MRUI - Modular Robot User Interface | Teil 3
Konzeption der Stromstärken-Visualisierung
Auch bei der Visualisierung der Stromstärke verwenden wir das Balkendiagramm. Die Vor- und Nachteile dieser Visualisierungsart wurden bereits im Kapitel Konzept eines Energie-Monitoring-System erläutert. Da unser Interesse bei der Stromstärke anderer Natur ist, verhält sich die Grafik auf andere Weise. Eine Spannungskurve verhält sich gänzlich anders als eine Stromkurve. Idealerweise befindet sich der Spannungswert relativ hoch an der Nennspannung und senkt sich allmählich bis er abrupt abbricht. Der Stromwert hingegen sollte sich möglichst innerhalb eines bestimmten definierten Bereich aufhalten.
Zur Wiederholung: Elektrischer Strom entsteht, wenn sich Elektronen innerhalb eines Leiters in eine bestimmte Richtung bewegen. Es ist die Menge an Elektronen, die pro Zeit eine bestimmte Stelle im Leiter passieren.
Elektrogeräte benötigen die richtige Menge an Spannung und Stromstärke, um die korrekte Funktionsweise zu gewährleisten. Sicherlich hast du schon einmal mit einem Universal Netzteil-Adapter wie in der unteren Abbildung hantiert. Universal-Adapter haben den Vorteil, dass man die Spannung (3V, 4.5V, 5V, 6V, 7.5V, 9V, 12V) je nach Projekt anpassen kann. Wohlgemerkt, die Spannung ist verstellbar, nicht aber die Stromstärke. Bei diesem Model liegt die maximal entnehmbare Stromstärke bis zu 2,1A. Je nachdem welchen Verbraucher ihr daran anschließt, ändert sich die abgegebene Stromstärke. Den das Gerät zieht die Stromstärke, die es braucht, selbst. Sie muss nicht extra eingestellt werden.
Beim XplorerBB ist die Nennspannung bereits durch den Akku (4,8V) vorgegeben und unveränderlich. Idealerweise sollte sie so lange wie möglich bei 4,8V konstant bleiben. Die Stromstärke hingegen schwankt deutlich stärker je nachdem welcher Stromverbraucher angeschlossen und aktiv ist. Der Bereich, in dem sie sich aufhält, hängt von der Kapazität des Akkus ab. Ich benutze Mignonzellen mit einer Kapazität von 2300mAH. Idealerweise sollte sie die untere und obere Schwellengrenze nicht über- bzw. unterschreiten.
Wird der Getriebemotor, wie wir es beim Antrieb verwenden, mit 6V im Leerlauf (also ohne Last) betrieben, so zieht er <240mA. Wenn der Motor belastet wird, also das Robotergewicht trägt, dann wird deutlich mehr Strom von der Energiequelle gezogen. Du siehst, dass zum einen elektrische Verbraucher eine feste Spannung voraussetzen und zum anderen je nach momentaner Belastung sie mehr oder weniger Strom entnehmen.
Es wird deutlicher, was ich meine, wenn wir uns den Spannungs- und Stromstärkeverhalten nebeneinander anschauen:
Die größten Stromfresser im Gesamtsystem stellen die Antriebsmotoren dar. Je mehr Gewicht sie tragen, um so mehr Strom ziehen sie. Sie verbrauchen enorme Energien, wenn sie irgendwo klemmen und sich nicht mehr fortbewegen können. Dadurch entleert sich der Akku deutlich schneller.
Im Hinblick auf den Stromverbrauch gibt es noch einen Fall zu beachten: Mit der Zeit werden wir immer mehr Elektronik in den Roboter integrieren und so immer höhere Ströme benötigen. Das kann so weit gehen, dass der ursprüngliche Akku nicht genug Strom liefern kann und wir gezwungen sind einen mit höherer Akkukapazität einzusetzen. Beide Fälle können wir visuell darstellen und einen Hinweis an den User geben, dass hier ein Problem besteht.
Grundaufbau
Der Grundaufbau der Stromvisualisierung gleicht im Wesentlichen dem der Spannung: Eine rechteckige Fläche, die den aktuellen Zustand anzeigt, Labels oberhalb und links zur genauen Beschreibung, rechts der Sensorwert in Textform.
Bei der Ereignisrichtung und dem Start des Balkens können wir zwei Wege gehen. Entweder wir lassen den Balken von links nach rechts ausschlagen und setzen jeweils links und rechts einen Warnbereich fest (siehe A). Oder wir starten den Balken in der Mitte und lassen ihn nach links oder rechts bewegen (siehe B).
Zum jetzigen Zeitpunkt tendiere ich mehr zu Variante B. Das unterschiedliche Verhalten des Balkens (Strom versus Spannung) schafft eine visuelle Differenzierung und erleichtert die Wahrnehmung. Im Gegensatz zur Spannung hat die Visualisierung der Stromstärke zwei Warnbereiche. Werden die Schwellgrenzen über- oder unterschritten, färbt sich der Balken in die Warnfarbe um. Der linke Bereich stellt eine zu niedrige Versorgung mit Strom dar und die Rechte zeigt an, dass hier der Akku durch die hohe Auslastung an seine Grenzen stößt.
Asynchrone Darstellung
Bisher ist der Graf symmetrisch aufgebaut. Dadurch haben beide Bereiche die gleiche Bedeutung. Ich bin aber eher an der hohen Auslastung interessiert (rechte Seite). Aus diesem Grund verschiebe sich den Startpunkt um 25% nach links. Dadurch geben wir dem rechten Bereich der hohen Auslastung mehr Raum in der Darstellung und erzielen eine höhere Auflösung bzw. Aussagekraft. Zusatzelemente wie der Warnbereichshinweis verkürzt oder verlängert sich dabei natürlich proportional mit.
Ein Wort zum Label
Wie auch bei der Spannungsdarstellung (ENERGIE) brauchen wir bei der Stromdarstellung ein aussagekräftiges Label. Wie bei der Spannung stellen wir beim Strom den momentanen Zustand dar. Also wie viel Strom wird gerade von den Antriebsakkus gezogen. Das kann uns einen Hinweis geben, ob die Akkus dauerhaft auf höchster Beanspruchung belastet werden. Das Wort Strom ist hier etwas klobig. Meiner Meinung nach ist das Label Auslastung aussagekräftiger.
Wie stellen wir die Warnbereiche dar?
Spätestens hier wird deutlich, dass der Stromwert sich von der Spannung unterscheidet. Bei der Spannung war das einfach. Fällt die Spannung unter die Betriebsspannung, funktioniert die Elektronik nicht mehr - zumindest liefert sie die erwartete Leistung nicht. Wir betrachten die beiden Bereiche der hohen und niederen Auslastung getrennt und vergeben ihnen jeweils eine eigene Skalierung von 100%:
Hohe Auslastung: + 100%
Niedrige Auslastung: – 100%
Genau genommen haben wir bei der Auslastungsanzeige zwei Darstellungen in eine Grafik kombiniert.
Der Auslastungszähler
Hilfreich könnte ein Zähler sein: immer wenn der Schwellwert in der hohen Auslastung überschritten wird, bekommen wir eine numerische Anzeige. Der Zähler gibt uns eine Tendenz, wie oft eine Grenzüberschreitung erfolgt und nimmt uns das Zählen ab. Später können wir aufgrund dieser Daten die Geschwindigkeit der Antriebsmotoren drosseln und eine Belastung der Akkus reduzieren.
Denkbar ist nur eine maximale Anzeige von z.B. 3, 6 oder mehr Markierungen. Diese könnten dauerhaft bleiben oder nach einer gewissen Zeit verschwinden.
Kurzzeitig Historie / maximal und minimal Anzeige
Die Stromanzeige ist eine Momentan-Anzeige. Die Balkenanzeige hat gegenüber der Liniengrafik den Nachteil, dass sie keine Historie enthält. Dies wurde bereits im Kapitel Konzept eines Energie-Monitoring-System besprochen.
Wir können nicht zurückblicken und wollen es in diesem Szenario auch gar nicht. Wir wollen nur die wichtigsten und am schnellsten wahrnehmbaren Informationen darstellen. Und trotzdem kann eine Historie in reduzierter Weise hilfreich sein. Aus diesem Grund implementieren wir eine zeitversetzte Anzeige des Momentanwertes in beiden Bereichen. Das heißt, wir können die Werte der letzten Sekunden sehen. Die Länge der zeitlichen Verschiebung kann von jeden selber bestimmt werden. In diesem Konzept setze ich sie auf ca. drei Sekunden.
Zusätzlich sollen die Markierungen auch die Überschreitungen in beiden Bereichen anzeigen können. Es bietet sich an diese zeitlich in die Warnfarbe einzufärben.
