Quelltext der Seite SDE Systementwurf SoSe2025: Geregelte autonome Fahrt

[[Datei:Labor AS Arbeitsplaetze rechts.JPG|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Autonome Fahrbahnvermessung im Labor Autonome Systeme]]
[[Datei:Laborteststrecke.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 2: Ergebnisdarstellung der Außenlinien]]
{|class="wikitable"
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| '''Autoren:'''  || [[Benutzer:Jan Steffens| Jan Steffens]] & [[Benutzer:Lukas Berkemeier| Lukas Berkemeier]]
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| '''Dozent:'''  || [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
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| '''Modul'''  || Mechatronik, Systementwicklung (Wahlpflichtprofil „Systems Design Engineering“), Sommersemester
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| '''Modulbezeichnung:''' || MTR-B-2-6.11
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| '''Modulverantwortung:''' || Ulrich Schneider
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| '''Lehrveranstaltung:''' || Praktikum Systementwurf
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| '''Sprint 1:''' || Autonome Fahrbahnvermessung
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| '''Zeit:''' || Dienstag, 08:15 - 10:30 Uhr, Selbstlernzeit: TBD
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| '''Ort:''' || Labor L3.3-E01-180 (Autonome Systeme)
|}
= Einleitung =
Zu Sprint 1 wurde die Fahrbahn vermessen und als digitale Karte gespeichert (vgl. Abb. 1, 2). Die Position des Prismas kann während der Fahrt gemessen und in die Referenzkarte eingezeichnet werden. Aufgabe dieses Sprints ist es auf der Mittelspur gereglt zu fahren, diese zu vermessen und in die Karte zu übertragen.

{| class="wikitable"
|+ style="text-align:left;"| Tabelle 1: Anforderung an die geregelte autonome Fahrt
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! Req. !! Beschreibung !! Priorität
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| 1 || Ein [[AlphaBot]] muss die Mittellinien der Fahrbahn autonom verfolgen.|| 1
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| 2 || Als Referenzmessystem kommt die [[Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station|Topcon Robotic Total Station]] zum Einsatz.|| 1
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| 3 || Der AlphaBot muss entweder konstant die Referenzdaten verwenden oder diese als Stützung für die Ausfälle der Linienverfolgung nutzten. || 1
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| 4 || Die Referenzwerte müssen mit MATLAB<sup>®</sup> aufgezeichnet werden (x, y, Farbe).|| 1
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| 5 || Fehler in den Messwerten müssen bereinigt werden.|| 1
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| 6 || Die zweidimensionale digitalen Karte muss als MATLAB<sup>®</sup>-Datei (<code>.mat</code>) bereitgestellt werden. || 1
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| 7 || Das Vorgehen muss am KANBAN-Board geplant werden.  || 1
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| 8 || Lösungsweg und Lösung muss im Wiki dokumentiert werden.  || 1
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| 9 || Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der Karte eingezeichnet werden. || 1
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| 10 || Als Vorbereitung für den Sprint 3 muss eine Kamerahaltung für die [[Kamerasensor_Pixy_Lego|Pixy2]] geplant, designed, gedruckt und getestet werden. || 1
|}

= Getting Started =
[[Datei:Rundkurs mit Mittellinie.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 3: Rundkurs mit Solllinie (rote Mittellinie)]]
# Planung Gantt-Chart
# Besprechung der Planung mit Prof. Schneider, Verabredung von Meilensteinen und der Abschlusspräsentation von Sprint 2
# Übernahme der Arbeitspakete auf dem KANBAN-Board
# Inbetriebnahme der Referenzstation
# Positionsmessung des Fahrzeugs und Schätzung der Roboterpose <math>[x,y,\Psi]</math>.
# Eintragen der Roboterpose in der digitalen Karte.
# Verbinden Sie den [[AlphaBot: Blootooth Verbindung zu MATLAB|AlphaBot via Bluetooth mit dem PC]].
# Vergleich der Soll-/Istposition (ggf. mit Prädiktion). Bestimmen Sie die Regelabweichung e.
# Senden Sie die Regelabweichung e an den AlphaBot.
# Regeln Sie den AlphaBot mit Ihrem PD-Regler aus Sprint 1.
# Optional: Inbetriebnahme AlphaBot Linienverfolger für durchgezogene Linie und Stützung währen des Ausfalls der Linie.
# Senden Sie die Messwerte des Linienverfolgers an den PC.
# Messung und Speicherung der Mittelspur (Position, Farbe (s/w))
# Bereinigung von Fehlern in der Karte
# Ablage der vollständigen digitalen Karte als <code>Rundkurs_mit_Mittellinie.mat</code>-Datei.
# Messung einer Roboterbewegung und Anzeige auf der Karte.
# Test der Anforderungen und Dokumentation
# ggf. Überarbeitung/Verbesserung des Artikels [[Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station]]
# Analyse und Bewertung der Ergebnisse in '''DIESEM''' Wiki-Artikel

=Benötigte Hardware/Software=

Hardware:

*Computer
*Bluetooth Dongle (zur Topcon Kommunikation)
*Bluetooth Dongle (zur Alphabot Ansteuerung)
*Topcon Messstation
*Alphabot mti Batterien inkl. Prismahalterung

Software:
*Matlab - 2024b
*Arduino IDE 2.3.4
*PAP - Designer

=Planung (Plan)=
Die Planung des Sprints Geregelte autonome Fahrt wird mit Hilfe des Kanban-Boards realisiert. Die Anforderungen werden dazu in eine geeignete Reihenfolge strukturiert und in mehrere Arbeitspakete aufgeteilt. 

*Planung am Kanban-Board

*Positionserfassung mit der Topcon Robotic Total Station
**Inbetriebnahme der Referenzstation
**Schätzung der Roboterpose
**Gegebene Demo zur Messung benutzen
**Test -> Fahrweg in Karte einzeichnen


*AlphaBot via Bluetooth mit dem PC verbinden mit gegebener Deno BluetoothIO.m
*AlphaBot vom PC aus via Matlab ansteuern


*Meilenstein: Liveerfassung der Alphabotposition


*Meilenstein: Liveverarbeitung der übertragenen Daten der Topcon Station zur Regelung des AlphaBot
**Sollwert ist die Mittellinie
**Fahrtrichtung der Istposition ermitteln 
**Istwert berechnen 
**PD-Regelung zum nächstgelegenen Sollwertpunkt 


*Meilenstein: Geregelte Ansteuerung des AlphaBot über Bluetooth via MATLAB

*Meilenstein: Mittelspur geregelt befahren, diese vermessen und in die Karte übertragen.
**Vermessung der Mittellinie - mit den Daten der IR-Sensoren am Arduino die Mittellinie aufnehmen 
**Ablage der vollständigen digitalen Karte als .mat Datei


*Test der Anforderungen
*Fehler in den Messwerten bereinigen
*Lösungsweg und Lösung im Wiki dokumentieren
*Vorbereitung für den Sprint 3 
**Kamerahalterung für die Pixy2 Kamera planen, designen, drucken und testen

==Ziel-Zustand==
*Datenübertragung der Ist-Position des Prismas am Alphabot mit der Topcon Station über Bluetooth
*Regelabweichung (Distanz Alphabot zur Mittellinie) in Matlab berechnen und über Bluetooth an den Alphabot senden
*Regelabweichung über Bluetooth am Alphabot empfangen und weiterverwenden
*Regelung des Alphabot durch Topcon-Daten als Istwert und der vorgegebenen Mittellinie als Sollwert
*IR-Sensorwertaufnahme der realen Mittellinie (schwarz/weiß Erkennung)
*Abbildung der realen Mittellinie in der Karte
*Halterung für Pixy 2 Kamera entwerfen und drucken

=Umsetzung (Do)=
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
|<strong>Referenzmessung mit Topcon&thinsp;</strong>
|-
|
Positionserfassung mit der Topcon Robotic Total Station

Benötigte Betriebsmittel:

# Topcon Robotic Total Station - Koffer 1 - Topcon PS Series Power Station - Robotik Total PS-103A Referenzstation
# Topcon Robotic Total Station - Koffer 2 - Topcon RC-5 Remote Controlle - Prisma
# AlphaBot mit Prismahalterung
# Batterien des AlphaBot
# Bluetooth dongle (Verbindung mit der Topcon Station)


Software + Skripts:

# MATLAB<sup>®</sup> 2024b
# Arduino IDE 2.3.4
# trackePrisma.m 
# Zeichne_in_Karte.m
# TopCon_Messung_250506_1129.mat (aufgenommene Messdaten)
# Fahrbahn_Autonome_Systeme.mat


Durchführung:

Schritt 1: Montage der Prismahalterung am AlphaBot

Schritt 2: Festschrauben des Topcon Prismas am Gewinde der Prismahalterung

Schritt 3: Inbetriebnahme der Topcon Messeinheit nach Anleitung: https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station

Schritt 4: Topcon Messeinheit auf Gewünschte Position stellen und nach digitaler oder analoger Libelle ausrichten, sodass der Kreis bzw. die Luftblase exakt in der Mitte ist. In unserem Fall wurde die Messeinheit in der Mitte der Schleife               Aufgestellt. Position zum Punkt A - X: -2,68; Y: 4,23 . Position zum Punkt B - X: 2,58 Y: 2,17 

Schritt 5: Das Prisma, ebenfalls nach Anleitung aus Schritt 3, Tracken

Schritt 6: Messdatenaufzeichnung mit D:\SVN\SDE_Praktikum_Trunk\_Semesterordner\SS2025\Sprint_2\m-files\trackePrisma.m

Test: Messdaten in aktuelle Karte einfügen mit: 'Zeichne_in_Karte.m'. Dafür wurde die aktuelle Karte 'Fahrbahn_Autonome_Systeme.mat' genutzt. Testmessung: 'TopCon_Messung_250506_1129.mat' testweise in die Karte eingefügt.
[[Datei:Topcon_Position.jpg|thumb|left|450px|Abb. 3: Position Topcon]]
|}

{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
|<strong>Bluetoothverbindung mit Alphabot &thinsp;</strong>
|-
|
Bluetoothverbindung mit dem Alphabot über Matlab                                                                                                                                                                                               

Benötigte Betriebsmittel:

# AlphaBot
# Bluetoothmodul HC-05
# Jumperkabel Male/Female 4x
# USB-A auf Micro-USB Kabel
# Bluetooth dongle (Verbindung mit dem Alphabot)


Software + Skripts:

# MATLAB<sup>®</sup> 2024b
# Arduino IDE 2.3.4
# BluetoothIO.m 
# Demo_SoftwareSerial.ino


Durchführung:


Schritt 1: HC-05 Bluetooth-Modul am Alphabot anschließen
*mit Jumperkabeln mit dem UART Kontaktblock am schmalen Ende des Alphabots verbinden [[Datei:BT-Modul_HC-05 am Alphabot.jpg|thumb|right|300px|Abb. 4: HC-05 Bluetooth-Modul am Alphabot]]

{| class="wikitable"
|+ style="text-align:left;"| Tabelle 2: Kontaktbelegung HC-05 Bluetooth-Modul (siehe Abb. 4) 
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! HC-05 !! Alphabot !! Farbe
|-
| VCC || Arduino 3,3 V (5 V ist am Alphabot falsch beschriftet) || orange
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| GND || Arduino GND || gelb
|-
| TXD || Arduino RX<-0, D0 || grün
|-
| RXD || Arduino TX->1, D1 || blau
|}

Schritt 2: HC-05 Bluetooth-Modul mit dem Computer koppeln
# "Bluetooth und andere Geräte" Einstellungen öffnen
# "[+] Bluetooth- oder anderes Gerät hinzufügen" anklicken
# HC-05 auswählen und mit Passwort: 1234 Verbinden

Schritt 3: Demo_SoftwareSerial.ino öffnen und auf den Alphabot hochladen

Schritt 4: Bluetooth.IO öffnen und starten
|}

{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
|<strong>Geregelte Fahrt auf der Mittellinie&thinsp;</strong>
|-
|
Geregelte Fahrt auf der Mittellinie

Benötigte Betriebsmittel:

# AlphaBot mit Prismahalterung
# Batterien des AlphaBot
# Bluetoothmodul HC-05
# Jumperkabel Male/Female 4x
# USB-A uf Micro-USB Kabel
# Bluetooth dongle (Verbindung mit dem Alphabot(HC-05) und Topcon Station)
# Topcon Robotic Total Station - Koffer 1 - Topcon PS Series Power Station - Robotik Total PS-103A Referenzstation
# Topcon Robotic Total Station - Koffer 2 - Topcon RC-5 Remote Controlle - Prisma


Software + Skripts:

# MATLAB<sup>®</sup> 2024b
# Arduino IDE 2.3.4 
# trackePrismaSendeAlphaBot.m
# weisselinie_folgerBT.ino


Durchführung:

Schritt 1: "weisselinie_folgerBT.ino" auf den Alphabot hochgeladen

Schritt 2: Inbetriebnahme Topcon Station wie in Abschnitt "Referenzmessung mit Topcon" - https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station

Schritt 3: "trackePrismaSendeAlphaBot.m" starten

Schritt 4: Mittellinie mit IR-Sensoren erkennen und in Karte einzeichnen
|}

=Test und Dokumentation (Check)=
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
|<strong>Referenzmessung mit Topcon&thinsp;</strong>
|-
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Test: Messdaten in aktuelle Karte einfügen mit: 'Zeichne_in_Karte.m'. Dafür wurde die aktuelle Karte 'Fahrbahn_Autonome_Systeme.mat' genutzt. 
Testmessung: 'TopCon_Messung_250506_1129.mat' testweise in die Karte eingefügt.

Die Messwerte wurden erfolgreich in die Karte eingezeichnet. Die Position der Messwerte entspricht der realen Position der Testfahrt.

{| class="wikitable"
|+ style="text-align:left;"| Tabelle 3: Systemtest gegen die Anforderungen
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! Req. !! Beschreibung !! Priorität !! Zustand !! Link auf das Ergebnis 
|-
| 2 || Als Referenzmessystem kommt die [[Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station|Topcon Robotic Total Station]] zum Einsatz. || 1 || ✓ || 
|-
| 4 || Die Referenzwerte müssen mit MATLAB<sup>®</sup> aufgezeichnet werden (x, y, Farbe).|| 1 || ✓ ||
|-
| 9 || Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der Karte eingezeichnet werden. || 1 || ✓ || [[https://svn.hshl.de/usvn/project/MTR_SDE_Praktikum/show/trunk/_Semesterordner/SS2025/Sprint_2/m-files/Zeichne_in_Karte.m| SVN]]
|}

[[Datei:Referenzmessung_Topcon.jpg|thumb|left|450px|Abb. 5: Testfahrt in Karte eingezeichnet]]
|}

{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
|<strong>Bluetoothverbindung mit Alphabot&thinsp;</strong>
|-
|
Test: Mit Matlab soll eine Verbindung über das HC-05 Bluetoothmodul zum Alphabot hergestellt, und so Daten zum Alphabot übertragen werden können.

Genutzte Software:
 
Demo_SoftwareSerialMotor.ino 
* Ansteuerung der Alphabotmotoren durch Empfangen von Matlabsignalen über Bluetooth

BluetoothIO.m 
* Zahlenwerte per Bluetooth an den Alphabot senden

Ergebnis: Mit der Demo Bluetooth.IO wurden von Matlab Werte über die Bluetoothverbindung an den Alphabot gesendet. Die Demo_SoftwareSerialMotor.ino hat die Signale ausgewertet und die Motoren dementsprechend angesteuert.

|}

{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
|<strong>Geregelte Fahrt auf der Mittellinie&thinsp;</strong>
|-
|
Test: Datenübertragung der Ist-Position des Prismas am Alphabot mit der Topcon Station über Bluetooth
Regelabweichung (Distanz Alphabot zur Mittellinie) in Matlab berechnen und über Bluetooth an den Alphabot senden
Regelabweichung über Bluetooth am Alphabot empfangen und weiterverwenden
Regelung des Alphabot durch Topcon-Daten als Istwert und der vorgegebenen Mittellinie als Sollwert
IR-Sensorwertaufnahme der realen Mittellinie (schwarz/weiß Erkennung)
Abbildung der realen Mittellinie in der Karte

Genutzte Software:
 
trackePrismaSendeAlphabot.m 
* Positionserfassung durch die Topcon Messstation, Berechnung der Regelabweichung zur Mittellinie und Bluetoothübertragung an Alphabot

weisselinie_folgerBT.ino 
* Empfangen der Regelabweichung über Bluetooth und Regelung der Alphabot Motoren. Zusätzliche Erfassung der realen Mittellinienwerte und Übertragung der Werte per Bluetooth zu MATLAB 

{| class="wikitable"
|+ style="text-align:left;"| Tabelle 4: Systemtest gegen die Anforderungen
|-
! Req. !! Beschreibung !! Priorität !! Zustand !! Link auf das Ergebnis 
|-
| 3 || Der AlphaBot muss entweder konstant die Referenzdaten verwenden oder diese als Stützung für die Ausfälle der Linienverfolgung nutzten.|| 1 || ✓|| 
|}

|}

= Fehlerbehebung (Act) =

= Zusammenfassung=
*Die Planung wurde am Kanban-Board realisiert
*Die Positionserfassung mit der Topcon Robotic Total Station funktioniert - getestet
*Der Alphabot mit HC-05 wurde via Bluetooth mit dem PC verbunden - getestet
*Vom PC konnten Daten über Bluetooth mit Matlab an den Alphabot gesendet werden - getestet
**mit der Demo_SoftwareSerial.ino wurden Daten empfangen und ausgewertet, indem empfangene Daten mit festen Werten verglichen worden sind
*mit der gegebenen Mittellinie als Soll-Wert und der aktuellen Position des Prismas auf dem Alphabot wurde die Distanz zwischen den Punkten als Regelabweichung ermittelt - getestet
**die Distanz wird dann an den Alphabot via Bluetooth übertragen
**die Daten konnten bislang noch nicht zur Stellgrößenberechnung des PD-Reglers weiterverwendet werden
***somit ist noch keine geregelte Fahrt auf der Mittellinie möglich, die reale Mittellinie wurde nicht ermittelt

= Anhang =
Arbeitsergebnisse im SVN-Ordner:
 https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/_Semesterordner/SS2025/Sprint_2/


{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 5: Ablauf Meilenstein Sprint 2
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! Uhrzeit !! Inhalt 
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| 8:15 || Begrüßung und Meilensteinpräsentation
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| 8:25 || Diskussion der Ergebnisse
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| 8:40 || Test der Anforderungen
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| 8:45 || Live-Vorführung der Fahrt ink. Vermessung der Mittellinie (Req.4, 9)
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| 8:50 || Sichtung der Abgabeunterlagen, Diskussion der Eigenbewertung
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| 9:00 || Besprechung der Aufgaben und Vorgehensweise für Sprint 3 (Req. 10)
|}
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