Autonome Spurführung eines Ackermann-Chassis mit Arduino Uno Q

Abb. 1: JetRacer ROS AI Roboter von Waveshare

Autor:	Dennis Kononenko
Art:	Bachelorarbeit
Starttermin:	02.09.2026
Abgabetermin:	vermutlich 02.01.2027 (4 Monate Bearbeitungsfrist) - bitte finales Datum eintragen
Projektplan:	Projektplan
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. Schneider

📖 Einleitung

Der JetRacer kommt an der HSHL in vielen Praktika zum Einsatz. In diesem Projekt soll ein Ackermann-Chassis mit Arduino Uno Q vergleichbar dem JetRacer entwickelt werden. Der Arbeitstitel lautet QRacer.

Hauptmerkmale:

• Arduino Uno Q
• Kamera für die Spurerkennung
• LiDAR für die Objekterkennung
• IMU und Odometrie für die Navigation

✅ Anforderungen

Einleitung   In diesem Lastenheft werden die Anforderungen (engl. Requirements) und Einschränkungen (engl. Limitations) für den QRacer definiert. Projektgegenstand ist die Entwicklung eines Fahrzeuges, welches sich auf einer vorgegebenen Fahrbahn autonom, d. h. ohne fremde Steuerung von außen, fortbewegt. In den folgenden Tabellen sind alle funktionalen Anforderungen an das Fahrzeug beschrieben. Zur Vertiefung der Anforderungen wird, da wo nötig, auf entsprechende Literatur verwiesen. Nicht-funktionale Anforderungen wie Performance, Wartbarkeit und Testbarkeit des entwickelten Produktes müssen bei der Entwicklung berücksichtigt werden auch wenn sie hier nicht gesondert aufgeführt sind. Die Anforderungen werden in einer „Anforderungsbox“ dargestellt. Die Anforderungen sind in die Prioritäten 1 (hoch), 2 (mittel), 3 (niedrig) eingestuft. Einschränkungen der Anforderungen werden in Form von Limitations formuliert. Eine Beschreibung von Limitations gibt es nur an Stellen an denen ohne Limitation fälschlicherweise von einer Realisierung der jeweiligen Funktion ausgegangen werden könnte, d. h. nicht alles was „nicht funktionieren soll“ ist mit einer Limitation gekennzeichnet.

Tabelle 1: Systemanforderung  

SR	Beschreibung	Priorität
1	Der QRacer muss ohne eine Verbindung zu einem weiteren System (auch keine Funkverbindung) eigenständig funktionieren.	1
2	Das autonome Fahrzeug am Heck muss elektrisch angetrieben werden.	1
3	Die Energieversorgung des autonomen Fahrzeugs muss mit Akkus realisiert werden, die sich auf dem Fahrzeug befinden.	1
4	Für die Abmessungen des autonomen Fahrzeugs müssen folgenden Kriterien eingehalten werden. Das Fahrzeug muss vierrädrig sein und darf nur zwei Achsen haben. Der Radstand muss mindestens 200 mm betragen. Die Spurweite, gemessen von Reifenmitte zu Reifenmitte, muss mindestens 160 mm betragen. Die Höhe fester Fahrzeugaufbauten über der Fahrbahn darf 300 mm nicht überschreiten.	1
5	Das autonome Fahrzeug muss eine Zweiradlenkung der Vorderachse besitzen.	1
6	In Notsituationen muss es möglich sein, das Fahrzeug sofort anzuhalten (Notstopp).	1

Tabelle 2: Funktionale Anforderung  

FR	Beschreibung	Priorität
1	Das Fahrzeug soll auf einem unbekannten Rundkurs autonom und möglichst schnell fahren können ohne dabei die Spur zu verlieren.	1
2	Das Fahrzeug soll auf einem unbekannten Rundkurs autonom und möglichst schnell fahren können und dabei statischen Hindernissen ausweichen.	2
3	Trifft das Fahrzeug bei seiner Rundfahrt an eine Stopp-Kreuzung so muss es anhalten	3

Tabelle 3: Nicht-Funktionale Anforderung  

NFR	Beschreibung	Priorität
1	Die Fahrzeugdaten müssen via WLAN an einen Leitrechner übertragen werden.	1
2	Am höchsten Punkt des Fahrzeugs über der Antriebsachse muss das Topcon Prisma zur Erfassung der Ground-Truth-Daten montiert werden können.	1
3	Die Spurerkennung muss über eine Mono-Kamera erfolgen.	1
4	Die Roboternavigation muss über Odometrie und IMU realisiert werden.	1
5	Alle Komponenten müssen ohne Spezialwerkzeug austauschbar sein.	1
6	Der QRacer muss für Lernzwecke geeignet sein und eine verständliche Dokumentation im Wiki besitzen.	1

Tabelle 4: Hardware Anforderungen  

HWR	Beschreibung	Priorität
1	Als Mikrocontroller muss ein Arduino Uno Q zum Einsatz kommen.	1
2	Als IMU muss ein MPU-9250/6500 zum Einsatz kommen.	1
3	Die Objekterkennung muss über LiDAR realisiert werden	1
4	Die Akkus müssen austauschbar sein (z. B. AAA).	1
5	Es dürfen ausschließlich schwer entflammbare Akkumulatoren eingesetzt werden.	1

Tabelle 5: Software Anforderung  

SWR	Beschreibung	Priorität
1	Die Regelung muss modellbasiert über MATLAB®/Simulink programmiert werden.	1
2	Die Spurerkennung muss modellbasiert über MATLAB®/Simulink programmiert werden.	1
3	Die Objekterkennung muss modellbasiert über MATLAB®/Simulink programmiert werden.	1
4	Für das CAD-Design muss Solid Works verwendet werden.	1
5	Die tägliche Dokumentenversionierung muss in SVN erfolgen.	1
6	Das Projekt muss währen der Bearbeitungszeit in diesem Wiki-Artikel vollständig dokumentiert werden.	1

Hinweis: Sollte MATHWORKS in der Projektlaufzeit keine Uno Q Unterstützung anbieten, kann ein Workaround verwendet werden:

1. Der Uno Q sendet die Daten via WLAN an den Leitrechner.
2. Auf dem Leitrechner erfolgt die Bildverarbeitung in Echtzeit.
3. Längs- und Querregler laufen auf dem Leitrechner in Simulink.
4. Die Steuersignale für die Motoren werden über WLAN an den QRacer übertragen.

🎯 Aufgabenstellung

1. Recherche bestehender Modelle
2. Bewertung der Lösungen mittels morphologischem Kasten
3. Aufstellung einer Materialliste und Beschaffung vor Beginn der Arbeit
4. Einbindung der Hardware in das Labor WLAN und Echtzeit-Übertragung von Sensordaten.
5. Ansteuerung der Aktoren via MATLAB/Simulink
6. Einlesen der Sensoren via MATLAB/Simulink
7. Spurerkennung via MATLAB/Simulink
8. Konstruktion und Druck einer Plattform für das TopCon-Prisma
9. Erfassung der Ground-Truth-Daten und Verfolgung des JetRacer auf einer digitalen Karte
10. Steuerung des JetRacer auf der hindernisfreien rechten Spur anhand von Kameradaten
11. Bewertung der Ergebnisse anhand technischer Merkmale
12. Diskussion der Ergebnisse
13. Testen der Systemanforderungen - Verifikation und Validierung
14. Wissenschaftliche Dokumentation als Bericht
15. Wissenschaftliche Präsentation als Wiki-Artikel mit Ergebnisvideo

🚀 Getting Started

1. Recherche bestehender Modelle
2. Bewertung der Lösungen mittels morphologischem Kasten
3. Aufstellung einer Materialliste und Beschaffung vor Beginn der Arbeit
4. Bachelorbeit anmelden
5. Sicherheitseinweisung
6. Arbeitsplatz Vorbereitung (Login,...)
7. SVN-Zugang zum Arbeitsordner
8. Wiki-Zugang zum persönlichen Artikel
9. ggf. Transponderausgabe

🔧 Funktionaler Systementwurf

Ein funktionaler Systementwurf beschreibt, was ein technisches System leisten soll und welche funktionalen Teilsysteme dafür benötigt werden, ohne bereits festzulegen, wie diese Funktionen technisch konkret umgesetzt werden.

Es beantwortet die Frage: Was muss das System tun?

⚙️ Technischer Systementwurf

Er beantwortet die Frage: Wie wird das System technisch aufgebaut?

📝 Komponentenspezifikation

Gerüst/Stromversorgung

Chassis

Ackermann-Chassis mit den Maßen xyz

Akku + Gehäuse

Der Akku muss den Arduino Uno Q, LiDAR, Kamera, Antrieb und Lenkung lange genug mit Strom versorgen, dass der QRacer autonom durch die Teststrecke navigieren kann.

Da der JetRacer, bis auf den Arduino Uno Q, eine ähnliche Ausstattung besitzt, wurde dieser als Vergleichsobjekt für die Auswahl eines passenden Akkus verwendet.

Der JetRacer verwendet drei Batterien mit einer Nennspannung von 3,7V und 3000mAh in einer 3S-Konfiguration, was einer gesamten Spannung von 11,1V entspricht. Da der QRacer nicht mit hohen Geschwindigkeiten fahren muss, reicht auch eine 2S-Konfiguration mit einer Gesamtspannung von 7,4V.

Spannungsregler

Um den Aruino Uno Q mit dem selben Akku betreiben zu können, welcher auch den Antriebsmotor antreibt, wird ein Spannungsregler benötigt, welcher die Eingansspannung vom Akku auf konstante 5V runterregelt.

Aktoren

Fahrtenregler

Der Fahrtenregler steuert die Geschwindigkeit und Drehrichtung des Antriebsmotors

Es gibt keine besonderen Anforderungen an den Fahrtenregler

Antriebsmotor

Der Antriebsmotor wird vom Fahrtenregler gesteuert und rotiert die Hinterachse des Chassis

Der Antriebsmotor sollte einen Radencoder besitzen um die Drehrichtung bestimmen zu können.

Servolenkung

Elektronische Lenkungssteuerung.

Es gibt keine besonderen Anforderungen an die Servolenkung

Sensoren

Kamera

Die Kamera wird für die Spurführung verwendet und sollte folgende Anforderungen erfüllen:

• Global Shutter → Keine Bildverzerrungen durch simultane Belichtung des ganzen Bilds.
• Monochrom → Nur die weißen Leitstreifen auf der Teststrecke sind relevant für die Spurführung, ein monochromes Bildsignal Rechenleistung vom Arduino Uno Q spart und monochrome Kameras Kostengünstiger sind.
• Geringe Auflösung → Selbe Gründe wie beim Punkt "Monochrom"
• Weitwinkellinse → Software wie OpenCV kann Bildfehler korrigieren und eine höheres FOV ist notwendig um z.B. bei Kurven oder Kreuzungen nicht die Spur zu verlieren.

LiDAR

Der LiDAR wird hauptsächlich zu Objekterkennung verwendet. Für diesen Zweck reicht ein 360° 2D-LiDAR, welcher Hindernisse auf eine Entfernung von ~1-2m erkennen kann.

IMU

Die IMU wird in kombination mit der Odometrie zur Navigation verwendet. Es besimmt die Himmelsrichtung, Ausrichtung und Beschleunigung des QRacers.

Das ist am Besten mit einem 9-Achsen-Positionserkennungsmodul realisierbar.

Anhänge

📋 Anforderungen an die wissenschaftliche Arbeit

• Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.), nützlicher Artikel: Gantt Diagramm erstellen
• Wöchentlicher Fortschrittsberichte (informativ), aktualisieren Sie das Besprechungsprotokoll - Live Gespräch mit Prof. Schneider
• Projektvorstellung im Wiki
• Tägliche Sicherung der Arbeitsergebnisse in SVN
• Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider
• Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit

❓ Fragen für den Start

• Gibt es ein günstiges Ackermann-Chassis für den Arduino Uno Q?
  • JetRacer Professional ROS AI
  • PiRacer
• Wir haben Modellbauchassis. Können die genutzt werden?
• Welche Hardware benötigen Sie?
• CSI-Kamera über MIPI oder USB-Webcam?
• Welche Linse? Weitwinkel?
• LiDAR? IMU? Radencoder?

🔄 SVN-Repositorium

https://svn.hshl.de/svn/HSHL_Projekte/trunk/QRacer

---

→ zurück zum Hauptartikel: Studentische Arbeiten