Steuerung nutzt eine programmierbare logische Schaltung, einen Arbeitsspeicher, einen seriellen Fest- wertspeicher und einen vierfachen Wechselschalter. Die programmierbare logische Schaltung (Programmable Logic Device) implementiert digitale logische Schaltungen und dient dem AMiRo als Hardwarebeschleuniger für massiv parallele Bildverarbei- tungsalgorithmen. Sie beinhaltet eine feldprogrammierbare Gatteranordnungen (Field Programmable Gate Array (FPGA)) Spartan 6 LX45, LX100 oder LX150 von Xilinx mit logischen Zellen von 43 661 bis 147 443, 18 bit Multiplizierer von 132 bis 180, Blockspeicher von 3096 Kibit bis 4824 Kibit und verteilten Speicher von 976 Kibit bis 1355 Kibit. Die Schaltung und Anschlussbelegung nutzt nur konfigurierbare Anschlüsse die bei allen drei Versionen verfügbar sind. Somit sind 88 konfigurierbare Anschlüs- se der 338 Anschlüsse des LX150 nicht nutzbar. Insgesamt nutzt die Anschlussbele- gung 189 konfigurierbare Anschlüsse und damit 74 %. Der Arbeitsspeicher (Random Access Memory) dient der programmierbaren logischen Schaltung als dynamischen Datenspeicher. Er enthält einen 256 MiB Low-Power Double Data Rate Synchronous

111 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Information Processing

Control Area Network Multicolor Status Light Controller Transceiver

Programmable Logic Serial Nonvolatile Random Access Quad Toggle Switch Device Memory Memory

Abbildung 3.55: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Bildver- arbeitungsﬂachbaugruppe

Dynamic Random Access Memory (LPDDR-SDRAM) MT46H128M16LF von Micron mit einer Datenbreite von 16 bit und einer maximalen Taktrate von 200 MHz. Der serielle Festwertspeicher (Serial Nonvolatile Memory) speichert eine Konfiguration für die programmierbare logische Schaltung. Er beinhaltet einen seriellen 8 MiB Flach Speicher AT25DF641 von Atmel mit SPI-Anschluss und einer maximalen Taktrate von 75 MHz. Der vierfache Wechselschalter (Quad Toggle Switch) verbindet die Konfigurati- onsschnittstelle der programmierbaren logischen Schaltung alternative als Leit- oder Folgegerät mit einem SPI-Anschluss der Systemschnittstelle. Auf diese Weise lässt sich die programmierbare logische Schaltung direkt über den seriellen Festwertspeicher oder das Energiemanagement- beziehungsweise Kognitionsmodul programmieren. Der vierfache Wechselschalter enthält einen vierfachen analogen Wechselschalter TS3A5018 von Texas Instruments mit einem Einschaltwiderstand von 10 Ω. Der CAN- Sendeempfänger ist identisch zur Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Lichtring-, und Kognitionsflachbaugruppe. Die einzelnen Funktionseinheiten sind mit der programmierbaren logischen Schal- tung verbunden (siehe Abbildung 3.56). Die Spannungsversorgung erfolgt über den Systemsteckverbinder mit einer 1,8 V, 3,3 V, 4,2 V und 5 V-Regelspannung des Ener- giemanagementmoduls sowie der lokalen Kernspannung. Die 1,8 V-Regelspannung versorgt die programmierbare logische Schaltung, den Erweiterungssteckverbinder und den Arbeitsspeicher. Die 3,3 V-Regelspannung speist die Speicherkartenterminierung, den Leistungsmonitor, das mehrfarbige Statuslicht, die programmierbare logische Schal- tung, den seriellen Festwertspeicher, den vierfachen Wechselschalter und den CAN- Sendeempfänger. Die 4,2 V-Regelspannung versorgt den Erweiterungssteckverbinder. Die Kernspannung speist nur die programmierbare logische Schaltung.

112 3.5 Leiterplattenentwurf 2 2 [2] [2] «full» : Top «full» System Connector : Extension Connector 2 ebi ci [4] [2] spi [2] 2 io «full» : Push Button : Bottom uart [2] : Information Processing can System Connector i2c sdio Termination : Memory Card : Power Supply : Power Monitor Voltage Regulator : Supervised Switching «full» Abbildung 3.56: Internes Blockdiagramm der Bildverarbeitungsﬂachbaugruppe Receptacle : Programming «full» : Memory Card Connection

113 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

2 140 3 64

Widerstand 21 0,87 4 7 Steckverbindung 7 11,93 5 2 Spule 2 0,42 6 2 Schalter 2 0,43 9 1 Anschlüsse Oszillator 1 3,04 30 1 Kondensator 71 4,88 31 1 Integrierte Schaltung 7 111,9 75 2 Diode 1 0,48 220 1 100 80 60 40 20 0 50 100 150 0 50 100 150 Bauteile Bauteilkosten in € Netze (a) Bauteil- und Bauteilkostenverteilung (b) Netzverteilung

Abbildung 3.57: Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Bildverarbeitungsﬂachbau- gruppe

Die Schaltung besteht aus 112 Bauteilen mit Kosten von insgesamt 133,96 € (siehe Abbildung 3.57a) und enthält 221 Netze (siehe Abbildung 3.57b).

Platzierung

Die Bauteile sind überwiegend auf der Oberseite der Leiterplatte platziert (siehe Abbil- dung 3.58). Die Platzierung der Bauteile ist an die Lichtring- und Kognitionsflachbau- gruppe angepasst. Es sind nur flache Bauteile auf der Unterseite positioniert, um den Platz für das Computermodul, die Batterie und die Steckverbinder der Kognitionsflach- baugruppe zu maximieren. Die Spule des Abwärtswandlers ist passend zur drahtlosen Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf der Lichtringflachbaugruppe angeordnet. Alle Taster, Leuchtdioden und Steckverbinder mit Ausnahme des Erweiterungssteck- verbinders sind am Leiterplattenrand platziert. Der Erweiterungssteckverbinder besitzt ausreichend Platz für eine Flachbandleitung. Außerdem ist die Leiterplatte im vorderen Bereich für die drahtlose Kommunikation der anderen Flachbaugruppen verkürzt.

Entﬂechtung

Der Lagenaufbau, die Fertigungstechnologie und die Durchkontaktierungen der Leiter- platte sind identisch zur Kognitionsleiterplatte (siehe Abbildung 3.59a). Die Leiterbah- nen sind auf der oberen, zweiten und dritten inneren sowie unteren Leiterbahnebene angeordnet. Die äußeren Leiterbahnebenen beinhalten Ausfächerungen der Anschluss- ﬂächen und Leiterbahnen der niederfrequenten Schnittstellen. Zusätzlich besitzt die obere Ebene unter anderem eine Leiterﬂäche für die Systemspannung. Die erste in-

114 3.5 Leiterplattenentwurf

Oberseite Unterseite

Arbeitsspeicher CAN-Sendeempfänger Drucktaster Erweiterungssteckverbinder Mehrfarbiges Statuslicht Oberer Systemsteckverbinder Programmierbare logische Schaltung Programmierbuchse Serieller Festwertspeicher Speicherkartensteckverbinder Speicherkartenterminierung Überwachter Schaltspannungsregler Unterer Systemsteckverbinder Vierfacher Wechselschalter

Abbildung 3.58: Bauteilplatzierung der Bildverarbeitungsﬂachbaugruppe

PAR101COR1 PAR102 PAR202 COR2 PAR101COR1 PAR102 PAR202 COR2 PAC1301COC13 PAC1302 PAR201 PAR502COR5 PAR501 PAC1301COC13 PAC1302 PAR201 PAR502COR5 PAR501PAR502 PAR501 PAR401COR4 PAR402 PAR302 COR3 PAR401COR4 PAR402 PAR302 COR3 PAC1202COC12 PAC1201PAC1202 PAC1201 PAR301 PAC801 PAU104 PAU103 PAU102 PAU101 PAC1202COC12 PAC1201 PAR301 PAC801 COC8 PAU104PAU103 PAU102 PAU101 COC11 COC8 PAL201 PAU204 PAU203 PAU202 PAU201 PAC1101 PAC1102 COC11 COL2 PAL201 PAC1101 PAC1102 PAC802 PAU204 PAU203 PAU202 PAU201 COL2 PAC802 PAL202 PAC1402 COU2 COC14 COU1 PAL202 PAC1402 COL1 COU2 COC14 COU1 PAC1502 PAC1401 PAU109 COL1 PAU109 COC15 PAC1502 PAC1401 COF1 COF2 PAC702 COC15 PAF10 PAU205 PAU206 PAU207 PAU208PAU207PAU206PAU205 PAU208 PAF20 COF1 PAC702 COF2 PAC1501 PAL102 PAL101 PAF10 PAU205 PAU206 PAU207 PAU208PAU207PAU206PAU205 PAU208 PAF20 COC7 PAC1501 PAL102 PAL101 COC10 COC7 PAC1001 PAC1002 PAC1001 COC10 PAC1002 PAU105 PAU106 PAU107 PAU108 PAC701 PAU105 PAU106 PAU107 PAU108 PAC701

PAC902COC9 PAC901PAC902 PAC901 PAC602COC6 PAC601 PAC902COC9 PAC901 PAC602COC6 PAC601PAC602 PAC601

PAC6602 COC66PAC6601 PAC6602 COC66PAC6601 PAC6502 PAC6502 COC65

COC65 PAU50K1 PAU50J1 PAU50H1 PAU50G1 PAU50F1PAC6501PAU50E1 PAU50D1 PAU50C1 PAU50B1 PAU50A1 PAU50K1 PAU50J1 PAU50H1 PAU50G1 PAU50F1PAC6501PAU50E1PAU50F1 PAU50E1 PAU50D1 PAU50C1 PAU50B1 PAU50A1 PAU50K2 PAU50J2 PAU50H2 PAU50G2 PAU50F2 PAU50E2 PAU50D2 PAU50C2 PAU50B2 PAU50A2 PAU50K2 PAU50J2 PAU50H2 PAU50G2 PAU50F2 PAU50E2 PAU50D2 PAU50C2 PAU50B2 PAU50A2 PAU50K3 PAU50J3 PAU50H3 PAU50G3 PAU50F3 PAU50E3 PAU50D3 PAU50C3 PAU50B3 PAU50A3 COC20 PAU50K3 PAU50J3 PAU50H3 PAU50G3 PAU50F3 PAU50E3 PAU50D3 PAU50C3 PAU50B3 PAU50A3 PAC2002 PAC2001 PAX101 PAX104 PAC2002 COC20 PAC2001 PAX101 PAX104

PAC3502 COU5 PAC2602 PAC3502 COU5 PAC2602 PAC1701 PAC1701 COC35 COX1 COC17 COC26 COC35 COX1 COC17 COC26 PAC1702 PAU50K7 PAU50J7 PAU50H7 PAU50G7 PAU50F7 PAU50E7 PAU50D7 PAU50C7 PAU50B7 PAU50A7 PAU50K7 PAU50J7 PAU50H7 PAU50G7 PAU50F7 PAU50E7 PAU50D7 PAU50C7 PAU50B7 PAU50A7 PAC1702 PAC3501 PAU50K8 PAU50J8 PAU50H8 PAU50G8 PAU50F8 PAU50E8 PAU50D8 PAU50C8 PAU50B8 PAU50A8 PAC2601 PAC3501 PAU50K8 PAU50J8 PAU50H8 PAU50G8 PAU50F8 PAU50E8 PAU50D8 PAU50C8 PAU50B8 PAU50A8 PAC2601 PAU50K9 PAU50J9 PAU50H9 PAU50G9 PAU50F9PAC6802PAU50E9 PAU50D9 PAU50C9 PAU50B9 PAU50A9 PAC6802 COC42 COC68 PAU50K9 PAU50J9 PAU50H9 PAU50G9 PAU50F9 PAU50E9PAU50F9 PAU50E9 PAU50D9 PAU50C9 PAU50B9 PAU50A9 PAC4202 PAC4201 PAX102 PAX103 COC42 COC68 PAX102 PAX103 PAC6801 PAC4202 PAC4201 PAC6701COC67PAC6702 PAC6902 COC69PAC6901 PAC6801 COP3COP1 COP2COP4 COP3COP1 PAC6701COC67 PAC6702 PAC6902 COC69PAC6901PAC6902 PAC6901 COP2COP4

PAU609 PAU608 PAU609 PAU608 PAU6010 PAU607 PAU6010 PAU607 PAP1061PAP3061 PAC4101 PAC3801 PAP2061PAP4061 PAU6011 PAU606 PAC4101 PAC3801 PAU6011 PAU606 COC41 COC38 PAP1061PAP3061 PAP2061PAP4061 PAU30A22 PAU30B22 PAU30C22 PAU30D22 PAU30E22 PAU30F22 PAU30G22 PAU30H22 PAU30J22 PAU30K22 PAU30L22 PAU30M22 PAU30N22 PAU30P22 PAU30R22 PAU30T22 PAU30U22 PAU30V22 PAU30W22 PAU30Y22 PAU30AA22 PAU30AB22 COC41 COC38 PAU6012 PAU605 PAU30A22 PAU30B22 PAU30C22 PAU30D22 PAU30E22 PAU30F22 PAU30G22 PAU30H22 PAU30J22 PAU30K22 PAU30L22 PAU30M22 PAU30N22 PAU30P22 PAU30R22 PAU30T22 PAU30U22 PAU30V22 PAU30W22 PAU30Y22 PAU30AA22 PAU30AB22 PAU6012 PAU605 PAC4102 PAC3802 PAC3902 COU6 PAC4102 PAC3802 PAC3902 COU6 COC39 PAU6013 PAU604 COP6 COC18 PAU30A21 PAU30B21 PAU30C21 PAU30D21 PAU30E21 PAU30F21 PAU30G21 PAU30H21 PAU30J21 PAU30K21 PAU30L21 PAU30M21 PAU30N21 PAU30P21 PAU30R21 PAU30T21 PAU30U21 PAU30V21 PAU30W21 PAU30Y21 PAU30AA21 PAU30AB21 COC39 PAU6013 PAU604 PAC1801 PAC1802 COP6 PAC1801 COC18 PAC1802 PAU30A21 PAU30B21 PAU30C21 PAU30D21 PAU30E21 PAU30F21 PAU30G21 PAU30H21 PAU30J21 PAU30K21 PAU30L21 PAU30M21 PAU30N21 PAU30P21 PAU30R21 PAU30T21 PAU30U21 PAU30V21 PAU30W21 PAU30Y21 PAU30AA21 PAU30AB21 PAC3901 PAU6014 PAU603 PAC3901 PAU6014 PAU603 PAP301PAP101 PAP102PAP302 PAP401PAP201 PAP202PAP402 PAP301PAP101 PAP102PAP302 PAP401PAP201 PAP202PAP402 PAU30A20 PAU30B20 PAU30C20 PAU30D20 PAU30E20 PAU30F20 PAU30G20 PAU30H20 PAU30J20 PAU30K20 PAU30L20 PAU30M20 PAU30N20 PAU30P20 PAU30R20 PAU30T20 PAU30U20 PAU30V20 PAU30W20 PAU30Y20 PAU30AA20 PAU30AB20 PAU6015 PAU602 PAP301 PAP302 PAU30A20 PAU30B20 PAU30C20 PAU30D20 PAU30E20 PAU30F20 PAU30G20 PAU30H20 PAU30J20 PAU30K20 PAU30L20 PAU30M20 PAU30N20 PAU30P20 PAU30R20 PAU30T20 PAU30U20 PAU30V20 PAU30W20 PAU30Y20 PAU30AA20 PAU30AB20 PAP401 PAP402 PAC302 PAP303PAP103 PAP104 PAP304 PAP403PAP203 PAP204PAP404 PAC502 PAU6015 PAU602 PAC2502 COC25PAC2501PAC2502 PAC2501 PAC4001 PAC302 PAP303PAP103 PAP104 PAP304 PAP403PAP203 PAP204 PAP404 PAC502 PAU6016 PAU601 PAC2502 COC25PAC2501PAC2502 PAC2501 PAC4001 COC40 PAP305PAP105 PAP106PAP306 PAU30A19 PAU30B19 PAU30C19 PAU30D19 PAU30E19 PAU30F19 PAU30G19 PAU30H19 PAU30J19 PAU30K19 PAU30L19 PAU30M19 PAU30N19 PAU30P19 PAU30R19 PAU30T19 PAU30U19 PAU30V19 PAU30W19 PAU30Y19 PAU30AA19 PAU30AB19 PAP405PAP205 PAP206PAP406 COC40 PAU6016 PAU601 COC3 COC5 PAP305PAP105 PAP106PAP306 PAU30A19 PAU30B19 PAU30C19 PAU30D19 PAU30E19 PAU30F19 PAU30G19 PAU30H19 PAU30J19 PAU30K19 PAU30L19 PAU30M19 PAU30N19 PAU30P19 PAU30R19 PAU30T19 PAU30U19 PAU30V19 PAU30W19 PAU30Y19 PAU30AA19 PAU30AB19 PAP405PAP205 PAP206PAP406 COC3 COC5 PAP307PAP107 PAP108PAP308 COC37 PAC4002 PAP407PAP207 PAP208PAP408 PAC3701 PAC3702 PAP307PAP107 PAP108PAP308 PAC3701 COC37PAC3702 PAC4002 PAP407PAP207 PAP208PAP408 PAP6010 COC71 COR9 PAU30A18 PAU30B18 PAU30C18 PAU30D18 PAU30E18 PAU30F18 PAU30G18 PAU30H18 PAU30J18 PAU30K18 PAU30L18 PAU30M18 PAU30N18 PAU30P18 PAU30R18 PAU30T18 PAU30U18 PAU30V18 PAU30W18 PAU30Y18 PAU30AA18 PAU30AB18 PAP309PAP109 PAP1010PAP3010 PAP409PAP209 PAP2010PAP4010 PAC7101 PAC7102 PAR901 PAR902 PAP6010 PAU30A18 PAU30B18 PAU30C18 PAU30D18 PAU30E18 PAU30F18 PAU30G18 PAU30H18 PAU30J18 PAU30K18 PAU30L18 PAU30M18 PAU30N18 PAU30P18 PAU30R18 PAU30T18 PAU30U18 PAU30V18 PAU30W18 PAU30Y18 PAU30AA18 PAU30AB18 PAC7101COC71 PAC7102 PAR901COR9 PAR902 PAC301 PAC501 PAC301 PAP309PAP109 PAP1010PAP3010 PAP409PAP209 PAP2010PAP4010 PAC501 PAP3011PAP1011 PAP1012PAP3012 PAP4011PAP2011 PAP2012PAP4012 PAU30A17 PAU30B17 PAU30C17 PAU30D17 PAU30E17 PAU30F17 PAU30G17 PAU30H17 PAU30J17 PAU30K17 PAU30L17 PAU30M17 PAU30N17 PAU30P17 PAU30R17 PAU30T17 PAU30U17 PAU30V17 PAU30W17 PAU30Y17 PAU30AA17 PAU30AB17 PAP3011PAP1011 PAP1012PAP3012 PAU30A17 PAU30B17 PAU30C17 PAU30D17 PAU30E17 PAU30F17 PAU30G17 PAU30H17 PAU30J17 PAU30K17 PAU30L17 PAU30M17 PAU30N17 PAU30P17 PAU30R17 PAU30T17 PAU30U17 PAU30V17 PAU30W17 PAU30Y17 PAU30AA17 PAU30AB17 PAP4011PAP2011 PAP2012PAP4012 PAP3013PAP1013 PAP1014PAP3014 PAC2201COC22 PAC2202 PAC5301 COC53PAC5302 PAP4013PAP2013 PAP2014PAP4014 PAP3013PAP1013 PAP1014PAP3014 PAP4013PAP2013 PAP2014PAP4014 PAC3602 PAC2201COC22PAC2202 PAC3602 PAC5301COC53PAC5302 PAP3015PAP1015 PAP1016 PAP3016 PAU30A16 PAU30B16 PAU30C16 PAU30D16 PAU30E16 PAU30F16 PAU30G16 PAU30H16 PAU30J16 PAU30K16 PAU30L16 PAU30M16 PAU30N16 PAU30P16 PAU30R16 PAU30T16 PAU30U16 PAU30V16 PAU30W16 PAU30Y16 PAU30AA16 PAU30AB16 PAP4015PAP2015 PAP2016 PAP4016 PAU709 PAU708 PAP3015PAP1015 PAP1016 PAP3016 PAU30A16 PAU30B16 PAU30C16 PAU30D16 PAU30E16 PAU30F16 PAU30G16 PAU30H16 PAU30J16 PAU30K16 PAU30L16 PAU30M16 PAU30N16 PAU30P16 PAU30R16 PAU30T16 PAU30U16 PAU30V16 PAU30W16 PAU30Y16 PAU30AA16 PAU30AB16 PAP4015PAP2015 PAP2016 PAP4016 COC36 PAU709 PAU708 PAP3017PAP1017 PAP1018PAP3018 PAP4017PAP2017 PAP2018PAP4018 PAP3017PAP1017 PAP1018PAP3018 COC36 PAP4017PAP2017 PAP2018PAP4018 PAU30A15 PAU30B15 PAU30C15 PAU30D15 PAU30E15 PAU30F15 PAU30G15 PAU30H15 PAU30J15 PAU30K15 PAU30L15 PAU30M15 PAU30N15 PAU30P15 PAU30R15 PAU30T15 PAU30U15 PAU30V15 PAU30W15 PAU30Y15 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COC58 COC51 COC58 COC51 PAC5802 PAP702 PAP704 PAP706PAP708 PAP7010PAP7012 PAP7014 PAP7016 PAP7018 PAP7020 PAP7022 PAP7024 PAP7026PAP7024PAP7022PAP7020PAP7018PAP7016 PAP7026 PAP7028 PAP7030 PAP7032 PAP7034 PAP7036 PAP7038 PAP7040 PAP7042 PAP7044 PAP7046 PAP7048 PAP7050 PAC5102 PAC5802 PAP702 PAP704 PAP706 PAP708 PAP7010 PAP7012 PAP7014 PAP7016 PAP7018 PAP7020 PAP7022PAP7020PAP7018PAP7016 PAP7022 PAP7024 PAP7026 PAP7028 PAP7030 PAP7032 PAP7034 PAP7036 PAP7038 PAP7040 PAP7042 PAP7044 PAP7046 PAP7048 PAP7050 PAC5102

PAP7052 PAP701 PAP703 PAP705 PAP707 PAP709 PAP7011 PAP7013 PAP7015 PAP7017 PAP7019PAP7017 PAP7019 PAP7021 PAP7023 PAP7025PAP7023 PAP7025 PAP7027 PAP7029 PAP7031 PAP7033 PAP7035 PAP7037 PAP7039 PAP7041 PAP7043 PAP7045 PAP7047 PAP7049 PAP7051 PAP7053 PAP7052 PAP701 PAP703PAP705 PAP707 PAP709 PAP7011PAP7013 PAP7015 PAP7017 PAP7019 PAP7021 PAP7023PAP7021 PAP7023 PAP7025 PAP7027 PAP7029 PAP7031 PAP7033 PAP7035 PAP7037 PAP7039 PAP7041 PAP7043 PAP7045 PAP7047 PAP7049 PAP7051 PAP7053

PAP5016 PAP5016 PAP5014PAP5015 PAP5020 PAP5014PAP5015PAP5020 PAP5013 PAP5013 COP5 PAP5011PAP5012 COP5 PAP5011PAP5012 PAP509PAP5010 PAP509PAP5010 COF4 PAP507PAP508 PAP5019 COF4 PAP507PAP508 PAP5019 PAF40 PAP505PAP506 PAF40 PAP505PAP506 PAP503PAP504 PAP503PAP504 PAF30COF3 PAP501PAP502 PAF30COF3 PAP501PAP502 PAP5017PAP5018 PAP5017PAP5018 COS1 COS2 COS1 COS2

PAR601COR6 PAR602 PAR702COR7 PAR701PAR702 PAR701 PAR601COR6 PAR602 PAR702COR7 PAR701PAR702 PAR701 PAS101 PAS203 PAS101 PAS203 PAS102 PAS103 PAS201 PAS204 PAS102 PAS103 PAS201 PAS204

PAR1201 PAR1301 PAR1101 PAR1201 PAR1301 PAR1101 PAS104 PAS202 PAS104 COR12 COR13 COR11 PAS202 COR12 COR13 COR11 PAR1202 PAR1302 PAR1102 PAR1202 PAR1302 PAR1102 PAD103 PAD102 PAD103 PAD102 COD1 PAD104 COD1 PAD101 PAD104 PAD101

(a) Entﬂechtung ohne Leiterﬂächen (b) Bohrdaten

Abbildung 3.59: Entﬂechtung und Bohrdaten der Bildverarbeitungsleiterplatte

115 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Image Sensor Board «full» : Camera Module Receptacle «full» : Opposite Camera Connector Assembly

Power Supply

[2]

Linear Voltage Regulator

Abbildung 3.60: Blockdeﬁnitionsdiagramm der Bildsensorﬂachbaugruppe

nere Leiterbahnebene bildet eine Leiterfläche für die Masse. Die zweite und dritte innere Leiterbahnebene beinhaltet überwiegend die Leiterbahnen des CI, EBI und der LPDDR-SDRAM-Schnittstelle. Aufgrund der kleinen Gehäusegröße und damit niedrigem Leiterabstand besitzt die LPDDR-SDRAM-Schnittstelle des Arbeitsspeichers zusätzliche Leiterbahnen auf der oberen und unteren Leiterbahnebene. Alle hochfrequenten Signale besitzen einen Längenausgleich innerhalb einer Schnittstelle und einen erhöhten Leiterbahnabstand. Die vierte innere Leiterbahnebene ist in Leiterflä- chen für die 1,8 V und 3,3 V-Regelspannungen unterteilt. Die untere Leiterbahnebene besitzt unter anderem eine zusätzliche Leiterfläche für die Kernspannung.

3.5.7 Bildsensorﬂachbaugruppe

Die Bildsensorflachbaugruppe (Image Sensor Board Assembly) besteht aus einer Ener- gieversorgung und besitzt eine Kameramodulbuchse sowie einen entgegengesetzten Kamerasteckverbinder (siehe Abbildung 3.60). Die Kameramodulbuchse (Camera Mod- ule Receptacle) integriert ein Kameramodul P5V04A von Sunny in den AMiRo. Sie besteht aus einem flachen Stapelsteckverbinder von Hirose mit 24 Kontakten, einem Leiterabstand von 0,4 mm und einem Nennstrom von 0,3 A. Der entgegengesetzte Kamerasteckverbinder (Opposite Camera Connector) bildet die Entsprechung zum Kamerasteckverbinder auf der Lichtringflachbaugruppe und besitzt eine gespiegelte Anschlussbelegung. Er nutzt den gleichen Steckverbinder des Kamerasteckverbinders der Lichtring- und Kognitionsflachbaugruppe. Die Energieversorgung (Power Supply) besteht aus zwei linearen Spannungsreglern. Der lineare Spannungsregler beinhaltet jeweils einen linearen Längsregler von Texas Instruments mit geringem Spannungsab-

116 3.5 Leiterplattenentwurf

Steckverbindung 2 2,39

Spule 2 0,07 2 19 Kondensator 4 0,09 3 6 Integrierte Schaltung 2 1,41 Anschlüsse 11 1 5 4 3 2 1 0 1 2 3 0 10 20 Bauteile Bauteilkosten in € Netze (a) Bauteil- und Bauteilkostenverteilung (b) Netzverteilung

Abbildung 3.61: Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Bildsensorﬂachbaugruppe

Oberseite Unterseite

Entgegengesetzter Kamerasteckver- Kameramodulbuchse Linearer Spannungsregler binder

Abbildung 3.62: Bauteilplatzierung der Bildsensorﬂachbaugruppe fall und fester Spannung. Er erzeugt eine Kameraspannung von 1,5 V beziehungsweise 2,8 V mit einem maximalen Strom von jeweils 150 mA. Der CI-Bus und zwei Steuersignale verbinden Kameramodulbuchse und entgegengesetzten Kamerasteckverbinder. Die linearen Spannungsregler erzeugen eine 1,5 V und 2,8 V-Kameraspannung für den umgekehrten Kameramodulsteckverbinder aus der 1,8 V und 4,2 V-Regelspannung. Zusätzlich erhält der umgekehrte Kameramodul- steckverbinder die 1,8 V-Regelspannung. Die Schaltung besteht aus 10 Bauteilen mit Kosten von insgesamt 3,96 € (siehe Abbildung 3.61a) und enthält 26 Netze (siehe Abbildung 3.61b).

Platzierung

Die Bauteile sind größtenteils auf der Unterseite der Leiterplatte platziert (siehe Ab- bildung 3.62). Der untere Bereich der Leiterplatte besitzt ausreichend Platz für einen Montageblock zur Befestigung. Die Steckverbinder sind aufgrund einer Entﬂechtung mit nur zwei Leiterbahnebenen untereinander um 90◦ verdreht.

Entﬂechtung

Die Leiterplatte nutzt einen Standard Lagenaufbau mit zwei Leiterbahnebenen (siehe Abbildung 3.63a). Die Leiterbahnebenen bestehen jeweils aus einer Kupferschicht mit einer Dicke von 35 µm und die Leiterplatte hat eine Dicke von zirka 1,6 mm. Die

117 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters PAU203 PAU203 A24PAU205 PAU204 PAU205 PAU204 A23PAU201 PAU203 PAU201 PAU203 PAC401 PAC401 PAC301 PAC301 PAC301 PAC401 PAC301 PAC401 PAL201 PAL201 PAU202 PAU202 PAP201 PAP202 PAP201 PAP202 PAP201 PAP202 PAP201 PAP202 COU2 COU2 PAP101 PAP103 PAP103 PAP105 PAP107 PAP109 PAP1011 PAP1013 PAP1015 PAP1017 PAP1019 PAP1019 PAP1021 PAP1023 PAP1025 PAP1025 PAP1027 COL2 COC3 COC4 PAP101 PAP103 PAP103 PAP105 PAP107 PAP109 PAP1011 PAP1013 PAP1015 PAP1017 PAP1019 PAP1019 PAP1021 PAP1023 PAP1025 PAP1025 PAP1027 COL2 COC3 COC4 PAP203 PAP204 PAP203 PAP204 PAP203 PAP204 PAL202 PAP203 PAP204 PAL202 PAP1028 PAP1029 PAC302 PAC402 PAP1028 PAP1029 PAC302 PAC402 PAC302 PAC302 PAU201 PAU205 PAU201 PAU205 PAP205 PAP206 PAP205 PAP206 PAP207 PAP208 PAP207 PAP208 PAP209 PAP2010 PAP209 PAP2010 PAP2010 PAP2010 PAP2011 PAP2012 PAP2011 PAP2012 COP2 COP1 COP2 COP1 PAP2013 PAP2014 PAP2013 PAP2014 PAP2013 PAP2013 A21 A21 PAP2021 PAP2019 PAP2019 PAP2015 PAP2015 PAP2016 PAP2021 PAP2019 PAP2019 PAP2015 PAP2015 PAP2016 PAU103 PAU104 PAU103 PAU104 A13PAU102 PAU103 PAU102 PAU103 PAU104 PAU104 A12PAC101 PAC102 PAC201 PAC101 PAC102 PAC201 PAC201 PAC201 PAC102 PAC102 PAP2017 PAP2017 PAP2017 PAP2018 PAP2017 PAP2018 PAP2018 PAP2018 PAP102 PAP104 PAP104 PAP106 PAP108 PAP1010 PAP1012 PAP1014 PAP1016 PAP1018 PAP1018 PAP1020 PAP1020 PAP1022 PAP1022 PAP1024 PAP1024 PAP1026 PAL101 PAL102 PAP102 PAP104 PAP104 PAP106 PAP108 PAP1010 PAP1012 PAP1014 PAP1016 PAP1018 PAP1018 PAP1020 PAP1020 PAP1022 PAP1022 PAP1024 PAP1024 PAP1026 PAL101 PAL102 PAP2020 PAP2020 PAP2020 PAP2020 PAU102 PAU102 PAP2021 PAP2022 PAP2021 PAP2022 COU1 COU1 COL1 COC1 COC2 COL1 COC1 COC2 PAL101 PAL101 PAP2023 PAP2024 PAP2023 PAP2024 PAC101 PAC202 PAC101 PAC202 PAU101 PAU105 PAU101 PAU105

(a) Entﬂechtung ohne Leiterﬂächen (b) Bohrdaten

Abbildung 3.63: Entﬂechtung und Bohrdaten der Bildsensorleiterplatte

Widerstand

Transistor Steckverbindung

Spule

Schalter

Oszillator Mikrophon

Lautsprecher

Kondensator Integrierte Schaltung

Diode

Batterie

Antenne 350 300 250 200 150 100 50 0 50 100 150 200 250 300 Bauteile Bauteilkosten in €

Zweiradantrieb Energiemanagement Näherungssensor Lichtring Kognition Bildverarbeitung Bildsensor

Abbildung 3.64: Bauteil- und Kostenverteilung der Flachbaugruppen des AMiRos

Fertigungstechnologie und die Durchkontaktierungen der Leiterplatte sind identisch zur Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Lichtring- und Näherungssensorleiterplatte. Die Leiterbahnen befinden sich auf der oberen und unteren Leiterbahnebene. Beide Ebenen beinhalten Ausfächerungen der Anschlussflächen und direkte Verbindungen zwischen Anschlussflächen und Durchkontaktierungen. Die zwei Leiterbahnebenen besitzen zusätzlich jeweils eine Leiterfläche für die Masse.

3.5.8 Auswertung Die Bauteil- und Kostenverteilung der verschieden Flachbaugruppen besitzen eine ähnliche Tendenz (siehe Abbildung 3.64). Die Kondensatoren und Widerstände bilden

118 3.5 Leiterplattenentwurf

das vorherrschende Bauteil und die integrierten Schaltungen dominieren zusammen mit den Steckverbindern die Kosten. Die verschiedenen Leiterplatten unterscheiden sich deutlich in ihren Eigenschaften (siehe Tabelle 3.2). Die Eigenschaften bestehen aus der Fläche, Leiterbahnebenen, Bauteilen, Lötflächen, Anschlüssen, Netzen, Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Dabei beschreiben die Lötflächen einen physischen Anschluss eines Bauteils und die Anschlüsse repräsentieren die mittels Netze verbundenen Lötflächen. Die Netze verbinden zwei oder mehr Lötflächen elektrisch untereinander. In der Graphentheorie repräsentiert ein Netz einen vollständigen Graphen. Dieser entspricht einem Graphen ohne Mehrfachkanten, in dem alle Knoten untereinander durch ungerichtete Kanten verbunden sind. Die minimale Länge eines Wegs in einem vollständigen Graphen entspricht der Anzahl an Knoten reduziert um eins. Entsprechend ist die Summe aller minimalen Längen und Netze gleich der Summe der Anschlüsse. Gleichzeitig beträgt die maximale Anzahl an Netzen 50 % der verfügbaren Lötflächen und die maximale Menge an Anschlüssen entspricht den verfügbaren Lötflächen. Ein Vergleich der Netze, Anschlüsse und Lötflächen der verschiedenen Schaltun- gen zeigt eine hohe Anzahl verbundener Anschlüsse bei der Bildverarbeitungs- und Energiemanagementflachbaugruppe sowie eine hohe Anzahl an Netzen bei der Bild- verarbeitungs- und Kognitionsflachbaugruppe (siehe Abbildung 3.66). Andererseits besitzt die Bildsensorflachbaugruppe die kleinsten Werte sowie die niedrigste Differenz zwischen der Anzahl an Anschlüssen und Netzen. Eine Gegenüberstellung der verschiedenen Leiterplatten beziehungsweise Flachbau- gruppen zeigt einen Zusammenhang zwischen Eigenschaften sowie Schaltung und Layout (siehe Abbildung 3.65). Die Zweiradantriebsflachbaugruppe verfügt über viele direkt verbundene Anschlüsse und entsprechend wenige Netze. Die Energieversor- gungsflachbaugruppe besitzt viele Bauteile mit gemeinsam genutzten Schnittstellen und entsprechend mehr Anschlüsse als Netze. Die Lichtringleiterplatte hat viele direkt verbundene Anschlüsse und verfügt korrespondierend über relative viele Netze. Die Näherungssensorflachbaugruppe besitzt aufgrund der flexiblen Bereiche eine relativ große Fläche trotz weniger Bauteile und benötigt entsprechend zusätzliche Leiter- bahnen und Durchkontaktierungen. Die Kognitionsflachbaugruppe hat viele Bauteile und korrespondierend eine hohe Anzahl an Netzen. Die Bildverarbeitungsflachbau- gruppe besitzt ein komplexes zentrales Bauteil und entsprechend viele verbundene Anschlüsse und Netze. Die Bildsensorflachbaugruppe hat wenige Bauteile auf kleiner Fläche und beinhaltet korrespondierend größtenteils direkt verbundene Anschlüssen beziehungsweise kleine Netze. Auf der einen Seite korrespondiert die Anzahl an Netzen und Anschlüssen beziehungsweise Kanten mit der Komplexität einer Schaltung und auf der anderen Seite beeinträchtigten die Bauteile, Leiterplattenflächen und Leiterbahnebenen die Anzahl an Leiterbahnen und Durchkontaktierungen eines Layouts. Es lässt sich aber keine eindeutige Beziehung herstellen. Beispielsweise hat die Lichtringflachbaugruppe mehr Netze und Anschlüsse als die Näherungssensorflachbaugruppe und trotzdem

119 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Tabelle 3.2: Eigenschaften der Flachbaugruppen des AMiRos 2 Fläche in mm Flachbaugruppe Leiterbahn- ebenen Bauteile Lötﬂächen Anschlüsse Netze Leiterbahnen Durchkontak- tierungen Zweiradantrieb 7698 4 161 623 562 114 2849 305 Energiemanagement 4696 4 254 1017 900 154 4118 401 Närungssensor 6673 4 90 318 276 49 2997 336 Lichtring 6648 4 67 493 359 102 1485 163 Kognition 6648 6 134 943 765 217 4775 462 Bildverarbeitung 6364 6 117 1155 962 221 6481 695 Bildsensor 350 2 10 76 67 26 325 29

Bauteile

Leiterbahnebenen Lötﬂächen

0% 25% 50% 75% 100% Anschlüsse Fläche

Netze Durchkontaktierungen

Leiterbahnen Zweiradantrieb Energiemanagement Näherungssensor Lichtring Kognition Bildverarbeitung Bildsensor

Abbildung 3.65: Netzdiagramm der normierten Eigenschaften der Flachbaugruppen des AMiRos

120 3.6 Softwareentwicklung

1155 1017 1000 900 943 962 765 623 562 493 500 318 359 276 217 221 114 154 102 49 26 67 76 0 Zweirad- Energie- Närungs- Lichtring Kognition Bild- Bildsensor antrieb management sensor verarbeitung

Netze Anschlüsse Lötﬂächen

Abbildung 3.66: Netze-, Anschlüsse- und Lötflächenanzahl der Flachbaugruppen verfügt diese über mehr Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Die Zweiradan- triebsflachbaugruppe besitzt trotz deutlich mehr Bauteilen, Netzen, Anschlussflächen und Leiterplattenflächen weniger Leiterbahnen und Durchkontaktierungen als die Näherungssensorflachbaugruppe.

3.6 Softwareentwicklung

Die Softwareentwicklung beinhaltet Speziﬁkation, Entwurf, Implementierung, Instal- lation und Betrieb einer Software [10, S. 1]. „Ziel jeder Softwareentwicklung ist es, ein lauffähiges Softwareprodukt zu erstellen, zu warten und zu pﬂegen“ [10, S. V]. Software ist unterteilt in Basissoftware und Anwendungssoftware.

Systemsoftware, auch Basissoftware genannt, ist Software, die für eine Computer-Plattform, eine spezielle Hardware oder eine Hardwarefami- lie entwickelt wurde, um den Betrieb und die Wartung dieser Hardware zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. [...] Systemsoftware orientiert sich grundsätzlich an den Eigenschaften der Hardware, für die sie geschaf- fen wurde und ergänzt normalerweise die funktionalen Fähigkeiten der Hardware. [9, S. 4-5]

Anwendungssoftware (application software), auch Applikationssoftwa- re genannt, ist Software, die Aufgaben des Anwenders mit Hilfe eines Computersystems löst. Anwendungssoftware setzt in der Regel auf der Sys- temsoftware der verwendeten Hardware auf bzw. benutzt sie zur Erfüllung der eigenen Aufgaben. [9, S. 5]

Die Systemsoftware ist die „Gesamtheit der auf die Funktionalität des Computers selbst bezogenen Programmsoftware: [Startprogramm,] Betriebssystemkern, [Bibliotheken,] Dienstprogramme, Treiber; je nach Sichtweise auch Compiler, Binder, Interpreter, [De- bugger]“ [59, S. 884-885]. Ein Startprogramm oder Urlader ist ein „Programm, welches

121 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters auf einem [...][Festwertspeicher] residiert und das Betriebssystem oder die Applikation lädt“ [59, S. 947] sowie das System beim Hochfahren initialisiert. Ein Betriebssystem ist ein „für den Betrieb eines komplexen Rechners notwendiges Programm zur Verwaltung seiner Betriebsmittel, zur Datenkommunikation mit der Peripherie, als Verbindungs- glied zwischen Anwender und Applikation“ [59, S. 107]. Es ist eine „Software, welche die Verwaltung und Ausführung von Programmen der Nutzer in einem Rechner steuert“ [41, IEV-Nummer: 714-22-01]. Ein Echtzeitbetriebssystem ist ein „Betriebssystem, das Rechenprozesse ständig ablaufbereit hält, derart, dass es möglich ist, innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne auf Ereignisse im Ablauf eines technischen Prozesses zu reagieren“ [41, IEV-Nummer: 351-54-09]. Ein Betriebssystemkern ist ein „‚Innerster‘ und stets im Arbeitsspeicher residenter Teil eines Betriebssystems [...]; kennzeichnend für den [Kern] ist, dass er im privilegierten Modus läuft und durch Unterbrechungen betreten wird“ [59, S. 482]. Eine Bibliothek ist allgemein eine „Sammlung häuﬁg benutzter Systemroutinen zur Anbindung an compilierte Programme sowie zu deren Vervollständigung als lauffähige Applikationen“ [59, S. 110]. Ein Dienstprogramm ist ein „Betriebssystem ergänzendes Programm zur Erleichterung des Umgangs mit der Hardware und Software“ [59, S. 240]. Ein Treiber ist ein „Systemsoftware erweiternder Code, der alle auf ein Gerät deﬁnierten Operationen realisiert, einschliesslich [!] der Routinen zur Behandlung der geräteabhängigen Unterbrechungen“ [59, S. 919]. Ein Übersetzer beziehungsweise Compiler ist ein „Softwareentwicklungswerkzeug, das den Quelltext des Programms in eine ausführbare Form transformiert“ [9, S. 601]. Ein Binder beziehungsweise Linker ist ein „Softwareentwicklungswerkzeug, das mehrere separat übersetzte Programmeinheiten zu einer ausführbaren Einheit zusammenfasst“ [9, S. 591]. Ein Interpreter ist ein „Softwareentwicklungswerkzeug, das für interpre- tierte Sprachen die Aufgaben des Übersetzers und Binders zur Laufzeit übernimmt“ [9, S. 594]. Ein Debugger ist ein „Softwareentwicklungswerkzeug, mit dessen Hilfe man das Programm – meist mit direktem Bezug zum Quelltext – schrittweise ausführen, anhalten und steuern sowie Programmzustände abfragen und manipulieren kann“ [9, S. 591]. Die Basissoftware des AMiRos ist unterteilt in Mikrocontroller und Computermo- dul beziehungsweise harte und weiche Echtzeit (siehe Abbildung 3.67). Die unteren Schichten der Mikrocontroller nutzen ein Echtzeitbetriebssystem und unterstützen somit harte Echtzeit. Die oberen Schichten des Computermoduls verwenden ein indivi- dualisiertes Linux Betriebssystem und erlauben ohne Anpassungen nur eine weiche Echtzeit. Die gesamte Basissoftware basiert ausschließlich auf freier Software und nutzt nur freie Softwareentwicklungswerkzeuge. Entsprechend der Free Software Foundation (FSF) bezieht sich das frei nicht auf den Preis, sondern auf die Freiheit der Nutzer die Software auszuführen, zu untersuchen, zu kopieren, zu ändern, zu verbessern und zu verbreiten. Der Schwerpunkt der Softwareentwicklung bildet die Basissoftwareentwicklung. Die Software wurde vom Autor evaluiert, ausgewählt und an die Flachbaugruppen angepasst. Die weitere Entwicklung erfolgte in Zusammenarbeit mit anderen Mitar-

122 3.6 Softwareentwicklung

Anwendung

Nachrichten orientierte Middleware Robotics Service Bus Computermodul Betriebssystem weiche Echtzeit Poky

Betriebssystemkern Linux Kernel Echtzeitanwendung

Echtzeitbetriebssystem Mikrocontroller AMiRo-OS harte Echtzeit Echtzeitbetriebssystemkern ChibiOS

Abbildung 3.67: Schichten der Basissoftware des AMiRos

beitern und Studenten. Dabei wurde die Softwareentwicklung der Mikrocontroller primär initiiert und koordiniert. Die Softwareumsetzung des Computermoduls wurde maßgebend durchgeführt.

Linux is only free if your time has no value. [169]

Insgesamt bestand die Herausforderung nicht in der Softwareumsetzung, sondern in der Einarbeitung in die Quelltexte sowie Anwendung und Beherrschung der vielen umfangreichen Softwareschnittstellen, -projekte und -entwicklungswerkzeuge. Außer- dem besitzen viele freie Softwareprojekte eine begrenzte Dokumentation sowie keine stabilen Softwareschnittstellen und erschweren damit die Softwareintegration sowie -aktualisierung. Aufgrund der kontinuierlichen Verbesserung, Weiterentwicklung und Veränderung von Softwareprojekten sollten Quelltextänderungen an das ursprüngli- che Softwareprojekt weitergereicht und die lokalen Änderungen auf ein Minimum reduziert werden. Die einzelnen Softwareprojekte repräsentieren überwiegend Lösungen aus dem Stand der Technik. Sie besitzen eine Verbreitung sowohl in der freien Softwaregemeinde als auch in kommerziellen Produkten. Eine Ausnahme bilden dabei das Startprogramm und der Echtzeitbetriebssystemkern der Mikrocontroller. Diese wurden aufgrund ihrer Quelltextqualität und Hardwareunterstützung verschiedener STM32 Mikrocontroller ausgewählt.

3.6.1 Mikrocontroller

Die Mikrocontroller nutzen eine Basissoftware, bestehend aus Startprogramm AMiRo- BLT, Echtzeitbetriebssystemkern ChibiOS und Echtzeitbetriebssystem AMiRo-OS sowie eine einheitliche Werkzeugkette gcc-arm-embedded.

123 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Startprogramm AMiRo-BLT

Das Startprogramm AMiRo-BLT [C14] basiert auf dem quelloffenen Startprogramm OpenBLT [C36] in der Version 1.0.1 und unterstützt die Zweiradantriebs-, Energie- management- und Lichtringflachbaugruppe. OpenBLT ist ein Plattform unabhängiges Startprogramm und unterstützt die Softwareaktualisierung über eine beliebige Kommu- nikationsschnittstelle unter anderem UART und CAN. Es besitzt eine hohe Konfigurier- barkeit, einen niedrigen Speicherbedarf und verschiedene Computerprogramme zum Herunterladen eines Speicherabbilds. Die Kommunikation zwischen Computer und Startprogramm basiert auf der Version 1.0 des universal measurement and calibration protocol (XCP) [7] der Association for Standardisation of Automation and Measuring Systems (ASAM). OpenBLT ist unter einer angepassten GNU General Public License (GPL) lizenziert und eine freie Software. Das Startprogramm erweitert das OpenBLT-Projekt um einen UART-zu-CAN-Koppler, eine angepasste CAN-Kommunikation, eine Bluetooth-Kommunikationsschnittstelle, eine Startsynchronisation und eine Unterstützung für die Zweiradantriebs-, Energie- management- und Lichtringflachbaugruppe. Der UART-zu-CAN-Koppler erlaubt einem Startprogramm ein Speicherabbild mittels UART von einem Computer zu empfangen und via CAN an ein Startprogramm auf einer anderen Flachbaugruppe weiterzuleiten. Hierzu sendet der Computer einen angepassten Startbefehl beim Verbindungsaufbau mit einer Empfängernummer statt einer Null. Der Empfänger aktiviert bei Abweichung zwischen Empfängernummer und eigener Nummer die Datenweiterleitung mittels CAN-Kommunikation bis zum Verbindungsabbau. Die angepasste CAN-Kommunikation zerlegt Pakete automatisch in einzelne Nachrichten von acht Byte und unterstützt somit Pakete beliebiger Länge. Dies erhöht die Bandbreitenausnutzung aufgrund der reduzierten Paketrahmen und Bestätigungen in der externen, langsamen UART-Kommunikation. Die Bluetooth-Kommunikationsschnittstelle verbindet das Startprogramm drahtlos mit einem Computer und basiert auf einer angepassten UART-Kommunikation. Die Start- synchronisation koordiniert die Aktivierung der einzelnen Spannungsversorgungen und Informationsverarbeitungseinheiten (siehe Abbildung 3.7). Die Unterstützung für die Zweiradantriebs-, Energiemanagement- und Lichtringflachbaugruppe konfiguriert den gemeinsamen Startprogrammquelltext und implementiert die spezifische Programmierung pro Flachbaugruppe. Die Erweiterungen und Anpassungen wurden zusammen mit dem Studenten Barther entwickelt, von ihm größtenteils implementiert und durch den Mitarbeiter Schöpping optimiert.

Echtzeitbetriebssystemkern ChibiOS

Der Echtzeitbetriebssystemkern ChibiOS [C7] in Version 2.6.8 ist ein quelloffenes leis- tungsfähiges preemptives Echtzeitbetriebssystem für eingebettete Anwendungen. Es besitzt eine vollkommen statische Architektur, einen niedrigen Speicherbedarf, einen

124 3.6 Softwareentwicklung vollständigen Funktionsumfang, einen aufgeräumten Quelltext und ein Unterstützungs- forum mit direktem Kontakt zum Entwickler und anderen Nutzern. Die Funktionen beinhaltet unter anderem Threads, Mutexes, Semaphoren, Nachrichten, Mailboxen, Ereignisse, Warteschlangen, Speicherallokationen, virtuelle Zeitgeber, Hardwareab- straktionsschichten und verschiedene Schnittstellentreiber. ChibiOS ist unter einer angepassten GPL lizenziert und eine freie Software. Der Echtzeitbetriebssystemkern besitzt zusätzliche Korrekturen. Diese beinhalten eine Fehlerkorrektur in der Betriebsspeicherberechnung, eine zusätzliche Unterstützung der analogen Spannungsüberwachung und eine I2C-Kommunikation mit Unterbre- chungsbearbeitung. Die Fehlerkorrektur wurde von dem Studenten Abel und die Spannungsüberwachung von dem Mitarbeiter Schöpping entwickelt. Die Unterbrechungsbearbeitung in der I2C- Kommunikation wurde von dem Autor hinzugefügt sowie von Abel und Schöpping optimiert.

Echtzeitbetriebssystem AMiRo-OS

Das Echtzeitbetriebssystem AMiRo-OS [C17] erweitert den Echtzeitbetriebssystemkern ChibiOS um Flachbaugruppendaten, Gerätetreiber, Basisanwendungen, Betriebssys- temkonfigurationen und Benutzeranwendungen. Die Flachbaugruppendaten umfassen unter anderem Anschluss-, Bauteil- und Treiberkonfigurationen. Die Gerätetreiber beinhalten Inkrementalgeber, Beschleunigungssensor, Drehratensensor, Magnetome- ter, Bluetooth-Kommunikation, kapazitiver Berührungssensor, Leuchtdiodentreiber, Leistungsmonitor, programmierbarer Lesespeicher, I2C-Vierkanalmehrfachkoppler, Nä- herungssensor, Batterieüberwachung und drahtlose Kommunikation mit niedrigem Energiebedarf. Die Basisanwendungen bestehen beispielsweise aus CAN-Kommunikati- on, Motorregler und Odometrie. Die Motorregelung nutzt einen differenziellen Regler zum geradeaus fahren nach Bräunl [21, S. 63-66] und erlaubt eine Kalibrierung der Rad- größe sowie -abstand nach Borenstein und Feng [19]. Die Odometrie basiert auf dem Euler-Collatz-Verfahren und einem zusätzlichen erweiterten Kalman-Filter zur Integra- tion des Beschleunigungs- und Drehratensensors. Die Betriebssystemkonfigurationen aktivieren und konfigurieren einzelne Funktionen des Echtzeitbetriebssystemkerns ChibiOS. Die Benutzeranwendungen implementieren ein generisches Terminal und aufgabenspezifische Programme. Sie enthalten unter anderem einen System- und Gerätetest, Sensorkalibrierung, Lesespeicherzugriff sowie eine Informationsausgabe der Hardware- und Softwareversionen. Das Betriebssystem ist in C++ entwickelt und nutzt einen Wrapper des Betriebssys- temkerns, um auf dessen C-Funktionen zuzugreifen. Die Anwenderschnittstelle besteht aus einem Roboterobjekt beziehungsweise einer erweiterten CAN-Kommunikation. Diese synchronisiert Sensorwerte periodisch zwischen allen Informationsverarbeitungs- einheiten und sendet Steuerwerte an die entsprechende Informationsverarbeitung und/oder Gerätetreiber.

125 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Das Echtzeitbetriebssystem AMiRo-OS wurde durch den Autor initiiert. Unter anderem wurden die Flachbaugruppendaten, Inkrementalgeber, Leuchtdiodentreiber, grundlegende CAN-Kommunikation und Motorregler entwickelt. Das gesamte Echtzeit- betriebssystem wurde überwiegend durch die Mitarbeiter Chinapirom, Hesse, Korthals und Schöpping sowie den Studenten Abel, Barther, Sterz, Tlatlik, Gereon und Seidel erweitert und weiterentwickelt.

Werkzeugkette gcc-arm-embedded

Die Werkzeugkette beziehungsweise Toolchain besteht aus der durch ARM Mitarbeiter gepﬂegten quelloffenen Werkzeugkette GNU Tools for ARM Embedded Processors [C1] in Version 4.8-2014 Q1. Sie besteht unter anderem aus GNU Compiler Collection (GCC) [C10], GNU Binary Utilities (binutils) [C8],C-Standard-Bibliothek Newlib [C31] und GNU Debugger (GDB) [C11]. Die Werkzeugkette erlaubt die betriebssystemlose Anwen- dungsentwicklung und unterstützt die ARM-Architekturen Cortex-A/R/M. Die Version der Werkzeugkette setzt sich zusammen aus der Version des Compilers sowie dem Jahr und Quartal der Veröffentlichung. Die Werkzeugkette wird für Windows, Linux und Mac bereitgestellt. Unter Windows wird zusätzlich das Hilfsprogramm make der Kom- mandozeile Minimal SYStem (MSYS) beziehungsweise der Entwicklungsumgebung Minimalist GNU for Windows (MinGW) benötigt [C24].

3.6.2 Computermodul Das Computermodul nutzt eine Basissoftware, bestehend aus Startprogramm U-Boot, Betriebssystemkern Linux Kernel, Betriebssystem OpenRobotix und Softwareerstel- lungssystem OpenEmbedded. Die Software wurde überwiegend vom Autor entwickelt und angepasst. Außerdem wurde sie durch den Mitarbeiter Korthals und dem Studenten Abel weiterentwickelt und erweitert. Es wurde versucht, hochwertige statt schnelle Anpassungen zu entwickeln und Behelfslösung zu vermeiden. Dies erlaubt eine leichte Weiterreichung der Änderun- gen in Richtung der ursprünglichen Softwareprojekte und vereinfacht die spätere Aktualisierung der ursprünglichen Software.

Startprogramm U-Boot

Das Startprogramm U-Boot (Universal Boot Loader) [C6] von DENX Software Enginee- ring ist konfigurierbar, erweiterbar, optimiert für eingebettete Systeme und unterstützt eine Vielzahl verschiedener Architekturen beziehungsweise Geräte. Das Verhalten des Startprogramms lässt sich mittels Konfiguration während des Übersetzens oder durch eine Kommandozeile, Skripte und Umgebungsvariablen im Betrieb beeinflussen. U-Boot ist unter der GPL lizenziert und eine freie Software.

126 3.6 Softwareentwicklung

Das Startprogramm ist minimal invasiv an die Kognitionsflachbaugruppe angepasst und um Fehlerkorrekturen erweitert. Der ursprüngliche Quelltext führte eine Initiali- sierung einer optionalen Netzwerkschnittstelle unabhängig einer Erweiterungsplatine des Computermoduls und einer Existenz eines Netzwerkbausteins aus. Mittels einer Identifikation der Erweiterung wählt das angepasste Spartenprogramm verfügbare Netzwerkanschlüsse aus und initialisiert sowie konfiguriert nur vorhandene Netzwerk- schnittstellen. Außerdem erfolgt eine Anschlusskonfiguration einer Erweiterungsplatine entsprechend der Identifikation und das Startprogramm unterstützt eine USB-Schnitt- stelle. Eine zusätzliche Anschlusskonfiguration für die Startsynchronisation erlaubt einen parallelen Betriebssystemstart auf Mikrocontrollern und Anwendungsprozessor. Die Änderungen und Fehlerkorrekturen wurden mit Ausnahme der Startsynchro- nisation vom Autor entwickelt und an das U-Boot-Projekt übergeben. Sie sind seit Version 2015.01 Teil von U-Boot. Die Startsynchronisation wurde von dem Mitarbeiter Korthals unter anderem mittels eines Skripts umgesetzt.

Betriebssystemkern Linux Kernel

Der Betriebssystemkern Linux Kernel [C34] ist ein Klon des Unix Betriebssystems und wurde von Torvalds u. a. komplett neue geschrieben. Der Betriebssystemkern bestrebt das Portable Operating System Interface (POSIX) und die Single UNIX Specification (SUS) zu erfüllen. Er unterstützt echten Mehrprozessbetrieb, virtuellen Speicher, dynamische Bibliotheken, bedarfsgerechtes Laden, ordentliches Speichermanagement und Mehrstapelnetzwerkbetrieb. Außerdem unterstützt es eine Vielzahl an Prozessorar- chitekturen und läuft auf Supercomputern, Servern, Arbeitsplatzcomputern, mobilen Geräten und eingebetteten Systemen. Es ist Bestandteil verschiedener Betriebssysteme unter anderem Android, Chrome OS, Firefox OS, Linux (Debian, Ubuntu, Gentoo, Red Hat, Fedora), OpenWRT und Tizen (Automotive Grade Linux). Das Linux Kernel ist unter der GPL lizenziert und eine freie Software. Der Betriebssystemkern ist minimal invasiv an die Kognitionsflachbaugruppe angepasst. Dabei enthält der Kern teilweise Rückportierungen beziehungsweise Änderungen aus aktuelleren Versionen, Entwicklerversionen oder von anderen Entwicklern. Au- ßerdem beinhaltet er zusätzliche Fehlerkorrekturen, angepasste Gerätetreiber, neue Gerätetreiber und eine Gerätebeschreibung der Kognitionsflachbaugruppe. Die An- passungen bestehen aus einem zusätzlichen externen Zurücksetzensignal im Treiber der CAN-Steuereinheit und der Anbindung eines externen Audioverstärkers an den Treiber der Audiosteuerung. Ein zusätzlicher Gerätetreiber für den Audioverstärker der Kognitionsflachbaugruppe und das Kameramodul der Bildsensorflachbaugruppe bilden zwei auf Basis existierender Treiber neue entwickelte Treiber. Der Linux Kernel in der aktuellen Version nutzt weitestgehend den (Device Tree) [84, 135] als Gerätebeschreibung. Dieser Gerätebaum spezifiziert eine von der Basissoftware unabhängige Datenstruktur zur Beschreibung eines Systems. Die Struktur besteht aus einem Baum von benannten Knoten und Eigenschaften (siehe Quelltext 3.1). Die

127 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

/* * AMiRo expansion board */

/dts-v1/;

#include "omap3-overo.dtsi" #include "omap3-overo-common-peripherals.dtsi"

/ { model = "TI OMAP3 Gumstix Overo on AMiRo Cognition"; compatible = "amiro,omap3-overo-amiro", "gumstix,omap3-overo", "ti,omap3430", "ti,omap3";

tpa2012: sound-tpa2012 { pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&tpa2012_pins>; compatible = "ti,tpa2012"; gain-gpios = <&gpio3 16 GPIO_ACTIVE_HIGH>, /* GPIO 80 */ <&gpio3 17 GPIO_ACTIVE_HIGH>; /* GPIO 81 */ shutdown-gpios = <&gpio3 28 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* GPIO 92 */ }; };

&omap3_pmx_core { mcspi1_pins: pinmux_mcspi1_pins { pinctrl-single,pins = < OMAP3_CORE1_IOPAD(0x21c8, PIN_INPUT | MUX_MODE0) /* mcspi1_clk.mcspi1_clk */ OMAP3_CORE1_IOPAD(0x21ca, PIN_INPUT | MUX_MODE0) /* mcspi1_simo.mcspi1_simo */ OMAP3_CORE1_IOPAD(0x21cc, PIN_INPUT | MUX_MODE0) /* mcspi1_somi.mcspi1_somi */ OMAP3_CORE1_IOPAD(0x21ce, PIN_INPUT_PULLUP | MUX_MODE0) /* mcspi1_cs0.mcspi1_cs0 */ OMAP3_CORE1_IOPAD(0x21d0, PIN_INPUT_PULLUP | MUX_MODE0) /* mcspi1_cs1.mcspi1_cs1 */ OMAP3_CORE1_IOPAD(0x21d2, PIN_INPUT_PULLUP | MUX_MODE0) /* mcspi1_cs2.mcspi1_cs2 */ >; }; };

&mcspi1 { pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&mcspi1_pins>;

flash: at25df641@1 { #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; compatible = "atmel,at25df641"; reg = <1>; m25p,fast-read; }; }; Quelltext 3.1: Auszug vom Gerätebaum des Kognitionsmoduls

Eigenschaften werden als Name-Wert-Paar umgesetzt. Der Gerätebaum beinhaltet unter anderem die Struktur sowie eine Anschluss- und Gerätekonfiguration für die Gerätetreiber. Der Gerätebaum enthält Information für Prozessor, Taktgeber, Kameraschnittstelle, Spannungsregler, Leuchtdioden, Audioverstärker, CAN-Steuerung und Anschlusskonfi- guration der Kognitionsflachbaugruppe. Weitere Einträge beschreiben den Festwertspei- cher der Bildverarbeitungsflachbaugruppe und den Kamerasensor der Bildsensorflach- baugruppe. Der Gerätebaum wurde händisch auf Basis der Schaltpläne erstellt und erweitert den Gerätebaum des Computermoduls. Der Linux Kernel wurde durch den Autor auf Version 3.14 aktualisiert und durch Abel [B1] in seiner Masterarbeit erst auf Version 3.19 sowie anschließend auf 4.1 aktualisiert. Die Version 3.14 nutzte aufgrund von fehlender Unterstützung in einigen Treibern eine direkte Parametrisierung im Quelltext für die drahtlose Kommunikation,

128 3.6 Softwareentwicklung

den Kamerasensor und die Kameraschnittstelle. Diese Informationen wurden im Rah- men der Masterarbeit in den Gerätebaum übertragen und der vom Autor entwickelte Kameratreiber entsprechend für eine Unterstützung des Gerätebaums angepasst beziehungsweise erweitert. Außerdem wurde von Abel ein Gerätetreiber zur Konﬁguration der programmierbaren logischen Schaltung entwickelt. Eine Fehlerkorrektur für den Taktgeber des Bildsignalprozessors im Anwendungspro- zessor des Computermoduls wurde an das Linux Kernel Projekt übergeben und ist seit Version 3.16 im öffentlichen Quelltext enthalten. Außerdem wurde die Fehlerkorrektur in betroffene und noch gepﬂegte ältere Version, sogenannte stabile Zweige, des Linux Kernels integriert.

Betriebssystem OpenRobotix

Das Betriebssystem OpenRobotix besteht aus vielen verschiedenen größtenteils voneinander unabhängigen freien Softwareprojekten und wird in einer Distribution zusammengefasst. Eine Distribution ist eine „aus diversen Bestandteilen bestehende und zur lauffähigen Gesamtlösung zusammengefügte Software“ [59, S. 251]. Das Betriebssystem beinhalten neben dem Betriebssystemkern Linux Kernel unter anderem die GNU C-Standard-Bibliothek (glibc) [C9], das „Schweizer Taschenmesser für embedded-Linux“ beziehungsweise die BusyBox Standard-Unix-Dienstprogramme [C35], den System- und Servicemanager systemd [C29], den dynamischen Gerätemanager udev [C21], den Secure SHell (SSH) Server openssh [C26], den Verbindungsmana- ger ConnMan [C18], den Paketmanager Opkg [C2] sowie verschiedene Audio- und Videosoftwarewerkzeuge. Zusätzlich enthält es die C++-Bibliothek Boost [C5], die Bibliothek für maschinelles Sehen OpenCV [C19] und die Nachrichten orientierte, Ereignis basierte Zwischenanwendung Robotics Service Bus (RSB) [C32]. Die Werk- zeugkette der Linux-Distribution basiert mit Ausnahme der C-Standard-Bibliothek auf den gleichen im Abschnitt der Mikrocontroller aufgeführten zentralen Softwarepro- jekten. Das gesamte Betriebssystem inklusive Werkzeugkette, Softwarepakete und Speicherabbilder wird mittels des Softwareerstellungssystem OpenEmbedded erzeugt.

Softwareerstellungssystem OpenEmbedded

Das Softwareerstellungssystem OpenEmbedded bildet die Basis des Yocto-Projekts. Es besteht unter anderem aus einzelnen sich überlagernden Schichten von Metadaten (siehe Abbildung 3.68). Das Softwareprojekt Poky beziehungsweise die Kern- und Dis- tributionsschicht bilden die Basis des Softwareerstellungssystems. Die darauffolgende Softwareschicht beinhaltet verschiedene verbreitete Softwareprojekte und die Robot- softwareschicht enthält freie Robotersoftwareprojekte sowie gemeinsame Software des BeBots und AMiRos. Die überlagerte Geräteschicht besteht aus spezifischer Soft- ware und Konfigurationen des AMiRos und die optionale oberste Anwendungsschicht umfasst anwendungsspezifische Software und Konfigurationen.

129 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Anwendungsschicht

Geräteschicht (meta-amiro)

Robotsoftwareschicht (meta-openrobotix)

Softwareschicht (openembedded-meta/meta-oe)

Distributionsschicht (meta-yocto/meta-yocto) Poky Kernschicht (openembedded-core/meta)

Abbildung 3.68: Schichten des Softwareerstellungssystems des Kognitionsmoduls

Die Softwaresammlung Robot Operating System (ROS) [C25] wurde zwar unter anderem zusammen mit Mitarbeitern von BMW Car IT mittels einer extra Software- schicht meta-ros [C4] in das Softwareerstellungssystem integriert, aber aufgrund von fehlenden Anwendern nicht in das Betriebssystem OpenRobotix aufgenommen beziehungsweise integriert.

Poky Poky ist sowohl ein Softwareerstellungssystem als auch eine Softwareentwick- lungsumgebung und besteht aus einer Sammlung von Werkzeugen und Metadaten. Es erlaubt die Erzeugung und Kombination vieler verschiedener verteilter quelloffener Softwareprojekte zu einem vollkommen anpassbaren, vollständigen und zusammen- hängenden Linux-Betriebssystem inklusive Speicherabbilder und Werkzeugkette. Poky [C22] ist ein Referenzsystem und eine Distribution des Yocto-Projekts. Es basiert unter anderem auf dem ursprünglichen Softwareprojekt BitBake und der Kernschicht OpenEmbedded-Core sowie einer zusätzlichen Distributionsschicht. Es ist unter der MIT-Lizenz sowie GPL lizenziert und eine freie Software.

Yocto-Projekt Das Yocto-Projekt [C23] ist ein Verbundprojekt der Linux Foundation. Es stellt Vorlagen, Werkzeuge und Methoden bereit, um ein anwendungsspeziﬁsches Linux-Betriebssystem für ein eingebettetes System unabhängig von der Prozessorarchi- tektur zu entwickeln. Außerdem bildet das Yocto-Projekt unter anderem die Basis der kommerziellen Betriebssysteme Mentor Embedded Linux, MontaVista Linux und Wind River Linux.

BitBake BitBake [C30] ist eine Aufgabenausführungseinheit. Es erlaubt die efﬁzi- ente und parallele Ausführung von komplexen, untereinander abhängigen Terminal und Python Aufgaben. Die Aufgaben inklusive Abhängigkeiten werden mittels Me- tadaten beschrieben. Diese sind in Rezepten (.bb), zugehörige Rezepterweiterungen (.bbappend), Konﬁgurationen (.conf), zugrundeliegenden Einfügungen (.inc) und

130 3.6 Softwareentwicklung

Klassen (.bbclass) gespeichert. Ein Rezept beinhaltet alle Informationen über eine zu erstellende Einheit unter anderem Beschreibungen, Abhängigkeiten sowie Speicherort, Prüfsummen und Lizenz der Quelldateien. Zusätzlich enthält BitBake eine Bibliothek um Quelltext von verschiedenen Orten inklusive lokalem Dateisystem, verschiedene Versionsverwaltungen und Webseiten zu beziehen. BitBake ist unter der GPL lizenziert und eine freie Software. meta Die Kernschicht meta [C28] ist eine Schicht des OpenEmbedded-Kerns und ent- hält die zentralen Metadaten von OpenEmbedded. Sie unterstützt die Prozessorarchitek- turen ARM, x86, PowerPC und MIPS jeweils in 32 bit und 64 bit. OpenEmbedded-Core ist distributionslos und unterstützt ausschließlich mittels der freien Hardwarevirtuali- sierung QEMU [C3] emulierte Geräte. Es enthält lediglich zwingend benötigte Rezepte und soweit möglich jeweils nur eine Version eines Softwareprojekts. Die Kernschicht ist unter der MIT-Lizenz sowie GPL lizenziert und eine freie Software. meta-yocto Die Distributionsschicht meta-yocto ist eine Schicht des Referenzsystems Poky [C22] und beinhaltet Rezepterweiterungen, Skripte, Distributions- und Beispiel- konfigurationen der Poky Distribution. Die Rezepterweiterungen überschreiben unter anderem den Startbildschirm und die Skripte vereinfachen die Erstellung spezifischer Linux Kernel. Die Distributionsschicht ist unter der MIT-Lizenz lizenziert und eine freie Software. meta-oe Die Softwareschicht meta-oe ist eine Schicht der Rezeptsammlung meta- openembedded [C27] und beinhaltet Rezepte für verschiedene freie Softwareprojekte unter anderem die C++-Bibliothek Boost [C5] und die Bibliothek für maschinelles Sehen OpenCV [C19]. Die Sammlung meta-openembedded beinhaltet zusätzliche Schichten für Vernetzung, Webserver sowie verschiedene Programmiersprachen und Benutzeroberflächen. Die Softwareschicht ist unter der MIT-Lizenz lizenziert und eine freie Software. meta-openrobotix Die Roboterschicht meta-openrobotix [C16] liefert allgemeine Software für Miniroboter. Sie besteht aus einer Sammlung von Klassen, Rezepten und Rezepterweiterungen. Die Roboterschicht ist unter der MIT-Lizenz lizenziert und eine freie Software. Eine zusätzliche Klasse ermöglicht die Erstellung eines Speicherabbilds für eine SD- Speicherkarte. Das Speicherabbild beinhaltet alle benötigten Daten zum starten und ausführen des Betriebssystems inklusive Startprogramm, Betriebssystemkern und Wur- zeldateisystem einschließlich Konfigurationsdateien, Hintergrundprogramm, Biblio- theken, Systemprogramme und Anwendungen. Die verschiedenen Rezepte behandeln Systemkonfigurationen, Softwareprojekte, Speicherabbilder und eine Werkzeugkette.

131 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Die Systemkonfigurationen initialisieren eine Bluetooth-Schnittstelle und eine Kamera- signalverarbeitung jeweils beim Systemstart und nutzen den System- und Servicema- nager systemd [C29] beziehungsweise dynamischen Gerätemanager udev [C21]. Die Softwareprojekte umfassen unter anderem die Datenserialisierung Protocol Buffers [C13], die Zwischenanwendung RSB [C32] und den Datentransferdienst Spread [C33]. Die Speicherabbilder kombinieren Pakete verschiedener Rezepte zu einem spezifischen Speicherabbild. Die Werkzeugkette enthält alle Bibliotheken und Schnittstellendekla- rationen der auf dem AMiRo verfügbaren Software und erlaubt eine Anwendungs- softwareentwicklung auf einem beliebigen Computer mit Linux Betriebssystem. Die Rezepterweiterungen enthalten unter anderem angepasste Standardkonfiguration für den Verbindungsmanager und Netzwerkschnittstellenkonfigurationen. meta-amiro Die Geräteschicht meta-amiro [C15] stellt Unterstützung für das Kogniti- onsmodul des AMiRos bereit. Sie besteht aus einer Sammlung von Konfigurationen, Rezepten und Rezepterweiterungen. Die Geräteschicht ist unter der MIT-Lizenz lizenziert und eine freie Software. Eine Gerätekonfiguration parametrisiert das Computermodul des Kognitionsmo- duls beziehungsweise den AMiRo. Sie legt unter anderem Prozessorabstimmungen, Gerätefunktionen sowie benötigte Software und Gerätetreiber fest. Verschiedene Re- zepterweiterungen überschreiben Standardkonfigurationen der Softwarepakete mittels spezifischer Konfigurationsdateien. Auf diese Weise wird die Konfiguration der Audioeinausgabe, Kamerasignalverarbeitung, Bluetooth-Schnittstelle sowie WLAN-, Bluetooth- und CAN-Kommunikation an den AMiRo angeglichen. Zwei weitere Rezept- erweiterungen passen das Startprogramm U-Boot und den Betriebssystemkern Linux Kernel entsprechend der vorhergehenden Abschnitte an. Außerdem parametrisieren verschiedene Konfigurationen den Betriebssystemkern und beeinflussen die aktiven Funktionen und Gerätetreiber. Die Rezepte beinhalten einen externen Gerätetreiber und eine Softwarewerkzeugsammlung. Der externe Gerätetreiber steuert die Kamera der Bildsensorflachbaugruppe und vereinfacht aufgrund der Trennung zum restlichen Betriebssystemkern dessen Weiterentwicklung. Die Softwarewerkzeugsammlung konfiguriert das Sendeempfängermodul für WLAN und Bluetooth der Kognitionsflach- baugruppe. Sie wurde um eine zusätzliches Skript für die automatische Berechnung und Konfiguration der Hardwareadresse der WLAN-Kommunikation erweitert. Das Skript nutzt den System- und Servicemanager, um beim Systemstart aus der Bluetooth- Hardwareadresse eine WLAN-Hardwareadresse zu erzeugen.

3.7 Logische Schaltungsentwicklung

Die logische Schaltungsentwicklung beinhaltet Entwurf, Simulation und Synthese der Konﬁguration einer programmierbaren logischen Schaltung mittels einer Hardwarebe- schreibungssprache (Hardware Description Language (HDL)). Eine Hardwarebeschrei-

132 3.7 Logische Schaltungsentwicklung

Mentor Graphics ModelSim Simulation HDL Testbench

Xilinx Core Generator

Xilinx Platform Studio

Synopsys Xilinx Symplify ISE Synthesis Place & Route HDL Source Code

Xilinx FPGA Editor

Constrains

Abbildung 3.69: Werkzeugablauf einer logischen Schaltungsentwicklung des Bildver- arbeitungsmoduls (in Anlehnung an [B1, S. 45])

bungssprache ist eine formale Sprache und beschreibt die Strukturen, Abläufe und Operationen einer Schaltung. Ein Simulationswerkzeug simuliert das Verhalten einer Hardwarebeschreibung und ein Synthesewerkzeug erstellt aus der getesteten Hard- warebeschreibung eine Konﬁguration einer programmierbaren logischen Schaltung. Die programmierbare logische Schaltungsentwicklung des Bildverarbeitungsmoduls erfolgt unter anderem durch wissenschaftliche Hilfskräfte und studentische Arbeiten mittels der Softwarewerkzeuge Mentor Graphics® ModelSim für die Simulation, Syn- opsys® Synplify Pro für die logischen Synthese sowie dem Entwurfswerkzeug Xilinx Integrated Software Environment (ISE) Design Suite und Embedded Development Kit (EDK) (siehe Abbildung 3.69).

133 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Abel [B1] entwickelte und evaluierte in seiner Masterarbeit „Implementation and Eva- luation of a Co-Processor Interface for an Autonomous Mini Robot“ eine Programmier- und Kommunikationsschnittstelle zwischen Computermodul des Kognitionsmoduls und programmierbarer logischen Schaltung des Bildverarbeitungsmoduls. Die Pro- grammierschnittstelle nutzte das SPI, das Richtungssignal für den SPI und die zwei dedizierten Signale für die Konﬁguration der programmierbaren logischen Schaltung. Die Kommunikationsschnittstelle verwendete das EBI zwischen Computermodul und programmierbare logische Schaltung sowie das Kommunikationsprotokoll Advanced eXtensible Interface 4 (AXI) innerhalb der programmierbaren logischen Schaltung. Außerdem realisierte Abel beispielhafte Zusatzgeräte mittels der programmierbaren logischen Schaltung und integrierte diese in das Linux Betriebssystem des Computer- moduls. Eine Untersuchung der Ressourcen und Leistungsdaten zeigte eine maximale Geräteausnutzung von 4 %, eine Leistungsaufnahme von unter 300 mW sowie einen durchschnittlichen maximalen Datendurchsatz von 498 Mbit/s für Lesezugriffe und 726 Mbit/s für Schreibzugriffe. Zusätzlich untersuchte er Einﬂüsse verschiedener Da- tenübertragungsarten des Computermoduls und Frequenzen der programmierbaren logischen Schaltung.

3.8 Produktion

Die Produktion beschreibt die „Erzeugung, Herstellung von Waren und Gütern“ [15, Stichwort: Produktion]. Die Produktion des AMiRos ist unterteilt in Beschaffung und Einkauf, Fertigung und Montage sowie Inbetriebnahme. Der AMiRo wurde in einer kleinen Serie von 22 Basis- und 28 Erweiterungsversionen gefertigt.

3.8.1 Beschaffung und Einkauf Die Beschaffung beschreibt die „Tätigkeiten, die die Verfügbarkeit von Material oder Dienstleistungen für den Benutzer in der erforderlichen Qualität und Menge sowie am erforderlichen Ort und zur erforderlichen Zeit sicherstellen“ [43, Stichwort: Be- schaffung; DIN EN 14943:2006-03]. Der Einkauf ist ein Bereich der Beschaffung und hat die „Funktion des Aufﬁndens und Entwickelns von Lieferquellen, des Einholens von Angeboten, der Verhandlungen über Preise und Bedingungen, des Erteilens von Einkaufsaufträgen und des Erreichens der entsprechenden Lieferungen“ [43, Stichwort: Einkauf; DIN EN 14943:2006-03]. Der Autor hat im Rahmen der Beschaffung die Lieferquellen der Konstruktions- sowie Leiterplattenbauteile bestimmt und die Angebote der Leiterplattenfertigung sowie -bestückung eingeholt. Die Bauteile wurden entsprechend der Verfügbarkeit und Preise direkt beim Hersteller oder von verschiedenen Händlern beziehungsweise Distributoren gekauft. Ein eigens entwickeltes Python-Skript bestimmt dabei die optimalen Bestellmengen und minimalen Gesamtkosten pro Bauteil sowie Distributor

134 3.8 Produktion

Farnell, Digikey und Mouser. Es ermittelt dazu pro Bauteil die aktuellen Staffelpreise, Mindestbestellmengen, Verkaufseinheiten und Verfügbarkeiten der einzelnen Distribu- toren. Die Informationsabfrage erfolgt je nach Anbieter mittels Simple Object Access Protocol (SOAP), REpresentational State Transfer (REST) oder maschineller Analyse der Webseite. Das entwickelte Skript berechnet automatisch die minimale Bestellmenge und die Gesamtkosten pro Staffelpreis, da die minimalen Gesamtkosten pro Bauteil jeweils mit der optimalen Bestellmenge korrespondieren.

3.8.2 Fertigung und Montage Die Fertigung ist ein „industrieller oder handwerklicher Produktionsprozess“ [15, Stich- wort: Fertigung] und beschreibt die „Herstellung von Bestandteilen im Gegensatz zu Montagetätigkeiten“ [43, Stichwort: Fertigung; DIN EN 14943:206-03]. Die Mon- tage ist der „Zusammenbau einzelner vorgefertigter Teile zu einer funktionsfähigen Maschine“ [15, Stichwort: Montage] und „allgemein das Zusammenfügen von Ein- zelteilen nach vorbestimmtem Plan zu einer Einheit“ [43, Stichwort: Montage; DIN 16500-2:1987-01]. Die Leiterplattenbestückung ist ein spezieller Montageprozess und beschreibt die Aufbringung von Bauteilen auf eine Leiterplatte. Die Fertigung und Montage ist unterteilt in Werkstückfertigung, Leiterplattenfertigung sowie -bestückung und Montage.

Werkstückfertigung

Die Werkstückfertigung wurde entsprechend der Konstruktionsmodelle in der Biologie- werkstatt der Universität Bielefeld durchgeführt. Der Abstandshalter wurde mittels eines Lasers geschnitten und die restlichen Werkstücke durch eine Fräsmaschine mit mehreren Achsen und rechnergestützter numerischer Steuerung gefertigt.

Leiterplattenfertigung und -bestückung

Die Leiterplattenfertigung und -bestückung erfolgt in einem Leiterplattenbestückungs- nutzen. Ein Bestückungsnutzen ist eine Leiterplatte mit Bestückungsrahmen und kombiniert ein oder mehrere Leiterplatten mit gleichem Lagenaufbau. Um die Kosten in der Fertigung und Bestückung zu reduzieren, wurden ähnliche Leiterplatten zu einem Bestückungsnutzen kombiniert und zusammen gefertigt sowie bestückt. Die Leiter- plattenkombination verteilt Einmalkosten auf mehrere Leiterplatten und reduziert die Stückkosten aufgrund einer erhöhten Fertigungs- und Bestückungsausnutzung. Sie benötigt dafür eine Zusammenführung der Bestückungsdaten und erschwert den Umgang mit defekten Leiterplatten in einem Nutzen. Der Bestückungsnutzen besitzt einen 10 mm breiten Rahmen mit jeweils einer 3 mm Bohrung in jeder Ecke für den mechanischen Bestückungsrahmen. Nahe der südöstli- chen und nordwestlichen Ecke sind jeweils eine Passermarke (ﬁducial) symmetrisch auf

135 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

(a) Basisnutzen (b) Erweiterungsnutzen

Abbildung 3.70: Leiterplattenbestückungsnutzen des AMiRos der oberen und unteren Leiterbahnebene positioniert. Die Flächen auf den Leiterbahn- ebenen außerhalb der einzelnen Leiterplatten sind von einer Leiterﬂäche überzogen und bildet somit zusammen mit den Leiterbahnebenen der Leiterplatten eine gleichmä- ßiges Leiterbild. Fräskanten mit einem Durchmesser von 2,4 mm bilden die Konturen der einzelnen Leiterplatten. Dabei sind die Leiterplatten entsprechend der Größe an zwei oder vier Kanten jeweils mittels eines Stegs mit dem Nutzen oder einer anderen Leiterplatte verbunden. Die Stege sind 3,2 mm breit und dienen der mechanischen Befestigung. Jeder Steg ist am Übergang zu einer Leiterplatte mittels vier 0,8 mm Bohrungen perforiert. Die Bohrungen bilden eine Sollbruchstelle und vereinfachen das spätere trennen der Leiterplatten aus dem Bestückungsnutzen. Die Leiterplattenfertigung und -bestückung des AMiRo erfolgte in einem Basis-, Nä- herungssensor- und Erweiterungsnutzen. Der Basisnutzen (Base Panel) kombiniert die Zweiradantriebs-, Energiemanagement- und Lichtringleiterplatte zu einen Bestückungs- nutzen. Er besteht aus einem 280,6 mm langen und 119,8 mm breitem Rechteck (siehe Abbildung 3.70a). Der Näherungssensornutzen (Proximity Sensor Panel) besteht aus vier Näherungssensorleiterplatten und wurde durch die Fertigung und Bestückung speziﬁziert. Der Erweiterungsnutzen (Expansion Panel) kombiniert die Kognitions-, Bildverarbeitungs- und Bildsensorleiterplatte zu einen Bestückungsnutzen. Zusätzlich enthält er eine weitere Leiterplatte für einen USB-UART-Wandler. Der Bestückungs- nutzen besteht aus einem 116,8 mm langen und 223,6 mm breitem Rechteck (siehe Abbildung 3.70a).

Montage

Die Montage des AMiRos erfolgte entsprechend der Konstruktion aus einzelnen Flach- baugruppen und Baugruppen. Der Zusammenbau wurde durch den Autor entwickelt beziehungsweise initiiert und größtenteils von den Auszubildenden Athens, Brau-

136 3.8 Produktion

nert und Reinhardt durchgeführt. Dabei wurden in der hinteren linken sowie rechten Ecke der Bildsensorleiterplatte jeweils eine Aussparung für zwei Widerstände der Zweiradantriebsﬂachbaugruppe hinzugefügt.

3.8.3 Inbetriebnahme Die Inbetriebnahme beschreibt die „erstmalige Nutzung“ [15, Stichwort: Inbetrieb- nahme] einer Flachbaugruppe oder eines Geräts. Die Inbetriebnahme des AMiRos beginnt mit der Energiemanagementﬂachbaugruppe, da diese als Energieversorgung für alle anderen Flachbaugruppen dient. Sie nutzt ein Tischnetzteil mit minimaler nominaler Spannung und aktiver Strombegrenzung als Spannungsversorgung. Das Tischnetzteil visualisiert sowohl die Spannung als auch Stromaufnahme eines Testsys- tems. Die Strombegrenzung verhindert Beschädigungen der Leiterplatte und Bauteile im Fehlerfall beispielsweise Kurzschluss. Im Anschluss einer Spannungs- und Strom- messung erfolgt die Programmierung einer Firmware oder eines Testprogramms. Eine Firmware ist die „Gesamtheit der zur Hardware [...] gehörenden, vom Hersteller auf Festwertspeicher abgelegten und vom Benutzer nicht veränderbaren Programme“ [15, Stichwort: Firmware]. Ein anschließender Selbsttest der Firmware beziehungsweise des Testprogramms misst Strom und Spannung der überwachten Spannungsregler und testet die verschiedenen integrierten Bauteile einer Flachbaugruppe. Flachbau- gruppen mit erhöhter Stromaufnahme oder Bauteilfehlern wurden manuell sowohl messtechnisch als auch optisch überprüft und repariert. Im Rahmen der Inbetriebnahme gefundene Produktionsfehler sowie Entwurfsfehler wurden manuell repariert, korrigiert und dokumentiert. Insgesamt sind 99,65 % der produzierten 284 Flachbaugruppen der kleinen Serie funktionsfähig und somit einer von 50 AMiRos defekt. Die Testprogramme wurden überwiegend von den Mitarbeitern Korthals und Schöp- ping erstellt. Die Inbetriebnahme, Reparatur und Produktionsfehlerkorrektur wurde durch den Autor entwickelt beziehungsweise initiiert und größtenteils von den Auszu- bildenden Athens, Braunert und Reinhardt durchgeführt.

3.8.4 Kostenverteilung Die Kostenverteilung der Leiterplattenfertigung und -bestückung zeigt eine Kosten- ersparnis pro Leiterplatte aufgrund der gemischten Basis- und Erweiterungsnutzen (siehe Abbildung 3.71a). Die Kostenverteilung erfolgt entsprechend der rechteckigen Leiterplattenfläche für die Fertigungskosten und der Bauteilanzahl für die Bestückungs- kosten. Die Bestückungskosten der einfachen Lichtringflachbaugruppe liegen deutlich unter der Näherungssensorflachbaugruppe und die Fertigungs- und Bestückungskos- ten der komplexen Kognitions- und Bildverarbeitungsflachbaugruppe sind gleichauf mit der Näherungssensorflachbaugruppe. Entsprechend der Bauteilanzahl besitzen die Energiemanagement-, Kognitions- und Bildverarbeitungsflachbaugruppe erhöhte

137 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Zweiradantrieb

Energiemanagement Basisnutzen Lichtring

Närungssensor Näherungssensornutzen

Kognition

Bildverarbeitung Erweiterungsnutzen

Bildsensor 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Kosten in € Einmalkosten Fertigungskosten Bestückungskosten Bauteilkosten

(a) Leiterplattenfertigung und -bestückung

Basisversion Erweiterungen 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Kosten in € Flachbaugruppen Einmalkosten Fertigung Bestückung Bauteile Baugruppen Bauteile Flachbandleitungen Halbzeuge Verbindungstechnik

(b) Roboterfertigung

Abbildung 3.71: Kostenverteilung des AMiRos

Bauteilkosten. Die Näherungssensorﬂachbaugruppe besitzt aufgrund der besonderen Leiterplattentechnologie und der separaten Bestückungsnutzen höhere Fertigungs- und Bestückungskosten. Die Kostenverteilung des AMiRos zeigt erhöhte Kosten der Erweiterungsmodule (siehe Abbildung 3.71b). Aufgrund der Leiterplattenkomplexität und Leistungsfähigkeit der Informationsverarbeitung sind die Erweiterungsmodule im Vergleich teurer. Insge- samt entfallen auf die Halbzeuge und mechanische Verbindungstechnik keine hohen Kosten. Eine Kostendarstellung der Werkstückfertigung und Montage fehlt aufgrund einer hausinternen Fertigung.

3.9 Leistungsdaten

Die Leistungsdaten des AMiRos resultieren aus Systementwurf, Konstruktion und Leiterplattenentwurf. Der AMiRo entspricht einem verteilten heterogenen Netzwerk, bestehend aus verschiedenen Sensoren, Aktoren, Informationsverarbeitungseinheiten, Kommunikationsschnittstellen und Energieversorgungen (siehe Abbildung 3.72 und Tabelle 3.3).

138 3.9 Leistungsdaten

Tabelle 3.3: Leistungsdaten des AMiRos

Mechanik Abmessung 100 mm x 94 mm Gewicht 660 g Geschwindigkeit 0 mm/s bis 800 mm/s Aktoren Flachgetriebemotor 2 1,11 W Beleuchtung 8 mehrfarbige Leuchtdioden, 60 mA Lautsprecher 2 500 mW Sensoren Inkrementalgeber 2 ~8/mm Näherungssensor 8 200 mm Bodensensor 4 Beschleunigungssensor 3 ±2 g bis ±8 g, 50 Hz bis 1000 Hz Drehratensensor 3 ±250 ◦/s bis ±2000 ◦/s, 100 Hz bis 800 Hz Magnetometer 3 ±88 µT bis ±810 µT, 0,75 Hz bis 75 Hz Leistungsmonitor 9 12 bit, 15 kHz bis 1880 kHz Stromsensor 2 12 bit, 48 kHz Kamera 1 bis 2592 × 1944 Pixel @ 15 Hz Mikrophone 2 −22 dB Informationsverarbeitung Prozessor ARM Cortex-A8 @ 800 MHz + Texas Instruments C64x ARM Cortex-M4F @ 168 MHz 2 ARM Cortex-M3 @ 72 MHz Logische Schaltung 147 443 logische Zellen + 180 Multiplizierer Arbeitsspeicher 1024 MiB / 192 KiB / 64 KiB / 64 KiB / 256 MiB Festwertspeicher 16 GiB / 1024 KiB / 512 KiB / 512 KiB / 8 MiB Kommunikation USB Gastgeber (500 mA) + Gerät WLAN IEEE 802.11 b/g/n Bluetooth 2 Version 2.1 + Enhanced Data Rate (EDR) Sensornetzwerk 2,4 GHz, 1,2 kBaud bis 500 kBaud Energieversorgung Batterie 2 Lithium-Ionen, 7,4 V @ 3900 mAh Laufzeit 6 h bis 12 h

139 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Sensoren Näherungssensor Berührungssensoren Bodensensor Beschleunigungssensor Drehratensensor Magnetometer Batterieüberwachung Kamera Aktoren Summer mehrfarbige Leuchtdiode Motor Energieversorgung Batterie Netzgerätebuchse y Ladestift x

Abbildung 3.72: Sensoren, Aktoren und Energieversorgung der Basisversion

Die maximale elektrische Leistungsaufnahme entsprechend der Datenblätter und Her- stellerangaben wird dominiert durch die Aktoren und Informationsverarbeitung insbesondere durch Motoren, Computermodul und programmierbare logische Schaltungen (siehe Abbildung 3.73). Dabei ist zu beachten, dass die reale Leistungsaufnahme stark von der Systemkonfiguration sowie Anwendung abhängt und teilweise die Maximal- werte deutlich unterschreitet. Die Leistungsaufnahme der Sensoren wird überwiegend durch eine konfigurierbare Abtastrate beeinflusst. Der Strombedarf der Boden- und Näherungssensoren wird zusätzlich durch einen konfigurierbaren Emitterstrom beein- trächtigt. Der Energiebedarf der Leistungsmonitore und Stromsensoren sind aufgrund der Messwiderstände abhängig von dem zu messenden Strom und dem resultierenden Spannungsabfall. Die Leistungsaufnahme der Motoren wird unter anderem durch Un- tergrund, Strecke, Geschwindigkeit, Fahrverhalten sowie Regler und Antriebsmechanik beeinflusst. Der Strombedarf der mehrfarbigen Leuchtdioden wird primär durch Farbe beziehungsweise Helligkeit der einzelnen Dioden beeinflusst. Die Leistungsaufnahme der Informationsverarbeitung wird unter anderem durch Auslastung, Taktfrequenz und verschiedene Energiesparfunktionen beeinflusst. Die Energiesparfunktionen beinhalten zum Beispiel eine dynamische Taktfrequenz- sowie Versorgungsspannungsanpassung des Computermoduls und eine dynamische Abschaltung des Prozessortakts der Mikro- controller sowie des Computermoduls. Die Leistungsaufnahme der Kommunikation wird unter anderem durch Datenübertragungsrate, Sendeleistung sowie Länge der Sende- und Empfangszeiten beeinflusst. Seidel [B23] evaluierte in seiner Bachelorarbeit „Energy-efficient Way Point Navi- gation for a Differential Drive Mobile Robot“ verschiedene Fahrverhalten auf einem Prototyp des AMiRos und ermittelte unter anderem eine durchschnittliche und ma-

140 3.9 Leistungsdaten

Inkrementalgeber

Drehratensensor

Bodensensor

Näherungssensor Sensoren

Kameramodul Leistungsmonitor

Stromsensor

Motor mehrfarbige Aktoren Leuchtdiode Mikrocontroller Informations- Computermodul verarbeitung programmierbare logische Schaltung CAN

Bluetooth Kommunikation Sensornetzwerk

WLAN 0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 Leistung in W Leistung in mW

Abbildung 3.73: Maximale Leistungsaufnahme über 1 mW pro Element

ximale Leistungsaufnahme von 245 mW bis 309 mW beziehungsweise 281 mW bis 3643 mW. Dabei entsprach die reale durchschnittliche Leistungsaufnahme 3 % des theoretischen Maximalwerts. Eine Untersuchung der Energieaufnahme des Antriebs einer Erweiterungsversion des AMiRos zeigt eine maximale durchschnittliche Leis- tungsaufnahme von 2,3 W bei einer kontinuierlichen Beschleunigung beziehungsweise einer alternierenden Vorwärts- und Rückwärtsbewegung mit fester Periode (siehe Abbildung 3.74). Dabei nutzt die Untersuchung die Stromsensoren und Tiefpassﬁlter des Zweiradantriebsmoduls zur Energiemessung periodischer alternierender Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen sowohl auf unterschiedlichen Böden als auch für unterschiedliche Zielgeschwindigkeiten. Der Mikrocontroller inklusive Beschaltung des Zweiradantriebs- respektive Energiemanagementmoduls benötigt im Leerlauf der Ba- sissoftware jeweils 121 mW und 211 mW sowie 85 mW und 136 mW mit aktiviertem Energiesparmodus. Ein parallel zur Basissoftware ausgeführter Dhrystone-Bewertungs- prozess mit 61 DMIPS und 192 DMIPS erhöht die durchschnittliche Leistungsaufnahme auf 146 mW und 242 mW. Dabei nutzt die Anwendung eine Rechenleistung von 87 % und 91 % des theoretischen Maximalwerts. Die Leistungsaufnahme des gesamten AMiRos beträgt 0,7 W und 2,2 W im Leerlauf sowie 0,9 W und 3,2 W bei Auslastung der Mikrocontroller und des Anwendungs- prozessors der Basis- beziehungsweise Erweiterungsversion (siehe Abbildung 3.75).

141 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

2,4 Vinylboden 2,2 1 s 2 s 2 3 s ∞ 1,8 Teppichboden 1,6 1 s 2 s 1,4 3 s 1,2 ∞

Leistung in W 1

0,8

0,6

0,4

0,2

0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Geschwindigkeit in mm/s

Abbildung 3.74: Leistungsaufnahme eines periodischen Richtungswechsels

Auslastung 3,2 Erweiterungsversion Leerlauf 2,2 Auslastung 0,9 Basisversion Leerlauf 0,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Energie in W

Abbildung 3.75: Leistungsaufnahme ohne aktiver Beleuchtung und Antrieb

Entsprechend besitzt die Erweiterungsversion im Leerlauf eine Laufzeit von 13 h und inklusive Auslastung der Mikrocontroller, des Anwendungsprozessors des Computer- moduls sowie aktiver Kamera 9 h. Eine zusätzliche Beleuchtung der Lichtkuppel um 25 % sowie eine alternierende Vorwärts- und Rückwärtsbewegung mit einer Periode von 2 s und einer Zielgeschwindigkeit von 600 mm/s reduziert die Laufzeit auf 6 h. Die Basisversion besitzt eine reduzierte Leistungsaufnahme und damit eine erhöhte Laufzeit von 40 h, 32 h beziehungsweise 12 h. Der AMiRo ist im Vergleich mit dem Stand der Technik ein leistungsfähiger Minirobo- ter (siehe Tabelle 3.4). Er ist deutlich kleiner als der marXbot und WolfBot und somit aufgrund der Größe nicht vergleichbar. Nur der e-puck ist kleiner als der AMiRo und besitzt ein geringeres Volumen (siehe Abbildung 3.76). Die Batterien des AMiRos besitzen die höchste Energie sowie der Anwendungsprozessor nebst Khepera und e-puck die höchste Frequenz. Ausschließlich der S-bot, BeBot und e-puck besitzen mehr Nähe-

142

3.9 Leistungsdaten Quelloffen

✓ ✓ Kommerziell

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

nWh in Energie

38,16 28,86 38,48 Ketten

2 14,43 2 2 14,43 2 14,40 Räder 22 9,99 22 4,44 3 2 5,92 2 2 10,00 2 25,16 2 7,40 BF537 AM3703 AM3358 DM3730 DM3730 prozessor OMAP3530 OMAP3503 Intel PXA255 Intel PXA255 Anwendungs-

Analog Devices Marvell PXA270 Marvell PXA270

Freescale iMX31 Texas Instruments Texas Instruments Texas Instruments Texas Instruments Texas Instruments Texas Instruments Kamera

2 1 1 sensoren

Boden- 12 sensoren Sensoren Antrieb Batterie

8 6

Näherungs- 24

nl in Volumen 6,58 0,74 4,33 in mm x H) oder Tabelle 3.4: Einordnung des AMiRos in den Stand der Technik 100 x 94 170 x 290 175 x 180 (L x B x H) Abmessung ( 2010 2014 2014 e-puck 2012 75 x 60 0,27 10 3 1 K-Junior 2013 125 x 150 1,84 6 4 1 Names-bot Jahr 2003 120 x 150marXbot 1,70BeBot 15 2011 4 90 x 90 1 x 90AMiRo 0,73Khepera 12 IV 2014WolfBot 140 x 58 1 0,89 8 4 1 Khepera III 2009 130 x 70 0,93 8 2 Kobot 2007 120 x 70 0,79 8 1 BeBot 2008 90 x 90 x 70 0,57 12 1 SRV-1 2007 120 x 105 x 75 0,95 1

143 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Arbeitsspeicher Prozessorfrequenz

0% 25% 50% 75% 100% Batteriekapazität 1 / Volumen

Näherungssensoren Bodensensoren

s-bot Khepera III BeBot e-puck AMiRo Khepera IV

Abbildung 3.76: Netzdiagramm normierter Eigenschaften ausgewählter Miniroboter rungssensoren als der AMiRo. Der AMiRo hat zusammen mit dem S-bot, K-Junior und Khepera die meisten Bodensensoren. Außerdem besitzt nur der AMiRo eine zusätzliche programmierbare logische Schaltung und eine umfangreiche Leistungsüberwachung sowohl des gesamten Systems sowie einzelner Teilsysteme. Die Leistungsüberwachung besteht aus einer Strom- und Spannungsmessung pro Spannungsversorgung sowie einer separaten Strommessung pro Motor. Sie erlaubt somit eine in Betrieb Aufzeichnung der Leistung und damit eine Energiebewertung sowie ressourcenefﬁziente Algorithmen- und Programmentwicklung. Außerdem unterstützt der AMiRo aufgrund seiner Energiepfadsteuerungen sowie durchgängigen unterbre- chungsfreien Systemspannung eine positionsunabhängige Spannungseinspeisung und kann entsprechend einfach um zusätzliche Energiespeicher oder Ladeanschlüsse erweitert werden. Die unterbrechungsfreie Spannungsversorgung der Mikrocontroller des Zweiradantriebs- und Energiemanagementmoduls erlaubt ein programmierba- res Energiemanagement und damit selbstständiges Aufwachen des AMiRos sowie eine Sensorauswertung mit niedrigem Energiebedarf. Dabei verlässt der AMiRo einen minimalen Energiesparzustand bei Einstecken eines Netzgerätesteckers oder einer Zu- standsänderung des Berührungs- sowie Beschleunigungssensors. Zusätzlich unterstützt der AMiRo eine Erweiterung um zusätzliche Module oder externe Sensoren.

144 3.10 Anwendungen

3.10 Anwendungen

Die Anwendungen beschreiben verschiedene beispielhafte Verwendungen des AMiRos in Forschung und Lehre. Beispielsweise wird der AMiRo im Rahmen der Vorlesung „Digitalelektronik“ und „Autonomous Systems Engineering“ sowie dem Masterprojekt „Miniroboterentwicklung“ verwendet. Außerdem bildet der AMiRo die Basis verschiedener Bachelor-, Diplom- und Masterarbeiten. Seidel [B23] entwickelte und evaluierte in seiner Bachelorarbeit „Energy-efficient Way Point Navigation for a Differential Drive Mobile Robot“ eine Wegpunktnaviga- tion auf einem Prototyp des Zweiradantriebsmoduls. Basis der Arbeit bildete eine Wegmessung und verschiedene Algorithmen für die Bewegungsbahnerstellung. Die Unterteilungs- und Spline-Interpolation boten gegenüber der geraden Bahnkurve einen teilweise besseren Energiebedarf und eine genauere Wegmessung. Griessl [A3, B10] realisierte in seiner Diplomarbeit „Eine partiell rekonfigurierbare Bildverarbeitungsarchitektur für ressourceneffiziente Systeme“ auf der programmierbaren logischen Schaltung der prototypischen Bildverarbeitungsflachbaugruppe seiner Studienarbeit [B11] eine Bildverarbeitung. Er unterteilte die programmierbare logische Schaltung in einen statischen Bereich für Prozessor, Kommunikationsinfrastruktur und Kameraschnittstelle sowie fünf dynamische Module. Ein MicroBlaze Prozessor steuerte eine dynamische Konfiguration der Module und eine interne als auch externe Kommunikation der Bildverarbeitungsarchitektur mit einem externen Miniroboter oder Computer. Außerdem integrierte Griessl eine Gumstix Caspa Kamera und einen Filter zur Farbraumkonvertierung in die Bildverarbeitungsarchitektur. Diese besaß einen maximalen Datendurchsatz von 680 Mbit/s und eine Konfigurationszeit von 1 ms für ein dynamisches Modul. Barther [B3] realisierte in seiner Bachelorarbeit „Partikelfilter-basierte Hinderniser- kennung bei mobilen Robotern durch Infrarot-Sensoren“ eine Lokalisation von Objekten in der Umgebung des AMiRos auf dem Mikrocontroller des Energiemanagementmoduls. Er entwickelte und implementierte unter anderem ein inverses Partikelfiltermodell nach Kleppe und Skavhaug [95] zur Umgebungsdetektion mittels der Näherungssensoren. Gaffke [B6] entwickelte in seiner Bachelorarbeit „Websocket basierende Teleoperie- rung von mobilen Minirobotern“ eine Webseiten basierte Fernsteuerung für Miniroboter auf dem Linux-Betriebssystem. Er untersuchte unter anderem verschiedene auf kleinen Speicherbedarf optimierte Webserver mit WebSocket Unterstützung und implementierte eine webbasierte Fernsteuerung sowie Kamerabilddarstellung. Neumann [B19] realisierte in seiner Bachelorarbeit „Tracking basierte Multi-Roboter Exploration“ eine Bewegungsverfolgung für Miniroboter mittels einer statischen Kame- ra und implementierte eine zentrale Mehrroboterexploration nach Yamauchi [168]. Barther, Bauer, Neumann und Patzelt [B4] implementierten in ihrem Projekt „General Purpose Tabletop Robots“ eine vollständig simultane Lokalisierung und Kartenerstel- lung (Simultaneous Localization And Mapping (SLAM)) auf dem Kognitionsmodul. Sie nutzten diese außerdem im Rahmen des RoboCup Roboterwettkampfs.

145 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Wall und Sterz [B25] integrierten in ihrem Masterprojekt „TinySLAM“ einen Hokuyo URG LX04 Laserabstandssensor in den AMiRo und realisierten einen Algorithmus zur simultanen Lokalisierung und Kartenerstellung (SLAM) nach Steux und Hamzaoui [147] auf einem Mikrocontroller des Lichtringsmoduls. Abel und Tlatlik realisierten als wissenschaftliche Hilfskräfte einen eingebetteten 8 bit und 32 bit Prozessor sowie eine UART und CAN-Steuereinheit mittels der programmierbaren logischen Schaltung für die Vorlesung „Digitalelektronik“. Tlatlik [B24] realisierte in seinem Masterprojekt „CoreVA inside – Integrating the CoreVA-MPSoC with the AMiRo Platform“ ein CoreVA Mehrprozessorsystem mittels der programmierbaren logischen Schaltung und implementierte eine Linienverfolgung auf dem Mehrprozessorsystem. Das System unterstützte 1 bis 4 Prozessorkerne mit jeweils einer Frequenz von 60 MHz bis 40 MHz, einen Befehlsspeicher von 16 KiB und einen Datenspeicher von 16 KiB. Es besaß zusätzlich eine spezifische UART- und CAN- Schnittstelle. Korthals realisierte im Rahmen des RoboCup Wettkampfs verschiedene Anwendun- gen der Interaktion mit Menschen auf einer Tischplatte im Bereich der „General Purpose Table Top Robotics“. Schöpping u. a. [A10] demonstrierten in „AMiRo: A Mini Robot for Scientific Appli- cations“ verschiedene Anwendungen des AMiRos, unter anderem Linienverfolgung, Braitenberg-Vehikel und Fernsteuerung. Die Linienverfolgung nutzte nur das Zwei- radantriebsmoduls des AMiRos und demonstrierte eine einfache Veränderung und Evaluation einzelner Module. Sie verwendete die Reflexion der vorderen Bodensen- soren als Eingaben für einen Fuzzy-Regler mit unscharfer Logik und folgte einer schwarzen Linie auf dem Boden. Die Ausgaben des Fuzzy-Reglers beeinflussten direkt die lokale Motorregelung und bildeten somit ein eng gekoppeltes System. Aufgrund der lokalen Umsetzung und dezentralen Architektur des AMiRos beeinflusste der Al- gorithmus das Verhalten der restlichen Module nicht. Das Braitenberg-Vehikel nutzte die gesamte Basisversion des AMiRos und demonstrierte ein verteiltes heterogenes System, bestehend aus verschiedenen Sensoren und Aktoren. Es nutzte die Messwerte der acht Näherungssensoren des Näherungssensormoduls als Eingabe für einen neu- ronalen Assoziativspeicher. Der Assoziativspeicher realisierte ein Braitenberg-Vehikel zur Hindernisvermeidung und wurde auf dem Energiemanagementmodul berechnet. Die generierten Ausgaben des Assoziativspeichers beeinflussten die Motorregelung des Zweiradantriebsmoduls und lenkten den AMiRo. Zusätzlich zeigten die acht Leucht- dioden des Lichtringmoduls die Näherungssensoreingaben und Bewegungsrichtungs- ausgabe des Assoziativspeichers. Die einzelnen Module kommunizierten dabei nur über CAN miteinander und die Informationsverarbeitung erfolgte jeweils lokal auf verteilten Mikrocontrollern. Die Fernsteuerung bestand aus zwei Anwendungen und nutzte entweder nur die gesamte Basisversion oder zusätzlich das Kognitionsmodul. Die Basisversion ließ sich über eine Nintendo Wii Remote mittels Bluetooth steuern. Das Kognitionsmodul erlaubte außerdem eine Darstellung der Bilder des Bildsensors und eine Steuerung des AMiRos über eine grafische Benutzerschnittstelle. Die Benut-

146 3.11 Zusammenfassung zerschnittstelle nutzte einen Webserver auf dem Kognitionsmodul und kommunizierte mittels Websockets über WLAN. Beide Fernsteuerungen unterstützten die gleichzeitige Ausführung anderer Verhalten und überschrieben nur die Navigation des AMiRos.

3.11 Zusammenfassung

Die Entwicklung des AMiRos erfolgte interdisziplinär und inkrementell zwischen Sys- tementwurf, Konstruktion, Leiterplattenentwurf, Softwareentwicklung, logischer Schal- tungsentwicklung und Produktion. Der Systementwurf beinhaltet eine Partitionierung des Systems in einzelne mittels Schnittstellen verbundene Module und eine Konzep- tion der groben Gestalt. Die Konstruktion enthält eine Gestaltung der Form und des Zusammenbaus der einzelnen Bauteile und Baugruppen. Der Leiterplattenentwurf umfasst einen Schaltungsentwurf und eine Leiterplattenentflechtung der einzelnen Flachbaugruppen auf Basis der Leiterplattengrundrisse der Konstruktion. Die Software- entwicklung beinhaltet einen Entwurf und eine Implementierung der verschiedenen Basissoftware. Die logische Schaltungsentwicklung enthält Schaltungsentwurf, Syn- these und Konfiguration der programmierbaren logischen Schaltung. Die Produktion beinhaltet eine Beschaffung, Fertigung und Montage der verschiedenen Bauteile, Lei- terplatten und Flachbaugruppen sowie eine Integration der Bauteile, Flachbaugruppen, Basissoftware und Konfiguration zu einem autonomen Miniroboter. Der AMiRo ist ein vielseitiger, kompakter, leistungsstarker, modularer und erweiter- barer Miniroboter auf dem Stand der Technik. Der AMiRo ist mit einer Hand greifbar, einfach zu transportieren und auf einem Tisch oder in einem kleinen Labor nutzbar. Der AMiRo besitzt eine umlaufende integrierte Näherungs- und Umgebungslichtsensor- anordnung, bestehend aus acht einzelnen Sensoren, einen differenziellen Radantrieb, bestehend aus zwei hochwertigen sowie präzisen Gleichstrommotoren und eine leistungsstarke Energieversorgung, bestehend aus zwei Lithium-Ionen-Batterien. Er ver- fügt über eine verteilte Informationsverarbeitung, bestehend aus drei leistungsstarken Cortex-M3/M4 Mikrocontrollern und einem echtzeitfähigen CAN-Netzwerk. Außer- dem besitzt der AMiRo eine drahtlose Bluetooth-Kommunikation, acht Stromsensoren beziehungsweise Leistungsmonitore und einen Bewegungssensor mit neun Freiheits- graden besteht aus einem drei Achsen Beschleunigungssensor, Drehratensensor sowie Magnetometer. Die Erweiterungsversion des AMiRos ergänzt die Basisversion um ein leistungsstarkes Computermodul zur Ausführung komplexer autonomer Verhalten, eine programmierbare logische Schaltung für rechenintensive parallele Algorithmen und eine Farbkamera zur Umsetzung maschinellen Sehens. Der AMiRo bildet somit eine hierarchische Informationsverarbeitung, bestehend aus Mikrocontrollern, An- wendungsprozessor und programmierbare logische Schaltung. Außerdem besitzt das Computermodul zusätzlich zwei Mikrophone sowie Lautsprecher zur Audioverarbei- tung und eine drahtlose Bluetooth- sowie WLAN-Kommunikation zur Integration in bestehende Mobiltelefon- sowie Computernetzwerke. Der AMiRo nutzt eine freie und

147 3 Interdisziplinäre Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters CAN UART SPI CI EBI CTRL VSYS VIO Light Ring Module Image Sensor Module (Microcontroller, Light Dome, (Camera Module) Low-Power Wireless Communication)

Image Processing Module (Programmable Logic Device, Memory)

Cognition Module (Application Processor, Memory, Bluetooth, Wi-Fi)

Proximity Sensor Module Power Management Module (Proximity Sensors, (Microcontroller, Power Supplies and Monitors, Touch Sensors) Battery Chargers and Monitors, Bluetooth)

Di Wheel Drive Module (Microcontroller, Motor Drivers, Ground Sensors, Motion Sensor)

Power Supply Multipoint Point-to-Point Multiport

Abbildung 3.77: Architektur des AMiRos

quelloffene Basissoftware inklusive Echtzeitbetriebssystem sowie Werkzeugkette für die Mikrocontroller und Linux Betriebssystem sowie Softwareerstellungssystem für das Computermodul. Er ermöglicht eine Ausführung beliebiger quelloffener Software und unterstützt bereits die Bibliothek für maschinelles Sehen OpenCV sowie die Zwi- schenanwendung RSB zur Kommunikation innerhalb verteilter Robotersysteme. Die Basisversion des AMiRos besteht aus einem Zweiradantriebs-, Energiemanagement-, Näherungssensor- sowie Lichtringmodul und die Erweiterungsversion des AMiRos besitzt zusätzlich ein Kognitions-, Bildverarbeitungs- und Bildsensormodul (siehe Ab- bildung 3.77). Die leistungsfähige Sensor- und Informationsverarbeitung sowie die miniaturisierte und modulare Gestalt macht den AMiRo zu einer optimalen Plattform für verschiedenste autonome Anwendungen der Swarm-, Multi- und Einzelrobotertechnik in Forschung und Lehre. Zusätzlich erlaubt die modulare und erweiterbare Systemstruktur sowie die quelloffene Hard- und Software eine partielle und bedarfsorientierte Anpassung an zukünftige, nicht durch den original Entwurf abgedeckt, Aufgaben und Anforderungen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Student ein neues Erweiterungsmodul in den AMiRo integrieren oder das bestehende Näherungssensormodul beziehungsweise Kognitionsmodul mit einem zusätzlichen oder neuen Sensoren beziehungsweise einer Informationsverarbeitung ausrüsten. Ein zentrales Element der AMiRo-Entwicklung bildet der Leiterplattenentwurfspro- zess. Dieser besitzt Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zu verschiedenen Fachdis- ziplinen und benötigt entsprechend ein interdisziplinäres Vorgehen. Der klassische

148 3.11 Zusammenfassung

Leiterplattenentwurf bildet demgegenüber seinen Schwerpunkt im Bereich der Lei- terplattentechnologien sowie Leiterplattenentflechtung und spezifiziert nur einen abstrakten Schaltungsentwurfsprozess. Der Prozess besitzt keine Kopplung zum Sys- tementwurf und nutzt kein standardisiertes oder maschinell interpretierbares Block- diagramm für die Architekturspezifikation einer Flachbaugruppe. Außerdem spezifiziert der Schaltplan bereits spezifische Bauteile und physische Eigenschaften einer Anschlussfläche und damit einer Leiterplatte. Insgesamt ist der klassische Leiterplat- tenentwurf weder durchgängig noch flexibel und erschwert eine Wiederverwendung einzelner Schaltungsfragmente. Der agile Leiterplattenentwurfsprozess definiert auf Basis einer Entwurfsprozessanalyse der interdisziplinären Entwicklung des AMiRos ein Entwurfsmodell und einen Entwurfsprozess für einen agilen Leiterplattenentwurfspro- zess. Insgesamt antizipiert die beschriebene Entwicklung des AMiRos bereits Ansätze des agilen Leiterplattenentwurfsprozesses. Die Modellierung der Blockdiagramme im Abschnitt des Leiterplattenentwurfs nutzt die Systemmodellierung der Systemtech- nik. Die Bauteilauswahl beruht auf einer rudimentären Entwurfsraumexploration, die Festlegung der Anschlussbelegung verschiedener integrierter Schaltungen basiert auf einer primitiven Zuordnungsmatrix und die Wiederverwendung von Schaltun- gen resultiert auf einer manuellen Vervielfältigung beziehungsweise rudimentären Werkzeugunterstützung moderner Entwurfswerkzeuge.

149

4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Der Leiterplattenentwurfsprozess ist ein Teil der Leiterplattenentwicklung und beinhaltet die Spezifikation der Struktur sowie Gestalt einer Leiterplatte beziehungsweise Flachbaugruppe. Der Prozess beinhaltet unter anderem eine Auswahl von Bauteilen, eine Verbindung der Bauteile zu einer Schaltung und eine Überführung der Schaltung in ein Layout, bestehend aus einem Geflecht von Lötflächen, Leiterbahnen und Durchkon- taktierungen. Aus dem Layout wird im Rahmen einer Fertigung eine Flachbaugruppe realisiert. Die Fertigung beinhaltet eine Produktion der Leiterplatte, Beschaffung der benötigten Bauteile und Bestückung der Leiterplatte mit den beschafften Bauteilen. In einer anschließenden Inbetriebnahme wird die Flachbaugruppe erstmalig aktiviert, eine existierende Informationsverarbeitung programmiert und die gesamte Flachbau- gruppe konfiguriert. Mittels verschiedener Tests wird die Qualität und Leistung der Flachbaugruppe anschließend bewertet. Abweichungen zwischen Anforderungen und Eigenschaften der Flachbaugruppe werden durch eine wiederholte Ausführung des Leiterplattenentwurfsprozesses korrigiert. Der Begriff agiler Leiterplattenentwurfsprozess ist angelehnt an die agile Software- entwicklung. Agilität bedeutet dabei die Fähigkeit flexibel und aktiv auf Änderungen und Unsicherheiten zu reagieren sowie die einzelnen Aufgaben einfach und somit beweglich zu gestalten. Entsprechend besteht der agile Leiterplattenentwurfsprozess aus einzelnen Aufgaben pro Aspekt und unterstützt eine partielle Konkretisierung einzelner Teilbereiche. Das Kapitel beschreibt ein Konzept und Modell eines agilen Leiterplattenentwurfs- prozesses. Grundlage des Prozesses bildet eine Literaturrecherche und praktische Pro- zessbetrachtung der Leiterplattenentwicklung des Autonomous Mini Robots (AMiRo). Anstatt auf einem theoretischen und von außen ermittelten Prozess beruht das Modell auf praktischen Erfahrungen des Autors im Bereich der interdisziplinären Entwicklung mobiler eingebetteter Systeme. Erst die praktische Entwicklung eines intelligenten technischen Systems ermöglichte, aufgrund einer fehlenden Behandlung des Themas in der Literatur und Forschung, ein tief greifendes Verständnis des Leiterplattenent- wurfsprozesses und seiner fachbereichsübergreifenden Wechselwirkungen. Aufbauend auf dem Stand der Technik erfolgen eine Beschreibung der Problemstellung und eine Begriffsdefinition. Der eigentliche agile Leiterplattenentwurfsprozess besteht aus einem grundlegenden Entwurfsmodell, einer standardisierten Modellierung, einem detaillierten Entwurfsprozess und verschiedenen Bibliotheken.

151 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Create Create Partition Determine Create System System Block System into PCB Sizes Schematics Speciﬁcation Diagram PCBs

Simulate Build Place Order Points Adjust Simulate Timing and Component Components in Nets to Ordering and Design Transmission Libraries on PCBs Rules Placement Lines

Test Check Result Generate Archive Routability of Route PCB Against Production Design Layout Speciﬁcations Data Files

Abbildung 4.1: Entwurfsprozess für Leiterplatten (in Anlehnung an [138, S. 306])

4.1 Stand der Technik

Der Stand der Technik untersucht die Beschreibung und Umsetzung des Leiterplatten- entwurfsprozesses in Literatur, Lehre, Forschung, Normen, Softwarewerkzeugen und Praxis. Den Schwerpunkt der Recherche bilden der Entwurfsprozess und seine Wech- selwirkungen zu anderen Fachdisziplinen. Die aufgeführten Quellen dienen jeweils als Basis verschiedener Aspekte und repräsentieren einen Bestandteil des Stands der Technik.

4.1.1 Literatur Ritchey [138] beschreibt den Leiterplattenentwurfsprozess als sequenzielle Abfolge von Aufgaben (siehe Abbildung 4.1). Der Entwurfsprozess in der Abbildung beginnt mit der Erstellung der Systemspezifikation (Create System Specification). Diese spezifiziert eine Funktionsbeschreibung der Leiterplatte sowie Anforderungen an die Bauteile, Leiterplatte und Leiterplattenfertigung. Die anschließende Erstellung des Sys- temblockdiagramms (Create System Block Diagram) überführt die Systemspezifikation in ein Blockdiagramm. Sie beschreibt die Hauptfunktionen und ihre Verbindungen untereinander. Die folgende Partitionierung des Systems in Leiterplatten (Partition System into PCBs) unterteilt das System in separate Leiterplatten. Dies geschieht auf Basis der Schnittstellen und Abhängigkeiten im Blockdiagramm. Die Bestimmung der Leiterplattengrößen (Determine PCB Sizes) legt die Form und Größe der Leiterplatten fest. Sie wird durch eine Abschätzung der Schaltung oder feste Rahmenbedingungen beeinflusst. Die Erstellung des Schaltplans (Create Schematics) spezifiziert die Bau- elemente und ihre Verbindungen untereinander. Sie detailliert die einzelnen Blöcke des Systemblockdiagramms mittels Bauelementen und verbindet die Anschlüsse der Bauelemente durch Netze. Der Aufbau der Bauteilebibliotheken (Build Component

152 4.1 Stand der Technik

Libraries) sammelt alle Informationen der Bauteile in einer Datenbank. Diese enthält unter anderem Gehäuse, Anschlussflächen und Anschlussbelegungen der Bauteile. Die Simulation des Entwurfs (Simulate Design) testest die Schaltung. Es werden sowohl die Funktionalität auf Korrektheit als auch die Eigenschaften und Anforderungen überprüft. Die Platzierung der Bauteile auf den Leiterplatten (Place Components on PCBs) positioniert die einzelnen Bauteile auf der Oberfläche der Leiterplatte. Sie wird durch die Funktionen und Beziehungen der Bauteile zueinander beeinflusst. Die Reihenfolgepla- nung von Netzen nach Regeln (Order Points in Nets to Rules) bringt die Verbindungen zwischen den Knoten eines Netzes in eine Reihenfolge und räumliche Anordnung. Sie detailliert die einzelnen Netze zwischen den Bauelementen durch Punkte und lineare Verbindungen zu einem sogenannten „Rattennest“ (rats nest). Anschließend überprüft die Simulation der Zeit- und Übertragungsfunktion (Simulate Timing and Transmission Lines) die räumliche Verbindungsplanung auf Probleme. Die Anpassung der Reihenfol- geplanung und Platzierung (Adjust Ordering and Placement) gleicht mögliche Probleme der Simulation aus. Der Test der Entflechtung (Test Routability of Layout) schätzt die Erfolgsaussichten der nächsten Aufgaben ab. Er führt unter Umständen zu einer neuen Ausführung der Bauteilplatzierung und Simulation. Die Entflechtung der Leiterplatte (Route PCB) detailliert die Netze auf der Leiterplatte. Sie spezifiziert Leiterbahn und Durchkontaktierungen auf den einzelnen Leiterbahnebenen. Die Überprüfung der Er- gebnisse gegen die Spezifikation (Check Result Against Specifications) stellt sicher, dass alle Entwurfsziele erfüllt und alle Entwurfsregeln eingehalten werden. Abschließend erfolgt die Erzeugung der Fertigungsdaten (Generate Production Data Files) und die Archivierung des Entwurfs (Archive Design) für eine spätere Wiederverwendung. Holden [82] präsentiert ein Bild eines sequenziellen Leiterplattenentwurfsprozess- es für hoch integrierte (High Density Interconnect (HDI)) Leiterplatten (siehe Abbil- dung 4.2). Der Entwurfsprozess ist vergleichbar mit dem oben beschrieben Leiterplat- tenentwurf von Ritchey [138]. Der sequenzielle Prozess beginnt mit der Entwurfspla- nung (plan design) und endet mit der Entwurfsdatenarchivierung (archive design). Im Unterschied zu Ritchey [138] werden die Tätigkeiten vor dem Schaltplanentwurf (input schematic) auf die Entwurfsplanung (plan design) reduziert. Der Schwerpunkt der Abbil- dung liegt im Layoutentwurf und ist in diesem Bereich detaillierter. Außerdem wird der Entwurfsprozess mittels Simulationen und Überprüfungen abgesichert. Die Abbildung wird von Holden nicht näher beschrieben. Er bezeichnet nur die Entwurfsplanung als die wichtigste Aufgabe im Entwurfsprozess. Dies begründet er durch die Abhängigkeit der Leiterplattenentflechtung von dem Lagenaufbau und den Entwurfsregeln. Händschke [77] und Wilson [163] betrachten jeweils Ausschnitte des Leiterplatten- entwurfsprozesses. Händschke [77] betrachtet detailliert die Platzierung und Entflech- tung im Layoutentwurf. Wilson [163] beschreibt eingehend die Entflechtung. Die Elektronik Tabellen [114] bilden einen Software gestützten Leiterplattenentwurf in neun aufeinander folgenden Entwurfsschritte ab (siehe Abbildung 4.3). Schmidt [143] beschreibt nicht den Leiterplattenentwurfsprozess sondern ordnet der Entstehung einer Flachbaugruppe grob betrachtet sieben Abteilungen, Bereiche

153 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Input Create Plan Design Schematic / Component Netlist List

Create Enter Set-up Simulate High Place Sequence Component Mechanical Placement Speed Components Nets Libraries Data Rules Geometries

Adjust Add Places for Test Set-up Check Sequence and Route Board PWR and Routability Routing Rules Routing Placement GND

Split Plane Create Area Back Annotate Compare Create Test Design Check Generation Fills Schematic Netlist Points

Generate Archive Audit Design MFG Files Design

Abbildung 4.2: Detaillierter Entwurfsprozess mit dem Schwerpunkt auf neue Entwurfs- und Analyseaufgaben für hoch integrierter Leiterplatten (in Anlehnung an [82, S. 102]) oder Firmen zu: Produktmanagement, Schaltungslayout, Softwareentwicklung, Kon- struktion, Leiterplattenherstellung, Leiterplattenbestückung und Baugruppenprüfung beziehungsweise Baugruppenintegration. Hayes [81] gibt eine Übersicht über die Funktionen aktueller Leiterplattenentwurfs- werkzeuge. Entsprechend der Autorin unterteilt Bhavesh Mistry, Geschäftsführer von National Instruments, die Aufgaben der Leiterplattenentwurfswerkzeuge in die drei Rol- len: Schaltplanentwurf, Simulation und Layout. Das Schaltplanentwurfswerkzeug dient der Auswahl von Bauteilen aus einer Liste, der Platzierung von Bauteilen auf einem Schaltplan und der Verbindung von Anschlüssen der Bauteile. Außerdem unterstützt es die Speziﬁkation von elektrischen Regeln und die Überprüfung der Verbindungen zwischen den Bauteilen. Das Simulationswerkzeug erlaubt eine Prüfung der Schal- tung, Signalintegrität, Magnetik und Physik der Leiterplatte. Dabei basiert die analoge Schaltungssimulation auf dem quelloffenen Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE). Das Layoutwerkzeug unterstützt die Platzierung und Entﬂechtung der Gehäuse und Schaltung für die Produktion. Zusätzlich besitzen moderne Layout- werkzeuge eine dreidimensionale Visualisierung der Leiterplatte und Bauteile.

154 4.1 Stand der Technik

Fehlerprüfung Festlegung Auswahl der Positionierung Entwurf des und eventuelle des Bauteil- der Schaltplans Simulation der Leiterplatten- bibliotheken Bauelemente Schaltung formates

Para- Ausgabe der Routing der metrisierung Fehlerprüfung Fertigungs- Leiterbahnen der des Designs daten Leiterbahnen

Abbildung 4.3: Software gestützter Leiterplattenentwurf (in Anlehnung an [114, S. 276])

4.1.2 Lehre

Redlich [137] gibt eine Einführung in den rechnergestützten Leiterplattenentwurf und beschreibt den Entwurfsprozess in einer grafischen Darstellung. Diese detailliert die Schaltungsentwicklung und veranschaulicht Wechselwirkungen zur Softwarentwick- lung und zum Mechanikentwurf. Die Schaltungsentwicklung besteht aus Logikentwurf (Scheamtic Design) und physischem Entwurf (Board Layout). Der Logikentwurf setzt die Geräteaufbauart und Schaltungsuntergliederung in eine Verbindungsliste um. Er wird dabei durch die konstruktiven und technologischen Grundfestlegungen des Me- chanikentwurfs beeinflusst. Der Logikentwurf beinhaltet die Bauteilrecherche und die Schaltplanerfassung. Die gewünschte Funktionalität des Schaltplans wird durch eine Simulation abgesichert. Anschließend wird die Verbindungsliste in eine Netzliste überführt. Diese beinhaltet eine Zuordnung von logischen Bauelementen zu physischen Bauteilen. Der physische Entwurf überführt die Netzliste in ein Layout. Er beinhaltet die Platzierung der Bauteile und Trassierung der Leiterbahnen. Aus dem Leiterplatten- design werden die Fertigungsunterlagen und Fertigungsdaten abgeleitet und an die Fertigung übergeben. Die anschließende Systemintegration führt Leiterplattenentwurf, Softwareentwicklung und Mechanikentwurf zusammen. Die Softwareentwicklung und der Mechanikentwurf besitzen ihrerseits Abhängigkeiten zur Schaltungsentwicklung beziehungsweise zum Logikentwurf. Dankovic, Vracar, Prijic und Prijic [38] beschreiben einen auf Elektromechanik auf- bauenden Leiterplattenentwurfskurs für Studenten. Der Kurs basiert auf der Annahme, dass eine Leiterplatte neben anderen elektromechanischen und mechanischen Bauteilen ein integraler Bestandteil eines elektrischen Gerätes ist. Im Rahmen des Kurses werden elektrische und mechanische rechnergestützte Entwurfswerkzeuge zusammenwirkend genutzt (siehe Abbildung 4.4). Der Kurs beginnt im mechanischen Entwurfswerkzeug mit der Spezifikation von Abmessung, Kontur und Befestigungslöchern der Leiter- platte. Anschließend erfolgt ein Wechsel in das Leiterplattenentwurfswerkzeug und eine Unterteilung der Leiterplatte in einzelne Räume. Jeder Raum entspricht einem Block im Schaltplan. Die Steckverbinder der Leiterplatte werden im mechanischen

155 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses Ć

Abbildung 4.4: Wechselwirkungen zwischen rechnergestützten Werkzeugen des Leiter- plattenentwurfs und der Mechanikkonstruktion [38, S. 2]

Entwurfswerkzeug platziert. Aufbauend auf der mechanischen Platzierung erfolgt der klassische Layoutentwurf der Leiterplatte. Zuerst werden die einzelnen Räume auf der Leiterplatte entﬂechtet und anschließend die Räume miteinander verbunden. Nach Ab- schluss des Layouts wird ein dreidimensionales Modell der Leiterplatte erstellt. Dieses wird genutzt, um einen Zusammenbau und Kabelbaum im mechanischen Entwurfs- werkzeug zu erstellen. Die Baugruppe wird auf Kollisionen und Fertigbarkeit überprüft. Abschließend werden die Fertigungsdaten mittels der elektrischen und mechanischen Entwurfswerkzeuge erstellt.

4.1.3 Forschung

Son, Na, Kim und Lee [146] präsentieren eine gemeinschaftliche Entwurfsumgebung zwischen mechanischen und elektrischen rechnergestützten Entwurfswerkzeugen (siehe Abbildung 4.5). Die Entwurfsumgebung besteht auf der einen Seite aus einem webbasierten Projektmanagement inklusive Entwurfsdatenaustausch und auf der anderen Seite aus einem System zur automatischen Generierung und Validierung dreidimensio- naler Leiterplattengestalten. Der beschriebene Entwicklungsprozess besteht aus vier aufeinander folgenden Pha- sen. In der Konzeptphase werden grobe Schaltpläne entworfen und wichtige Spezi- ﬁkationen der Bauteile betrachtet. Im Rahmen der Planungsphase wird die Leiter- plattenkontur aus der mechanischen Gestalt extrahiert und ein grobes Layout der Leiterplatte erstellt. Hierauf aufbauend wird eine Gestalt der Leiterplatte und seiner wichtigsten Bauteile konstruiert. In der Ausbildungsphase wird ein detaillierter Ent- wurf der Leiterplatte ausgearbeitet. Während der Phase erfolgt ein kontinuierlicher

156 4.1 Stand der Technik

Abbildung 4.5: Kollaborativer Entwurfsprozess zwischen mechanischen und elektrischen rechnergestützten Entwurfswerkzeugen [146, S. 7]

Datenaustausch zwischen dem Leiterplattenentwurf und der Mechanikkonstruktion. Der Entwicklungsprozess wird mit der Produktionsphase abgeschlossen. Die Zusammenarbeit beginnt in der Mechanikkonstruktion mit der Spezifikation der Leiterplattenkontur und der Platzierung der elektrischen Steckverbinder. Diese Daten werden in den Leiterplattenentwurf eingelesen und überprüft. Probleme werden dabei von der Mechanikkonstruktion behoben und die Daten erneut transferiert. Anschlie- ßend erfolgt eine Platzierung der Bauteile im Leiterplattenentwurf. Diese Daten werden von der Mechanikkonstruktion genutzt, um ein dreidimensionales Modell der Leiter- platte zu erstellen. Das Layout und die Gestalt werden mittels Entwurfsregeln überprüft. Im weiteren Verlauf wird das Layout entflechtet und die finale Flachbaugruppe erstellt.

4.1.4 Normen und Richtlinien Verschiedene Organisationen speziﬁzieren Normen und Richtlinien im Bereich des Leiterplattenentwurfs. Der weltweite Fachverband IPC – Association Connecting Elec- tronics Industries [93] vertritt die Leiterplatten- und Elektronikindustrie sowie deren Kunden und Lieferanten. Er veröffentlicht unter anderem verschiedene Industriestan- dards im Bereich der Elektronikfertigung. Die Vereinigung wurde 1957 unter dem ursprünglichen Namen Institute for Printed Circuits (IPC) gegründet und im Jahr 1999 in seine oben genannte Bezeichnung umbenannt. Der Fachverband Elektronik-Design (FED) [56] ist ein Partner für die gesamte deutschsprachige Elektronikindustrie. Er wurde 1992 gegründet und stellt übersetzte praxisnahe IPC-Richtlinien bereit. Das Deutsche Institut für Normung (DIN) [42] ist eine nationale Normungsorganisation in Deutschland und wurde 1917 gegründet. Es speziﬁziert unter anderem Normen für

157 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Bauteile und Schaltzeichen sowie die Produktion von Leiterplatten. Die International Electrotechnical Commission (IEC) [88] ist eine internationale Normungsorganisation und eine Schwesterorganisation der International Organization for Standardization (ISO). Sie wurde 1906 gegründet und veröffentlicht Normen im Bereich der Elektro- technik, Elektronik und verwandten Technologien. Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) [156] ist eine Vereinigung von Ingenieuren in Deutschland. Der Verein wurde 1856 gegründet und entwickelt Richtlinien in unterschiedlichen technischen Bereichen. Die Underwriters Laboratories (UL) [153] ist eine globale unabhängige Sicherheits- wissenschaftsgesellschaft. Sie wurde 1894 gegründet und zertifiziert, validiert, testet, inspiziert, prüft sowie berät und schult im Bereich Sicherheit sowohl von Produkten als auch Technologien. Gardeski [63] präsentiert einen Überblick verschiedener Normen und Spezifikatio- nen für die Produktion und Nutzung von flexiblen Leiterplatten. Keine Norm beschäf- tigt sich offenkundig mit dem eigentlichen Leiterplattenentwurfsprozess oder dessen Wechselwirkungen zu anderen Fachdisziplinen. Die Basisrichtlinie für das Design von Leiterplatten [57] spezifiziert beispielsweise Materialien, Fertigungs- und Bestückungs- technologien sowie das Testen von Leiterplatten. Der eigentliche Entwurfsprozess und insbesondere die Entwicklung eines Schaltplans wird nicht detailliert betrachtet. Die Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme [155] beschäftigt sich mit der methodischen domänenübergreifenden Entwicklung mechatronischer Systeme [66]. Der Fokus der Richtlinie bildet die frühe Phase im Entwicklungsprozess mit dem Schwerpunkt Systementwurf. Sie beschreibt eine Vorgehensweise, bestehend aus einem allgemeinen Problemlösungszyklus auf der Mikroebene, einem V-Modell auf der Makroebene und vordefinierten Prozessbausteinen zur Bearbeitung wieder- kehrender Aufgaben. Der Makrozyklus integriert die an der Entwicklung beteiligen Domänen (Mechanik, Elektrotechnik und Informationstechnik) in einem generischen Vorgehensmodell. Dieses basiert auf dem in der Softwaretechnik etablierten V-Modell. Es besteht aus den Schritten Systementwurf, domänspezifischer Entwurf und Systemin- tegration. Die Basis des Systementwurfs bilden die Anforderungen. Der Systementwurf entwickelt ein domänübergreifendes Lösungskonzept, dass die wesentlichen physikalischen und logischen Wirkungsweisen des zukünftigen Produktes beschreibt. Im domänspezifischen Entwurf wird das gemeinsam entwickelte Lösungskonzept meist getrennt in den beteiligen Domänen konkretisiert. Die Systemintegration kombiniert die Ergebnisse der einzelnen Domänen zu einem Gesamtsystem und untersucht dessen Zusammenwirken. Die Übereinstimmung zwischen den tatsächlichen und gewünschten Systemeigenschaften wird mittels der Eigenschaftsabsicherung überprüft. Das Ergebnis eines durchlaufenden Makrozyklus bildet das Produkt.

4.1.5 Softwarewerkzeuge Die Softwarewerkzeuge für den rechnergestützten Leiterplattenentwurf sind Teil der Electronic Design Automation (EDA) beziehungsweise des Electronic Computer-Aided

158 4.1 Stand der Technik

Design (ECAD). Entsprechend der Einnahmen sind die größten Softwareanbieter in diesem Bereich Mentor Graphics, Cadence, Zuken und Altium [5, S. 50][64]. Zusätzlich zu den kommerziellen Softwarewerkzeugen existieren verschiedene freie, kostenlose und quelloffene Programme. Leistungsfähige kommerzielle Softwarewerkzeuge für komplexe Systeme mit mehreren Leiterplatten sind entsprechend einer Veröffentlichung von Altium [5, S. 50] Cadence Allegro® [28, 27, 30], Zuken CR-8000 [172, 174, 173] und Mentor Gra- phics Xpedition® [113, 112, 110]. Etablierte kommerzielle Softwarewerkzeuge für komplexe Leiterplatten sind Altium Designer [3], Zuken CADSTAR [171], Cadence OrCad® [29, 30] und Mentor Graphics PADS® [111]. Kostengünstige kommerzielle Softwarewerkzeuge für einfache Leiterplatten sind CadSoft EAGLE [31] und Ing.-Büro Friedrich Target3001! [83]. Freie Softwarewerkzeuge sind unter anderem Altium CircuitMaker [4], RS Com- ponents DesignSpark PCB [40] und Silicon Frameworks PCBWeb [144]. DesignSpark PCB und PCBWeb besitzen eine direkte Integration des Bauteilkatalogs des Bauteil- distributors RS Components beziehungsweise Digi-Key. Zusätzlich sind beispielsweise EAGLE, Target3001! und OrCad® in einer eingeschränkten freien Variante verfügbar. Kostenlose Softwarewerkzeuge für nicht kommerzielle beziehungsweise quelloffene Projekte sind Autodesk 123D Circuits [8], EasyEDA [48] und Upverter [154]. Sie bestehen aus einem webbasierten Softwarewerkzeug und werden direkt im Webbrowser ausgeführt. Kommerzielle beziehungsweise private Projekte sind nur in einer kosten- pflichtigen Variante mit monatlicher Gebühr uneingeschränkt verfügbar. Quelloffene Softwarewerkzeuge sind gEDA [C12] und KiCad [C20]. Alle betrachteten Softwarewerkzeuge besitzen eine grafische Oberfläche zur Er- stellung von Schaltplänen und Layouts. Sie bestehen teilweise aus zwei einzelnen Programmen und die Schaltpläne und Layouts lassen sich mit Einschränkungen auch zwischen verschiedenen Herstellern austauschen. Zusätzlich zum Schaltplan unter- stützt unter anderem Upverter auch abstrakte funktionale Blockdiagramme, allerdings ohne Kopplung zum Schaltplan. CR-8000 und Xpedition® besitzen ein zusätzliches Programm für den Systementwurf. Diese dienen der Partitionierung eines Systems in mehrere Flachbaugruppen und unterstützen eine Verknüpfung zwischen Block- diagrammen und Schaltplänen. Das quelloffene Softwarewerkzeug KiCad und alle betrachteten kommerziellen Softwarewerkzeuge außer Target3001! unterstützen hierarchische Schaltpläne und damit eine Wiederverwendung von einzelnen Schaltungen. Viele Werkzeuge besitzen eine Unterstützung für Entwurfsregeln und alle nutzen Bi- bliotheken zur Verwaltung von Schaltzeichen und Anschlussflächen. Dabei sind das Einschränkungsmanagement und die Bibliotheken unterschiedlich ausgeprägt. Fast alle Softwarewerkzeuge besitzen eine Schnittstelle zur Mechanikkonstruktion mittels standardisierter Datenaustauschformate. Viele kommerzielle Werkzeuge bieten direkt eine dreidimensionale Darstellung der Leiterplatte sowie Flachbaugruppe. Zusätz- lich unterstützen sie ein Variantenmanagement und selten eine Nutzenerstellung. Sie besitzen teilweise eine integrierte Versionsverwaltung und eine gleichzeitige gemeinsa-

159 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Umfeld

Block- diagramm- entwurf System- Schaltplan- Funktionen Block- entwurf entwurf diagramm

Anforde- rungen

Abbildung 4.6: Blockdiagrammentwurf me Projektbearbeitung. Die freien, kostengünstigen und webbasierten Softwarewerk- zeuge bieten häuﬁg nur die Kernfunktion oder ausgewählte Zusatzfunktionen. Viele Softwarewerkzeuge besitzen verschiedene Varianten und damit einen anpassbaren Funktionsumfang.

4.1.6 Praxis

Die Beschreibung des klassischen Leiterplattenentwurfsprozesses in der Praxis orientiert sich an den entsprechenden praktischen Übungen der Vorlesung „Eingebettete Systeme“ und dem angewendeten Entwurfsablauf in der Arbeitsgruppe „Kognitro- nik und Sensorik“ der Universität Bielefeld. Die aktive Entwicklung des Miniroboters AMiRo ermöglichte eine detaillierte Betrachtung der einzelnen Aufgaben und Daten- ﬂüsse im Entwurfsprozess. Die Prozessaufnahme und Modellierung basieren auf der entwickelten Entwicklungsprozessmodellierung (siehe Abschnitt 2.5). Der klassische Leiterplattenentwurfsprozess besteht aus den sequenziellen Entwurfs- aufgaben Blockdiagramm, Schaltplan und Layout. Er beginnt nach dem interdiszipli- nären Systementwurf und beinhaltet verschiedene optionale Simulationen innerhalb der einzelnen Entwurfsaufgaben.

Blockdiagrammentwurf

Der Blockdiagrammentwurf konzipiert die abstrakte funktionale Architektur einer Leiterplatte (siehe Abbildung 4.6). Er beinhaltet eine Speziﬁzierung der essenziellen Funktionseinheiten einer Leiterplatte und deren wesentlichen Verbindungen untereinander. Die Funktionseinheiten repräsentieren unter anderem Sensoren, Aktoren

160 4.1 Stand der Technik

Block- Block- diagramm- diagramm entwurf

Beschaffung Stückliste

Konstruktion Bauraum

Layout- entwurf

Software- Rechen- architektur- leistung entwurf Schaltplan- entwurf Schaltungs- simulation

Fertigungs- Fertigungs- planung Schaltplan technologien

logiksche Schaltungs- entwicklung

Bestückungs- Bestückungs- planung technologien

Basis- softwareentwicklung

Bauteil- bibliothek

Abbildung 4.7: Schaltplanentwurf

(Energiesteller und -wandler), Informationsverarbeitung und Steckverbinder. Letz- tere beschreiben die elektrischen Schnittstellen zwischen der Leiterplatte und deren Umfeld. Die Verbindungen beschreiben Energieversorgung, Kommunikations- und Steuerschnittstellen. Ein Systementwurf beeinﬂusst den Blockdiagrammentwurf durch die Anforderungen, Funktionen und das Umfeld der Leiterplatte. Die Architektur der Leiterplatte wird mittels eines Blockdiagramms an den Schaltplanentwurf übergeben.

Schaltplanentwurf

Der Schaltplanentwurf verfeinert das Blockdiagramm und entwickelt die Schaltung einer Leiterplatte (siehe Abbildung 4.7). Er verfeinert einzelne Funktionseinheiten

161 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses durch ein oder mehrere Bauteile. Eine Bauteilrecherche ermittelt pro Funktionsein- heit realisierbare Lösungen und sammelt deren Eigenschaften in einer Tabelle. Eine Bauteilauswahl vergleicht die Bauteile und ermittelt für jede Funktionseinheit eine Lö- sung. Bauteilrecherche und -auswahl bilden zusammen eine Entwurfsraumexploration inklusive Mehrzieloptimierung. Die ausgewählten Bauteile werden entsprechend der Datenblätter und Anwendungshinweise miteinander verschaltet und um ihre benötigte Beschaltung aus vorwiegend passiven Bauteilen erweitert. Unter Umständen werden verschiedene Lösungsansätze für einzelne Schaltungen erarbeitet und verglichen. Die Bauteilauswahl wird durch die Fertigungs- und Bestückungstechnologien einge- schränkt. Die Fertigungstechnologie wird im Rahmen der Fertigungsplanung spezifiziert und beinhaltet unter anderem die kleinste Strukturgröße. Die Bestückungstechnologie wird im Kontext der Bestückungsplanung festgelegt und umfasst beispielsweise minimale Bauteilgrößen und Bestückungstechniken. Außerdem wird der Auswahlprozess durch den verfügbaren Bauraum und die benötigte Rechenleistung durch die Konstruktion beziehungsweise Softwareentwicklung beeinflusst. Aufbauend auf der Stückliste erfolgt ein Einkauf der Bauteile durch die Beschaffung. Die Schaltungssimulation testet den Schaltplan und simuliert das analoge, digitale oder gemischte Verhalten der Schaltung. Die logische Schaltungsentwicklung erzeugt aus dem Schaltplan die Anschlusskonfi- guration und Syntheseparameter der programmierbaren logischen Schaltungen. Die Basissoftwareentwicklung extrahiert aus dem Schaltplan eine Hardwarekonfiguration für die Basissoftware. Die Eigenschaften und Schaltzeichen der Bauteile werden in einer Bauteilebibliothek gespeichert und im Schaltplan referenziert beziehungsweise integriert. Der Schaltplan dient als Grundlage für den Layoutentwurf.

Layoutentwurf

Der Layoutentwurf transferiert den Schaltplan in die dreidimensionale Gestalt einer Leiterplatte (siehe Abbildung 4.8). Er spezifiziert die Anschlussflächen der Bauteile und überführt die Netze der Schaltung in Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Die Lötflächen der Anschlussflächen werden in ihrer zweidimensionalen Gestalt spezifiziert und in einer Anschlussflächenbibliothek gespeichert. Der Layoutentwurf unterteilt sich in Bauteilplatzierung und Leiterplattenentflech- tung. Die Bauteilplatzierung positioniert die Anschlussflächen der Bauteile auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte. Die Konstruktion beeinflusst die Platzierung über den Bauraum des Leiterplattenumfelds. Die Leiterplattenentflechtung verbindet die einzelnen Lötflächen der Anschlussflächen. Sie verfeinert die Netze im Schaltplan mittels Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Die Fertigungsplanung beeinflusst die Entflechtung indirekt über den Lagenaufbau und die Fertigungstechnologie. Der Lagenaufbau spezifiziert unter anderem die Reihenfolge, Dicke und Abstände der Leiterbahnebenen sowie Durchmesser, Anfangs- und Endebene der Durchkontaktierun- gen. Die Fertigungstechnologie definiert beispielsweise die kleinste Leiterbahnbreite, den minimalen Leiterbahnabstand und Bohrenddurchmesser. Die Integritätsanalyse

162 4.2 Problemstellung

Schaltungs- Schaltplan entwurf

Konstruktion Integritäts- Bauraum Layout analyse

Layout- entwurf Fertigungs- Fertigungs- Layoutdaten daten- technologien aufbereitung

Fertigungs- planung

Bestückungs- Bestückungs- Lagenaufbau daten- daten aufbereitung

Anschluss- ﬂächen- bibliothek

Abbildung 4.8: Layoutentwurf

überprüft unter anderem die Entwärmung, elektromagnetische Verträglichkeit, Signal- oder Leistungsintegrität des Layouts. Aus dem Layout werden Layoutdaten inklusive Bohrdaten für die Fertigungsdatenaufbereitung extrahiert und die Bestückungsdaten einschließlich Lötpastenmasken für die Bestückungsdatenaufbereitung abgeleitet.

4.2 Problemstellung

Die Literatur beschreibt die einzelnen Aufgaben im Leiterplattenentwurf mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad. Den Schwerpunkt des Leiterplattenentwurfsprozesses von Ritchey [138], Holden [82], Händschke [77] und Wilson [163] bildet jeweils der Layoutentwurf und insbesondere die Leiterplattenentﬂechtung. Redlich [137] und Schmidt [143] führen zwar Wechselbeziehungen zu anderen Fachdisziplinen auf, gleichwohl erläutern sie diese nicht im Detail. Dankovic u. a. [38] sowie Son u. a. [146] beschreiben eine Wechselwirkung zum Maschinenbau beziehungsweise zur Konstrukti-

163 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses on und präsentieren dessen Integration in den Leiterplattenentwurfsprozess. Insgesamt werden Wechselwirkungen zu anderen Fachdisziplinen abseits der Konstruktion selten und nur abstrakt betrachtet. Der Übergang zwischen interdisziplinärem Systementwurf und fachspezifischen Leiterplattenentwurf wird in der Literatur nicht betrachtet. Häufig wird sogar auf das Blockdiagramm verzichtet und der detaillierte Schaltplan bildet den Einstiegspunkt in den Leiterplattenentwurf. Einige leistungsstarke Softwarewerkzeuge besitzen zwar eine Verknüpfung zwischen Blockdiagramm und Schaltplan, aber es fehlt eine standardisierte grafische Darstellung und eine Schnittstelle zum Systementwurf.

Wechselwirkungen Die Datenflussmodellierung eines Leiterplattenentwurfsprozesses in der Praxis zeigt neben Abhängigkeiten innerhalb der Elektrotechnik auch Wechselwirkungen zum Systementwurf, der Informationstechnik, der Konstruktion und der Produktion. Eine Wechselwirkung zum Systementwurf besteht über die Systemarchitektur. Sie beeinflusst die Bauteilauswahl und verfügbare Bestückungs- und Fertigungstechnologie. Der Auswahlprozess steht in starker Wechselwirkung mit anderen fachfremden Entwick- lungsaufgaben und kann nur interdisziplinär gelöst werden. Beispielsweise muss die Informationsverarbeitung in Abstimmung mit der Softwaretechnik oder die Sensoren und Leistungselektronik zusammen mit der Regelungstechnik ausgewählt werden. Zudem beeinflusst der Bauraum und damit die Konstruktion den Auswahlprozess. Es existiert allerdings keine direkte Kopplung zwischen dem Schaltplan und der inter- disziplinären Systemarchitektur. Der Leiterplattenentwurf beginnt zwar mit einem Blockdiagramm der Schaltung, allerdings ist dieses nicht standardisiert und es existiert keine Kopplung zum Systementwurf. Weiterhin existieren keine Methoden, um Anforderungen und Einschränkungen im Blockdiagramm zu beschreiben. Dies führt zu einer Abgrenzung zwischen dem interdisziplinären Systementwurf, der fachspezifischen Detaillierung und den einzelnen Fachdisziplinen. Es fehlt ein standardisiertes Modell der Leiterplatte, welcher die Systemarchitektur des Systementwurfs mit dem Schaltplan des Leiterplattenentwurfs verbindet.

Bauteilauswahlprozess Der Bauteilauswahlprozess im klassischen Leiterplattenentwurf ist nicht spezifiziert und besitzt keine explizite Integration anderer Fachdisziplinen. Beispielsweise wird die Beschaffung nur rudimentär in die Auswahl der Bauteile, etwa durch Beschränkung der Bauteilauswahl oder feste Stückkosten, einbezogen und führt damit zu nachträglichen Änderungen im Entwurf aufgrund von wirtschaftlichen Einflussfaktoren. Außerdem benötigt der Auswahlprozess bereits detaillierte Informationen über die Leiterplatten- technologien, da diese mit den Anschlussflächen der Bauteile in Wechselwirkung stehen. Weiterhin wird die Bauteilauswahl nicht dokumentiert und ist damit später nur schwer nachzuvollziehen. Zusätzlich werden Bauteile mittels Eigenschaften spezifiziert und es

164 4.2 Problemstellung

fehlen technische Anforderungen und Einschränkungen. In einem späteren Prozess ist unklar, ob ein Bauteil der optimalen Lösung entspricht und auf welcher Grundlage die Auswahl erfolgte. Auf Änderungen am Markt kann ohne diese Informationen nur schwer reagiert werden. Dies erschwert auch die Wiederverwendung von Teilschal- tungen, da diese eine zum Entwurfszeitpunkt optimale Lösung beschreiben. Auf diese Weise können in verschiedenen wiederverwendeten Schaltungen unterschiedliche Bau- teile mit ähnlichen Eigenschaften vorkommen. Dies erhöht die Herstellungskosten oder bedeutet eine manuelle nachträgliche Ersetzung der Bauteile ohne genaues Wissen über die ursprüngliche Grundlage der Bauteilauswahl.

Anschlussbelegung

Der Schaltplan im klassischen Leiterplattenentwurfsprozess mischt sowohl logische als auch physische Eigenschaften. Er enthält neben den logischen Verbindungen zwischen den Bauteilen auch die physische Anschlussbelegung der Gehäuse. Dies führt dazu, dass beispielsweise eine integrierte Schaltung mit unterschiedlichen Gehäuseformen verschiedene Schaltzeichen und damit Schaltpläne benötigt. Auf der anderen Seite lässt sich die Anschlusskonﬁguration einzelner Anschlüsse nicht direkt im Schaltplan beschreiben.

Bauteilplatzierung

Die Leiterplattenform und Bauteilplatzierung beeinflusst sowohl die Entflechtung der Leiterplatte als auch die mechanische Konstruktion des Systems. Einerseits spezifiziert die Konstruktion die Gehäusegestalt, Verbindungstechnik und Positionen elektrischer Steckverbinder und andererseits platziert der Leiterplattenentwurf die zweidimensionalen Anschlussflächen der elektrischen Bauteile. Moderne Softwarewerkzeuge zum Entflechten der Leiterplatte unterstützen neben einer zweidimensionalen Sicht der Leiterplattenebenen auch eine dreidimensionale Sicht der Flachbaugruppe. Dies ermöglicht dem Entwickler den Bauraum während der Platzierung zu berücksichtigen und ein Flachbaugruppenmodell für die Kollisionsprüfung zu erstellen. Ein Daten- austausch zwischen den Entwurfswerkzeugen der Fachdisziplinen wird bereits über Datenaustauschformate unterstützt und es existieren Forschungen hinsichtlich einer gemeinsamen Entwurfsumgebung [38, 146].

Bauteilkonﬁguration

Der Leiterplattenentwurf steht über die Konfiguration von integrierten Schaltungen in Wechselwirkung mit der Softwareentwicklung. Einerseits spezifiziert der Schaltplan die Anschlussbelegung von Bauelementen und damit indirekt die gewünschte Konfigu- ration der Anschlüsse und Bauteile. Andererseits entwickelt die Softwareentwicklung

165 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses eine Programmierung und damit tatsächliche Konfiguration der Bauteile. Im klassischen Leiterplattenentwurf erfolgt dieser Datenaustausch manuell über den Schaltplan. Insbesondere die implizite Anschlusskonfiguration und fehlende Beschreibung der Konfigurationen im Schaltplan erschwert diesen Datenaustausch.

Entwurfsregeln Die Entflechtung der Leiterplatte wird durch Entwurfsregeln beeinflusst. Diese kon- trollieren beispielsweise die Leiterbahnbreite, die Impedanz und Dämpfung von Lei- terbahnen sowie Längenausgleich und Übersprechen zwischen Leiterbahnen. Die Ent- wurfsregeln hängen von den Protokollen und Signalstandards der Anschlüsse sowie den Fertigungstechnologien und dem Lagenaufbau ab. Im klassischen Leiterplattenent- wurf definieren der Schaltplan und das Layout die spezifischen Entwurfsregeln. Der Entwickler muss diese manuell spezifizieren und den einzelnen Netzen zuordnen.

Datenaufbereitung Die Leistungsdaten, Anschlussﬂäche, Gestalt und Beschaltung von Bauteilen werden üb- licherweise in Datenblättern und Anwendungshinweisen speziﬁziert. Die Verwendung dieser Informationen benötigt eine manuelle Extraktion und ermöglicht keine direkte digitale Verwendung der Daten. Dadurch wirken sich Korrekturen oder Änderungen nicht direkt auf den Anwender aus. Insbesondere Fehler in den Datenblättern können hierbei zu einer späten, aufwändigen und kostenintensiven Anpassung führen. Es existieren keine elektronischen Datenblätter oder werkzeug- und herstellerunabhängige Bibliotheken.

Fertigung Der Datenaustausch mit der Produktion geschieht manuell oder mittels einzelner werkzeugspezifischer Datenformate oder standardisierter Datenaustauschformate. Die Be- stückungs- und Fertigungstechnologie sowie der Lagenaufbau werden textuell, grafisch oder mittels werkzeugspezifischer Datenformate ausgetauscht. Es fehlt eine Werkzeug- unterstützung standardisierter Datenaustauschformate und detaillierte Informationen über den Produktionsprozess für einen Entwurf für die Produktion (design for manu- facturability). Beispielsweise fehlen dem Entwickler Informationen über eine zulässige stellenweise Unterschreitung der minimalen Leiterbahnabstände oder eine realisierbare partielle Entfernung von Teilen einer Lötfläche zur Entflechtung von kleinen Anschlussflächen. Die Fertigungs-, Bestückungs- und Testdaten werden in einzelnen Datenformaten übertragen. Einerseits besteht die Gefahr einer Inkonsistenz zwischen den einzelnen Produktionsdaten und andererseits enthalten die Formate nicht alle benötigten Informationen für die Produktion. Es bestehen allerdings verschiedene Bestrebungen die einzelnen Formate durch ein einzelnes Datenformat zu ersetzen.

166 4.3 Begriffsdeﬁnitionen

Unter anderem existiert das proprietäre ODB++, die IPC-2581 und das Gerber X2. Die ODB++ [6] der ODB++ Solutions Alliance speichert die oben beschriebenen Daten inklusive Leiterbahnebenen, Bohrdaten, Lagenaufbau, Materialinformationen, Stückliste, Bauteilpositionen und Netzliste in einer Hierarchie von Verzeichnissen und Dateien. Die Norm Generic Requirements for Printed Board Assembly Products Manufac- turing Description Data and Transfer Methodology [91] basiert unter anderem auf einer eXtensible Markup Language (XML) Version der ODB++ ursprünglich von Valor Compu- terized Systems und enthält ähnliche Daten in einer einzelnen XML Datei. Gerber X2 [152] von Ucamco erweitert das verbreitete Extended Gerber Format um vergleichbare Informationen und ist zusätzlich abwärts kompatibel zum ursprünglichen Extended Gerber Format. Alle erweiterten Formate benötigen allerdings eine Dokumentation der entsprechenden Informationen im Leiterplattenentwurfsprozess und setzen eine Anpassung des Entwurfsprozesses und der Werkzeuge voraus.

Lösungsansatz

Der entwickelte agile Leiterplattenentwurfsprozess betrachtet den Entwurf als Teil eines interdisziplinären Entwurfsprozesses. Die einzelnen fachspeziﬁschen Entwurfsprozes- se sind miteinander verknüpft und es existiert ein kontinuierlicher Datenaustausch. Außerdem beginnt der Leiterplattenentwurf bereits im Systementwurf und verfeinert die entsprechenden interdisziplinären Modelle. Dabei erweitert er das Konzept der hierarchischen Schaltpläne und Bibliotheken der kommerziellen Softwarewerkzeuge. Das Ziel des agilen Leiterplattenentwurfsprozesses ist eine schrittweise Verfeinerung der Schaltung einer Leiterplatte. Dies beinhaltet eine Auswahl der eigentlichen Bau- teile beziehungsweise Artikel am Ende des Entwurfsprozesses. Eine einheitliche und durchgängige Modellierung zwischen den verschiedenen Fachdisziplinen und Entwurfs- aufgaben vereinfacht die Kommunikation und Abstimmung.

4.3 Begriffsdeﬁnitionen

Die Begriffsdefinition erfolgt in Anlehnung an die Elektronik Tabellen [114], das Inter- nationale Elektrotechnische Wörterbuch [41] und das DIN-TERMinologieportal [43]. Die Definitionen enthalten teilweise Fragmente aus verschiedenen Normen. Sie verfeinern unspezifizierte und nicht eindeutige Begriffe und behandeln nur den Kontext des Leiterplattenentwurfs. Eine Leiterplatte (printed circuit board) (siehe Abbildung 4.9) ist eine Platte mit Leiterbahnen zum Anschluss von elektrischen Bauteilen [43, Stichwort: Leiterplat- te; DIN EN 60947-7-4]. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung von Bauteilen und beinhaltet eine äußere und innere Verdrahtung. Eine Leiterplatte wird nach ihrem Aufbau (ein-, doppel- oder mehrlagig) und der Art ihrer

167 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Abbildung 4.9: Beispiel einer Leiterplatte (Näherungssensorleiterplatte)

Power POPOWERPower PIL102 COL1L1 PIL101 BLM15PD121SN1D PIC102 PIC202 COC1C1 COC2C2 10u 100n PIC302 PIC101 PIC201 SenseElectrode[1..12] POGROUNDGround COC3C3 POSENSEELECTRODE1POSENSEELECTRODE2POSENSEELECTRODE3POSENSEELECTRODE4POSENSEELECTRODE5POSENSEELECTRODE6POSENSEELECTRODE7POSENSEELECTRODE8POSENSEELECTRODE9POSENSEELECTRODE10POSENSEELECTRODE11POSENSEELECTRODE12POSENSEELECTRODE0100120SenseElectrode[1..12] 100n Power PIC301 COU1U1 GND 20 8 SenseElectrode1 PIU1020 VDD ELE0 PIU108 PIR102 9 SenseElectrode2 ELE1 PIU109 COR1R1 GND 5 10 SenseElectrode3 PIU105 VREG ELE2 PIU1010 10k 11 SenseElectrode4 ELE3 PIU1011 PIR101 12 SenseElectrode5 POINTERRUPT0NInterrupt_N ELE4/LED0 PIU1012 1 13 SenseElectrode6 PIU101 IRQ_N ELE5/LED1 PIU1013 I2C 14 SenseElectrode7 ELE6/LED2 PIU1014 2 15 SenseElectrode8 POI2CPOI2C0SCLPOI2C0SDAI2C SCL PIU102 SCL ELE7/LED3 PIU1015 3 16 SenseElectrode9 SDA PIU103 SDA ELE8/LED4 PIU1016 17 SenseElectrode10 ELE9/LED5 PIU1017 4 18 SenseElectrode11 PIU104 ADDR ELE10/LED6 PIU1018 19 SenseElectrode12 ELE11/LED7 PIU1019 6 7 PIU106GND REXT PIU107 PIR202 MPR121 COR2R2 GND PIR201 75k

GND

Abbildung 4.10: Beispiel eines Schaltplans (Kapazitiver Berührungssensor)

Basiswerkstoffe (starr, flexibel, Starrflex und Semiflex) kategorisiert [41, IEV-Nummer: 541-01-03]. Eine Schaltung (electronic circuit) ist eine Anordnung von untereinander verbundenen Bauelementen und besteht aus geschlossenen Stromkreisen. Einzelne Bauelemente sind über ihre Anschlüsse verbunden. Ein Anschluss (port, pin) ist ein Ein- oder Ausgang eines Elements [41, IEV-Nummer: 131-11-11]. Er bildet eine spezifische Schnittstelle des betrachteten Elements mit der äußeren Umgebung [43, Stichwort: Anschluss; DIN EN 50065-2-3]. Ein Anschluss ist von außen zugänglich und dient der mechanischen, elektrischen oder thermischen Verbindung. Ein Schaltplan (circuit diagram, schematic diagram) (siehe Abbildung 4.10) ist eine schematische Darstellung einer Schaltung [43, Stichwort: Schaltplan; DIN EN 61082-1]. Einzelne Elemente werden durch Schaltzeichen abgebildet. Ein Schaltzeichen (electronic symbol) ist ein standardisiertes grafisches Symbol für ein Bauelement oder eine Klasse von Bauteilen. Unter anderem definiert die Graphical Symbols for Diagrams [87] verschiedene elektrische Symbole für Schaltpläne. Die Schaltzeichen werden mittels elektrischer Netze verbunden. Ein Netz (net) ist eine ungeordnete Mehrpunktverbin- dung zwischen Anschlüssen [41, IEV-Nummer: 131-11-06]. Es wird durch Linien, Knotenpunkte und Beschriftungen dargestellt. Letztere benennen Netze und verbinden gleichnamige Netze ohne grafische Linien. Ein Schaltplan lässt sich in einzelne Teile

168 4.3 Begriffsdeﬁnitionen

zerlegen. Diese sind durch Anschlüsse miteinander verbunden. Der Schaltplan einer Leiterplatte beschreibt ein in sich geschlossenes System und besitzt keine Anschlüsse. Ein Bauelement (element) ist die kleinste, nicht weiter zerlegbare logische Einheit einer Schaltung [43, Stichwort: Bauelement; DIN EN 61014:2004-02]. Es besitzt eine elektronische, elektrische oder elektromechanische Funktion [43, Stichwort: Bauele- ment; DIN EN 16602-70-08:2015-05]. Ein Bauelement lässt sich nicht in kleinere Bestandteile zerlegen, ohne seine spezifische Funktion zu verlieren [41, IEV-Nummer: 151-11-21]. Eine integrierte Schaltung (integrated circuit) ist eine aus Halbleitermate- rial aufgebaute elektronische Schaltung. Sie besteht aus untrennbar miteinander verbundenen Schaltungselementen oder elektrischen miniaturisierten Bauteilen [41, IEV- Nummer: 521-10-03]. Eine integrierte Schaltung beinhaltet typischerweise komplexe Schaltungen und teilweise mehrere Millionen von Transistoren auf einem Quadratmil- limeter. Beispiele für integrierte Schaltungen sind mikro-elektro-mechanische Systeme (Micro-Electro-Mechanical System (MEMS)), Mikrocontroller und Leistungstreiber. Die elektrische Anbindung einer Leiterplatte erfolgt üblicherweise über Steckverbinder. Ein Steckverbinder (connector) ist ein Bauelement für eine trennbare elektrische Ver- bindung [43, Stichwort: Steckverbinder; DIN EN 61169-1]. Er bildet eine Einheit aus Kontakten und Gehäuse und ist dazu bestimmt eine trennbare Verbindung mit einem passenden Gegenstück herzustellen [41, IEV-Nummer: 151-12-19]. Ein Steckverbinder gestattet es Kabel und Leiterplatten mechanisch trennbar zu verbinden [43, Stichwort: Steckverbinder; DIN EN 14691:2015-03]. Eine Leiterplatte ist Bestandteil vieler elektronischer Geräte (siehe Abbildung 4.11). Ein Gerät (device) ist ein einzelner, räumlich abgegrenzter Gegenstand und besteht aus Baugruppen [43, Stichwort: Gerät; DIN 24970:1998-05]. Eine Baugruppe (assembly) ist eine mechanische Konstruktion aus mehreren mechanischen Bauteilen oder Bau- gruppen [43, Stichwort: Baugruppe; DIN IEC 60068-3-3:1993-09]. Sie definiert die mechanischen Beziehungen zwischen Bauteilen sowie Baugruppen und wird in einem Montageprozess zusammengebaut. Eine Flachbaugruppe (printed circuit assembly) ist eine spezielle Baugruppe und besteht aus einer mit elektronischen Bauteilen be- stückte Leiterplatte [43, Stichwort: Flachbaugruppe; DIN EN 61188-5-1:2003-06]. Ein Bauteil (component) ist ein funktionsmäßig nicht zerlegbarer physischer Bestandteil einer Konstruktion und kann gewöhnlich nicht ohne Zerstörung oder Funktionsverlust demontiert beziehungsweise zerlegt werden [41, IEV-Nummer: 426-15-05][43, Stich- wort: Bauteil; DIN EN 50625-1]. Es wird nach einer technischen Beschreibung und einem Arbeitsplan produziert und als Artikel gehandelt. Ein Artikel (article) ist eine Ware oder ein materielles Wirtschaftsgut im Handel. Ein Gehäuse (case, package) ist eine feste Umhüllung eines Bauteils [41, IEV-Nummer: 521-05-31]. Eine Anschlussbelegung (pinout, pin assignment) ist eine Zuordnung von Funktionen zu einzelnen Anschlüssen eines Bauteils (siehe Abbildung 4.12b). Die Anschlüsse eines Bauteils sind nummeriert und benannt. Nummern identifizieren die Anschlüsse und Namen beschreiben die Funktion der Anschlüsse. Dabei können mehrere Anschlüsse eines Bauteils über die gleiche Beschriftung und damit Funktion verfügen. Die An-

169 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

«device»

«assembly» «assembly» «assembly» «assembly»

[2] [4] [2] [4] «assembly» «assembly» «assembly» «board assembly« «component»

«component» «component» «component» «component» «component»

Abbildung 4.11: Beispiel einer Systemarchitektur, bestehend aus Gerät, Baugruppen, Flachbaugruppe und Bauteilen

schlüsse insbesondere von integrierten Schaltungen verfügen teilweise über mehrere Funktionen und können zur Laufzeit konfiguriert werden. Eine Anschlussfläche (footprint) dient unter anderem der Verbindung und Befes- tigung von Bauteilen und beschreibt die Form sowie Position von Lötflächen eines Bauteils (siehe Abbildung 4.12c) [43, Stichwort: Anschlussfläche; DIN EN 60127-4]. Eine Lötfläche (pad) ist sowohl eine mechanische als auch elektrische Verbindung zwischen einem Anschluss eines Bauteils und einer Leiterbahn einer Leiterplatte. Einerseits existieren Bauteile mit gleichen Eigenschaften und verschiedenen Anschlussflächen,

170 76623SODVWLFWKLQVKULQNVPDOORXWOLQHSDFNDJHOHDGVERG\ZLGWKPP 627

' ( $ ;

F 4.3 Begriffsdeﬁnitionen \ +( Y 0 $

= A01 20 VDD î A12 19 SDA A23 18 SCL INT04 4 17 INT SD0$ 5 16 SC3 $ $ $ PCA9544AD SLQLQGH[ SC06 15 SD3 INT17 14 INT3 ș SD18 /S 13 SC2 SC19 / 12 SD2 V 10 11 INT2 SS GHWDLO; Z 0 ES 002aae293 H î

VROGHUODQGV (a) Gehäuse (b) AnschlussbelegungRFFXSLHGDUHD SODFHPHQWDFFXUDF\(c) Anschlussﬂäche'LPHQVLRQVLQPP VRWBIU [123, S. 19] [123, S. 4] [123, S. 24]

Abbildung 4.12: Beispiele der physischen Eigenschaften eines elektrischen î Bauteils (Vierkanalmehrfachkoppler) PP î HQODUJHGVROGHUODQG VFDOH

',0(16,216 PPDUHWKHRULJLQDOGLPHQVLRQV $ 81,7 $ $ $ E F ' ( H + /«functional / 4 unit»Y Z \ = ș PD[ S ( S Proximity Sensor «full» : Tube Connector R PP Board Assembly R

1RWHV 3ODVWLFRUPHWDOSURWUXVLRQVRIPPPD[LPXPSHUVLGHDUHQRWLQFOXGHG 3ODVWLFLQWHUOHDGSURWUXVLRQVRIPPPD[LPXPSHUVLGHDUHQRWLQFOXGHG î [2] î 287/,1( 5()(5(1&(6 (8523($1 ,668('$7( 9(56,21 ,(& -('(& -(,7$ 352-(&7,21 ERDUGGLUHFWLRQ «functional unit» «functional unit» 627 02 Proximity Sensor Touch Sensor System VROGHUODQGV VROGHUUHVLVW RFFXSLHGDUHD SODFHPHQWDFFXUUDF\System 'LPHQVLRQVLQPP VRWBIZ

[4] [4]

«functional unit» «functional unit» «functional unit» «functional unit» Capacitive Touch Four Channel Touch Electrode Proximity Sensor Sensor Multiplexer

Abbildung 4.13: Beispiel einer Architektur als Blockdeﬁnitionsdiagramm (Näherungs- sensorﬂachbaugruppe)

andererseits passen Bauteile mit unterschiedlichen Eigenschaften auf gleiche Anschluss- ﬂächen. Ein Blockdiagramm (block diagram) ist eine graﬁsche Darstellung der Struktur einer Leiterplatte (siehe Abbildung 4.13). Es beschreibt beispielsweise die Funktionseinheiten einer Leiterplatte und deren Verbindungen sowie die externen Schnittstellen einer Leiterplatte. Eine Funktionseinheit (functional unit) ist eine nach Aufgabe oder Wirkung abgrenzbare Betrachtungseinheit [41, IEV-Nummer: 351-56-02]. Sie bildet eine abgeschlossene Gruppe zusammenwirkender Elemente, die zur Erfüllung der gleichen Funktion beitra-

171 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses gen [43, Stichwort: Funktionseinheit; DIN EN 61439-1]. Eine Funktionseinheit steht über Anschlüsse mit der Umgebung in Beziehung. Sie besteht aus weiteren Funktions- einheiten oder repräsentiert ein Bauelement oder eine Schaltung von Bauelementen. Eine Leiterplatte besteht aus einzelnen Lagen von isolierenden und leitenden Materia- lien. Isolierende Schichten werden typischerweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Leitende Leiterbahnebenen werden gewöhnlich aus einer dünnen Kupfer- schicht geätzt. Eine Leiterbahnebene (layer) ist eine elektrisch leitende horizontale Lage einer Leiterplatte [41, IEV-Nummer: 541-01-04][43, Stichwort: Leiterbild; DIN EN 61188-5-1:2003-06]. Sie wird aus einem kupferkaschierten Basismaterial durch selektives Ätzen von überschüssigem Kupfer hergestellt und besteht aus einzelnen Leiterbahnen. Eine Leiterbahn (track) ist eine zweidimensionale elektrische Verbin- dung auf einer Leiterbahnebene [43, Stichwort: Leiter; DIN EN 61188-5-1:2003-06]. Einzelne Leiterbahnen auf verschiedenen Leiterbahnebenen werden mittels Durchkon- taktierungen verbunden. Eine Durchkontaktierung (via) ist eine vertikale elektrische Verbindung zwischen Leiterbahnebenen [43, Stichwort: Durchkontaktierung; DIN EN 50390:2005-02]. Sie besteht typischerweise aus einer innen metallisierten Bohrung und verbindet mindestens zwei aufeinander folgende Leiterbahnebenen. Leiterbah- nen und Durchkontaktierungen dienen der Signalübertragung, Temperaturableitung, Strom- oder Spannungsversorgung. Sie beschreiben die Gestalt der Netze im Schaltplan. Die äußeren Leiterbahnebenen einer Leiterplatte werden üblicherweise durch einen zusätzlichen Lot-, Nickel-Gold-, Zinn- oder Silberüberzug sowie einem Lötstopplack bedeckt. Die Bauteile werden auf Anschlussflächen auf der Ober- und Unterseite einer Leiterplatte gelötet. Ein Lagenaufbau (layer stack, stackup) spezifiziert die einzelnen Lagen und Durch- kontaktierungen einer Leiterplatte. Er beschreibt sowohl die Dicke der einzelnen Lagen als auch dessen Materialien. Zusätzlich definiert er den Aufbau und die Eigenschaften der Durchkontaktierungen. Ein Layout (layout plan) ist eine zweidimensionale grafische Darstellung der Geo- metrie einer Leiterplatte (siehe Abbildung 4.14). Ein Layout besteht aus Leiterplatten- grundriss, Bestückungsplan, Leiterbahnebenen, Bestückungsdruck, Lötpastenmaske, Lötstoppmaske und Bohrdaten. Es spezifiziert die Entflechtung der Netze zwischen den Anschlussflächen mittels Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Ein Leiterplat- tengrundriss (board outline) spezifiziert die mechanische Gestalt einer Leiterplatte. Er beschreibt eine von oben gesehene horizontale Ebene und beinhaltet Löcher, Aus- sparungen und die Kontur einer Leiterplatte. Ein Bestückungsplan (assembly plan) ist eine räumliche grafische Darstellung der Position und Orientierung der Bauteile einer Leiterplatte. Er platziert die Anschlussflächen der Bauteile auf der oberen und unteren Leiterbahnebene einer Leiterplatte. Ein Bestückungsdruck (overlay) spezifiziert die Beschriftung und Kennzeichnung der Bauteile und Leiterplatte. Die Kennzeich- nung beinhaltet Position, Kontur, Polarität und Name der Bauteile. Sie erleichtert die manuelle Bestückung der Leiterplatte und Reparatur der Flachbaugruppe. Eine Lötpastenmaske (paste mask) beschreibt die mit Lötpaste zu bedeckenden Flächen

172 4.3 Begriffsdeﬁnitionen

PAC40Proximity1101 COC40Proximity11 PAC40Proximity1102 PAC40Proximity1101 COC40Proximity11 PAC40Proximity1102 PAC40Proximity2101 COC40Proximity21 PAC40Proximity2102 PAC40Proximity2101 COC40Proximity21 PAC40Proximity2102 PAC40Proximity4101 COC40Proximity41 PAC40Proximity4102 PAC40Proximity4101 COC40Proximity41 PAC40Proximity4102 PAC40Proximity3101 COC40Proximity31 PAC40Proximity3102 PAC40Proximity3101 COC40Proximity31 PAC40Proximity3102 PAC40Proximity1201 COC40Proximity12 PAC40Proximity1202 PAC40Proximity1201 COC40Proximity12 PAC40Proximity1202 PAC40Proximity2201COC40Proximity22 PAC40Proximity2202 PAC40Proximity2201COC40Proximity22 PAC40Proximity2202 PAC40Proximity4201 COC40Proximity42 PAC40Proximity4202 PAC40Proximity4201 COC40Proximity42 PAC40Proximity4202 PAC40Proximity3201 COC40Proximity32 PAC40Proximity3202 PAC40Proximity3201 COC40Proximity32 PAC40Proximity3202 PAU10Proximity1106 PAU10Proximity1107 PAU10Proximity1108PAU10Proximity1109 PAU10Proximity11010 PAU10Proximity1106 PAU10Proximity1107 PAU10Proximity1108PAU10Proximity1109 PAU10Proximity11010 PAU10Proximity2106PAU10Proximity2107 PAU10Proximity2108PAU10Proximity2109 PAU10Proximity21010 PAU10Proximity2106PAU10Proximity2107 PAU10Proximity2108PAU10Proximity2109 PAU10Proximity21010 PAU10Proximity4106PAU10Proximity4107 PAU10Proximity4108PAU10Proximity4109 PAU10Proximity41010 PAU10Proximity4106PAU10Proximity4107 PAU10Proximity4108PAU10Proximity4109 PAU10Proximity41010 PAU10Proximity3106PAU10Proximity3107 PAU10Proximity3108PAU10Proximity3109 PAU10Proximity31010 PAU10Proximity3106PAU10Proximity3107 PAU10Proximity3108PAU10Proximity3109 PAU10Proximity31010 PAU10Proximity1206PAU10Proximity1207 PAU10Proximity1208PAU10Proximity1209 PAU10Proximity12010 PAU10Proximity1206PAU10Proximity1207 PAU10Proximity1208PAU10Proximity1209 PAU10Proximity12010 PAU10Proximity2206PAU10Proximity2207 PAU10Proximity2208 PAU10Proximity2209 PAU10Proximity22010 PAU10Proximity2206PAU10Proximity2207 PAU10Proximity2208 PAU10Proximity2209 PAU10Proximity22010 PAU10Proximity4206 PAU10Proximity4207 PAU10Proximity4208 PAU10Proximity4209 PAU10Proximity42010 PAU10Proximity4206 PAU10Proximity4207 PAU10Proximity4208 PAU10Proximity4209 PAU10Proximity42010 PAU10Proximity3206 PAU10Proximity3207 PAU10Proximity3208 PAU10Proximity3209 PAU10Proximity32010 PAU10Proximity3206 PAU10Proximity3207 PAU10Proximity3208 PAU10Proximity3209 PAU10Proximity32010 PAC20Proximity1101 PAR20Multiplexer102PAR10Proximity1102 PAR10Multiplexer102 PAC30Proximity1101 PAC20Proximity1101 PAR20Multiplexer102PAR10Proximity1102 PAR10Multiplexer102 PAC30Proximity1101 PAC20Proximity2101 PAR40Multiplexer102 PAR10Proximity2102 PAR30Multiplexer102PAC30Proximity2101 PAC20Proximity2101 PAR40Multiplexer102 PAR10Proximity2102 PAR30Multiplexer102PAC30Proximity2101 PAC20Proximity4101 PAR90Multiplexer102 PAR10Proximity4102PAR80Multiplexer102 PAC30Proximity4101 PAC20Proximity4101 PAR90Multiplexer102 PAR10Proximity4102PAR80Multiplexer102 PAC30Proximity4101 PAC20Proximity3101PAR70Multiplexer102 PAR10Proximity3102PAR60Multiplexer102 PAC30Proximity3101 PAC20Proximity3101PAR70Multiplexer102 PAR10Proximity3102PAR60Multiplexer102 PAC30Proximity3101 PAC20Proximity1201 PAR20Multiplexer202 PAR10Proximity1202PAR10Multiplexer202 PAC30Proximity1201 PAC20Proximity1201 PAR20Multiplexer202 PAR10Proximity1202PAR10Multiplexer202 PAC30Proximity1201 PAC20Proximity2201PAR40Multiplexer202 PAR10Proximity2202 PAR30Multiplexer202 PAC30Proximity2201 PAC20Proximity2201PAR40Multiplexer202 PAR10Proximity2202 PAR30Multiplexer202 PAC30Proximity2201 PAC20Proximity4201 PAR90Multiplexer202PAR10Proximity4202 PAR80Multiplexer202 PAC30Proximity4201 PAC20Proximity4201 PAR90Multiplexer202PAR10Proximity4202 PAR80Multiplexer202 PAC30Proximity4201 PAC20Proximity3201 PAR70Multiplexer202 PAR10Proximity3202 PAR60Multiplexer202PAC30Proximity3201 PAC20Proximity3201 PAR70Multiplexer202 PAR10Proximity3202 PAR60Multiplexer202PAC30Proximity3201 COC20Proximity11COR20Multiplexer1COR10Proximity11COU10Proximity11COR10Multiplexer1COC30Proximity11 COC20Proximity11COR20Multiplexer1COR10Proximity11COU10Proximity11COR10Multiplexer1COC30Proximity11 COC20Proximity21COR40Multiplexer1COR10Proximity21COU10Proximity21COR30Multiplexer1COC30Proximity21 COC20Proximity21COR40Multiplexer1COR10Proximity21COU10Proximity21COR30Multiplexer1COC30Proximity21 COC20Proximity41COR90Multiplexer1COR10Proximity41COU10Proximity41COR80Multiplexer1COC30Proximity41 COC20Proximity41COR90Multiplexer1COR10Proximity41COU10Proximity41COR80Multiplexer1COC30Proximity41 COC20Proximity31COR70Multiplexer1COR10Proximity31COU10Proximity31COR60Multiplexer1COC30Proximity31 COC20Proximity31COR70Multiplexer1COR10Proximity31COU10Proximity31COR60Multiplexer1COC30Proximity31 COC20Proximity12COR20Multiplexer2COR10Proximity12COU10Proximity12COR10Multiplexer2COC30Proximity12 COC20Proximity12COR20Multiplexer2COR10Proximity12COU10Proximity12COR10Multiplexer2COC30Proximity12 COC20Proximity22COR40Multiplexer2COU10Proximity22COR10Proximity22COR30Multiplexer2COC30Proximity22 COC20Proximity22COR40Multiplexer2COU10Proximity22COR10Proximity22COR30Multiplexer2COC30Proximity22 COC20Proximity42COR90Multiplexer2COR10Proximity42COU10Proximity42COR80Multiplexer2COC30Proximity42 COC20Proximity42COR90Multiplexer2COR10Proximity42COU10Proximity42COR80Multiplexer2COC30Proximity42 COC20Proximity32COR70Multiplexer2COR10Proximity32COU10Proximity32COR60Multiplexer2COC30Proximity32 COC20Proximity32COR70Multiplexer2COR10Proximity32COU10Proximity32COR60Multiplexer2COC30Proximity32 PAC20Proximity1102 PAU10Proximity1105PAR20Multiplexer101PAU10Proximity1104PAR10Proximity1101 PAU10Proximity1103PAR10Multiplexer101 PAU10Proximity1102PAU10Proximity1101PAC30Proximity1102 PAC20Proximity1102 PAU10Proximity1105PAR20Multiplexer101PAU10Proximity1104PAR10Proximity1101 PAU10Proximity1103PAR10Multiplexer101 PAU10Proximity1102PAU10Proximity1101PAC30Proximity1102 PAC20Proximity2102 PAR40Multiplexer101PAU10Proximity2105PAU10Proximity2104PAR10Proximity2101 PAU10Proximity2103PAR30Multiplexer101 PAU10Proximity2102PAU10Proximity2101PAC30Proximity2102 PAC20Proximity2102 PAR40Multiplexer101PAU10Proximity2105PAU10Proximity2104PAR10Proximity2101 PAU10Proximity2103PAR30Multiplexer101 PAU10Proximity2102PAU10Proximity2101PAC30Proximity2102 PAC20Proximity4102 PAR90Multiplexer101PAU10Proximity4105PAU10Proximity4104PAR10Proximity4101PAU10Proximity4103PAR80Multiplexer101 PAU10Proximity4102PAU10Proximity4101PAC30Proximity4102 PAC20Proximity4102 PAR90Multiplexer101PAU10Proximity4105PAU10Proximity4104PAR10Proximity4101PAU10Proximity4103PAR80Multiplexer101 PAU10Proximity4102PAU10Proximity4101PAC30Proximity4102 PAC20Proximity3102PAR70Multiplexer101PAU10Proximity3105 PAU10Proximity3104PAU10Proximity3103PAR10Proximity3101PAR60Multiplexer101 PAU10Proximity3102PAC30Proximity3102 PAU10Proximity3101 PAC20Proximity3102PAR70Multiplexer101PAU10Proximity3105 PAU10Proximity3104PAU10Proximity3103PAR10Proximity3101PAR60Multiplexer101 PAU10Proximity3102PAC30Proximity3102 PAU10Proximity3101 PAC20Proximity1202 PAR20Multiplexer201PAU10Proximity1205 PAU10Proximity1204PAR10Proximity1201PAU10Proximity1203PAR10Multiplexer201PAU10Proximity1202PAC30Proximity1202 PAU10Proximity1201 PAC20Proximity1202 PAR20Multiplexer201PAU10Proximity1205 PAU10Proximity1204PAR10Proximity1201PAU10Proximity1203PAR10Multiplexer201PAU10Proximity1202PAC30Proximity1202 PAU10Proximity1201 PAC20Proximity2202PAR40Multiplexer201PAU10Proximity2205 PAU10Proximity2204PAR10Proximity2201PAU10Proximity2203PAU10Proximity2202PAR30Multiplexer201 PAU10Proximity2201PAC30Proximity2202 PAC20Proximity2202PAR40Multiplexer201PAU10Proximity2205 PAU10Proximity2204PAR10Proximity2201PAU10Proximity2203PAU10Proximity2202PAR30Multiplexer201 PAU10Proximity2201PAC30Proximity2202 PAC20Proximity4202 PAR90Multiplexer201PAU10Proximity4205 PAU10Proximity4204PAR10Proximity4201PAU10Proximity4203PAU10Proximity4202PAR80Multiplexer201 PAC30Proximity4202 PAU10Proximity4201 PAC20Proximity4202 PAR90Multiplexer201PAU10Proximity4205 PAU10Proximity4204PAR10Proximity4201PAU10Proximity4203PAU10Proximity4202PAR80Multiplexer201 PAC30Proximity4202 PAU10Proximity4201 PAC20Proximity3202 PAU10Proximity3205PAR70Multiplexer201 PAR10Proximity3201PAU10Proximity3204 PAU10Proximity3203PAU10Proximity3202PAR60Multiplexer201PAU10Proximity3201PAC30Proximity3202 PAC20Proximity3202 PAU10Proximity3205PAR70Multiplexer201 PAR10Proximity3201PAU10Proximity3204 PAU10Proximity3203PAU10Proximity3202PAR60Multiplexer201PAU10Proximity3201PAC30Proximity3202

PAL10Proximity1101 PAL10Proximity1101 PAL10Proximity2101 PAL10Proximity2101 PAL10Proximity4101 PAL10Proximity4101 PAL10Proximity3101 PAL10Proximity3101 PAL10Proximity1201 PAL10Proximity1201 PAL10Proximity2201 PAL10Proximity2201 PAL10Proximity4201 PAL10Proximity4201 PAL10Proximity3201 PAL10Proximity3201 COL10Proximity11 COL10Proximity11 COL10Proximity21 COL10Proximity21 COL10Proximity41 COL10Proximity41 COL10Proximity31 COL10Proximity31 COL10Proximity12 COL10Proximity12 COL10Proximity22 COL10Proximity22 COL10Proximity42 COL10Proximity42 COL10Proximity32 COL10Proximity32 PAL10Proximity1102 PAC10Proximity1102COC10Proximity11 PAC10Proximity1101 PAL10Proximity1102 PAC10Proximity1102COC10Proximity11 PAC10Proximity1101 PAL10Proximity2102 PAC10Proximity2102COC10Proximity21 PAC10Proximity2101 PAL10Proximity2102 PAC10Proximity2102COC10Proximity21 PAC10Proximity2101 PAL10Proximity4102 PAC10Proximity4102COC10Proximity41 PAC10Proximity4101 PAL10Proximity4102 PAC10Proximity4102COC10Proximity41 PAC10Proximity4101 PAL10Proximity3102 PAC10Proximity3102COC10Proximity31 PAC10Proximity3101 PAL10Proximity3102 PAC10Proximity3102COC10Proximity31 PAC10Proximity3101 PAL10Proximity1202 PAC10Proximity1202 COC10Proximity12 PAC10Proximity1201 PAL10Proximity1202 PAC10Proximity1202 COC10Proximity12 PAC10Proximity1201 PAL10Proximity2202PAC10Proximity2202COC10Proximity22 PAC10Proximity2201 PAL10Proximity2202PAC10Proximity2202COC10Proximity22 PAC10Proximity2201 PAL10Proximity4202 PAC10Proximity4202COC10Proximity42 PAC10Proximity4201 PAL10Proximity4202 PAC10Proximity4202COC10Proximity42 PAC10Proximity4201 PAL10Proximity3202 PAC10Proximity3202COC10Proximity32 PAC10Proximity3201 PAL10Proximity3202 PAC10Proximity3202COC10Proximity32 PAC10Proximity3201

PAP1018 PAP1018 PAR50Multiplexer101 COR50Multiplexer1 PAR50Multiplexer102 PAR50Multiplexer101 COR50Multiplexer1 PAR50Multiplexer102 PAR50Multiplexer201COR50Multiplexer2 PAR50Multiplexer202 PAR50Multiplexer201COR50Multiplexer2 PAR50Multiplexer202

PAP1016 PAP1016 PAP1015 PAP1015 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018 PAU10Multiplexer1017PAU10Multiplexer1016 PAU10Multiplexer1015PAU10Multiplexer1014PAU10Multiplexer1013PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018 PAU10Multiplexer1017PAU10Multiplexer1016 PAU10Multiplexer1015PAU10Multiplexer1014PAU10Multiplexer1013PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAC101 COC1 PAC102 PAC101 COC1 PAC102 PAU10Multiplexer2020 PAU10Multiplexer2019PAU10Multiplexer2018 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016PAU10Multiplexer2015 PAU10Multiplexer2014PAU10Multiplexer2013PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAU10Multiplexer2020 PAU10Multiplexer2019PAU10Multiplexer2018 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016PAU10Multiplexer2015 PAU10Multiplexer2014PAU10Multiplexer2013PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAP1014 PAP1014

PAP1013 PAP1013 PAR201 PAC301 PAR102PAL101 PAC201 PAR201 PAC301 PAR102PAL101 PAC201 PAP1012 PAP1012 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 PAP1011 PAP1011 PAP1010 PAP1010 PAR202 PAC302 PAR101PAL102 PAC202 PAR202 PAC302 PAR101PAL102 PAC202 PAP109 PAP109 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer2 COU10Multiplexer2 COP1 COP1 COS1 COS1 COS2 COS2 COS3 COS3 COS4 COS4 PAP108 PAP108 PAP107 PAP107 PAU105PAU104PAU103PAU102PAU101 PAU105PAU104PAU103PAU102PAU101 PAP106 PAP106 PAU106 PAU1020 PAU106 PAU1020 PAP105 PAP105 PAU107 PAU1019 PAU107 PAU1019 PAU108 COU1 PAU1018 PAU108 COU1 PAU1018 PAP104 PAP104 PAU109 PAU1017 PAU109 PAU1017 PAP103 PAP103 PAU10Multiplexer101PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103 PAU10Multiplexer104PAU10Multiplexer105 PAU10Multiplexer106PAU10Multiplexer107PAU10Multiplexer108PAU10Multiplexer109PAU10Multiplexer1010 PAU10Multiplexer101PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103 PAU10Multiplexer104PAU10Multiplexer105 PAU10Multiplexer106PAU10Multiplexer107PAU10Multiplexer108PAU10Multiplexer109PAU10Multiplexer1010 PAU1010 PAU1016 PAU1010 PAU1016 PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204 PAU10Multiplexer205PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207PAU10Multiplexer208PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204 PAU10Multiplexer205PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207PAU10Multiplexer208PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAP102 PAP102 PAS101 PAS101 PAS201 PAS201 PAS301 PAS301 PAS401 PAS401 PAU1011PAU1012PAU1013PAU1014PAU1015 PAU1011PAU1012PAU1013PAU1014PAU1015 PAP101 PAP101 PAC10Multiplexer102 COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer102 COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201

PAP1017 PAP1017

(a) Leiterplattengrundriss (b) Leiterbahnebene

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PAP1016 PAP1016 PAP1016 PAP1015 PAP1015 PAP1015 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018 PAU10Multiplexer1017PAU10Multiplexer1016 PAU10Multiplexer1015PAU10Multiplexer1014PAU10Multiplexer1013PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018 PAU10Multiplexer1017PAU10Multiplexer1016 PAU10Multiplexer1015PAU10Multiplexer1014PAU10Multiplexer1013PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAU10Multiplexer1020PAU10Multiplexer1019 PAU10Multiplexer1018 PAU10Multiplexer1017PAU10Multiplexer1016 PAU10Multiplexer1015PAU10Multiplexer1014PAU10Multiplexer1013PAU10Multiplexer1012PAU10Multiplexer1011 PAC101 COC1 PAC102 PAC101 COC1 PAC102 PAU10Multiplexer2020PAC101 PAU10Multiplexer2019PAU10Multiplexer2018COC1 PAC102 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016PAU10Multiplexer2015 PAU10Multiplexer2014PAU10Multiplexer2013PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAU10Multiplexer2020 PAU10Multiplexer2019PAU10Multiplexer2018 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016PAU10Multiplexer2015 PAU10Multiplexer2014PAU10Multiplexer2013PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAU10Multiplexer2020 PAU10Multiplexer2019PAU10Multiplexer2018 PAU10Multiplexer2017 PAU10Multiplexer2016PAU10Multiplexer2015 PAU10Multiplexer2014PAU10Multiplexer2013PAU10Multiplexer2012 PAU10Multiplexer2011 PAP1014 PAP1014 PAP1014

PAP1013 PAP1013 PAP1013 PAR201 PAC301 PAR102PAL101 PAC201 PAR201 PAC301 PAR102PAL101 PAC201 PAR201 PAC301 PAR102PAL101 PAC201 PAP1012 PAP1012 PAP1012 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 COR2 COC3 COR1 COL1 COC2 PAP1011 PAP1011 PAP1011 PAP1010 PAP1010 PAP1010 PAR202 PAC302 PAR101PAL102 PAC202 PAR202 PAC302 PAR101PAL102 PAC202 PAR202 PAC302 PAR101PAL102 PAC202 PAP109 PAP109 PAP109 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer1 COU10Multiplexer2 COU10Multiplexer2 COU10Multiplexer2 COP1 COP1 COP1 COS1 COS1 COS1 COS2 COS2 COS2 COS3 COS3 COS3 COS4 COS4 COS4 PAP108 PAP108 PAP108 PAP107 PAP107 PAP107 PAU105PAU104PAU103PAU102PAU101 PAU105PAU104PAU103PAU102PAU101 PAU105PAU104PAU103PAU102PAU101 PAP106 PAP106 PAP106 PAU106 PAU1020 PAU106 PAU1020 PAU106 PAU1020 PAP105 PAP105 PAP105 PAU107 PAU1019 PAU107 PAU1019 PAU107 PAU1019 PAU108 COU1 PAU1018 PAU108 COU1 PAU1018 PAU108 COU1 PAU1018 PAP104 PAP104 PAP104 PAU109 PAU1017 PAU109 PAU1017 PAU109 PAU1017 PAP103 PAP103 PAP103 PAU10Multiplexer101PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103 PAU10Multiplexer104PAU10Multiplexer105 PAU10Multiplexer106PAU10Multiplexer107PAU10Multiplexer108PAU10Multiplexer109PAU10Multiplexer1010 PAU10Multiplexer101PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103 PAU10Multiplexer104PAU10Multiplexer105 PAU10Multiplexer106PAU10Multiplexer107PAU10Multiplexer108PAU10Multiplexer109PAU10Multiplexer1010 PAU10Multiplexer101PAU10Multiplexer102 PAU10Multiplexer103 PAU10Multiplexer104PAU10Multiplexer105 PAU10Multiplexer106PAU10Multiplexer107PAU10Multiplexer108PAU10Multiplexer109PAU10Multiplexer1010 PAU1010 PAU1016 PAU1010 PAU1016 PAU1010PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204PAU1016 PAU10Multiplexer205PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207PAU10Multiplexer208PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204 PAU10Multiplexer205PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207PAU10Multiplexer208PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAU10Multiplexer201 PAU10Multiplexer202PAU10Multiplexer203 PAU10Multiplexer204 PAU10Multiplexer205PAU10Multiplexer206 PAU10Multiplexer207PAU10Multiplexer208PAU10Multiplexer209 PAU10Multiplexer2010 PAP102 PAP102 PAP102 PAS101 PAS101 PAS101PAS201 PAS201 PAS201 PAS301 PAS301 PAS301PAS401 PAS401 PAS401 PAU1011PAU1012PAU1013PAU1014PAU1015 PAU1011PAU1012PAU1013PAU1014PAU1015 PAU1011PAU1012PAU1013PAU1014PAU1015 PAP101 PAP101 PAP101 PAC10Multiplexer102 COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer102 COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer102 COC10Multiplexer1 PAC10Multiplexer101 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201 PAC10Multiplexer202COC10Multiplexer2 PAC10Multiplexer201

PAP1017 PAP1017 PAP1017

Abbildung 4.14: Beispiel eines Layouts (Näherungssensorleiterplatte)

173 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses einer Leiterplatte. Die Lötpaste dient primär zum Löten oberflächenmontierter Bauteile und wird in der Bestückung auf die Leiterplatte aufgetragen. Eine Lötstoppmaske (solder mask) spezifiziert die von Lötstopplack freien Flächen einer Leiterplatte. Der Lötstopplack bildet eine Schutzschicht auf der Oberfläche einer Leiterplatte. Er verhindert Lötbrücken beim Lötprozess und schützt eine Leiterplatte gegen äußere Einflüsse. Außerdem beeinflusst er die Impedanz und Dämpfung der äußeren Leiterbahnen. Die Bohrdaten (drill data) beschreiben Position, Tiefe und Durchmesser der Bohrungen einer Leiterplatte. Sowohl der Schaltplan als auch das Layout beschreiben elektrotechnische und damit physikalische Eigenschaften. Das Layout und Schaltplan unterscheiden sich in der körperlichen Gestalt der Bauelemente und Netze. In diesem Zusammenhang beschreibt das Layout die physischen Bauteile und Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Auf eine alleinige Verwendung der Begriffe logisch, technisch und physisch wird aufgrund ihrer unterschiedlichen und kontextbezogenen Anwendung sowohl in der Literatur als auch der Praxis verzichtet. Zum Beispiel existieren der logische Schalt- plan und das physische Layout einer Leiterplatte [138, S. 401], die funktionale und physische Architektur im Systementwurf [107] sowie die logische und technische Systemarchitektur in der Softwaretechnik [20, 170]. Dabei entspricht die physische Ar- chitektur beziehungsweise technische Systemarchitektur einem vereinfachten logischen Schaltplan. Der englische Begriff physical wird im Rahmen dieser Arbeit mit physisch, die körperliche Beschaffenheit betreffend, und nicht mit physikalisch, den Gesetzen der Physik folgend, übersetzt. Weiterhin wird im Rahmen der physischen Elemente von der Gestalt und nicht der Geometrie gesprochen. Einerseits beschreibt die Geometrie ein Teilgebiet der Mathematik, anderseits beinhaltet dieses keine Informationen über Farben, Oberflächen und Materialien von Elementen.

4.4 Entwurfsmodell

Das Entwurfsmodell basiert auf dem Y-Diagramm von Gajski und Kuhn aus dem Jahr 1983 für die Entwicklung integrierter Schaltungen [62]. Das entwickelte Entwurfs- modell beschreibt die Entwurfsebene und Sichten des agilen Leiterplattenentwurfs- prozesses (siehe Abbildung 4.15). Der Abstraktionsgrad wird im Y-Diagramm mittels Entwurfsebenen in Form von konzentrischen Kreisen dargestellt. Der äußere Kreis repräsentiert einen hohen Abstraktionsgrad und der innere Kreis einen hohen Detail- lierungsgrad. Die verschiedenen Repräsentationen Verhalten, Struktur und Gestalt, werden als drei unterschiedliche Blickwinkel in Form von Achsen abgebildet. Das Verhalten speziﬁziert die dynamischen Aspekte. Die Struktur beschreibt den inneren Aufbau und die gegenseitigen Beziehungen der Elemente. Die Gestalt charakterisiert die äußere Form, Beschaffenheit und Anordnung. Ein Wechsel zwischen zwei Blickwin- keln auf einer Entwurfsebene beschreibt eine Transformation. Ein Übergang von einer

174 4.4 Entwurfsmodell

Verhalten

Funktionseinheiten

Struktur Bauelemente Anschlussbelegungen Bauteile Schaltungssimulationen Integritätsanalysen

Leiterbahnen und Durchkontaktierungen

Gehäuse

Anschlussﬂächen

Gestalt

Abbildung 4.15: Entwurfsmodell des agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Ebene zu einer niedrigeren Entwurfsebene innerhalb eines Blickwinkels kennzeichnet eine Verfeinerung. Eine Sicht markiert einen Schnittpunkt zwischen einer Ebene und einem Blickwinkel.

Funktionsebene Die Funktionseinheiten (functional units) bilden die äußere beziehungsweise erste Ebene und damit die Schnittstelle zum interdisziplinären Systementwurf. Eine Funk- tionseinheit ist ein Träger einer oder mehrerer Funktionen. Die Ebene unterteilt die Schaltung einer einzelnen Flachbaugruppe in separate funktionale Einheiten, wie beispielsweise Sensoren, Aktoren, Informationsverarbeitung, Spannungsversorgung und Steckverbinder. Die Struktur der Funktionseinheiten speziﬁziert Anschlüsse, An- forderungen und Einschränkungen der Funktionseinheiten sowie deren Verbindungen untereinander. Sie wird interdisziplinär erstellt. Insbesondere Konstruktion, Mess- und Regelungstechnik sowie Informationstechnik liefern Einschränkungen und beeinﬂussen die Struktur der Funktionseinheiten.

Bauelementebene Die Bauelemente (elements) oder Schaltungen von Bauelementen bilden die zweite Ebene und verfeinern die Funktionseinheiten. Eine Schaltung beschreibt beispielsweise eine analoge Verschaltung oder eine integrierte Schaltung und ihre Beschaltung aus zumeist passiven Bauelementen. Ein Bauelement klassiﬁziert ein Element einer Schal-

175 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses tung. Die Schaltung beschreibt die Bauelemente über ihre funktionalen Anschlüsse und speziﬁziert Wertebereiche oder notwendige Werte der physikalischen Eigenschaften.

Anschlussflächenebene Die Anschlussflächen (footprints) und Anschlussbelegungen (pinouts) bilden die dritte Ebene. Eine Anschlussfläche verfeinert und transformiert ein Bauelement in die zweidimensionale Gestalt. Sie spezialisiert ein Bauelement durch die Position und Form der Lötflächen. Die Auswahl der Anschlussfläche erfolgt in Abstimmung mit der Fertigungs- und Bestückungsplanung der Leiterplatte. Eine Anschlussbelegung transformiert eine Anschlussfläche in die Struktur und verfeinert ein Bauelement. Sie ordnet den funktionalen Anschlüssen eines Bauelementes jeweils die physischen Lötflächen einer Anschlussfläche zu. Eine spezifizierte Anschlussbelegung wird zurück in die Gestalt der Anschlussfläche transformiert und auf der Oberfläche der Leiterplatte platziert. Die Konstruktion beeinflusst die Positionierung der Anschlussflächen direkt über den Leiterplattengrundriss der Leiterplatte und indirekt über die Positionen und Formen der mechanischen Bauteile und elektronischen Steckverbinder.

Bauteilebene Die Bauteile (components), Gehäuse (cases) und Schaltungssimulationen (circuit sim- ulations) bilden die vierte Ebene. Ein Gehäuse verfeinert eine Anschlussfläche. Es spezialisiert ein Bauelement durch eine dreidimensionale Form. Die Gestalt der Gehäu- se wird in einem dreidimensionalen geometrischen Modell dargestellt. Auf diese Weise kann die Konstruktion die Flachbaugruppe in ihre Fachdisziplin überführen und die Plat- zierung der Bauteile beeinflussen. Ein Bauteil transformiert ein Gehäuse in die Struktur, verfeinert eine Anschlussbelegung und repräsentiert ein spezifisches physisches Bau- element. Es besitzt neben einer spezifischen Anschlussbelegung, Anschlussfläche und Gehäuse auch spezifische physikalische Eigenschaften. Die Beschaffung verfeinert die Bauteile mittels Artikel und erweitert diese um Herstellername und Artikelnummer. Eine analoge, digitale oder gemischte Schaltungssimulation transformiert die vollstän- dig spezifizierte Schaltung in das Verhalten und simuliert diese in einem Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE).

Leiterebene Die Leiterbahnen und Durchkontaktierungen (tracks and vias) sowie Integritätsanalysen (integrity analysis) bilden die fünfte beziehungsweise zentrale Ebene. Die Leiterbahnen und Durchkontaktierungen verfeinern ein Netz. Eine Leiterbahn oder Durchkontak- tierung besteht aus einzelnen horizontalen oder vertikalen Verbindungen auf einer Leiterplatte. Die Gestalt der Leiterbahnen und Durchkontaktierungen wird mittels Lei- terbahnebenen in einem Layout beschrieben. Eine Integritätsanalyse transformiert das

176 4.5 Modellierung vollständig speziﬁzierte Layout in das Verhalten und detailliert die einzelnen Bauteile. Sie ermöglicht unter anderem eine Analyse der Signal- und Leistungsintegrität sowie eine Untersuchung auf ElektroMagnetische Verträglichkeit (EMV) der Flachbaugruppe. Die Detaillierung der Bauteile erfolgt beispielsweise für die Signalintegrität mittels Streuparametern und der Input / output Buffer Information Speciﬁcation (IBIS).

Entwurfsprozess Die schrittweise Verfeinerung der Bauelemente grenzt die Bauteilauswahl sukzessive ein und vereinfacht damit eine interdisziplinäre Zusammenarbeit. Einzelne Verfeinerungen und Transformationen entsprechen einer Abbildung und werden jeweils über Regeln beeinﬂusst. Diese vermeiden eine willkürliche Auswahl der jeweiligen Elemente und ermöglichen eine Rückverfolgung der Bauteilauswahl. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Auswahlprozessen und damit der Auslegung der Regeln ist der Einsatz einer Entwurfsraumexploration unverzichtbar (siehe Abschnitt 2.6). Der Entwurfsprozess entspricht einem Zusammentreffen in der Mitte beziehungsweise bibliotheksbasierten Entwurf. Bauteilhersteller vereinigen ein oder mehrere Bauelemente zu einem Bauteil in einem einzelnen Gehäuse. Der Leiterplattenentwurf zerlegt auf Basis der Anforderungen ein System schrittweise in eine Schaltung von Bauteilen und verfeinert diese zu einem Layout einer Leiterplatte. Aus dem Layout wird eine Leiterplatte gefertigt und diese mit Bauteilen beziehungsweise Artikeln zu einer Flachbaugruppe bestückt. Auf eine Beschreibung des Verhaltens und damit der Simulation und Integritätsana- lyse wird im weiteren Verlauf zugunsten einer vereinfachten Darstellung verzichtet. Zudem basieren die Transformationen in das Verhalten auf existierenden fachspeziﬁ- schen Schnittstellen.

4.5 Modellierung

Die Modellierung der Struktur nutzt Schaltpläne und Blockdiagramme. Letztere basieren auf den Blockdefinitionsdiagrammen und internen Blockdiagrammen der Systems Modeling Language (SysML) (siehe Unterabschnitt 2.2.1 und Unterabschnitt 2.2.2). Dabei spezifizieren Blockdefinitionsdiagramme die Eigenschaften einzelner Blöcke und interne Blockdiagramme die Verbindungen zwischen den Anschlüssen der einzelnen Teile eines Blocks.

4.5.1 Schaltungsmodellierung Die Eigenschaften eines Blocks im Blockdeﬁnitionsdiagramm bestehen aus Werten, Anschlüssen und Einzelteilen (siehe Abbildung 4.16). Werte beschreiben erforderliche physikalische Eigenschaften und Anschlüsse verbinden den Block mit seiner Umgebung.

177 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

«electronic circuit» Touch Sensor Circuit

proxy ports supply : Power interrupt : Digital Signal i2c : Inter Integrated Circuit Interface ground : Ground

values address : Integer = 0x5a

parts c1 : Capacitor c2 : Capacitor [2] l1 : Inductor u1 : Touch Sensor r1 : Resistor r2 : Resistor

Abbildung 4.16: Beispiel eines Blockdeﬁnitionsdiagramms (Schaltung eines Berüh- rungssensors)

Einzelteile repräsentieren Instanzen von Blöcken und ermöglichen eine Komposition von Blöcken. Dabei besitzen Reihen von Einzelteilen die gleichen Eigenschaften und insbesondere Werte. Einige Blöcke, beispielsweise Steckverbinder, repräsentieren sowohl ein Einzelteil als auch einen Anschluss eines Blocks. Sie werden entsprechend als vollwertige Anschlüsse auf Ebene der Leiterplatte modelliert (siehe Abbildung 4.13). Letzteres erhöht die Wiederverwendung der einzelnen Blöcke und zentralisiert alle Steckverbinder auf höchster Ebene. Dies vereinfacht unter anderem die Abstimmung mit der Konstruktion. Einschränkungen erlauben die Begrenzung der Lösungsräume der einzelnen Blöcke. Sie werden ähnlich den Anforderungen spezifiziert und den Blöcken zugewiesen. Die einzelnen Blöcke werden mittels Stereotypen klassifiziert und damit Entwurfsaufgaben zugeordnet. Das interne Blockdiagramm und der Schaltplan lassen sich ineinander transfor- mieren und sind äquivalente Darstellungen einer Schaltung (siehe Abbildung 4.17). Beide bestehen aus einzelnen Elementen und Verbindungen. Elemente werden dabei über ihre Anschlüsse miteinander verbunden und durch Werte spezifiziert. Anschlüsse werden im internen Blockdiagramm durch Boxen und im Schaltplan mittels herausste- hender Linien dargestellt. Neben Namen besitzen die Anschlüsse im Blockdiagramm einen Typ und spezifizieren somit die Anschlüsse. Werte werden im internen Blockdia- gramm als Anfangswerte modelliert. Auf diese Weise werden Eigenschaften umdefiniert oder Wertebereiche der Blöcke beschränkt. Das interne Blockdiagramm modelliert die Einzelteile mittels einfacher Blöcke. Der Schaltplan nutzt neben Blöcken auch Schaltzeichen für standardisierte Bauelemente. Letztere visualisieren die Kategorie der einzelnen Elemente und vereinfachen damit die Darstellung der Schaltung im

178 4.5 Modellierung

pin 1 : Analog c1 : Capacitor Signal

initialValues pin 2 : capacity = 30 × 10−9 Analog Signal

anode : pin 1 : output : Analog Analog Analog r1 : Resistor Signal Signal Signal d1 : Photodiode gnd : cathode : initialValues pin 2 : resistance = 1 × 106 Ground Analog inverting Analog Signal input : Signal Analog Signal

u1 : Operational Ampliﬁer output : Analog non-inverting input : Signal Analog Signal

(a) Internes Blockdiagramm

30 pF

R1 output 1 MΩ

D1 U1

- + gnd

gnd (b) Schaltplan

Abbildung 4.17: Beispiel einer Modelltransformation (Transimpedanzverstärker)

179 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Schaltplan. Der eigentliche Schaltplan ist im Vergleich zum internen Blockdiagramm nicht speziﬁziert. Die einzelnen Softwarewerkzeuge besitzen jeweils eigene Umsetzun- gen für Schaltpläne und erweitern diese teilweise. Beispielsweise deﬁniert das Altium Designer Softwarewerkzeug zusätzliche Netznamen, Anschlussbezeichnungen und -nummern (siehe Abbildung 4.10). Der Schaltplan und das interne Blockdiagramm unterscheiden sich grundsätzlich in der Modellierung der Verbindungen. Die einzelnen zusammenhängenden Punkt- zu-Punkt-Verbindungen im Blockdiagramm werden durch Netze im Schaltplan modelliert. Diese repräsentieren jeweils Mehrpunktverbindungen und beschreiben die physikalischen Beziehungen zwischen den einzelnen Anschlüssen. In einem Netz ist die Spannung an allen Anschlüssen identisch und die Summe der Ströme gleich Null. Letzteres entspricht der kirchhoffschen Knotenregel. Mehrpunktverbindungen sind auch in anderen Fachdisziplinen, beispielsweise der Mechanik, anzutreffen. Entspre- chend der Modelica, einer objektorientierten Modellierungssprache für physikalische Modelle, lässt sich ein Netz durch eine Menge von Verbindungen modellieren. Im Blockdiagramm hat dies den Nachteil, dass die Verbindungen eine real nicht existierende Reihenfolge zwischen den Knoten beschreiben und Netze beim Entfernen einzelner Verbindungen in separate Netze zerfallen. Eine Alternative bildet die Modellierung der Netze durch Blöcke. Dieser wird sternenförmig mit den einzelnen Anschlüssen des Netzes verbunden und benennt das Netz. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass die Komplexität der Diagramme aufgrund der zusätzlichen Blöcke steigt.

4.5.2 Variantenmodellierung Flachbaugruppen werden häufig in verschiedenen Ausprägungen, so genannten Varian- ten, entwickelt. Diese unterscheiden sich durch unterschiedliche oder nicht bestückte Bauteile. Die unterschiedlichen Bauteile können sich dabei in ihren Eigenschaften, beispielsweise Werte oder Gehäuse, unterscheiden. Bauteile beziehungsweise Bauele- mente lassen sich in notwendige oder wahlfreie Elemente unterteilen. Erstere existieren in jeder Variante und letztere werden nicht immer bestückt. Die korrespondierenden Anschlussflächen existieren zwar auf jeder Leiterplatte, allerdings werden die dazuge- hörigen Bauteile nicht in jeder Variante bestückt. Die Existenzbeziehungen lassen sich als Alternative beschreiben. Eine inklusive Alternative erlaubt pro Variante die gleichzeitige Bestückung mehrere Bauteile. Eine exklusive Alternative ermöglicht pro Variante nur jeweils die Bestückung eines Bauteils. In beiden Existenzbeziehungen muss in jeder Variante mindestens ein Bauteil der Bezie- hung existieren. Eine exklusive Alternative ermöglicht eine gemeinsame Nutzung einer Anschlussfläche auf der Leiterplatte für verschiedene Bauteile. Voraussetzung hierfür ist eine Generalisierung der Anschlüsse zwischen den Blöcken und die Verfügbarkeit einer gemeinsamen Anschlussfläche. Zusätzlich lassen sich Existenzbedingungen zwischen Blöcken definieren. Typische Bedingungen sind die Forderung oder Ausgrenzung eines Blocks durch einen anderen.

180 4.5 Modellierung

«functional unit» Board

[0..1]

«exklusive alternative» «functional unit» «inklusive alternative» Microcontroller Conﬁguration Memory Communication

«functional unit» «functional unit» «functional unit» «functional unit» Universal Controller Area STM32F103 STM32F405 Asynchronous Network Receiver Transmitter

Abbildung 4.18: Beispiel einer Modellierung der Variationen einer Flachbaugruppe mittels Funktionseinheiten

Im entwickelten Leiterplattenentwurfsprozess werden die Elemente der Varianten bereits auf Ebene der Funktionseinheiten und Bauelemente beschrieben (siehe Abbil- dung 4.18). Die wahlfreien Bestandteile ergeben sich aus einer variablen Anzahl von Elementen einer Komposition. Teile einer Alternative werden in einem dedizierten Block zusammengefasst. Sie werden durch die Stereotypen «exklusive alternative» und «inklusive alternative» modelliert. Die exklusive Alternative beschreibt Blöcke mit gleichen Anschlüssen. Eine Beziehung zwischen dem dedizierten alternativen Block und den spezifischen Blöcken wird dementsprechend durch eine Generalisierung modelliert. Diese wird erst spät im Entwurfsprozesses durch ein Bauteil komplett aufgelöst. Vorher wird der dedizierte, alternative Block durch eine Anschlussfläche und die spezifischen Blöcke mittels einer Anschlussbelegung verfeinert. Die inklusive Alternative beschreibt die Gesamtheit aller Anschlüsse der spezifischen Blöcke. Sie wird entsprechend durch eine Komposition modelliert. Die Existenzbedingungen werden mittels Abhängigkeitsbeziehung und den Stereotypen «require» und «exclude» modelliert. Die Verfeinerung wird ohne Unterschiede für notwendige und wahlfreie Bestandteile sowie inklusive Alternativen durchgeführt, da dessen Anschlussflächen und Schaltun- gen gleichzeitig auf der Leiterplatte existieren. Die exklusiven Alternativen bedürfen einer genaueren Betrachtung. Im Unterschied zu den anderen Bauteilen wird immer nur einer der spezifischen Blöcke auf der Leiterplatte bestückt. Eine gemeinsame Schaltung, Anschlussbelegungen und Anschlussflächen erlauben eine Verfeinerung durch eine Anschlussfläche auf der Leiterplatte. Unterschiedliche Anschlussflächen oder Anschlussbelegungen lassen sich durch eine Kombination oder Separierung der

181 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Anschluss- Anschluss- Architektur- Schaltungs- ﬂächen- belegungs- entwurf entwurf auswahl speziﬁkation

Gehäuse- Bauteil- Platzierung auswahl auswahl

Nutzen- Entﬂechtung layoutentwurf

Abbildung 4.19: Prozessmodell des Leiterplattenentwurfsprozesses

Anschlussﬂächen lösen. Letzteres entspricht einer inklusiven Alternative mit gegen- seitigem Ausschluss. Die Varianten lassen sich außerdem als Merkmalsdiagramme darstellen (siehe Abschnitt 2.3).

4.6 Entwurfsprozess

Der Entwurfsprozess ergibt sich aus dem Entwurfsmodell und besteht aus neun Ent- wurfsaufgaben (siehe Abbildung 4.19). Der Prozess detailliert den Entwurf des Block- diagramms, Schaltplans und Layouts im klassischen Leiterplattenentwurf (siehe Un- terabschnitt 4.1.6). Der Architekturentwurf ersetzt den unspezifizierten Blockdia- grammentwurf. Schaltungsentwurf, Anschlussflächenauswahl und Anschlussbelegungs- spezifikation sowie Gehäuse- und Bauteilauswahl verfeinern den Schaltplanentwurf. Platzierung, Entflechtung und Nutzenlayoutentwurf detaillieren den Layoutentwurf. Der Entwurfsprozess beschreibt keine lineare Abfolge von Entwurfsprozessen. Die einzelnen Aufgaben sind über ihre Daten miteinander verknüpft und erzeugen aus Eingaben ein oder mehrere Ausgaben beziehungsweise Lösungen. Außerdem führt eine Änderung an den Eingaben zu einer resultierenden Anpassung der Ausgaben. Die Reihenfolge der Aufgaben ergibt sich aus den Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Aufgaben. Jede Aufgabe erhöht den Detaillierungsgrad im Entwurfsprozess und beschränkt den Lösungsraum der anschließenden Aufgaben. Eine Ausnahme bildet die Bauteilauswahl. Sie konkretisiert die im Entwurf beschränkten Eigenschaften und ersetzen unter anderem Wertebereiche durch konkrete Werte. Der Entwurfsprozess basiert auf einer Unabhängigkeit zwischen Entflechtung und Gehäuse- beziehungsweise Bauteilauswahl. Signalanforderungen an spezifische Gehäu- se oder Bauteile müssen entsprechend bereits im Schaltungsfragment oder Bauelement modelliert werden und beeinflussen somit beide Zweige im Entwurfsprozess.

182 4.6 Entwurfsprozess

Abweichend zum klassischen Leiterplattenentwurf erfolgt keine direkte Auswahl von spezifischen Bauteilen, sondern eine schrittweise Beschränkung von Eigenschaften und damit Einschränkung des Entwurfsraums. Gleichzeitig wächst der Entwurfsraum stufen- weise aufgrund zusätzlicher Aspekte und wird damit weiter detailliert. Das schrittweise Vorgehen reduziert die Komplexität der einzelnen Aufgaben im Entwurfsprozess. Auf diese Weise können die Entwurfsaufgaben unabhängig voneinander betrachtet werden. Ein zentrales Element im Entwurfsprozess bildet die Bauteildatenbank. Sie beinhaltet die Eigenschaften aller verfügbaren Bauteile. Abgesehen von der Leiterplatte repräsen- tiert sie den Lösungsraum und verknüpft die individuellen Bibliotheken miteinander. Die einzelnen Entwurfsaufgaben schränken die Eigenschaften der Bauteile ein und begrenzen somit den Lösungsraum. Die Bauteilebibliothek ermöglicht die Auswahl realisierbarer Lösungen sowie Kosten- und Leistungsabschätzungen. Auf eine Bibliothek von Ausschnitten beziehungsweise Fragmente einer Platzierung oder Entflechtung wird aufgrund der starken Abhängigkeit von den Anschlussflächen, Anschlussbelegungen, Lagenaufbau, Fertigungs- und Bestückungstechnologien verzichtet. Stattdessen erlaubt der Prozess einzelne Entwurfsregeln mit Bauelementen oder Anschlüssen zu verknüpfen und diese für eine automatisierte Platzierung und Entflechtung zu verwenden. Die einzelnen Aufgaben repräsentieren eine lineare Abbildung und Detaillierung einzelner Elemente. Auf diese Weise bleibt die Struktur im gesamten Entwurfsprozess erhalten und kann zentral im Architekturentwurf spezifiziert werden.

4.6.1 Architekturentwurf Der Architekturentwurf verfeinert die Systemelemente der interdisziplinären System- architektur (siehe Abbildung 4.20). Er bildet Funktionen auf einzelne funktionale Einheiten der Leiterplatte ab. Diese Funktionseinheiten bestehen aus weiteren Funkti- onseinheiten oder repräsentieren Schaltungen von Bauelementen. Sie stellen unter anderem Sensoren, Aktoren, Informationsverarbeitung, Spannungsversorgung und externe Steckverbinder dar. Die einzelnen Funktionseinheiten werden durch Verbin- dungen zu einem System kombiniert. Die auf der Systems Modeling Language (SysML) aufbauende Modellierung der Architektur ersetzt das nicht standardisierte Blockdia- gramm im klassischen Leiterplattenentwurf. Es spezifiziert die hierarchische Struktur der Schaltung des Systems. Der Architekturentwurf dient der Abstimmung zwischen den Fachdisziplinen und verfeinert zum Beispiel die Komponentenstruktur des Generic Systems Engineering [164], die funktionale Architektur der Methode Funktionale Architekturen für Syste- me (FAS) [107] oder die Wirkstruktur aus der Konstruktionslehre [131] sowie der Spezifikationstechnik CONceptual design Specification technique for the ENgineering of mechatronic Systems (CONSENS) [65]. Aufgrund der Wechselwirkungen zu anderen Fachdisziplinen erfolgt die Spezifikation der Funktionseinheiten interdisziplinär. Andere Fachdisziplinen und Entwurfsaufgaben definieren technische Anforderungen

183 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

System- architektur

System- Funktionen entwurf Architektur- entwurf Schaltungs- Architektur entwurf

Anforde- rungen

Funktions- einheiten- bibliothek

Abbildung 4.20: Architekturentwurf beziehungsweise Einschränkungen an die einzelnen Funktionseinheiten oder die gesamte Leiterplatte und beeinflussen auf diese Weise die Auswahl und Spezifikation der Funktionseinheiten. Die Einschränkungen ermöglichen eine gezielte Beschränkung des Lösungsraums und erhalten die Flexibilität im Entwurfsprozess. Der Architekturentwurf benötigt neben Anforderungen, Funktionen und Systemar- chitektur aus dem interdisziplinären Systementwurf eine Funktionseinheitenbibliothek. Die Funktionseinheitenbibliothek spezifiziert die Eigenschaften der einzelnen Funkti- onseinheiten (siehe Unterabschnitt 4.7.1). Die Struktur der Funktionseinheiten wird in einer Architektur gespeichert und an den Schaltungsentwurf übergeben.

4.6.2 Schaltungsentwurf Der Schaltungsentwurf verfeinert die Funktionseinheiten mittels Schaltungsfragmen- ten (siehe Abbildung 4.21). Diese speziﬁzieren einzelne Bauelemente und verbinden diese sowohl untereinander, als auch mit den Anschlüssen eines Fragments. Kompatible Funktionseinheiten und Schaltungsfragmente verfügen über die gleichen Anschlüs- se. Zusätzlich erfüllen die Fragmente die Einschränkungen der Funktionseinheiten. Auf eine Kompatibilität mit einer Untermenge der Anschlüsse wird aufgrund der unsicheren Auswirkung auf die interne Schaltung verzichtet. Dementsprechend existieren verschiedene Ausführungen eines Schaltungsfragments mit unterschiedlichen

184 4.6 Entwurfsprozess

Architektur- Architektur entwurf

Schaltungs- entwurf Schaltungs- Anschluss- Bauelement- fragmente- ﬂächen- plan bibliothek auswahl

Bauelemente- bibliothek

Abbildung 4.21: Schaltungsentwurf

Anschlüssen und interner Schaltung. Die hierarchische Schaltung der Leiterplatte ergibt sich aus den einzelnen Schaltungsfragmenten und den Verbindungen zwischen den Funktionseinheiten beziehungsweise Fragmenten. Die einzelnen Bauelemente in den Schaltungsfragmenten sind entsprechend der gewünschten individuellen Schaltung spezifiziert und eingeschränkt. Die Schaltungsfragmente ermöglichen eine genaue Spezifikation der Eigenschaften und Verbindungen der einzelnen Schaltungen. Sie bilden einen Teil der Leiterplatte ab, ohne seine physischen und wirtschaftlichen Eigenschaften der Bauelemente zu spezifizieren. Die Bauelemente repräsentieren eine Auswahl an Bauteilen mit ähnlichen Eigenschaften und werden über Werte und Anschlüsse spezifiziert. Die Bauelemente ermöglichen der Beschaffung die Artikel im späteren Entwurfsprozess auszuwählen und erhöhen damit die Flexibilität im Prozess. Außerdem erlaubt die Reduzierung der Schaltungsfragmente auf die Auswahl der reinen Bauelemente eine bessere Wie- derverwendung von Schaltungen. Die festen Anschlussflächen in den klassischen Schaltungsfragmenten beeinflussen die Fertigungstechnologien. Die Spezifikation der einzelnen Schaltungen auf Ebene der Bauelemente hat noch keine Abhängigkeit zu den Fertigungstechnologien. Stattdessen erfolgt die Auswahl der Anschlussflächen auf Basis der Fertigungstechnologien in der Anschlussflächenauswahl. Das Bauelement spezifiziert eine Auswahl an Eigenschaften und Anschlüssen während das Bauteil eine feste Menge spezifischer Eigenschaften besitzt. Zusätzlich zur Architektur braucht der Schaltungsentwurf eine Schaltungsfragment- und Bauelementebibliothek. Die Bibliotheken beschreiben die Eigenschaften der einzelnen Schaltungsfragmente und Bauelemente (siehe Unterabschnitt 4.7.3 und Unter- abschnitt 4.7.2). Die Schaltung wird in einem Bauelementplan gespeichert und an die Anschlussflächenauswahl weitergeleitet.

185 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Schaltungs- Bauelement- entwurf plan

Fertigungs- Fertigungs- planung technologien Anschluss- flächen- auswahl Anschluss- Anschluss- belungs- flächenplan spezifikation

Bestückungs- Bestückungs- planung technologien

Anschluss- ﬂächen- bibliothek

Abbildung 4.22: Anschlussﬂächenauswahl

4.6.3 Anschlussﬂächenauswahl

Die Anschlussflächenauswahl transformiert die Bauelemente der Leiterplatte in die zweidimensionale Gestalt und detailliert sie mittels Anschlussflächen (siehe Abbil- dung 4.22). Die Bauelemente besitzen funktionale Anschlüsse und die Anschlussflä- chen verfügen über physische Anschlüsse in Form von Lötflächen. Idealerweise werden ähnliche Bauelemente durch gleiche Anschlussflächen detailliert. Neben dem Bauelementplan benötigt die Anschlussflächenauswahl eine Anschluss- flächenbibliothek sowie Fertigungs- und Bestückungstechnologien. Die Technologien beeinflussen zum Beispiel über die minimale Strukturbreite oder Oberflächenmonta- ge die verfügbaren Anschlussflächen. Die Anschlussflächenbibliothek beschreibt die Eigenschaften der Anschlussflächen (siehe Unterabschnitt 4.7.4). Diese umfasst die zweidimensionalen Gestalten und technologischen Beschränkungen. Die definierten Anschlussflächen werden in einem Anschlussflächenplan an die Anschlussbelegungspe- zifikation übergeben.

4.6.4 Anschlussbelegungsspeziﬁkation

Die Anschlussbelegungsspezifikation verfeinert die Bauelemente und transformiert die Anschlussflächen in die Struktur (siehe Abbildung 4.23). Sie spezifiziert die Abbildung

186 4.6 Entwurfsprozess

Anschluss- Anschluss- flächen- Anschluss- flächenplan auswahl belegungs- spezifikation Platzierung Anschluss- belegungsplan Anschluss- belegungs- bibliothek

Abbildung 4.23: Anschlussbelegungsspeziﬁkation

zwischen den funktionalen Anschlüssen der Bauelemente und den physischen Lötflä- chen der Anschlussflächen. Die Abbildung wird durch die realisierbare Konfigurationen des Bauelements beeinflusst. Abgesehen vom Anschlussflächenplan benötigt die Anschlussbelegungsspezifikation eine Anschlussbelegungsbibliothek. Die Anschlussbelegungen beschreiben die realisierbare Anschlusszuordnungen zwischen Bauelementen und Anschlussflächen (siehe Unterabschnitt 4.7.5). Die spezifizierten Anschlussbelegungen werden als Anschluss- belegungsplan an die Platzierung überführt.

4.6.5 Platzierung

Die Platzierung transformiert die Anschlussflächen und Anschlussbelegungen in eine geometrische Gestalt und platziert diese auf der Leiterplatte (siehe Abbildung 4.24). Sie ersetzt die Anschlüsse der Bauelemente mittels der Anschlussbelegungen durch die physischen zweidimensionalen Lötflächen der Anschlussflächen. Die Netze zwischen den Anschlussflächen werden unverändert übernommen und beeinflussen die Platzierung. Dabei werden die Längen der Netze und die Kreuzungen zwischen verschiedenen Netzen minimiert. Zusätzlich werden die Netze priorisiert, um kritische Signale zu bevorzugen. Die Priorität ergibt sich aus der Schaltung und den Lötflächen der Anschlussflächen. Zusätzlich zum Anschlussbelegungsplan benötigt die Platzierung Bestückungstechno- logien und einen Leiterplattengrundriss. Die Bestückungstechnologien enthalten unter anderem minimale Abstände zwischen Bauelementen oder zum Leiterplattenrand und werden im Rahmen der Bestückungsplanung definiert. Der Leiterplattengrundriss spezifiziert die mechanische Gestalt der Leiterplatte inklusive Löcher, Aussparungen und Kontur. Er erlaubt der Konstruktion die Gestalt der Leiterplatte zu beeinflussen. Die Bauteilplatzierung wird in einem Bestückungsplan gespeichert und an die Gehäu- seauswahl und Entflechtung weitergeleitet. Außerdem werden die Bestückungsdaten für die Bestückungsdatenaufbereitung aus dem Bestückungsplan extrahiert.

187 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Anschluss- Gehäuse- Anschluss- Bestückungs- belungs- auswahl belegungsplan speziﬁkation plan

Platzierung Konstruktion Entﬂechtung Leiter- platten- grundriss

Bestückungs- Bestückungs- Bestückungs- Bestückungs- planung daten- technologien daten aufbereitung

Abbildung 4.24: Platzierung

Platzierung Bestückungs- plan

Bauteil- auswahl Gehäuse- auswahl Konstruktion Umfeld- Flach- modell baugruppen- modell Kollisions- prüfung

Gehäuse- bibliothek

Abbildung 4.25: Gehäuseauswahl

4.6.6 Gehäuseauswahl

Die Gehäuseauswahl verfeinert den Bestückungsplan und erweitert die zweidimensionalen Anschlussflächen um dreidimensionale Gehäuse (siehe Abbildung 4.25). Jede Anschlussfläche besitzt mindestens ein kompatibles Gehäuse. Diese unterscheiden sich primär in ihrer Höhe und sekundär in ihrer Form. Die Gehäuseauswahl benötigt neben dem Bestückungsplan eine Gehäusebibliothek sowie ein Umfeldmodell. Das Umfeldmodell beinhaltet die Gestalt aller mechanischen Bauteile und Baugruppen im Umfeld der Leiterplatte. Auf diese Weise beeinflusst die

188 4.6 Entwurfsprozess

Schaltungs- Bauteile- simulation schaltplan

Gehäuse- Flach- auswahl baugruppen- Bauteil- modell auswahl Beschaffung Stückliste

Bauteile- bibliothek

logische Hardware- Schaltungs- beschreibung entwicklung

Basis- softwareentwicklung

Abbildung 4.26: Bauteilauswahl

Konstruktion den Bauraum und damit die Auswahl der Gehäuse. Die Gehäusebibliothek beinhaltet dreidimensionale Gestalten von Gehäusen und ordnet sie einzelnen kompatiblen Anschlussﬂächen zu (siehe Unterabschnitt 4.7.6). Die dreidimensionale Gestalt der Flachbaugruppe wird als Flachbaugruppenmodell gespeichert und an die Kollisi- onsprüfung und Bauteilauswahl übergeben. Das Flachbaugruppenmodell beschreibt die Gestalt der Leiterplatte und Gehäuse der Bauelemente. Die dreidimensionalen Gestalten der Gehäuse sind in der Bibliothek gespeichert und mit den Anschlussﬂächen auf der Leiterplatte verknüpft. Die Kollisionsprüfung überprüft die Flachbaugruppen und dessen Umfeld auf eventuelle Überschneidungen und sichert dementsprechend einen einwandfreien Zusammenbau der gesamten Baugruppe.

4.6.7 Bauteilauswahl Die Bauteilauswahl transformiert die Gehäuse in die Struktur und verfeinert die Bau- elemente durch Bauteile (siehe Abbildung 4.26). Die Auswahl der Bauteile erfolgt auf Basis einer Übereinstimmung zwischen den Eigenschaften der Bauelemente in der Schaltung und der Bauteile in der Bauteilebibliothek. Die Bauteile ersetzen die Bauelemente und detaillieren die Eigenschaften mittels spezifischer Werte. Zusätzlich zu Bauelement, Anschlussfläche, Anschlussbelegung und Gehäuse beeinflussen unter anderem der Preis und die Verfügbarkeit die Bauteilauswahl. Aufgrund der zusätzlichen

189 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Platzierung Fertigungs- Bestückungs- prüfung plan

Entﬂechtung Integritäts- Fertigungs- Layout analyse technlogien

Fertigungs- planung

Nutzen- Lagenaufbau layoutentwurf

Abbildung 4.27: Entﬂechtung

Variabilität im Bereich der Warenwirtschaft erfolgt die Auswahl in Zusammenarbeit mit der Beschaffung. Abgesehen vom Flachbaugruppenmodell benötigt die Bauteilauswahl eine Bauteile- bibliothek. Diese beschreibt alle Eigenschaften der einzelne Bauteile (siehe Unterab- schnitt 4.7.7). Die detaillierte Schaltung wird in einem Bauteileschaltplan gespeichert und an die Schaltungssimulation übergeben. Zusätzlich werden aus dieser eine Stück- liste für die Beschaffung sowie eine optionale Hardwarebeschreibung für die logische Schaltungsentwicklung und Basissoftwareentwicklung extrahiert. Die Stückliste wird für die Bestellung der Bauteile und die Hardwarebeschreibung für die Parametrisie- rung der Basissoftware, der Treiber und des Betriebssystems genutzt. Der verbreitete Standard für die Hardwarebeschreibung ist der Gerätebaum (Device Tree) [84, 135]. Der Gerätebaum speziﬁziert eine von der Basissoftware unabhängige Datenstruktur zur Hardwarebeschreibung eines Systems. Unter anderem unterstützt das U-Boot Start- programm sowie der Linux und FreeBSD Betriebssystemkern den Gerätebaum (siehe Abschnitt 3.6.2).

4.6.8 Entﬂechtung

Die Entflechtung verfeinert den Bestückungsplan der Platzierung und ersetzt die Netze durch spezifische Leiterbahnen (siehe Abbildung 4.27). Sie wird unter anderem durch Entwurfsregeln beeinflusst. Diese ergeben sich zum einen aus den Fertigungstechnolo- gien und zum anderen aus der Schaltung beziehungsweise aus den Anschlüssen der Bauelemente. Die gesamte Entflechtung inklusive Teilaufgaben werden ausführlich in der Literatur [77, 138, 82, 163] beschrieben.

190 4.6 Entwurfsprozess

Bohrdaten

Entﬂechtung Fertigungs- Layout datenaufbereitung

Layoutdaten Nutzen- layoutentwurf Fertigungs- Fertigungs- planung technlogien

Nutzen- layout

Bestückungs- Nutzen- planung richtlinien

Bestückungs- Pasten- datenauf- masken bereitung

Abbildung 4.28: Nutzenlayoutentwurf

Neben dem Bestückungsplan benötigt die Entflechtung Fertigungstechnologien und einen Lagenaufbau. Die Fertigungstechnologien definieren unter anderem minimale Breiten und Abstände für Leiterbahnen und Durchkontaktierungen. Der Lagenauf- bau beschreibt beispielsweise die Anzahl der Leiterbahnlagen sowie deren Dicke und Abstände. Beide werden innerhalb der Fertigungsplanung spezifiziert. Auf der einen Seite steigern beispielsweise eine kleine Strukturgröße sowie hohe Lagenanzahl die Freiheitsgrade in der Entflechtung und auf der anderen Seite erhöhen sie die Kosten der Fertigung. Das fertige Layout wird zum einen an eine Fertigungsprüfung und zum anderen an verschiedene Integritätsanalysen übergeben. Im Rahmen der Untersuchun- gen kann unter anderem die Entwärmung, elektromagnetische Verträglichkeit, Signal- oder Leistungsintegrität überprüft werden. Das geprüfte Layout wird anschließend an den Nutzenlayoutentwurf übergeben.

4.6.9 Nutzenlayoutentwurf

Der Nutzenlayoutentwurf bereitet das Layout einer Leiterplatte für die Fertigung auf (siehe Abbildung 4.28). Er kombiniert mehrere Instanzen einer oder verschiedener Leiterplatten zu einem Nutzen. Ein Nutzen speziﬁziert Aussparungen und Stege zwischen einem Nutzenrahmen und den einzelnen Leiterplatten. Der Rahmen dient der

191 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses mechanischen Aufnahme des Nutzens in eine Bestückungsmaschine und die Stege verbinden diesen mechanisch mit den einzelnen Leiterplatten. Zusätzlich zum Layout benötigt der Nutzenlayoutentwurf Fertigungstechnologien und Nutzenrichtlinien. Die Nutzenrichtlinien speziﬁzieren beispielsweise die maximale Größe eines Nutzens sowie Form des Rahmens und der Stege. Auf Basis des fertigen Nutzenlayouts werden Bohrdaten, Layoutdaten und Lötpastenmasken generiert. Die Layout- und Bohrdaten werden an eine Fertigungsdatenaufbereitung übergeben. Die Lötpastenmasken werden zusammen mit den Bestückungsdaten an einen Bestücker weitergeleitet. Beispielsweise speziﬁziert der Standard Generic Requirements for Printed Board Assembly Products Manufacturing Description Data and Transfer Methodology [91] ein herstellerunabhängiges eXtensible Markup Language (XML) basiertes Daten- austauschformat für die Leiterplattenfertigung und -bestückung.

4.7 Bibliotheken

Die Bibliotheken bilden ein zentrales Element des agilen Leiterplattenentwurfsprozess- es. Sie speichern die Informationen der jeweiligen Aspekte und stellen diese unabhängig von einzelnen Anwendern und Projekten zur Verfügung. Die Projekte referenzieren, spezifizieren und verknüpfen die jeweiligen Datensätze der Bibliotheken in ihren Mo- dellen innerhalb eines Leiterplattenentwurfsprozesses (siehe Abbildung 4.29). Dabei verknüpft eine Bauteilebibliothek die einzelnen Bibliotheken untereinander. Die Beschreibung repräsentiert eine denkbare Umsetzung der einzelnen Bibliotheken und dient als Basis für eine spätere Implementierung. Die einzelnen Bibliotheken transferieren und kombinieren etablierte Techniken und Methoden verschiedener Fachdisziplinen. Sie unterscheiden sich damit von der konservativen und proprietären Realisierung der derzeitigen Softwarewerkzeuge. Die Bibliotheken sind in einer verteilten Versionsverwaltung organisiert. Diese pro- tokolliert und archiviert Änderungen an den Daten und koordiniert den gemeinsamen Zugriff von mehreren Personen auf die Daten. Dies ermöglicht verschiedenen Institu- tionen oder Firmen ihren jeweiligen Datenbestand zu verwalten und ihn anderen zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise entstehen keine zentralen Instanzen oder Abhän- gigkeiten. Jeder Hersteller stellt entsprechende Daten seiner Bauteile in einem eigenen Aufbewahrungsort (repository) zur Verfügung. Der Anwender nutzt diese verschiedenen Aufbewahrungsorte nur lesend und kombiniert sie zu seinem Datenbestand. Jeder Datensatz wird in einer einzelnen Datei gespeichert. Gemeinsame Eigenschaf- ten werden in separaten Datensätzen beziehungsweise Dateien gesammelt und an einzelne Datensätze vererbt. Herstellerunabhängige Eigenschaften, wie zum Beispiel Funktionseinheiten, Bauelemente, Anschlussflächen oder Gehäuse, werden von einer Gemeinschaft gepflegt und von den Herstellern referenziert. Alle Datensätze werden mittels einer semantischen Versionsnummer [136] markiert. Diese kennzeichnet die Weiterentwicklung der Daten nachvollziehbar und stammt aus

192 4.7 Bibliotheken

Architektur- Funktionseinheit entwurf

Schaltungs- «dataset» Bauelement entwurf Schaltungsfragment

Anschluss- ﬂächen- Anschlussﬂäche auswahl

Anschluss- belegungs- Anschlussbelegung speziﬁkation

Platzierung

Gehäuse- Gehäuse auswahl

Bauteil- Bauteil auswahl

Abbildung 4.29: Korrelation zwischen Entwurfsaufgaben und Bibliotheksdatensätzen

193 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

«functional unit» Proximity Sensor

proxy ports supply: Power emitter supply: Power interrupt: Digital Signal i2c: Inter Integrated Circuit Interface ground: Ground

Abbildung 4.30: Beispiel einer Funktionseinheiten (Näherungssensorsystem) der Softwaretechnik. Sie besteht aus einer Hauptversion, Nebenversion und Revision und kennzeichnet inkompatible Änderungen. Die Datensätze werden zusätzlich in eine Datenbank eingelesen und gespeichert. Die Datenbank repräsentiert ein zentrales Element im Auswahlprozess. Die Funkti- onseinheiten beziehungsweise Bauelemente werden schrittweise im Entwurfsprozess speziﬁziert und damit die Menge der Lösungen in der Datenbank eingeschränkt. Die Bibliotheken nutzen größtenteils eine komprimierte hierarchische Informati- onsdarstellung und beinhalten jeweils Datensätze beziehungsweise Repräsentationen eines Aspekts.

4.7.1 Funktionseinheitenbibliothek Die Funktionseinheitenbibliothek besteht aus einer Sammlung von Funktionseinheiten. Eine Funktionseinheit beschreibt eine funktionale Einheit auf einer Leiterplatte. Sie repräsentiert eine Schaltung von einem oder mehreren Bauelementen und leitet sich aus einem Bauelement ab. Es existieren unter anderem Funktionseinheiten für verschiedene Klassen von Sensoren, Aktoren, Informationsverarbeitung oder Spannungs- versorgung. Die einzelnen Funktionseinheiten unterscheiden sich in ihrem Namen sowie Anschlüssen und repräsentieren verschiedene Schaltungsfragmente. Die Beschreibung der Funktionseinheiten basiert auf Blockdeﬁnitionsdiagramm und internen Blockdiagramm (siehe Abbildung 4.30). Sie werden als einzelne Blöcke modelliert und verfügen über separate Anschlüsse. Zusätzlich zu den Funktionsein- heiten existieren auch Blöcke für Anschlüsse im Blockdeﬁnitionsdiagramm (siehe Abbildung 4.31a). Sie umfassen die Basistypen Energieversorgung, Masse, Analog- und Digitalsignal. Außerdem existieren verschachtelte Anschlüsse für verschiedene gebräuchliche und standardisierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, Bussysteme und externe Kabelbäume (siehe Abbildung 4.31b). Bussysteme mit teilweise gemeinsamen und getrennten Steuerleitungen pro Endgerät werden als einzelne Bussysteme abstrahiert und erhalten pro Kanal einen verschachtelten Anschluss. Auf diese Weise verwenden sowohl zwei separate Schnittstellen als auch eine Schnittstelle mit zwei Kanälen einheitliche

194 4.7 Bibliotheken

«interfaceBlock» «interfaceBlock» «interfaceBlock» Power Signal Ground

«interfaceBlock» «interfaceBlock» Analog Signal Digital Signal

(a) Anschlüsse

«interfaceBlock» Serial Peripheral Interface

proxy ports serial clock : Digital Signal master output slave input : Digital Signal master input slave output : Digital Signal slave select : Digital Signal

(b) Verschachtelter Anschluss

Abbildung 4.31: Beispiele für Anschlüsse als Blockdeﬁnitionsdiagramm

Anschlüsse und sind entsprechend kompatibel. Anforderungen an zwei vollständig separate Schnittstellen können im Entwurf durch Einschränkungen modelliert werden. Die verschachtelten Anschlüsse werden durch Blöcke mit einzelnen Anschlüssen modelliert. Neben verschachtelten Anschlüsse lassen sich auch Spannungslevel oder weitere Eigenschaften, wie Impedanz oder Leitungslänge, mittels zusätzlicher Blöcke spezifizieren. Zusätzlich existieren spezielle Schaltungsfragmente für die Verbindung von verschachtelten unidirektionalen Anschlüssen und Kreuzungspunkten für Punkt- zu-Punkt-Verbindungen. Diese verfügen jeweils über zwei entsprechende Anschlüsse und eine interne Verschaltung der verschachtelten Anschlüsse. Im Unterschied zu Bauelementen definieren Funktionseinheiten nur Anschlüsse. Die Modellierung von Einschränkungen im Architekturentwurf ermöglicht jedoch die Beeinflussung des Entwurfsprozesses.

4.7.2 Bauelementebibliothek

Die Bauelementebibliothek beinhaltet verschiedene Bauelemente. Ein Bauelement beschreibt eine Klasse beziehungsweise Kategorie von Bauteilen mit gleichen oder ähnlichen Eigenschaften respektive Verhalten. Es existieren einerseits Bauelemente für Widerstand, Kondensator, Induktivität und Transistor, andererseits auch für verschiedene integrierte Schaltungen, wie Mikrocontroller, Spannungsregler, Sensoren oder

195 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

«component» One Port

proxy ports pin : Analog Signal [2]

«component» Resistor

values resistance : Ω tolerance : % power rating : W

«component» Resistor E96

values tolerance : % = 1 {redeﬁnes tolerance}

Abbildung 4.32: Beispiel einer Widerstandsreihe als Blockdeﬁnitionsdiagramm

Aktoren. Die Bauelemente orientieren sich an den gemeinsamen Eigenschaften der Bauteile. Dabei werden mindestens Anschlussfläche, Anschlussbelegung und Gehäuse der Bauteile abstrahiert. Die Bauelemente spezifizieren die Menge aller Eigenschaften der Bauteile einer Klasse. Diese werden dabei weitestgehend verallgemeinert sowie vereinheitlicht und sind damit unabhängig von Artikel und Hersteller. Außerdem nutzen sie einheitliche Werte und Anschlüsse. Die Beschreibung der Bauelemente basiert auf dem Blockdefinitionsdiagramm (siehe Abbildung 4.32). Sie werden als Blöcke modelliert und verfügen über Anschlüsse, Wertebereiche und Werte. Gebräuchliche Bauelemente werden mittels Generalisierung und Spezialisierung aus allgemeinen Blöcken abgeleitet. Die Eigenschaften der Bauelemente lassen sich als Merkmalsdiagramme darstellen. Die Namen der Eigenschaften entsprechen notwendigen oder wahlfreien Merkmalen und ihre Werte repräsentieren alternative Untermerkmale (siehe Abbildung 4.33a). Ein Bauteil entspricht einer Merkmalskombination und damit einer Ausprägung eines Merkmalsmodells (siehe Abbildung 4.33b). Im Unterschied zu Bauteilen definieren Bauelemente Wertebereiche und notwendige Eigenschaften. Im Gegensatz zu Schaltzeichen im Schaltplan spezifizieren Bauelemen- te keine Bauteile, Anschlussflächen oder Anschlussbelegung und ermöglichen eine Wiederverwendung des Bauelements bei unterschiedlichem Anforderungen.

196 4.7 Bibliotheken

Resistor

Tolerance Power Rating Footprint Manufacturer

1005 1608 Vishay ±1 % ±5 % 62.5 mW 100 mW Yageo (0402) (0603) Dale

(a) Merkmalsdiagramm

(b) Merkmalskombinationen

Article

Feature RC0402JR-xx10K RC0402FR-xx10K CRCW040210K0FK CRCW040210K0JK RC0603FR-xx10K RC0603JR-xx10K CRCW060310K0FK CRCW060310K0JK ±1 % ✓ ✓ ✓ ✓ Tolerance ±5 % ✓ ✓ ✓ ✓ 62.5 mW ✓ ✓ ✓ ✓ Power Rating 100 mW ✓ ✓ ✓ ✓ 1005 (0402) ✓ ✓ ✓ ✓ Footprint 1608 (0603) ✓ ✓ ✓ ✓ Yageo ✓ ✓ ✓ ✓ Manufacturer Vishay Dale ✓ ✓ ✓ ✓

Abbildung 4.33: Beispiel von Merkmalen (Widerstände)

197 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

4.7.3 Schaltungsfragmentebibliothek

Die Schaltungsfragmentebibliothek besteht aus einzelnen Schaltungsfragmenten. Ein Schaltungsfragment beschreibt eine Schaltung von Bauelementen. Es beinhaltet beispielsweise eine integrierte Schaltung und dessen Beschaltung oder eine Kombination von Bauelementen zu einer analogen funktionalen Einheit. Ein Schaltungsfragment entspricht zum Beispiel der Schaltung eines Datenblatts oder Anwendungshinweises eines Bauteils. Soweit möglich werden diese Schaltungen verallgemeinert und genera- lisiert, um eine größtmögliche Kompatibilität zwischen den Bauteilen zu erhalten und den Lösungsraum nicht einzugrenzen. Die Schaltungsfragmente werden über Name, Beschreibung, Schlüsselwörter, An- schlüsse und physikalische Eigenschaften spezifiziert. Letztere ergeben sich aus den Bauelementen und der Verschaltung selbst. Die einzelnen Eigenschaften der Bauele- mente im Schaltungsfragment werden entsprechend der gewünschten Schaltungen spezifiziert oder eingeschränkt. Dabei werden nur notwendige Eigenschaften definiert. Die Anschlüsse eines Schaltungsfragments und seiner Bauelemente werden gemäß der gewünschten Schaltungen über Netze miteinander verbunden. Die Beschreibung der Schaltungsfragmente basiert auf Blockdefinitionsdiagramm und dem internen Blockdiagramm beziehungsweise Schaltplan. Ersteres beschreibt die Eigenschaften und Beziehungen eines Fragmentes und letztere die Verbindungen beziehungsweise Netze zwischen den Anschlüssen der einzelnen Teile eines Schal- tungsfragments (siehe Abbildung 4.34). Im Unterschied zu klassischen Schaltplänen beschreiben Schaltungsfragmente keine spezifischen Anschlussflächen, Anschlussbelegungen oder Bauteile und ermöglichen eine Wiederverwendung der Fragmente in Projekten mit unterschiedlichen Anforderun- gen. Außerdem lassen sich die Bauelemente mittels Wertebereichen oder abstrakten Bauelementen spezifizieren und damit eine generische und universelle Schaltung beschreiben.

4.7.4 Anschlussﬂächenbibliothek

Die Anschlussflächenbibliothek enthält verschiedene Anschlussflächenspezifikationen. Eine Anschlussflächenspezifikation beschreibt die Größe, Form und Position der zweidimensionalen Lötflächen eines Bauteils auf einer Leiterplatte (siehe Abbildung 4.35). Sie wird entsprechend dem Stand der Technik über die Generic Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard [92] benannt und spezifiziert. Dies beinhaltet die Gestalt der Anschlussflächen, eine rotationsfreie Ausrichtung, eine Anschlussbenen- nung und eine Namenskonvention für die Anschlussflächen. Zusätzlich spezifizieren die Anschlussflächenspezifikationen minimale Bestückungs- und Fertigungstechnologien sowie kompatible Lötprozesse. Ein standardisiertes Datenformat ersetzt die spezifischen Formate der Leiterplatten- entwurfswerkzeuge. Im Unterschied zu den bestehenden Formaten ermöglicht dieses

198 4.7 Bibliotheken

«electronic circuit» Proximity Sensor Circuit

proxy ports supply : Power emitter supply : Power interrupt : Digital Signal i2c : Inter Integrated Circuit Interface ground : Ground

parts c1 : Capacitor [2] c2 : Capacitor [2] l1 : Inductor u1 : Proximity Sensor r1 : Resistor

(a) Blockdeﬁnitionsdiagramm

Power POPOWERPower PIL102 COL1L1 PIL101 BLM15PD121SN1D TransmitterPower PIC102 PIC202 PIC302 PIC402 POTRANSMITTERPOWERTransmitterPower COC1C1 COC2C2 COC3C3 COC4C4 PIC101 10u PIC201 100n PIC301 100n PIC401 10u POGROUNDGround COU1U1 GND 5 1 GND PIU105 VDD LED_A PIU101 I2C 2 10 POI2CPOI2C0SCLPOI2C0SDAI2C SDA PIU102 SDA LED_C PIU1010 4 SCL PIU104 SCL 7 NC PIU107 3 6 PIU103 INT NC PIU106 Power 8 9 PIR102 PIU108GND GND PIU109 COR1R1 VCNL4020 PIR101 10k GND GND POINTERRUPT0NInterrupt_N

(b) Schaltplan

Abbildung 4.34: Beispiel eines Schaltungsfragments (Näherungssensor) die Referenzierung von Lötflächen und die Beschreibung von Mustern. Auf diese Weise lässt sich eine Anschlussfläche durch eine einzige Lötfläche und ein Raster spezifizieren.

4.7.5 Anschlussbelegungsbibliothek Die Anschlussbelegungsbibliothek besteht aus einzelnen Anschlussbelegungen. Eine Anschlussbelegung beschreibt die realisierbare Zuordnung zwischen einzelnen An- schlüssen eines Bauelements und Lötflächen einer Anschlussfläche beziehungsweise Lötbeine, -bälle oder -flächen eines Gehäuses. Abhängig von der Anschlussfläche sind

199 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

()4.9 1.75 0.4 1.1 0.83 0.25 0.4 0.37 0.28

)

(

0.45 0.4 0 4x 0.685=2.74

(a) Widerstand [157, S. 2] (b) Näherungssensor [159, S. 13]

Abbildung 4.35: Beispiele zweier Anschlussflächen letztere alphanumerisch indexiert. Einreihig sowie quadratisch angeordnete Lötflächen nutzen Nummern und Raster von Lötflächen verwenden einen Buchstaben für die Zeile sowie eine Nummer für die Reihe. Ein funktionaler Anschluss eines Bauelements unterstützt eine Zuordnung zu mehreren physischen Lötflächen einer Anschlussfläche. Dies gilt insbesondere für Spannungs- versorgung und Masse. Außerdem verfügt ein Anschluss über mehrere realisierbare Zuordnungen zu verschiedenen Lötflächen, aber eine Lötfläche besitzt in der Rea- lisierung maximal eine Zuweisung zu einem Anschluss. Dies betrifft vornehmlich konfigurierbare Ein- und Ausgänge oder mehrfach existierende gleichartige Anschlüsse. Weiterhin unterstützt ein einzelner ineinander verschachtelter komplexerer Anschluss eine Zuweisung zu unterschiedlichen Lötflächen mit zusammenhängender gleichartiger Funktion. Dies betrifft beispielsweise verschiedene Kommunikationsstandards. Die Zuordnungen zwischen den Anschlüssen und Lötflächen werden in einer Zuordnungs- matrix beschrieben (siehe Abbildung 4.36a). Spalten beschreiben die Lötflächen und Zeilen die Anschlüsse. Zellen repräsentieren Zuordnungen. Kugeln kennzeichnen fest- stehende, Kreise markieren realisierbare und leere Zellen beschreiben ausgeschlossene Zuordnungen. Individuelle Anschlüsse, Spannungsversorgung sowie Masse verfügen vorwiegend über eine konstante Zuordnung. Sowohl mehrfach existierende als auch konfigurierbare Anschlüsse besitzen mehrere realisierbare Zuordnungen. Die Anzahl aktiver Zuordnungen pro Zeile und Spalte sind in der Regel jeweils auf eins beschränkt. Außerdem können Zuordnungsregeln die Aktivierung verschiedenen Zuordnungen beziehungsweise Zellen untereinander beschränken. Dies ermöglicht die Spezifikation von Forderungen und Ausgrenzungen zwischen Zuordnungen. Die Regeln werden in einer konjunktiven Normalform beschrieben (siehe Abbildung 4.36b).

200 4.7 Bibliotheken

(a) Zuordnungsmatrix

Port Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

address[1] address[2] address[3] downstream interrupt[1] #### downstream i2c[1].sda #### downstream i2c[1].scl #### downstream interrupt[2] #### downstream i2c[2].sda #### downstream i2c[2].scl #### ground downstream interrupt[3] #### downstream i2c[3].sda #### downstream i2c[3].scl #### downstream interrupt[4] #### downstream i2c[4].sda #### downstream i2c[4].scl #### upstream interrupt upstream i2c.scl upstream i2c.sda supply

(¬downstream i2c[1].sda@5∨downstream i2c[1].scl@6) ∧(¬downstream i2c[1].scl@6∨downstream i2c[1].sda@5) ∧(¬downstream i2c[1].sda@8∨downstream i2c[1].scl@9) ∧(¬downstream i2c[1].scl@9∨downstream i2c[1].sda@8) ∧(¬downstream i2c[1].sda@12∨downstream i2c[1].scl@13) ∧(¬downstream i2c[1].scl@13∨downstream i2c[1].sda@12) . . ∧(¬downstream i2c[4].sda@15∨downstream i2c[4].scl@16) ∧(¬downstream i2c[4].scl@16∨downstream i2c[4].sda@15)

(b) Zuordnungsregeln in konjunktiver Normalform

Abbildung 4.36: Beispiel einer Anschlussbelegung (Vierkanalmehrfachkoppler)

201 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

   

 [ ] [ ] (a) Widerstand 157, S. 1  (b) Näherungssensor 159, S. 1  Abbildung 4.37: Beispiel zweier Gehäuse

Die Zuordnungsmatrix lässt sich auch als Merkmalsdiagramm darstellen. Dabei bilden die physischen Lötﬂächen der Anschlussﬂächen die erste Ebene und werden als notwendige Elemente modelliert. Die zweite Ebene bilden die Anschlüsse der

Bauelemente. Sie werden als exklusive Alternativen beschrieben. Die Regeln werden ähnlich zur Zuordnungsmatrix als konjunktive Normalform modelliert.

Die Konfigurationen der Bauteile lassen sich entweder mittels Anschlüssen oder Regis- tern beeinflussen. Die Anschlusskonfigurationen werden je nach Bauteil dynamisch zur Laufzeit oder ausschließlich statisch zum Einschaltzeitpunkt gesteuert. Ersteres benötigt einen separaten Konfigurationsanschluss und letzteres ermöglicht eine Zweitverwen- dung des Anschlusses im Betrieb. Hierbei wird der Logikpegel zum Einschaltzeitpunkt mit Hilfe von einem Widerstand eingestellt. Neben einfachen Logikpegeln werden teilweise auch unterschiedliche Spannungspegel oder Signalverläufe verwendet, um mehr als zwei Konfigurationen pro Anschluss zu realisieren. Diese Konfigurationen benötigen eine entsprechende Umsetzung in der Schaltung und werden bereits im Schaltungsentwurf festgelegt. Die Registerkonfigurationen werden von einem Basis- programm über eine Kommunikationsschnittstelle dynamisch gesteuert und verfügen über einen festen Standardwert nach dem Einschalten. Entsprechende Informationen müssen zur Basissoftwareentwicklung transferiert werden. Im Unterschied zum klassischen Leiterplattenentwurf erfolgt die spezifische An-  schlussbelegung nicht indirekt im Schaltplan oder Schaltzeichen. Weiterhin bildet die  Anschlussbelegung einen Teil des Leiterplattenentwurfs, wird dokumentiert und muss nicht manuell aus Datenblättern extrahiert werden.

4.7.6 Gehäusebibliothek

Die Gehäusebibliothek beinhaltet Modelle verschiedener Gehäuse. Ein Gehäusemodell beschreibt eine dreidimensionale Gestalt eines Bauteils (siehe Abbildung 4.37). Es repräsentiert soweit möglich verallgemeinerte und herstellerunabhängige Modelle.

202 4.7 Bibliotheken

Tabelle 4.1: Beispiel einiger Bauteileigenschaften (Widerstände)

Part Number Tolerance Power Case Bounding Box Rating (LxBxH) in % in mW in mm RC0402FR-xx10K ±1 62.5 1005 (0402) 1 × 0.5 × 0.35 RC0402JR-xx10K ±5 62.5 1005 (0402) 1 × 0.5 × 0.35 CRCW040210K0FK ±1 62.5 1005 (0402) 1 × 0.5 × 0.35 CRCW040210K0JK ±5 62.5 1005 (0402) 1 × 0.5 × 0.35 RC0603FR-xx10K ±1 100.0 1608 (0603) 1.6 × 0.8 × 0.45 RC0603JR-xx10K ±5 100.0 1608 (0603) 1.6 × 0.8 × 0.45 CRCW060310K0FK ±1 100.0 1608 (0603) 1.55 × 0.85 × 0.45 CRCW060310K0JK ±5 100.0 1608 (0603) 1.55 × 0.85 × 0.45

Die Gehäuse verfügen über eine eindeutige Identifikation und sind einzeln kompatiblen Anschlussflächen zugeordnet. Letzteres geschieht entweder durch eindeutige Identifizierungen der Anschlussflächen oder mittels maximaler und minimaler Abmes- sungen der Anschlussflächen beziehungsweise Anschlüsse. Außerdem spezifizieren die Modelle den Hüllkörper des Gehäuses. Ein Hüllkörper (bounding box) beschreibt einen einfachen (quadratischen) geometrischen Körper und umschließt ein komplexes dreidimensionales Objekt. Viele Hersteller bieten bereits entsprechende Modelle für ihre Bauteile in dem Datenaustauschformat STandard for the Exchange of Product model data (STEP) an. Die Gehäusebibliothek stellt zusätzlich normierte Modelle für standardisierte Gehäuse bereit und nutzt ein vom Leiterplattenentwurfswerkzeug unabhängiges Datenformat für die Speicherung. Auf diese Weise können Gehäuse zwischen verschiedenen Herstellern standardisiert und wiederverwendet werden. Zusätzlich können die Hersteller Modelle spezieller Gehäuse anbieten.

4.7.7 Bauteilebibliothek

Die Bauteilebibliothek spezifiziert unterschiedliche physische Bauelemente auf einer Leiterplatte. Ein einzelnes Bauteil wird durch Eigenschaften beschrieben. Die Eigen- schaften werden durch Namen bezeichnet und anhand von Zeichenketten oder Werten inklusive Einheit spezifiziert. Die Eigenschaften können in physikalische, physische und wirtschaftliche Eigenschaften unterteilt werden. Die physikalischen Eigenschaften umfassen insbesondere elektrotechnische Kennzahlen und beschreiben beispielsweise Bemessungs- und Grenzwerte (siehe Tabelle 4.1). Sie können in unveränderliche, konfigurierbare und resultierende Eigenschaften unterteilt werden. Unveränderliche Eigenschaften werden durch das Bauteil festgelegt und konfigurierbare Eigenschaften

203 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses werden über die Bauteilbeschaltung oder Programmierung definiert. Konfigurierbare Eigenschaften unterscheiden sich von unveränderliche Eigenschaften durch eine Lis- te von verfügbaren Werten (siehe Abbildung 4.38a). Zwischen verfügbaren Werten unterschiedlicher Eigenschaften können Existenzbedingungen bestehen (siehe Abbil- dung 4.38b). Diese begrenzen die Anzahl verfügbarer Kombinationen von Eigenschaf- ten. Die resultierenden Eigenschaften, beispielsweise Strombedarf, ergeben sich aus den gewählten konfigurierbaren Eigenschaften und werden durch Berechnungsformeln oder gemessene Werte beschrieben (siehe Abbildung 4.38c). Insbesondere integrierte Schaltungen verfügen über konfigurierbare und daraus resultierende Eigenschaften. Die physischen Eigenschaften spezifizieren die Anschlussfläche und das Gehäuse. Sie verweisen auf die jeweiligen Anschlussbelegungen, zweidimensionalen Anschluss- flächen und dreidimensionalen Gehäuse in den entsprechenden Bibliotheken. Die wirtschaftlichen Eigenschaften betreffen die Beschaffung der Bauteile. Unter- schiedliche Hersteller bieten technisch gleiche Bauteile an. Dabei kann die Herstel- lernummer sowohl gleich als auch unterschiedlich sein. Außerdem sind die Bauteile in verschiedenen Verpackungen verfügbar. Neben der Verpackungseinheit beeinflussen diese die Bestückungskosten der Bauteile. Weiterhin können gleiche Bauteile über verschiedenen Lieferanten beschafft werden. Jeder Lieferant verfügt über eigene Bestellnummern, Mindestbestellmengen, Verkaufseinheiten, Verfügbarkeiten und Staffelpreise. Die Staffelpreise bestehen dabei aus einer Liste von einzelnen Mindest- mengen und Preisen. Neben der Bestellmenge wird der Preis durch vereinbarte Rabatte beeinflusst. Die Bauteilspezifikationen werden als elektronische Datenblätter von den Herstellern zur Verfügung gestellt. Ein elektronisches Datenblatt (electronic data sheet) ist eine elektronische Beschreibung der Eigenschaften eines Bauteils. Dieses beschreibt die physikalischen, physischen und herstellerspezifischen wirtschaftlichen Eigenschaften eines Bauteils. Die Daten werden beispielsweise in einem eXtensible Markup Language (XML) oder JavaScript Object Notation (JSON) Format gespeichert. Die Struktur der Eigenschaften leitet sich aus der Beschreibung der Bauelemente ab. Dabei werden die konfigurierbaren und resultierenden Eigenschaften als Merkmalsmodell direkt im elektronischen Datenblatt gespeichert. Weiterhin enthält es Verweise auf eine Anschlussbelegung, Anschlussfläche und ein Gehäuse. Die Inhalte der elektronischen Datenblätter ergeben sich unter anderem aus der Common Data Dictionary [86]. Diese spezifiziert eine hierarchische Klassifikation von Bauteilen beziehungsweise Bauelementen [86]. Jeder Klasse sind Eigenschaften zugeordnet und diese werden an Unterklassen vererbt. Im Unterschied zur eCl@ss [49] ist die Klassifikation und Beschreibung der einzelnen Klassen im Bereich der elektrischen Bauteile ausführlicher. Die eCl@ss ist ein branchenübergreifender Produktdatenstan- dard für die Klassifizierung und Beschreibung von Produkten und Dienstleistungen. Die elektronischen Datenblätter werden zentral oder beim Anwender in eine Daten- bank eingelesen und mit den wirtschaftlichen Eigenschaften der Lieferanten verknüpft.

204 4.7 Bibliotheken

(a) Unabhängige Eigenschaften (Daten entnommen aus [159])

Proximity Ambient Light

fProximity IEmitter fAmbientLight nAveraging in Hz in mA in Hz 0 0 0 1 1.953 125 10 1 2 3.906 25 20 2 4 7.8125 30 3 8 15.625 40 4 16 31.25 50 5 32 62.5 6 64 . 125. 8 128 250 10 200

(fProximity 6= 0) → (PeriodicProximiyMeasurement)

(fAmbientLight 6= 0) → (PeriodicAmbientLightMeasurement)

(b) Existenzbedingungen

2 71mA 164 s 153 s 0 5 IProximity =( , × µ + IEmitter × µ × , ) × fProximity 9 A 2 7mA 450 s IAmbientLight = µ + , × µ × nAveraging × fAmbientLight 1 5 A I = , µ + IProximity + IAmbientLight

Abbildung 4.38: Beispiel ausgewählter Eigenschaften eines Bauteils (Näherungssen- sor)

205 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Tabelle 4.2: Beispiele für wirtschaftliche Eigenschaften zweier Bauteile (Widerstände)

Article Type Resistor Resistance 10 kΩ Tolerance ±1 % Component Dissipation 62.5 mW Name Vishay Yageo Number CRCW040210K0FKED RC0402FR-0710KL Packaging Reel

Manufacturer Quantity 10 000 Name Farnell Mouser Packaging Cut Tape Reel Minimum 50 10 000

Supplier Availability 83 694 310 980 50 000 1 260 000 Number 1469669 2121730 2421890 603-RC0402FR-0710KL

Dabei wird das Merkmalsmodell aufgelöst und jede realisierbare Konfiguration in der Datenbank gespeichert. Auf diese Weise werden die einzelnen realisierbaren Konfi- gurationen schnell gefunden und müssen nicht bei jeder Datenbankanfrage erzeugt werden. Die Beschreibung der wirtschaftlichen Eigenschaften beruht auf einer Datenstruk- tur (siehe Tabelle 4.2). Die einzelnen Bauteile werden Herstellern zugeordnet. Diese Zuordnungen spezifizieren Hersteller, Nummer, Verpackung und Verpackungseinheit der Bauteile. Die verschiedenen Bauteile von Herstellern werden anschließend Liefe- ranten zugewiesen. Diese Zuweisung definiert Lieferant, Bestellnummer, Verpackung, Mindestbestellmenge, Verkaufseinheit, Verfügbarkeit und Staffelpreise. Die wirtschaftlichen Eigenschaften werden direkt über bereits existierende Schnitt- stellen von den Lieferanten abgefragt. Die Abfrage erfolgt unter anderem über Simple Object Access Protocol (SOAP) oder REpresentational State Transfer (REST) und ermög- licht eine Integration der Lieferanten in Entwicklungswerkzeuge. Alle Bauteile besitzen zusätzlich eine eindeutige und herstellerunabhängige Identifi- kationsnummer. Ähnlich der European Article Number (EAN) beziehungsweise Global Trade Item Number (GTIN) besteht sie aus einer Betriebsnummer und Artikelnummer des Herstellers.

206 4.8 Leistungsmerkmale

Im Unterschied zu konventionellen Datenblättern werden die Daten direkt von den Herstellern in elektronischer Form zur Verfügung gestellt. Dabei sind die Eigenschaften vereinheitlicht und normiert. Die Bauteilebibliothek unterscheidet sich von konventionellen Bauteilebibliotheken in der Speicherung einzelner Bauteilkonfigurationen. Diese ermöglicht eine direkte Suche und Entwurfsraumexploration ohne manuelle Auflösung der Existenzbedingun- gen zwischen den einzelnen verfügbaren konfigurierbaren Eigenschaften. Außerdem kann aus den Konfigurationen die Softwareprogrammierung abgeleitet werden. Die Bauteilebibliothek beschreibt somit die Menge aller Lösungen und spezifiziert sowohl das Bauteil als auch dessen spezifische Eigenschaften. Abweichend von den Bauteilka- talogen der Hersteller sind die Bezeichnungen der Eigenschaften herstellerunabhängig und die Bibliothek kombiniert gleiche Bauteile verschiedener Hersteller. Im Gegen- satz zum Bauteilkatalog der Lieferanten besitzen Werte keine individuelle Maßeinheit oder Einheitenpräfix und nutzen stattdessen eine automatisierte einheitliche Darstel- lung. Weiterhin werden die Bauteile anhand ihrer nicht wirtschaftlichen Eigenschaften gruppiert und verfügen über eine eindeutige sowie herstellerunabhängige Identifikati- onsnummer. Im Unterschied zu einfachen Werten bieten die Bauelemente einen zentralen Punkt zur Überwachung der einheitlichen Verwendung und Schreibweise von Eigenschaften. Auf diese Weise wird beispielsweise verhindert, dass gleiche Bauteile teilweise mit einer Nennleistung von 62,5 mW und 63 mW oder einem Widerstand von 100 Ω und 0,1 kΩ spezifiziert werden. Letzteres lässt sich außerdem durch eine Speicherung der Zahlen ohne Einheit mit dynamischer Maßeinheit pro Kategorie lösen. Dabei können die Formatierung der Zahl und die Maßeinheit dynamisch anhand der Norm für Zahlenangaben [44] formatiert werden. Die Funktionseinheiten, Bauelemente, Schaltungsfragmente, Anschlussflächen, An- schlussbelegung sowie Gehäuse leiten sich aus den Bauteilen ab und repräsentieren detailliert beschriebene Klassen beziehungsweise Eigenschaften von Bauteilen.

4.8 Leistungsmerkmale

Der entwickelte Entwurfsprozess ist interdisziplinär und nutzt die Strukturmodel- lierung des Systementwurfs, die dreidimensionale Gestalt der Konstruktion und die wirtschaftlichen Bauteileigenschaften der Beschaffung. Er integriert andere Fachdiszi- plinen in den Entwurfsprozess und besitzt einen Datenaustausch zum Systementwurf, zur Konstruktion, zur Basissoftwareentwicklung, zur logischen Schaltungsentwicklung sowie zur Beschaffung, Fertigung und Bestückung. Der Entwurfsprozess speziﬁziert die Schaltungsfragmente iterativ pro Funktionseinheit sowie die Anschlussﬂäche, An- schlussbelegung, Gehäuse und Bauteil inkrementell pro Bauelement. Er ist agil und unterstützt neben einer parallelen Ausführung einer Aufgabe für alle Elemente auch eine teilweise sequenzielle Ausführung mehrerer Aufgaben pro Element. Der Leiterplat-

207 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Funktionen

Funktionseinheiten

Bauelemente

Anschlussﬂächen Entwurfsraum Lösungsraum Anschlussbelegungen

Gehäuse

Bauteile Lösungsmenge

Abbildung 4.39: Inkrementelle Bauteilauswahl im agilen Leiterplattenentwurfsprozess tenentwurfsprozess besitzt einen durchgängigen und kontinuierlichen Datenfluss. Er detailliert jeweils die atomaren Elemente der vorherigen Aufgabe um weitere Aspekte und konkretisiert beispielsweise die Funktionseinheiten der Architektur mittels einzelner Schaltungsfragmente. Im Unterschied zum klassischen Leiterplattenentwurf erfolgt keine direkte Auswahl von spezifischen Bauteilen, sondern nur eine Selektion von einzelnen Eigenschaften der Bauteile. Dies erhöht die Flexibilität im Entwurfsprozess, vereinfacht die Rückverfolgung von Entwurfsentscheidungen und die Wiederverwen- dung von Zwischenlösungen. Das Ziel eines Entwurfssprosses ist die Auswahl einer Lösung aus einem Entwurfs- raum. Der Entwurfsraum ist ein multidimensionaler Raum und lässt sich aufgrund der verschiedenen Fachdisziplinen, Aufgaben und Wechselwirkungen in dem Leiter- plattenentwurf nicht geschlossen beschreiben. Der agile Leiterplattenentwurfsprozess nutzt stattdessen einzelne wenig komplexe Aufgaben mit begrenzten Einflussfaktoren und eine inkrementelle Einschränkung des Entwurfsraums (siehe Abbildung 4.39). Die Aufgaben betrachten jeweils nur einen Aspekt des Entwurfsprozesses und verfügen somit über eine reduzierte Komplexität. Sie verfeinern die Flachbaugruppe indem sie einen Aspekt im verfügbaren Lösungsraum spezifizieren und damit die Anzahl an Lösungen reduzieren. Dabei wird in jeder Aufgabe der Lösungsraum auf Basis der vorherigen Aufgaben beziehungsweise eingehenden Daten eingeschränkt. Auf diese Weise lassen sich die einzelnen Aufgaben einfacher durchführen und automatisieren. Aufgrund der inkrementellen Verfeinerung der Flachbaugruppe benötigt der Ent- wurfsprozess eine kontinuierliche Repräsentation des Lösungsraums pro Aufgabe und damit verknüpfte Bibliotheken. Die einzelnen Bauteile sind mit einem Gehäuse, einer Anschlussfläche, einer Anschlussbelegung und einem Bauelement verknüpft. Die Bau- elemente sind über Schaltungsfragmente mit Funktionseinheiten verbunden. Zusätzlich besitzen die einzelnen Gehäuse und Anschlussflächen unterschiedliche Anforderungen an die Bestückungs- und Fertigungstechnologien. Auf Basis dieser Beziehungen lassen sich für jede Funktionseinheit alle Lösungen bestimmen und der Auswahlprozess mit-

208 4.9 Veranschaulichung

tels Einschränkungen auf realisierbare Umsetzungen beschränken. Eine Betrachtung zwischen Funktionseinheiten erlaubt zusätzlich eine Wiederverwendung von Bauteilen und damit eine Reduzierung von Kosten. Der Lösungsraum wird im Entwurfsprozess über Einschränkungen begrenzt und der jeweilige Auswahlprozess beispielsweise mittels Regeln und Bewertungsfunktionen beeinﬂusst. Infolgedessen lassen sich nur optimale Lösungen pro Aufgabe beziehungsweise Auswahl bestimmen. Nur eine Entwurfsraumexploration erlaubt eine Bestim- mung der optimalen Lösungen. Dabei benötigt die Optimierung der Leiterplatte eine Abschätzung beziehungsweise Automatisierung der Platzierungen und Entﬂechtung. Ohne diese ist nur eine Optimierung der Schaltung beziehungsweise Bauteilauswahl erreichbar. In einer Entwurfsraumexploration werden in jeder Entwurfsaufgabe mehrere Lösun- gen erzeugt und der weitere Prozess für jede Lösung ausgeführt. Sie ermöglicht eine Optimierung über den gesamten Entwurfsprozess und ermittelt den Lösungsraum der Flachbaugruppe. Die einzelnen Lösungen werden anschließend mittels Bewertungs- funktion verglichen und eine optimale Lösung ausgewählt. Eine manuelle Einschrän- kung des Entwurfsraums in den einzelnen Aufgaben der Entwurfsraumexploration reduziert zwar den Aufwand, verhindert aber die Entdeckung aller optimalen Lösung.

4.9 Veranschaulichung

Die Veranschaulichung nutzt die entwickelte Näherungssensorflachbaugruppe des Miniroboters AMiRo als Grundlage für eine theoretische, beispielhafte Ausführung des entwickelten Leiterplattenentwurfsprozesses. Die Beschreibung bildet dabei die durchgeführten Arbeitsschritte im realen Entwurfsprozess auf die spezifizierten Ent- wurfsaufgaben ab. Die zugrundeliegende Näherungssensorflachbaugruppe überwacht die nähere Umgebung und detektiert Berührungen sowie Hindernisse im Umfeld des Roboters. Der Architekturentwurf spezifiziert die einzelnen Funktionseinheiten der Leiterplatte und ihrer Umgebung (siehe Abbildung 4.13). Die Näherungssensorflachbaugruppe (Proximity Sensor System) besteht aus acht Näherungssensoren (Proximity Sensors), einem kapazitiven Berührungssensoren (Touch Sensors) mit vier Kontaktelektroden (Touch Electrodes) und einem Steckverbinder (Connector). Jeweils vier Näherungssen- soren werden mittels einem Vierkanalmehrfachkoppler (Four Channel Multiplexer) zu einem Näherungssensorsystem (Proximity Sensor System) kombiniert. Die Funk- tionseinheiten werden über zwei Inter-Integrated Circuit (I2C) Kanäle miteinander verbunden. Dabei verwendet jeder Vierkanalmehrfachkoppler einen Kommunikati- onskanal. Einer der Kanäle wird zusätzlich mit dem Berührungssensor verbunden. Parallel zu den Kommunikationskanal verlaufen Unterbrechungssignale (Interrupts) und Spannungsversorgungen (Power Supplies). Die einzelnen Näherungssensoren nutzen eine gemeinsame Spannungsversorgung für die Infrarotemitter und Signalver-

209 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

«designConstraint» Proximity Sensor Board Assembly

«satisﬁedBy» «functional unit» Proximity Sensor System

«designConstraint» «designConstraint» «designConstraint» Touch Sensor Proximity Sensor Supply Voltage

«satisﬁedBy» «satisﬁedBy» Text = “3.3 V” «functional unit» Touch Sensor «functional unit» Proximity Sensor

«designConstraint» «designConstraint» «designConstraint» Proximity Sample Frequency Proximity Resolution Proximity Distance

Text = “25 Hz” Text = “12 bit” Text = “100 mm”

Abbildung 4.40: Einschränkungen der Näherungssensorﬂachbaugruppe als Anforde- rungsdiagramm der Systems Modeling Language (SysML) arbeitung. Der Berührungssensor verfügt über eine zusätzliche unterbrechungsfreie Spannungsversorgung und wird auch im Ausschaltzustand mit Energie versorgt. Alle Funktionseinheiten benutzen eine gemeinsame Masse (Ground). Der Steckverbinder überträgt zwei Kommunikationsschnittstellen, drei Unterbrechungssignale, zwei Span- nungsversorgungen und eine Masse. Die Spezialisierung der Funktionseinheiten erfolgt mittels Einschränkungen (Design Constraints) (siehe Abbildung 4.40). Der Schaltungsentwurf verfeinert die einzelnen Funktionseinheiten. Die Bauelement- auswahl erfolgt dabei mittels einer Entwurfsraumexploration (siehe Abschnitt 2.6). Entsprechend der Architektur besitzt der Näherungssensor eine Inter-Integrated Cir- cuit (I2C) Kommunikation und ein Unterbrechungssignal. Die verfügbaren Bauteile und daraus resultierenden Schaltungsfragmente unterscheiden sich unter anderem in einem separaten externen oder integrierten Infrarotemitter (siehe Tabelle 4.3). Die Auswahl der Schaltung für den Vierkanalmehrfachkoppler und die Berührungssen- soren erfolgt ebenfalls auf Basis der Anschlüsse. Der Berührungssensor besitzt keine speziellen Anforderungen und wird aus einem vorhergehenden Projekt übernommen. Der Steckverbinder wird in Abstimmung mit dem Systementwurf ausgewählt und nutzt eine Flachbandleitung mit 16 einzelnen Leiterbahnen mit einem Abstand von 0,5 mm für die Verbindung der Leiterplatten. Die einzelnen Schaltungsfragmente enthalten neben den ausgewählten integrierten Schaltungen auch mittels Werte speziﬁzierte Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten (siehe Abbildung 4.41). Die Fragmen-

210

4.9 Veranschaulichung Farnell

€

Mouser

Digi-Key

Farnell Mouser

Lagerbestand Preis in

Digi-Key

nmm in

Entfernung

nbit in

Auslösung

µ A in

nahme

Stromauf-

nms in Periode

5,50 250 16 200 2500 2,04 8,20 175 16 100 7601 1,23 8,20 175 16 100 6260 1,23 4,00 110 16 200 0 2873 1,49 1,45 4,00 111 16 200 3043 5797 859 1,54 1,50 2,34 4,00 111 16 200 3755 4312 1494 1,54 1,50 1,89 4,00 111 16 200 4222 2098 2958 1,54 1,42 1,89

Minimale 10,00 300 16 150 7525 4860 0,78 0,61

Emitter Integrierter ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ Tabelle 4.3: Auﬂistung verfügbarer Näherungssensoren (Stand 18.6.2013) HerstellerAvago Name APDS-9901 IntersilIntersilIntersil ISL29011Intersil ISL29027Intersil ISL29028AIntersil ISL29029Osram ISL29030AOsram ISL29044 0,54 SFH7770 0,54 0,54 SFH7773 110 0,54 108 0,54 96 8 0,54 110 10,00 8 116 100 8 100 90 8 300 3000 100 8 100 16 100 4042 16 5870 100 70 831 0 11 830 2,16 2975 3,18 3,51 0,85 3,18 3,18 0,68 Silicon LabsTAOS Si1141 TMD27711 0,15 155 16 500 5818 2,27 TAOS TMD27713 TAOSTAOSTAOS TSL27711TAOS TSL27713Vishay TSL27721 TSL27723 VCNL3020 8,20 8,20 8,20 175 8,20 175 200 16 200 16 457 16 457 16 2015 457 1668 457 2213 6727 2071 6973 1,05 1,05 0,99 0,99 1,14 1,14 Vishay VCNL4000 Vishay VCNL4010 Vishay VCNL4020

211 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

«functional unit» Proximity Sensor System

proxy ports supply: Power emitter supply: Power interrupt: Digital Signal i2c: Inter Integrated Circuit Interface ground: Ground

«functional unit» «functional unit» Four Channel Multiplexer Proximity Sensor

proxy ports proxy ports supply : Power supply : Power upstream interrupt : Digital Signal emitter supply : Power downstream interrupt : Digital Signal [4] interrupt : Digital Signal upstream i2c : Inter Integrated Circuit Interface i2c : Inter Integrated Circuit Interface downstream i2c : Inter Integrated Circuit Inter- ground : Ground face [4] ground: Ground

«electronic circuit» Proximity Sensor Circuit «electronic circuit» Four Channel Multiplexer Circuit parts c1 : Capacitor [2] values c2 : Capacitor [2] address : Byte = 0x77 l1 : Inductor u1 : Proximity Sensor parts r1 : Resistor c1 : Capacitor u1 : Four Channel Multiplexer r1 : Resistor r2 : Resistor [8]

Abbildung 4.41: Spezialisierung des Näherungssensorsystems mittels einzelner Schal- tungen

te spezifizieren die Verbindungen innerhalb der einzelnen Schaltungen während die Architektur die Verbindungen zwischen den Schaltungsfragmenten definiert. Die Anschlussflächenauswahl verfeinert die einzelnen Bauelemente und schränkt den Lösungsraum der verfügbaren Anschlussflächen pro Bauelement mittels der Ferti- gungs- und Bestückungstechnologie ein. Die eigentlichen Anschlussflächen der Bau- elemente werden in einer Entwurfsraumexploration ausgewählt. Diese transferiert den Lösungsraum in die nachfolgenden Aufgaben und bestimmt eine optimale Lösung. Üblicherweise werden die Induktivitäten, Widerstände und Kondensatoren ihren Eigen-

212 4.9 Veranschaulichung schaften entsprechenden gebräuchlichen Anschlussflächen zugeordnet. Beispielsweise erhalten alle passiven Bauelemente eine Anschlussfläche des Typs 1005 (0402) und nur Kondensatoren mit einer hohen Kapazität eine des Typs 2012 (0805). Der Vierkanal- mehrfachkoppler erhält die kleinste Anschlussfläche ohne Kontaktflächen direkt unter dem Gehäuse. Die Anschlussflächen der Berührungssensoren, Näherungssensoren und Steckverbinder sind spezifisch pro Bauteil und lassen sich nur in den nachfolgenden Aufgaben einschränken. Die Auswahl erfolgt auf Basis von Preis und Verfügbarkeit in der Bauteilauswahl und wird zurück in die Anschlussflächenauswahl überführt. Die Anschlussbelegungsspezifikation verknüpft die Anschlüsse der Bauelemente und Lötfläche der Anschlussflächen. Dieses erfolgt inkrementell und iterativ zusammen mit Platzierung und Entflechtung. Die Anpassung der Anschlussbelegung oder Platzierung ermöglicht eine Reduzierung der Kreuzungen von Leiterbahnen im Layout. Die Platzierung positioniert die Anschlussflächen auf der Leiterplatte. Sie erfolgt inkrementell und iterativ zusammen mit Gehäuseauswahl und Konstruktion. Die Ge- häuseauswahl transferiert die Leiterplatte in die dreidimensionale Gestalt der Flach- baugruppe und beeinflusst damit die Konstruktion. Die Konstruktion und Platzierung spezifizieren gemeinsam die Position von Näherungssensoren, Kontaktelektroden und Steckverbinder. Die restlichen Anschlussflächen werden entsprechend einer optimalen Entflechtung platziert. Die Anschlussbelegung der Vierkanalmehrfachkoppler wird auf Basis der Platzierung der Näherungssensoren iterativ angepasst. Die Gehäuseauswahl ordnet den Anschlussflächen die größten kompatiblen Gehäu- se zu. Aufgrund der vorrangigen Unterscheidung in der Höhe der Gehäuse, lassen sich diese nachträglich ohne eine negative Auswirkung durch kleinere Gehäuse ersetzen. Kollisionen mit dem Umfeldmodell führen zu einer iterativen Ausführung der Platzierung. Das Flachbaugruppenmodell wird in einer Kollisionsprüfung zusätzlich auf Fehler überprüft. Aufgrund der gebogenen halb flexiblen (Semiflex) Leiterplatte sind Kollisionsprüfung und Durchdringungsanalyse in diesem Beispiel nur bedingt durchführbar. Das Leiterplattenentwurfswerkzeug unterstützt nur eine eingeschränkte Erzeugung der gebogenen Flachbaugruppenmodelle und scheitert bei der Erstellung der Modelle. Die Bauteilauswahl ordnet den Anschlussflächen herstellerspezifische Bauteile zu. Die Auswahl der Näherungssensoren und Berührungssensoren erfolgt iterativ und beeinflusst die Anschlussflächenauswahl. Der Berührungssensor wird aus einem vorhergehenden Projekt übernommen und die Näherungssensorauswahl basiert auf Ein- schränkungen, Entwurfsentscheidungen und Bauteileigenschaften. Die Einschränkun- gen begrenzen die Bauteilauswahl (siehe Tabelle 4.3) und entfernen beispielsweise alle Sensoren mit einer Auflösung und Entfernung kleiner 12 bit und 100 mm (siehe Abbildung 4.40). Aufgrund der erforderlichen Abstimmung zwischen Sender und Empfänger wird zusätzlich ein integrierter Näherungssensor gewählt. Die Entwurfsent- scheidung reduziert die Auswahl auf Sensoren mit integrierten Emitter und minimiert somit die Komplexität der Schaltung sowie Anzahl zusätzlicher Bauteile. Die Auswahl eines Sensors entspricht einer Entwurfsraumexploration beziehungsweise Mehrzielop-

213 4 Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Tabelle 4.4: Bewertung verfügbarer integrierter Näherungssensoren ohne 100 % Spal- ten für integrierte Emitter und Auﬂösung (Stand 18.6.2013)

Bewertung in %

Hersteller Name Minimale Periode Stromauf- nahme Entfernung Lagerbe- stand Lieferanten Preis Index Avago APDS-9901 97 25 75 17 33 69 54 Osram SFH7773 67 0 50 100 67 0 0 TAOS TMD27711 79 63 25 73 33 15 51 TAOS TMD27713 79 63 25 58 33 15 50 Vishay VCNL3020 100 95 75 21 33 30 59 Vishay VCNL4010 100 95 75 95 100 39 85 Vishay VCNL4020 100 95 75 92 100 41 85

timierung der technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften (siehe Abschnitt 2.6). Die grafische Darstellung ausgewählter Eigenschaften als Netzdiagramm zeigt eine maximale Entfernung und Frequenz bei mittlerem Preis und Lagerbestand für den VCNL4020 (siehe Abbildung 2.7). Zusätzlich erzeugt eine Skalierung beziehungsweise Bewertung der Eigenschaften mittels Wünschbarkeitsfunktionen und eine Kombina- tion zu einem Wünschbarkeitsindex ebenfalls einen Maximalwert für die VCNL4000 Bauteilserie (siehe Tabelle 4.4). Dabei entsprechen die betrachteten Werte jeweils den optimalen Eigenschaften und sind aufgrund der spezifischen Konfiguration pro Bauteil nicht zwingend gleichzeitig zu realisieren. Eine optimale Bauteilauswahl setzt eine Auswertung aller realisierbaren Bauteilkonfigurationen voraus und ist ohne elektronische Datenblätter nur mit hohem manuellem Aufwand zu realisieren. Die Bauteile der Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und Vierkanalmehrfachkoppler werden entsprechend ihrer Werte, Anschlussflächen und Gehäusen ausgewählt. Die Entflechtung und der Nutzenlayoutentwurf folgen dem klassischen Leiterplat- tenentwurf. Die Anschlussbelegungsspezifikation wird in Schaltpläne überführt und der weitere Entwurf damit mittels herkömmlicher Leiterplattenentwurfswerkzeuge durchgeführt.

4.10 Zusammenfassung

Der agile Leiterplattenentwurfsprozess basiert auf den praktischen Erfahrungen aus der Entwicklung eines autonomem Miniroboters, dem aktuellen Stand der Technik und einer abgrenzenden Begriffsdeﬁnition. Der Stand der Technik zeigt unter anderem

214 4.10 Zusammenfassung einen Schwerpunkt des Entwurfsprozesses im Layoutentwurf und eine Vernachlässi- gung des Schaltplanentwurfs. Außerdem fehlt dem Leiterplattenentwurf eine Kopplung zum interdisziplinären Systementwurf. Der speziﬁzierte Leiterplattenentwurfsprozess resultiert aus einem entwickelten Entwurfsmodell. Dieses basiert auf dem Y-Diagramm von Gajski und Kuhn für die Entwicklung integrierter Schaltungen und nutzt eine inkrementelle Verfeinerung. Der Entwurfsprozess besteht aus neun Aufgaben und sieben Bibliotheken. Er kombiniert mittels Funktionseinheiten verschiedene Schal- tungsfragmente zu einer hierarchischen Schaltung und verfeinert dessen Bauelemente schrittweise zu Bauteilen. Dabei beschreibt ein Bauelement die kleinste, nicht weiter zerlegbare logische Einheit einer elektrischen Schaltung und ein Bauteil einen funk- tionsmäßig nicht zerlegbaren physischen Bestandteil einer Konstruktion. Außerdem ist der agile Leiterplattenentwurfsprozess Teil eines gemeinsamen interdisziplinären Entwurfsprozesses. Er beginnt bereits im Systementwurf mit der Architektur der Flach- baugruppe und verfeinert die entsprechenden interdisziplinären Modelle. Der agile Leiterplattenentwurfsprozess nutzt eine standardisierte Modellierungssprache und Entwurfsraumexploration der Systemtechnik. Eine abschließende, theoretische Ausfüh- rung veranschaulicht den agile Leiterplattenentwurfsprozess anhand der Näherungs- sensorﬂachbaugruppe des entwickelten Miniroboters AMiRo. Das Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozess beschreibt einen durchgängi- gen und methodischen Entwurfsablauf und bildet eine Basis für zukünftige Optimie- rungen sowie Realisierungen. Es überführt den Leiterplattenentwurfsprozess in eine für fachfremde verständliche Modellierung und erläutert eine denkbare Realisierung der einzelnen Bibliotheken.

215

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die fortschreitende Digitalisierung und der damit verbundene Wandel zu einem Inter- net der Dinge führen zu neuen Herausforderungen sowohl in der Lehre als auch in der Forschung und Entwicklung. Diesbezüglich repräsentiert ein modularer autonomer Miniroboter eine hervorragende und kostengünstige Plattform zur realitäts- und praxis- nahen Forschung sowie anschaulichen und inspirierenden Lehre verschiedener Aspekte intelligenter technischer Systeme. Gleichzeitig offenbart der Leiterplattenentwurf einen Handlungsbedarf unter anderem in dem Bauteilauswahlprozess und der Schaltungs- entwicklung. Die primären Ergebnisse dieser Arbeit bestehen entsprechend aus einer interdisziplinären Entwicklung des modularen autonomen Miniroboters und einem Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses. Weitere Resultate sind eine Ent- wicklungsprozessmodellierung zur Beschreibung von Abhängigkeiten beziehungsweise Wechselwirkungen in Entwicklungsprozessen und eine auf dem Wünschbarkeitsindex der Qualitätssicherung basierende Entscheidungsﬁndung bei der Entwurfsraumexplo- ration.

Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters

Der Autonomous Mini Robot (AMiRo) repräsentiert das Ergebnis der interdisziplinären Entwicklung eines modularen autonomen Miniroboters (siehe Abbildung 5.1). Er hat eine kompakte zylindrische Form, besitzt einen differenziellen Radantrieb und ist mühelos mit einer Hand greifbar. Die Architektur des AMiRos besteht aus mehreren übereinander gestapelten Modulen sowie einer gemeinsamen vertikalen Systemschnitt- stelle. Seine modulare und erweiterbare Systemarchitektur erlaubt einerseits eine kostengünstige Erweiterung um zusätzliche Module zwecks einer Adaption an speziﬁ- sche Anforderungen einzelner Aufgaben und andererseits eine partielle Modernisierung individueller Module zugunsten einer Integration zukünftiger Technologien. Damit reduziert der AMiRo sowohl die Entwicklungszeit als auch die Kosten einer anwen- dungsspeziﬁschen Anpassung und verlängert aufgrund einer kontinuierlichen sowie bedarfsgerechten Modernisierung die Nutzungsdauer. Im Vergleich zum Stand der Technik besitzt der AMiRo die leistungsstärkste In- formationsverarbeitung und exklusiv eine programmierbare logische Schaltung zur Bilddatenvorverarbeitung. Die Basisversion des AMiRos erlaubt aufgrund seiner drei leistungsstarken Mikrocontroller bereits eine Ausführung komplexer Verhalten. Die Er- weiterungsversion besitzt infolge des Einplatinencomputers und der programmierbaren

217 5 Zusammenfassung und Ausblick

Abbildung 5.1: Basisversion des AMiRos (links) und Erweiterungsversion ohne Gehäu- se (rechts) logischen Schaltung genug Leistung für eine Wiederverwendung aktueller Forschungs- ergebnisse und Softwareprojekte sowie einer kontinuierlichen Bildverarbeitung. Insge- samt besitzt der AMiRo eine heterogene und verteilte Systemarchitektur, bestehend aus verschiedenen Rechnerarchitekturen und einem echtzeitfähigen Kommunikations- netz zur ressourcenefﬁzienten Implementierung verschiedenster Anwendungen. Er unterstützt sowohl hochfrequente reaktive Sensorverarbeitung und Aktorregelung als auch speicherintensive reﬂektorische und kognitive Informationsverarbeitung oder massiv parallele Bildverarbeitung. Der AMiRo bewährt sich bereits als praxisnahe Lehr- und Forschungsplattform im RoboCup@Home sowie in verschiedenen Vorlesungen, Studentenprojekten und -arbeiten. Beispielsweise dient der AMiRo in den Vorlesungen „Digitalelektronik“ und „Autonomous Systems Engineering“ als anschauliche Plattform für die Entwicklung eines Prozessors beziehungsweise der Implementierung verschiedener Roboteranwen- dungen. Aufgrund der verteilten und modularen Architektur unterstützt der AMiRo im Un- terschied zum Stand der Technik eine ausschließlich den Anforderungen entsprechend lokale und unabhängige Anpassung beziehungsweise Optimierung. Die bedarfsgerechte partielle Weiterentwicklung einzelner Module reduziert sowohl Entwicklungsaufwand

218 als auch Entwicklungszeit, erhöht die Nutzungsdauer und verringert die zu erwartende Obsoleszenz des AMiRos. Auf diese Weise ist eine einfache Integration neuer Techno- logien beispielsweise miniaturisierter Abstandssensoren oder Mehrkernprozessoren realisierbar. Denkbare nächste Schritte sind entsprechend eine Aktualisierung beziehungsweise ein Austausch einzelner Teilschaltungen respektive Flachbaugruppen des AMiRos und eine Erweiterung um neue Sensoren oder Aktoren beispielsweise einem Laserabstandssensor, einer Tiefenkamera, einem Greifer oder einer Schwebeplattform als alternativen Antrieb. Insgesamt ist der AMiRo ein anpassungsfähiger, leistungsstarker und kostengünstige Miniroboter zur Lehre und Forschung aktueller und zukünftiger Aspekte intelligenter technischer Systeme.

Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses

Der agile Leiterplattenentwurfsprozess resultiert aus dem aktuellen Stand der Technik und den erworbenen praktischen Erfahrungen sowie Erkenntnissen aus der interdiszipli- nären Entwicklung des AMiRos. Insgesamt fehlen dem klassischen Leiterplattenentwurf Methoden und Techniken im Bereich der Schaltungsentwicklung einer Leiterplatte. Einerseits besitzt das Blockdiagramm weder eine standardisierte Modellierungssprache noch eine Kopplung zum Schaltplan. Es existieren keine spezifizierten Vorgehens- weisen für die Bauteilauswahl oder Anschlussbelegung und nur eine rudimentäre werkzeugspezifische Wiederverwendung von Schaltungsfragmenten. Der agile Leiter- plattenentwurfsprozess adaptiert verschiedene fachfremde Methoden und präzisiert unterschiedliche im Rahmen der Entwicklung des AMiRos ausgearbeitete Ansätze. Das entwickelte Entwurfsmodell des agilen Leiterplattenentwurfsprozesses basiert auf dem Y-Diagramm von Gajski und Kuhn [62] für die Entwicklung integrierter Schaltungen. Es nutzt einen inkrementellen Ansatz, bestehend aus fünf Ebenen und sieben essenziellen Sichten. Der resultierende Leiterplattenentwurfsprozess besteht aus neun Aufgaben und sieben Bibliotheken (siehe Abbildung 5.2). Erstere beschreiben unter anderem eine Darstellung der ein- sowie ausgehenden Datenflüsse und Letztere repräsentieren eine denkbare Realisierung. Dabei übertragen und kombinieren die Bibliotheken jeweils etablierte Techniken und Methoden verschiedener Fachdisziplinen. Der agile Leiterplattenentwurfsprozess bildet einen Teil eines gemeinsamen interdisziplinären Entwurfsprozesses und verfeinert die entsprechenden interdisziplinären Modelle des Systementwurfs. Dazu nutzt der Prozess eine standardisierte Modellierungssprache und Entwurfsraumexploration der Systemtechnik. Der entwickelte agile Leiterplattenentwurfsprozess besitzt im Unterschied zum klassischen Leiterplattenentwurf aufgrund seiner inkrementellen Verfeinerung eine kontinuierliche Dokumentation der einzelnen Auswahlprozesse und eine gesteigerte Wieder- verwendung sowohl von Teillösungen als auch von Lösungsansätzen. Dabei erzeugt der

219 5 Zusammenfassung und Ausblick

«functional unit» Four Channel Multiplexer

proxy ports supply : Power interrupt : Digital Signal [4] interrupt : Digital Signal i2c inﬂow: Inter Integrated Circuit Interface i2c outﬂow : Inter Integrated Circuit Interface [4] ground: Ground 76623SODVWLFWKLQVKULQNVPDOORXWOLQHSDFNDJHOHDGVERG\ZLGWKPP 627 values address : Byte

Funktionseinheit Bauteil

' ( $ ;

\ +( Y 0 $

Power PIR102 PIR202 COR1R1 COR2R2 4k7 4k7 PIR101 PIR201 I2C I2C SDA POI2C1POI2C10SCLPOI2C10SDAI2C1 POI2CPOI2C0SCLPOI2C0SDAI2C SDA SCL SCL POINTERRUPT10NInterrupt1_N Power

Power PIR302 PIR402 COR3R3 COR4R4 PIR502 COU1U1 4k7 4k7 4 R5COR5 19 5 PIR301 PIR401 I2C PIU1019 SDA SD0 PIU105 10k 18 6 PIU1018 SCL SC0 PIU106 SDA POI2C2POI2C20SCLPOI2C20SDAI2C2 PIR501 17 4 POINTERRUPT0NInterrupt_N PIU1017 INT_N INT0_N PIU104 SCL $ 8 $ SD1 PIU108 POINTERRUPT20NInterrupt2_N $ 9 SC1 PIU109 7 Power $ INT1_N PIU107 Power SLQLQGH[ 20 12 PIR602 PIR702 POPOWERPower PIU1020 VDD SD2 PIU1012 13 COR6R6 COR7R7 PIC102 SC2 PIU1013 11 4k7 4k7 COC1C1 INT2_N PIU1011 1 PIR601 PIR701 I2C 100n PIU101 A0 PIC101 2 15 POGROUNDGround PIU102 A1 SD3 PIU1015 SDA POI2C3POI2C30SCLPOI2C30SDAI2C3 3 16 PIU103 A2 SC3 PIU1016 SCL ș 10 14 PIU1010 VSS/GND INT3_N PIU1014 GND POINTERRUPT30NInterrupt3_N PCA9544A GND Power /S PIR802 PIR902 COR8R8 COR9R9 4k7 4k7 / PIR801 PIR901 I2C SDA POI2C4POI2C40SCLPOI2C40SDAI2C4 SCL POINTERRUPT40NInterrupt4_N GHWDLO; Z 0 H ES

Schaltungsfragment Gehäuse

PP VFDOH

',0(16,216 PPDUHWKHRULJLQDOGLPHQVLRQV $ 81,7 $ $ $ E F ' ( H + / / 4Y Z \ = ș PD[ S ( S Port Pin R «electronic element» PP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 R Four Channel Multiplexer address[1] address[2] 1RWHV address[3] 3ODVWLFRUPHWDOSURWUXVLRQVRIPPPD[LPXPSHUVLGHDUHQRWLQFOXGHG proxy ports downstream interrupt[1] #### downstream i2c[1].sda ####3ODVWLFLQWHUOHDGSURWUXVLRQVRIPPPD[LPXPSHUVLGHDUHQRWLQFOXGHG supply : Power downstream i2c[1].scl #### downstream interrupt[2] #### downstream i2c[2].sda ####287/,1( 5()(5(1&(6 (8523($1 address : Digital Signal [3] ,668('$7( downstream i2c[2].scl ####9(56,21 352-(&7,21 upstream interrupt : Digital Signal ground ,(& -('(& -(,7$ #### downstream interrupt : Digital Signal [4] downstream interrupt[3] downstream i2c[3].sda ####627 02 upstream i2c : Inter Integrated Circuit Interface downstream i2c[3].scl #### downstream interrupt[4] #### downstream i2c : Inter Integrated Circuit Inter- downstream i2c[4].sda #### downstream i2c[4].scl #### face [4] upstream interrupt î upstream i2c.scl ground : Ground upstream i2c.sda supply

Bauelement Anschlussbelegung

VROGHUODQGV RFFXSLHGDUHD AnschlussﬂächeSODFHPHQWDFFXUDF\ 'LPHQVLRQVLQPP VRWBIU

î Abbildung 5.2: Agiler Leiterplattenentwurfsprozess î HQODUJHGVROGHUODQG [Anschlussﬂäche, Gehäuse: 123,

S. 24, 19][Bauteil: 150]

î î

ERDUGGLUHFWLRQ

VROGHUODQGV VROGHUUHVLVW Prozess eine Schaltung von logischenRFFXSLHGDUHD SODFHPHQWDFFXUUDF\ Bauelementen'LPHQVLRQVLQPP VRWBIZ auf Basis definierter Funktionsein- heiten und detailliert diese schrittweise um Anschlussflächen, Anschlussbelegungen, Gehäuse, Platzierungen sowie physische Bauteile. Auf diese Weise zerlegt der agile Leiterplattenentwurfsprozess die Schaltungsentwicklung in einzelne überschaubare Aufgaben und unterstützt eine regelbasierte beziehungsweise automatisierte Leiter- plattenentwicklung. Zusätzlich erlaubt der durchgängige Entwurfsprozess eine direkte Integration einer Entwurfsraumexploration. Damit erhöht der agile Leiterplattenent- wurfsprozess einerseits die Qualität sowie Zuverlässigkeit der Produkte und reduziert andererseits die Entwurfs- und Produkteinführungszeit. Eine plötzliche Revolution des Leiterplattenentwurfsprozesses ist aufgrund der komplexen und inkrementellen Weiterentwickelung der kommerziellen Softwarewerkzeuge nicht zu erwarten. Erstere Schritte zur Umsetzung eines agilen Leiterplattenentwurfs- prozesses bilden die Spezifikation einer standardisierten Modellierungssprache inklusi-

220 ve Methodik für eine Funktionseinheitenarchitektur, die Entwicklung eines Software- werkzeugs für den Architekturentwurf sowie die Umsetzung einer gemeinschaftlichen quelloffenen Bauteilebibliothek zur Bauteilrecherche und Entwurfsraumexploration. Die Modellierungssprache überführt die unspezifischen, uneinheitlichen Blockdiagram- me beziehungsweise Blockschaltbilder in ein standardisiertes, einheitliches Architektur- modell. Das Softwarewerkzeug schließt eine Lücke im gegenwärtigen Entwurfsprozess und erlaubt eine Kopplung zwischen interdisziplinärem Systementwurf und fachspezifi- scher Leiterplattenentwicklung. Die Bauteilebibliothek bietet eine sofortige Steigerung der Effektivität des Bauteilauswahlprozesses und lässt sich schrittweise um weitere Bauteile oder Aspekte beziehungsweise Bibliotheken erweitern. Dabei entwickelt die Leiterplattenentwurfsgemeinschaft die Modellierungssprache, die Softwarewerk- zeughersteller implementieren das Softwarewerkzeug und die Bauteilhersteller pflegen die Bauteilebibliothek. Insgesamt repräsentiert das Modell eines agilen Leiterplattenentwurfsprozesses die erste detaillierte und methodische Beschreibung des Bauteilauswahl- beziehungsweise Schaltungsentwicklungsprozesses. Sie bildet damit eine Grundlage für zukünftige rechnergestützte Entwicklungsmethoden und Optimierungen des Leiterplattenent- wurfsprozesses. Zusätzlich vereinfachen verschiedene Methoden des agilen Leiterplat- tenentwurfsprozesses, beispielsweise die Systemmodellierung und Zuordnungsmatrix, die zukünftige Entwicklung angepasster oder zusätzlicher Flachbaugruppen für den modularen autonomen Miniroboter AMiRo.

221

Abbildungsverzeichnis

1.1 Zielsetzung der Arbeit, bestehend aus einem autonomen Miniroboter und agilen Leiterplattenentwurfsprozess ...... 3

2.1 Beispiel eines Blockdeﬁnitionsdiagramms ...... 9 2.2 Beispiel eines internen Blockdiagramms ...... 12 2.3 Beispiel eines Merkmalsdiagramms ...... 14 2.4 Beispiel einer Geschäftsprozessmodellierung ...... 16 2.5 Beispiel einer Entwicklungsprozessmodellierung ...... 19 2.6 Beispiel einer Paretooptimierung ...... 23 2.7 Beispiel eines Netzdiagramms ...... 24 2.8 Beispiel verschiedener Wünschbarkeitsfunktionen ...... 25 2.9 Beispiel von Niveaukurven verschiedener Bewertungsfunktionen . . . . 27

3.1 Interdisziplinärer Entwurfsprozess des AMiRos ...... 32 3.2 Kommerzielle Miniroboter ...... 34 3.3 Universitäre Miniroboter ...... 37 3.4 Blockdefinitionsdiagramm des AMiRos ...... 44 3.5 Systemarchitektur des AMiRos ...... 53 3.6 Abschätzung der Datenübertragungsraten verschiedener serieller Bus- systeme ...... 54 3.7 Zeitablaufdiagramme der Systemsteuersignale des AMiRos für verschiedene Zustandsänderungen ...... 56 3.8 Platzierung der Motoren und Batterien im Gehäuse des AMiRos . . . . 58 3.9 Gestalt und Schnittstellen des AMiRos ...... 59 3.10 Normteile des AMiRos ...... 62 3.11 Standardteile des AMiRos ...... 63 3.12 Fertigteile des AMiRos ...... 64 3.13 Werkstücke des AMiRos ...... 65 3.14 Flachbaugruppen des AMiRos ...... 68 3.15 Näherungssensorgrundriss des AMiRos ...... 69 3.16 Baugruppen des AMiRos ...... 72 3.17 Geräte des AMiRos ...... 75 3.18 Blockdefinitionsdiagramm der Zweiradantriebsflachbaugruppe . . . . . 77 3.19 Blockdefinitionsdiagramm der Energieversorgung der Zweiradantriebs- flachbaugruppe ...... 78

223 Abbildungsverzeichnis

3.20 Blockdefinitionsdiagramm des Sensorsystems der Zweiradantriebsflach- baugruppe ...... 80 3.21 Blockdefinitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Zweirad- antriebsflachbaugruppe ...... 81 3.22 Blockdefinitionsdiagramm des Motorantriebs der Zweiradantriebsflach- baugruppe ...... 82 3.23 Internes Blockdiagramm der Zweiradantriebsflachbaugruppe ...... 83 3.24 Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Zweiradantriebsflachbaugruppe 84 3.25 Bauteilplatzierung der Zweiradantriebsflachbaugruppe ...... 85 3.26 Entflechtung und Bohrdaten der Zweiradantriebsleiterplatte ...... 86 3.27 Blockdefinitionsdiagramm der Energiemanagementflachbaugruppe . . 87 3.28 Blockdefinitionsdiagramm des Batteriemanagements der Energiemana- gementflachbaugruppe ...... 87 3.29 Blockdefinitionsdiagramm der Energieversorgung der Energiemanage- mentflachbaugruppe ...... 88 3.30 Blockdefinitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Energie- managementflachbaugruppe ...... 89 3.31 Internes Blockdiagramm der Energiemanagementflachbaugruppe . . . 91 3.32 Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Energiemanagementflachbau- gruppe ...... 92 3.33 Bauteilplatzierung der Energiemanagementflachbaugruppe ...... 93 3.34 Entflechtung und Bohrdaten der Energiemanagementleiterplatte . . . . 93 3.35 Blockdefinitionsdiagramm der Näherungssensorflachbaugruppe . . . . 94 3.36 Internes Blockdiagramm der Näherungssensorflachbaugruppe . . . . . 94 3.37 Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Näherungssensorflachbaugruppe 95 3.38 Bauteilplatzierung der Näherungssensorleiterplatte ...... 95 3.39 Entflechtung und Bohrdaten der Näherungssensorleiterplatte ...... 96 3.40 Blockdefinitionsdiagramm der Lichtringflachbaugruppe ...... 97 3.41 Blockdefinitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Lichtring- flachbaugruppe ...... 98 3.42 Internes Blockdiagramm der Lichtringflachbaugruppe ...... 100 3.43 Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Lichtringflachbaugruppe . . . 101 3.44 Bauteilplatzierung der Lichtringflachbaugruppe ...... 102 3.45 Entflechtung und Bohrdaten der Lichtringflachbaugruppe ...... 102 3.46 Blockdefinitionsdiagramm der Kognitionsflachbaugruppe ...... 103 3.47 Blockdefinitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Kogniti- onsflachbaugruppe ...... 104 3.48 Blockdefinitionsdiagramm der Kognitionsflachbaugruppe ...... 105 3.49 Blockdefinitionsdiagramm der USB-Systems der Kognitionsflachbau- gruppe ...... 105 3.50 Internes Blockdiagramm der Kognitionsflachbaugruppe ...... 107 3.51 Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Kognitionsflachbaugruppe . . 108

224 Abbildungsverzeichnis

3.52 Bauteilplatzierung der Kognitionsflachbaugruppe ...... 109 3.53 Entflechtung und Bohrdaten der Kognitionsleiterplatte ...... 110 3.54 Blockdefinitionsdiagramm der Bildverarbeitungsflachbaugruppe . . . . 111 3.55 Blockdefinitionsdiagramm der Informationsverarbeitung der Bildverar- beitungsflachbaugruppe ...... 112 3.56 Internes Blockdiagramm der Bildverarbeitungsflachbaugruppe . . . . . 113 3.57 Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Bildverarbeitungsflachbau- gruppe ...... 114 3.58 Bauteilplatzierung der Bildverarbeitungsflachbaugruppe ...... 115 3.59 Entflechtung und Bohrdaten der Bildverarbeitungsleiterplatte ...... 115 3.60 Blockdefinitionsdiagramm der Bildsensorflachbaugruppe ...... 116 3.61 Bauteil-, Kosten- und Netzverteilung der Bildsensorflachbaugruppe . . 117 3.62 Bauteilplatzierung der Bildsensorflachbaugruppe ...... 117 3.63 Entflechtung und Bohrdaten der Bildsensorleiterplatte ...... 118 3.64 Bauteil- und Kostenverteilung der Flachbaugruppen des AMiRos . . . . 118 3.65 Netzdiagramm der normierten Eigenschaften der Flachbaugruppen des AMiRos ...... 120 3.66 Netze-, Anschlüsse- und Lötflächenanzahl der Flachbaugruppen . . . . 121 3.67 Schichten der Basissoftware des AMiRos ...... 123 3.68 Schichten des Softwareerstellungssystems des Kognitionsmoduls . . . . 130 3.69 Werkzeugablauf einer logischen Schaltungsentwicklung des Bildverar- beitungsmoduls ...... 133 3.70 Leiterplattenbestückungsnutzen des AMiRos ...... 136 3.71 Kostenverteilung des AMiRos ...... 138 3.72 Sensoren, Aktoren und Energieversorgung der Basisversion ...... 140 3.73 Maximale Leistungsaufnahme über 1 mW pro Element ...... 141 3.74 Leistungsaufnahme eines periodischen Richtungswechsels ...... 142 3.75 Leistungsaufnahme ohne aktiver Beleuchtung und Antrieb ...... 142 3.76 Netzdiagramm normierter Eigenschaften ausgewählter Miniroboter . . 144 3.77 Architektur des AMiRos ...... 148

4.1 Entwurfsprozess für Leiterplatten ...... 152 4.2 Detaillierter Entwurfsprozess für hoch integrierte Leiterplatten . . . . . 154 4.3 Software gestützter Leiterplattenentwurf ...... 155 4.4 Wechselwirkungen zwischen Leiterplattenentwurfs und der Mechanik- konstruktion ...... 156 4.5 Kollaborativer Entwurfsprozess zwischen mechanischen und elektrischen Entwurfswerkzeugen ...... 157 4.6 Blockdiagrammentwurf ...... 160 4.7 Schaltplanentwurf ...... 161 4.8 Layoutentwurf ...... 163 4.9 Beispiel einer Leiterplatte ...... 168

225 Abbildungsverzeichnis

4.10 Beispiel eines Schaltplans ...... 168 4.11 Beispiel einer Systemarchitektur, bestehend aus Gerät, Baugruppen, Flachbaugruppe und Bauteilen ...... 170 4.12 Beispiele der physischen Eigenschaften eines elektrischen Bauteils . . . 171 4.13 Beispiel einer Architektur als Blockdefinitionsdiagramm ...... 171 4.14 Beispiel eines Layouts ...... 173 4.15 Entwurfsmodell des agilen Leiterplattenentwurfsprozesses ...... 175 4.16 Beispiel eines Blockdefinitionsdiagramms ...... 178 4.17 Beispiel einer Modelltransformation ...... 179 4.18 Beispiel einer Modellierung der Variationen einer Flachbaugruppe mittels Funktionseinheiten ...... 181 4.19 Prozessmodell des Leiterplattenentwurfsprozesses ...... 182 4.20 Architekturentwurf ...... 184 4.21 Schaltungsentwurf ...... 185 4.22 Anschlussflächenauswahl ...... 186 4.23 Anschlussbelegungsspezifikation ...... 187 4.24 Platzierung ...... 188 4.25 Gehäuseauswahl ...... 188 4.26 Bauteilauswahl ...... 189 4.27 Entflechtung ...... 190 4.28 Nutzenlayoutentwurf ...... 191 4.29 Korrelation zwischen Entwurfsaufgaben und Bibliotheksdatensätzen . 193 4.30 Beispiel einer Funktionseinheiten ...... 194 4.31 Beispiele für Anschlüsse als Blockdefinitionsdiagramm ...... 195 4.32 Beispiel einer Widerstandsreihe als Blockdefinitionsdiagramm . . . . . 196 4.33 Beispiel von Merkmalen ...... 197 4.34 Beispiel eines Schaltungsfragments ...... 199 4.35 Beispiele zweier Anschlussflächen ...... 200 4.36 Beispiel einer Anschlussbelegung ...... 201 4.37 Beispiel zweier Gehäuse ...... 202 4.38 Beispiel ausgewählter Eigenschaften eines Bauteils ...... 205 4.39 Inkrementelle Bauteilauswahl im agilen Leiterplattenentwurfsprozess . 208 4.40 Einschränkungen der Näherungssensorflachbaugruppe ...... 210 4.41 Spezialisierung des Näherungssensorsystems mittels einzelner Schal- tungen ...... 212

5.1 Basisversion des AMiRos und Erweiterungsversion ohne Gehäuse . . . 218 5.2 Agiler Leiterplattenentwurfsprozess ...... 220

226 Tabellenverzeichnis

3.1 Stand der Technik im Bereich der Miniroboter ...... 41 3.2 Eigenschaften der Flachbaugruppen des AMiRos ...... 120 3.3 Leistungsdaten des AMiRos ...... 139 3.4 Einordnung des AMiRos in den Stand der Technik ...... 143

4.1 Beispiel einiger Bauteileigenschaften ...... 203 4.2 Beispiele für wirtschaftliche Eigenschaften ...... 206 4.3 Auﬂistung verfügbarer Näherungssensoren ...... 211 4.4 Bewertung verfügbarer integrierter Näherungssensoren ...... 214

227

Quelltextverzeichnis

3.1 Auszug vom Gerätebaum des Kognitionsmoduls ...... 128

229

Abkürzungsverzeichnis

AHP Analytic Hierarchy Process

AMiRo Autonomous Mini Robot

ASAM Association for Standardisation of Automation and Measuring Systems

AXI Advanced eXtensible Interface

BPMI Business Process Management Initiative

BPMN Business Process Model and Notation

CAN Controller Area Network

CI Camera Interface

CITEC Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie

CONSENS CONceptual design Speciﬁcation technique for the ENgineering of mechatronic Systems

CPI Camera Parallel Interface

DIN Deutsche Institut für Normung

DSE Design Space Exploration

EAN European Article Number

EBI External Bus Interface

ECAD Electronic Computer-Aided Design

EDA Electronic Design Automation

EDK Embedded Development Kit

EDR Enhanced Data Rate

231 Abkürzungsverzeichnis

EMV ElektroMagnetische Verträglichkeit

EPFL École Polytechnique Fédérale de Lausanne

EPK Ereignisgesteuerte ProzessKette

FAS Funktionale Architekturen für Systeme

FED Fachverband Elektronik-Design

FODA Feature-Oriented Domain Analysis

FPGA Field Programmable Gate Array

FSF Free Software Foundation

GfSE Gesellschaft für Systems Engineering

GPL GNU General Public License

GTIN Global Trade Item Number

GUARDIANS Group of Unmanned Assistant Robots Deployed In Aggregative Navigation supported by Scent detection

HDI High Density Interconnect

HDL Hardware Description Language

HNI Heinz Nixdorf Institut

I2C Inter-Integrated Circuit

IBIS Input / output Buffer Information Speciﬁcation

IDEF3 Integrated DEFinition Method 3

IEC International Electrotechnical Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

INCOSE International Council On Systems Engineering

IPC Institute for Printed Circuits

ISE Integrated Software Environment

ISO International Organization for Standardization

232 Abkürzungsverzeichnis it’s OWL Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe

JSON JavaScript Object Notation

KNF Konjunktive NormalForm

LPDDR-SDRAM Low-Power Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory

MBSE Model-Based System Engineering

MEMS Micro-Electro-Mechanical System

METU Middle East Technical University

MID Molded Interconnect Device

NCSU North Carolina State University

OMG Object Management Group

POSIX Portable Operating System Interface

REST REpresentational State Transfer

ROS Robot Operating System

RSB Robotics Service Bus

SD Secure Digital

SLAM Simultaneous Localization And Mapping

SOAP Simple Object Access Protocol

SPI Serial Peripheral Interface

SPICE Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis

SSH Secure SHell

STEP STandard for the Exchange of Product model data

SUS Single UNIX Speciﬁcation

233 Abkürzungsverzeichnis

SysML Systems Modeling Language

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter

UL Underwriters Laboratories

UML Uniﬁed Modeling Language

USB Universal Serial Bus

VDI Verein Deutscher Ingenieure

WLAN Wireless Local Area Network

XCP universal measurement and calibration protocol

XML eXtensible Markup Language

234 Glossar

Anschluss Ein Anschluss (port, pin) ist ein Ein- oder Ausgang eines Elements.

Anschlussbelegung Eine Anschlussbelegung (pinout, pin assignment) ist eine Zuord- nung von Funktionen zu einzelnen Anschlüssen eines Bauteils.

Anschlussfläche Eine Anschlussfläche (footprint) beschreibt die Form und Position von Lötflächen eines Bauteils.

Artikel Ein Artikel (article) ist eine Ware oder ein materielles Wirtschaftsgut im Handel.

Bauelement Ein Bauelement (element) ist die kleinste, nicht weiter zerlegbare logische Einheit einer Schaltung.

Baugruppe Eine Baugruppe (assembly) ist eine Konstruktion aus mehreren mechanischen Bauteilen oder Baugruppen.

Bauteil Ein Bauteil (component) ist ein funktionsmäßig nicht zerlegbarer physischer Bestandteil einer Konstruktion.

Bestückungsdruck Ein Bestückungsdruck (overlay) speziﬁziert die Beschriftung und Kennzeichnung der Bauteile und Leiterplatte

Bestückungsplan Ein Bestückungsplan (assembly plan) ist eine räumliche graﬁsche Darstellung der Position und Orientierung der Bauteile einer Leiterplatte.

Blockdiagramm Ein Blockdiagramm (block diagram) ist eine graﬁsche Darstellung der Struktur einer Leiterplatte.

Bohrdaten Bohrdaten (drill data) beschreiben Position, Tiefe und Durchmesser der Bohrungen einer Leiterplatte.

Durchkontaktierung Eine Durchkontaktierung (via) ist eine vertikale elektrische Ver- bindung zwischen Leiterbahnebenen einer Leiterplatte.

Flachbaugruppe Eine Flachbaugruppe (printed circuit assembly) ist eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatte.

235 Glossar

Funktionseinheit Eine Funktionseinheit (functional unit) ist eine nach Aufgabe oder Wirkung abgrenzbare Betrachtungseinheit.

Gehäuse Ein Gehäuse (case, package) ist eine feste Umhüllung eines Bauteils.

Gerät Ein Gerät (device) ist ein einzelner, räumlich abgegrenzter Gegenstand und besteht aus Baugruppen. integrierte Schaltung Eine integrierte Schaltung (integrated circuit) ist eine aus Halb- leitermaterial aufgebaute elektronische Schaltung in einem Gehäuse.

Lagenaufbau Ein Lagenaufbau (layer stack, stackup) speziﬁziert die einzelnen Lagen und Durchkontaktierungen einer Leiterplatte.

Layout Ein Layout (layout plan) ist eine zweidimensionale graﬁsche Darstellung der Geometrien einer Leiterplatte.

Leiterbahn Eine Leiterbahn (track) ist eine zweidimensionale elektrische Verbindung auf einer Leiterbahnebene.

Leiterbahnebene Eine Leiterbahnebene (layer) ist eine elektrisch leitende horizontale Lage einer Leiterplatte.

Leiterplatte Eine Leiterplatte (printed circuit board) ist eine Isolierstoffplatte mit festen Metallbahnen zum Anschluss von elektronischen Bauteile.

Leiterplattengrundriss Ein Leiterplattengrundriss (board outline) beschreibt die mechanischen Löcher, Ausfräsungen und Kontur einer Leiterplatte.

Lötﬂäche Eine Lötﬂäche (pad) ist sowohl eine mechanische als auch elektrische Ver- bindung zwischen einem Anschluss eines Bauteils und einer Leiterplatte.

Lötpastenmaske Eine Lötpastenmaske (paste mask) beschreibt die mit Lötpaste zu bedeckenden Flächen einer Leiterplatte.

Lötstoppmaske Eine Lötstoppmaske (solder mask) speziﬁziert die von Lötstopplack freien Flächen einer Leiterplatte.

Netz Ein Netz (net) ist eine ungeordnete Mehrpunktverbindung zwischen Anschlüssen.

Schaltplan Ein Schaltplan (circuit diagram, schematic diagram) ist eine schematische graﬁsche Darstellung einer Schaltung.

Schaltung Eine elektronische Schaltung (electronic circuit) ist eine Anordnung von untereinander verbundenen elektronischen Bauelementen.

236 Glossar

Schaltzeichen Ein Schaltzeichen (electronic symbol) ist ein standardisiertes graﬁsches Symbol für ein Bauelement oder eine Klasse von Bauteilen.

Steckverbinder Ein Steckverbinder (connector) ist ein Bauelement für eine trennbare elektrische Verbindung.

237

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258