Chassis modular design and electrical layout for the NMBU agricultural robot project

Abstract

Denne masteroppgaven består av to deler, hvorav del en består av design av ramme for den mobile plattformen, samt en beskyttende kasse for batteri, elektronikk og elektrisk system. Del to består av design av det elektriske systemet, med tilhørende design og oppsett av nødvendige elektroniske komponenter. Del én Formålet med del en av denne masteroppgaven er å designe en ramme til en robot som skal klargjøres for leveranse ut til markedet. Dette innebærer å øke skalaen for produktets modenhetsnivå til minimum åtte av ni mulige. Dette prosjektet er en videreutvikling av prototypen vår, Thorvald 1. Målet for oppgaven er å promotere vårt bidrag til FNs klimarapport som informerer om at kun små endringer skal til for å endre utslippene fra jordbruket drastisk. Dette innebærer å lage lette robotiserte kjøretøy som unngår pakking av jorden. Roboten bør være enkel å konfigurere i forhold til tilgjengelig verktøy og behov. Arbeidet mitt har hittil bestått i å studere ulike konstruksjonsmetoder, materialer, modulære konsepter og enkle produksjonsmetoder for å kunne lage en modulær ramme basert på krav som er oppgitt. Jeg endte opp med å lage en stiv dobbel ramme av aluminiumsrør med enkel rekonfigurering. Beholderen som inneholder elektronikken ble designet av knekte aluminiumsplater, forseglet med en gummipakning. Del to Dette er den elektriske og elektroniske delen av masteroppgaven. Ved å analysere ulike spesifikasjoner for forsegling av elektriske komponenter, datamaskiner, tilbehør, dataprotokoller, samt oppstartssekvenser og elektroniske komponenter, har jeg gjort en rekke nødvendige valg. Alt dette for å sørge for en trygg velfungerende robot. Valget av datamaskin falt på en NVidia Jetson basert plattform som er utviklet for robotprosessering og maskinsyn. For styring av oppstartssekvensen har jeg designet et elektroniskkretskort som kan masseproduseres. Siden roboten enda ikke har blitt bygget, planlegges det at gjenstående sammenstilling av elektrisk system blir gjort i løpet av de neste ukene. Hvis mitt arbeid viser seg vellykket innen masterforsvaringen, har prosjektets modenhetsnivå blitt økt til nivå åtte. I tillegg har jeg da bidratt til en ny form for lavbudsjett design innen robotutvikling. Ved videre testing og forbedringer vil vi kunne nå siste ledd av modenhetsskalaen.

This master thesis is divided into two different parts. Part one consists of the design of a chassis frame and an environmentally protected electronics compartment. Part two consists of the design and choice of the necessary components for the electrical power system and system configuration. Part One The purpose of part one of this master thesis is to design a frame that is ready for marked and at least a level eight out of nine in Technology Readiness Level. It is a further development of the Thorvald I prototype and the entire Thorvald robotic development process. The mission of this project is to promote our answer to the UN emissions gap report in making small changes for the global agriculture and to massively reduce the global emissions. This means making a lightweight low cost robot vehicle that reduces soil packing. The robot should be easy to configure according to needs and tools. My work includes analyzing different construction methods, materials, modular concepts and methods of manufacture to be able to create a modular frame, based on previously set requirements. I ended up with a rigid double tube based frame with an easy changeable configuration. The electronic compartment was made out of press formed aluminum, environmentally sealed with a rubber gasket. Part Two This is the electrical and electronic part of the master thesis. By analyzing waterproofing theory, computer systems, communications and accessories, power-up sequencing systems for batteries and the electrical system, I have made suitable choices with the electrical and electronic designs and suggestions to make a safe, well-functioning robot. The choice of computer fell on the NVidia Jetson based platform, especially designed for robotics and machine vision. For controlling the startup procedure I have successfully designed and built an electronic printed circuit board that is suitable for mass production. Since the robot has not yet been built, remaining assembly and electrical harnessing will be done during the next few weeks. If my work proves successful and reaches TRL9 within the Master thesis defense, I have contributed in a low-cost modular robotic design that can be used freely by everyone who wishes to contribute in closing the gap towards the 2°C climate goal.