SDE Systementwurf SoSe2025: Geregelte autonome Fahrt

Abb. 1: Autonome Fahrbahnvermessung im Labor Autonome Systeme

Abb. 2: Ergebnisdarstellung der Außenlinien

Autoren:	Jan Steffens & Lukas Berkemeier
Dozent:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul	Mechatronik, Systementwicklung (Wahlpflichtprofil „Systems Design Engineering“), Sommersemester
Modulbezeichnung:	MTR-B-2-6.11
Modulverantwortung:	Ulrich Schneider
Lehrveranstaltung:	Praktikum Systementwurf
Sprint 1:	Autonome Fahrbahnvermessung
Zeit:	Dienstag, 08:15 - 10:30 Uhr, Selbstlernzeit: TBD
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.

Tabelle 1: Anforderung an die geregelte autonome Fahrt

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Ein AlphaBot muss die Mittellinien der Fahrbahn autonom verfolgen.	1
2	Als Referenzmessystem kommt die Topcon Robotic Total Station zum Einsatz.	1
3	Der AlphaBot muss entweder konstant die Referenzdaten verwenden oder diese als Stützung für die Ausfälle der Linienverfolgung nutzten.	1
4	Die Referenzwerte müssen mit MATLAB® aufgezeichnet werden (x, y, Farbe).	1
5	Fehler in den Messwerten müssen bereinigt werden.	1
6	Die zweidimensionale digitalen Karte muss als MATLAB®-Datei (.mat) bereitgestellt werden.	1
7	Das Vorgehen muss am KANBAN-Board geplant werden.	1
8	Lösungsweg und Lösung muss im Wiki dokumentiert werden.	1
9	Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der Karte eingezeichnet werden.	1
10	Als Vorbereitung für den Sprint 3 muss eine Kamerahaltung für die Pixy2 geplant, designed, gedruckt und getestet werden.	1

Getting Started

Abb. 3: Rundkurs mit Solllinie (rote Mittellinie)

1. Planung Gantt-Chart
2. Besprechung der Planung mit Prof. Schneider, Verabredung von Meilensteinen und der Abschlusspräsentation von Sprint 2
3. Übernahme der Arbeitspakete auf dem KANBAN-Board
4. Inbetriebnahme der Referenzstation
5. Positionsmessung des Fahrzeugs und Schätzung der Roboterpose $[x,y,\mathrm{\Psi }]$.
6. Eintragen der Roboterpose in der digitalen Karte.
7. Verbinden Sie den AlphaBot via Bluetooth mit dem PC.
8. Vergleich der Soll-/Istposition (ggf. mit Prädiktion). Bestimmen Sie die Regelabweichung e.
9. Senden Sie die Regelabweichung e an den AlphaBot.
10. Regeln Sie den AlphaBot mit Ihrem PD-Regler aus Sprint 1.
11. Optional: Inbetriebnahme AlphaBot Linienverfolger für durchgezogene Linie und Stützung währen des Ausfalls der Linie.
12. Senden Sie die Messwerte des Linienverfolgers an den PC.
13. Messung und Speicherung der Mittelspur (Position, Farbe (s/w))
14. Bereinigung von Fehlern in der Karte
15. Ablage der vollständigen digitalen Karte als Rundkurs_mit_Mittellinie.mat-Datei.
16. Messung einer Roboterbewegung und Anzeige auf der Karte.
17. Test der Anforderungen und Dokumentation
18. ggf. Überarbeitung/Verbesserung des Artikels Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station
19. 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)

Referenzmessung mit Topcon 

Positionserfassung mit der Topcon Robotic Total Station

Benötigte Betriebsmittel:

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

Software + Skripts:

1. MATLAB^® 2024b
2. Arduino IDE 2.3.4
3. trackePrisma.m
4. Zeichne_in_Karte.m
5. TopCon_Messung_250506_1129.mat (aufgenommene Messdaten)
6. 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.

Abb. 3: Position Topcon

Bluetoothverbindung mit Alphabot  

Bluetoothverbindung mit dem Alphabot über Matlab

Benötigte Betriebsmittel:

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

Software + Skripts:

1. MATLAB^® 2024b
2. Arduino IDE 2.3.4
3. BluetoothIO.m
4. 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

  

  Abb. 4: HC-05 Bluetooth-Modul am Alphabot

Tabelle 2: Kontaktbelegung HC-05 Bluetooth-Modul (siehe Abb. 4)

HC-05	Alphabot	Farbe
VCC	Arduino 3,3 V (5 V ist am Alphabot falsch beschriftet)	orange
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

1. "Bluetooth und andere Geräte" Einstellungen öffnen
2. "[+] Bluetooth- oder anderes Gerät hinzufügen" anklicken
3. 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

Geregelte Fahrt auf der Mittellinie 

Geregelte Fahrt auf der Mittellinie

Benötigte Betriebsmittel:

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

Software + Skripts:

1. MATLAB^® 2024b
2. Arduino IDE 2.3.4
3. trackePrismaSendeAlphaBot.m
4. 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)

Referenzmessung mit Topcon 

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.

Abb. 5: Testfahrt in Karte eingezeichnet

Bluetoothverbindung mit Alphabot 

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.

Geregelte Fahrt auf der Mittellinie 

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

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	Der Alphabot nutzt die Mittellinie als Referenzdaten um die Regelabweichung in Form der Distanz zu berechnen. Eine Konstante Regelung wurde allerdings noch nicht erreicht	[| trackePrismaSendeAlphabot.m ]

Tabelle 3: Systemtest gegen die Anforderungen

Req.	Beschreibung	Priorität	Zustand	Link auf das Ergebnis
1	Ein AlphaBot muss die Mittellinien der Fahrbahn autonom verfolgen.	1	x	nicht realisiert
2	Als Referenzmessystem kommt die Topcon Robotic Total Station zum Einsatz.	1	✓
3	Der AlphaBot muss entweder konstant die Referenzdaten verwenden oder diese als Stützung für die Ausfälle der Linienverfolgung nutzten.	1	x	nicht realisiert
4	Die Referenzwerte müssen mit MATLAB® aufgezeichnet werden (x, y, Farbe).	1	x	Messwerte des AMR werden nicht an MATLAB® versendet.
5	Fehler in den Messwerten müssen bereinigt werden.	1	x	nicht realisiert
6	Die zweidimensionale digitalen Karte muss als MATLAB®-Datei (.mat) bereitgestellt werden.	1	x	nicht realisiert
7	Das Vorgehen muss am KANBAN-Board geplant werden.	1	x	unzureichend genutzt
8	Lösungsweg und Lösung muss im Wiki dokumentiert werden.	1	x	nicht realisiert
9	Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der Karte eingezeichnet werden.	1	✓	Zeichne_in_Karte.m]

Fehlerbehebung (Act)

Tabelle 6: Optimierungsansätze für Sprint 3

Ergebnis	Optimierung
Die Anforderungen konnten nicht in Aufgabenpakete am KANBAN-Board umgesetzt werden.	Prof. Schneider unterstützt bei der Erstellung der KANBAN-Aufgaben.
Die Umsetzung der

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/

Tabelle 5: Ablauf Meilenstein Sprint 2

Uhrzeit	Inhalt
8:15	Begrüßung und Meilensteinpräsentation
8:25	Diskussion der Ergebnisse
8:40	Test der Anforderungen
8:45	Live-Vorführung der Fahrt ink. Vermessung der Mittellinie (Req.4, 9)
8:50	Sichtung der Abgabeunterlagen, Diskussion der Eigenbewertung
9:00	Besprechung der Aufgaben und Vorgehensweise für Sprint 3 (Req. 10)

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