QRacer: Rechercheergebnis
Notwendige Bauteile
Um den QRacer mit den vorgegebenen Funktionen aufbauen zu können werden folgende Bauteile benötigt:
| Gerüst/Stromversorgung | Aktoren | Sensoren |
|---|---|---|
|
|
|
Dabei werden folgende Komponenten ausgelassen:
- verschiedene Kabel
- PLA zum 3D-drucken von Halterungen
- Diverse Schrauben, Muttern und dazugehöriges Werkzeug
Anforderungen an Bauteile
Fahrwerk
- Ackermann-Fahrwerk
- 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.
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.
Die Batterie muss einen konstanten Strom von ~30A während der fahrt liefern und einen ca. drei mal so hohen Strom bei der Anfahrt.
5V-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.
5V zu 3,3V Pegelwandler
Um das 5V Signal, welches vom Elektromotor für die Telemetrie ausgegeben wird, im Arduino Uno Q auslesen zu können, ist ein Pegelwandler, welcher das Signal auf 3,3V runterregeln kann notwendig. Da die Logik des Arduin Uno Q auf 3,3V läuft könnte das direkte auslesend es Signals den Controller beschädigen.
USB-Hub mit Stromversorgung
Gewöhnliches USB-Hub mit Stromversorgung.
Keine besonderen Anforderungen.
Fahrtenregler
Der Fahrtenregler steuert die Geschwindigkeit und Drehrichtung des Antriebsmotors. Außerdem wandelt er den eingehenden Gleichstrom in einen, vom Motor nutzbaren, 3-Phasen-Drehstrom.
Antriebsmotor
Der Antriebsmotor sollte einen Radencoder besitzen um die Drehrichtung und Geschwindigkeit bestimmen zu können. Was zu navigation verwendet wird.
Servolenkung
Elektronische Lenkungssteuerung.
Es gibt keine besonderen Anforderungen an die Servolenkung.
Kamera
Die Kamera wird für die Spurführung und Hinderniserkennung verwendet und sollte folgende Anforderungen erfüllen:
- Global Shutter → Keine Bildverzerrungen durch simultane Belichtung des ganzen Bilds.
- Geringe Auflösung → Hohe Auflösungen sind für die Spurerkennung nicht notwendig und geringere Auflösungen sind Dateneffizienter.
- Farbe → Zur Erkennung der Spurlinien und zur Unterstützung der Erknnung von Straßenschildern.
- IR-Filter → um Störungen in der Farbgebung und verschwimmen des Bildes zu vermeiden.
- Weitwinkellinse → Software wie Matlab/simulink kann Bildfehler korrigieren und eine höheres FOV ist notwendig um z.B. bei Kurven oder Kreuzungen nicht die Spur zu verlieren. Im besten Fall ein horizontales FOV von 100° - 140°, da bei FOVs über 140° die Verzerrung zu stark wird.
- USB-Anschluss und UVC-Übertragungsstandard → Für die Kompatibilität mit Matlab/Simulink
LiDAR
Der LiDAR wird zur Objekterkennung und Orientierung verwendet. Für diesen Zweck reicht ein 360° 2D-LiDAR, welcher Hindernisse auf eine Entfernung von ~1-2m erkennen kann. Außerdem sollte der LiDAR, genau wie das Kameramodul über USB anschließbar und in Matlab/Simulink auslesbar sein.
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.
Bereits vorhandene Bauteile
Im Vorfeld wurden folgende Bauteile bereits bestellt:
- Arduino Uno Q 4GB Version
- Aruino USB-C Hub 8-in-1
Folgende Bauteile sind bereits verfügbar:
- Entspricht den Anforderungen
- Entspricht nicht den Anforderungen
| Fahrwerk | Akku | Spannungsregler | Fahrtenregler | Antriebsmotor | Lenkung | Kamera | LiDAR | IMU |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kompatibilität der vorhandenen Bauteile
Bei der Auswahl der Bauteile ist zu beachten, dass nicht alle vorhandenen Bauteile ohne weiteres miteinander kombinierbar sind.
- Der Arduino Uno Q besitzt ohne Erweiterungen keinen MIPI CSI-2 Stecker und ist somit nicht mit der IMX219-160 Kamera kompatibel
- Das Erweiterungsboard des JetRacers ist mit dem Arduin Uno Q kompatibel, aber nur mit zusätzlichem Programmieraufwand nutzbar. Das betrifft somit den MPU-9250 und den TB6612FNG
- Eine einzelne Sony/Murata US18650VTC6 Batterie liefert nur eine Nennspannung von 3,6V, was für beide vorhandenen Motoren und den erwarteten Anspruch an den QRacer zu wenig ist. Es werden somit mindestens zwei Batterien benötigt. Außerdem benötigen die Batterien zusätzliche Gehäuse um benutzt werden zu können.
- Der RPLiDAR A1 ist mit dem Arduino Uno Q vollständig kompatibel, würde aber den einzigen USB-Steckplatz belegen, welcher, durch das fehlen des MIPI CSI-2 Steckers, eigentlich von einer Kamera belegt werden müsste. Somit wird entweder ein USB-Hub und eine USB-Kamera oder eine Erweiterung für den Arduino Uno Q benötigt, welche den MIPI CSI-2 Stecker bereitstellt.
- Der im Hacker-Fahrwerk verbaute Fahrtenregler und Elektromotor haben bereits einen Deans-Stecker, welcher nicht dem an der Hochschule verwendeten Standard entspricht. Der Stecker muss auf einen XT60 Stecker gewechselt werden.
Auswahl vorhandener Bauteile
Fahrwerk
Sowohl das Hacker als auch das Jet Racer Fahrwerk erfüllen die gestellten Ansprüche mit keinen relevanten Unterschieden.
Da der 5V-Spannungsregler bereits mit den, im Hacker Fahrwerk verbauten, Bauteilen verlötet ist, fiel die Auswahl auf das Hacker Fahrwerk.
Akku
Beide Lösungsansätze für die Stromversorgung erfüllen die Voraussetzungen an das Projekt.
Der entscheidende Unterschied ist hierbei, dass der Aufbau und Anschluss des Akkus an das restliche System beim Hacker Motor TopFuel LiPo Akku deutlich simpler ist als bei den Sony/Murata US18650VTC6 Batterien, da von diesen vier Stück benötigt werden um die notwendige Spannung und Stromstärke zu erreichen. Außerdem muss für die Sony/Murata US18650VTC6 Batterien ein passendes Gehäuse gekauft werden, während der Hacker Motor TopFuel LiPo Akku ohne zusätzlichen Einkauf verwendet werden kann.
Durch diese Faktoren fällt die Wahl des Akkus auf den Hacker Motor TopFuel LiPo Akku.
*Da die Wahl auf den Hacker Motor TopFuel LiPo Akku gefallen ist, wird zu den notwendigen Bauteilen der XT60 Stecker hinzugefügt.
Spannungsregler
Der XL4015 erfüllt alle genannten Anforderungen und ist bereits fest im Hacker Fahrwerk verbaut, wodurch er die simpelste Lösung darstellt.
Fahrtenregler
Der Hacker Tensoric 10 erfüllt alle genannten Anforderungen und ist bereits fest im Hacker Fahrwerk verbaut, wodurch er die simpelste Lösung darstellt.
Antriebsmotor
Der Hacker Skalar 10 21,5 erfüllt alle genannten Anforderungen und ist bereits fest im Hacker Fahrwerk verbaut, wodurch er die simpelste Lösung darstellt.
Lenkung
Der LPR Servo R7030 erfüllt alle genannten Anforderungen und ist bereits fest im Hacker Fahrwerk verbaut, wodurch er die simpelste Lösung darstellt.
Kamera
Keine der vorhandenen Kameras erfüllt die notwendigen Voraussetzungen, weshalb eine neue gekauft werden muss.
LiDAR
Der vorhandene RPLiDAR A1 erfüllt alle genannten Anforderungen welche vom LiDAR zu Hinderniserkennung und Orientierung gefragt werden und eignet sich somit für den QRacer.
IMU
Sowohl die integrierte als auch die nicht integrierte Version des MPU-9250 erfüllen die Anforderungen an die IMU und kommen für den QRacer in Frage. Dadurch, dass das JetRacer Erweiterungsboard schon vorher nicht zum einsatz gekommen ist, ist das vebrauen des dieses Boards nur für die IMU nicht praktikabel und die Wahl fällt auf den stand-alone MPU-9250.
Auswahl fehlender Bauteile mittels morphologischem Kasten
Pegelwandler
Da der Pegelwandler nur ein Signal von 5V auf 3,3V ändern muss und es keine weiteren Anforderungen an diese gibt, gibt es dementsprechend wenig Metriken zum vergleichen.
Die Wahl fiel hier auf einen handelsüblichen 2-Channel-Converter
https://www.berrybase.de/logic-level-converter-3.3v-5v-ttl
Kamera
Folgende Kameras sind für den QRacer denkbar:
1. https://www.mybotshop.de/Arducam-23MP-AR0234-Color-Global-Shutter-USB-30-Camera-Module
2. https://www.welectron.com/Arducam-B0385-120fps-Global-Shutter-Color-USB-Camera-Board_1
4. https://www.antratek.de/arducam-100fps-global-shutter-usb-camera-board-1mp-ov9281-with-m12-lens
| Option 1 | Option 2 | Option 3 | Option 4 |
|---|---|---|---|
|
+ 2,3 MP und bis zu 80FPS bei geringen Auflösungen |
+ 1 MP und bis zu 120FPS bei geringen Auflösungen |
- 5 MP und bis zu 30FPS bei geringen Auflösungen |
+ 1 MP und bis zu 100FPS bei geringen Auflösungen |
Die beste Option für den QRacer ist Option 2, welche mit einer zusätzlichen Weitwinkellinse alle Anforderungen perfekt erfüllt. Der einzige Große Nachteil ist die geschätzte Lieferzeit von 3 Monaten, welche den zeitlichen Rahmen des Projekts sprengt.
Die nächstbeste Kamera ist Option 1, sie erfüllt alle Anforderungen und ist in der Zeit des Projekts lieferbar. Der einzige Nachteil ist hier der deutlich höhere Preis. Das horizontale FOV von 85° ist, im Vergleich zur bei autonomen Fahrzeugen regulären 100°-140° FOV nicht optimal, aber für den QRacer ausreichend.
Die drittbeste Lösung ist Option 4, dort werden alle Anforderungen, inklusive der Lieferzeit und des Preises berücksichtigt. Der einzige Nachteil ist, dass es sich bei diesem Modell um eine Monochrome Kamera handelt, was bei unkontrollierten Bedingungen wie Schattenwurf zu Problemen führen kann. Das fehlen des IR-Filters kann durch eine passende Linse behoben werden.
BOM
https://svn.hshl.de/svn/HSHL_Projekte/trunk/QRacer/Doku/BOM/QRacer_BOM.xlsx
→ zurück zum Projektplan: Projektplan
→ zurück zum Hauptartikel: Q-Racer