Kom - Kommunikation

Einleitung

Dieser Artikel wurde im Wintersemester 2022/23 komplett überarbeitet. Über eine genauere Beschreibung der Kommunikation hinaus wurde eine ausführliche Erklärung der Implementierung ergänzt und neu formuliert (für weitere Informationen siehe Versionshistorie).

Anforderungen und Ziele

Das Modul Kommunikation realisiert den Datenaustausch der einzelnen Module des Carolo Cup Fahrzeugs (CCF). Das Ziel ist es, mithilfe von C++ Code (Visual Studio 2019) die Variablen aus der Objekt- und Spurerkennung (z.B. Spurpolynom $Y(X)=aX^2+bX+c$) von PC zur x86 PCI-Erweiterungskarte zu übertragen. Der PC berechnet dabei die zu Fahrspur und die PCI-Karte DS1104 überträgt die Signale als Echtzeitmicrocontroller an die Aktoren und bildet mit verschiedenen Sensoren z.B. zur Geschwindigkeitsregelung einen Regelkreis.
Das wird realisiert indem eine serielle RS-232 Schnittstelle zum Microcontroller, in diesem Fall der Entwicklerkarte DS1104 von dSPCACE, implementiert wird.
Die weitere Verarbeitung der Daten findet in den anderen Modulen statt, die in Simulink (2019b) implementiert und auf der dSPACE-Karte ausgeführt werden. Die Spurparameter werden z.B. in BSF - Bahn- und Spurführung verarbeitet, um den Lenkwinkel aus der aktuellen Position und dem Spurpolynom zu regeln.

Konzept

Abb. 1: Schema des Kommunikations-Konzepts nach Schnittstellen Dokumentation (Regelkreis mit dSPACE-Karte stark vereinfacht)

Die OSE Softwareumgebung beinhaltet die Bild- und Objekterkennung mit Laserscanner die Lidar-Verarbeitung, sowie die Implementierung der RS232 Kommunikation.
Wie in Abbildung 1 zu sehen, ist die Kamera mit Ethernet an die x86-CPU verbunden, diese wiederum ist über einen COM Port über das RS-232 Protokoll mit dem dSPACE CP1104 Connector Panel verbunden. Die x86-CPU führt die "OSE_Draufsicht_Spurpolynom_RS232.exe" (C/C++ Code) aus, die einen Bildverarbeitungsalgorithmus auf das Kamerabild anwendet, um die a-, b-, c-Parameter der Fahrspur zu ermitteln. Die dSPACE Karte wird über MATLAB/Simulink programmiert und empfängt das RS-232 Protokoll über ein D-Sub Kabel.

Die OSE Softwareumgebung erkennt aus den Lidar-Daten Objekte, die in Modulen AEP - Autonomes Einparken, BSF - Bahn- und Spurführung und AuF - Antrieb und Fernbedienung benötigt werden. Mit diesen Daten kann das CCF Hindernissen auf der Teststrecke reagieren und ausweichen.

Serielle Schnittstelle: RS-232

Einen guten ersten Überblick des Recommended Standart 232 vermittelt die Definition im Wikipedia Artikel von RS-232.
Die Übertragung wird mit 8bit, also einem Byte langen Wörtern realisiert. Das heißt, dass der COM Port der x86-CPU 8 Bits in den Puffer der dSPACE Karte schreibt. Diese liest pro Zyklusschritt 8bit aus dem Puffer. Um auf diese Weise alle Bytes zu übertragen, müssen die Daten in der gleichen Reihenfolge ausgegeben und wieder eingelesen werden.
Ein Acknowledgement (ACK), Handshake, Stoppbyte und ein Parity-Byte würden die Kommunikation noch zuverlässiger machen, sind Stand Sprint2 im WiSe22/23 nicht implementiert. Auch die bidirektionale Kommunikation mit RS232 von dSPACE Karte zum PC ist nicht implementiert!

Überblick Variablen

Die zu übertragenden Daten bestehen aus mehreren Variablen, die der SVN: Schnittstellendokumentation zu entnehmen sind.

Tabelle 1: Daten von DS1104 zu PC

Signalname	Datentyp	Beschreibung
V_x_ego	float32 (4 Byte)	Ego-Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs
alpha	float32 (4 Byte)	Lenkwinkel: α > 0 Lenkausschlag links, α < 0 Lenkausschlag rechts
Gesamtgröße des Datenpakets		8 Byte

Tabelle 2: Daten von PC zu DS1104

Signalname	Datentyp	Beschreibung
SpurA	float32 (4 Byte)	Fahrspurparameter
SpurB	float32 (4 Byte)	Fahrspurparameter
SpurC	float32 (4 Byte)	Fahrspurparameter
Spurzuordnung	bool (1 Byte)	Spurzuordnung: 1 = rechte Fahrspur, 0 = linke Fahrspur
Stopplinie_erkannt	bool (1 Byte)	1 = Stopplinie erkannt, 0 = keine Stopplinie erkannt
Stopplinienabstand	float32 (4 Byte)	Entfernung zur Stopplinie
n_Objekte	uint8 (1 Byte)	Anzahl relevanter Objekte (maximal 5)
Objekt_Nummer	uint8 (1 Byte)	Objektzähler
ObjektX	float32 (4 Byte)	x-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn)
ObjektY	float32 (4 Byte)	y-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn)
Objektbreite	float32 (4 Byte)	Objektbreite
Objekttiefe	float32 (4 Byte)	Objekttiefe
Objektausrichtung	float32 (4 Byte)	Objektausrichtung
Objektgeschwindigkeit	float32 (4 Byte)	Betrag des Geschwindigkeitsvektors
Objekt_Plausibel	uint8 (1 Byte)	Vertrauenswert für das Objekt in Prozent ( 0 = minimale Vertrauen, 100 = maximale Vertrauen)
Gesamtgröße des Datenpakets		149 Byte

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Dieses Diagramm veranschaulicht die zu sendenden Daten von PC zur dSPACE Karte:

Abb. 2: Schema_Konzept_SDE_CCF_Datenpaket

In Abbildung 2 ist zu sehen, das zuerst das Startbyte übertragen wird, dieses wird auf 10101010(BIN) = 170(DEC) festgelegt. Darauf folgt das Spurpolynom mit den drei Polynomkoeffizienten. Da jeder Koeffizient mit einer Genauigkeit eines floats, also 32bit = 4byte berechnet wird, sind es ingesamt 12Byte für das Fahrspurpolynom. Die Stopplinienerkennung setzt sich zwei binären Variablen zusammen, die dennoch mit je einem Byte übertragen werden. Die Stoppliniendistanz wird ebenfalls mit 4byte übertragen.
Die Anzahl der Lidar-Objekte wird mit einem Byte übertragen, die Eigenschaftsparameter wie Größe, Position, Geschwindigkeit werden ebenfalls jeweils mit 4Byte übertragen, die Objektnummer und der Vertrauenswert wird mit einem Byte gesendet. So ergibt sich eine Datenmange von über 150 Byte, die beispielhaft mit 115200 baud (byte pro Sekunde) in einer Sekunde ~720 mal übertragen wird. Die byte-genaue Größe der zu übertragenen Daten weicht von dieser Darstellung ab, da Struct Datenstrukturen in C++ immer an eine vierte Speicheraddresse gespeichert werden. Das Struct mit den 3 Spurparametern, Spurzuordnung und Stopplinie_erkannt, sowie dem Stopplinienabstand besitzt deswegen eine Variable filler1, die als Platzhalter den Zugriff auf diesen leeren Speicherplatz ermöglicht. Dies kann mit pack pragma umgangen werden, ist aber für diese Implementation nicht zwingend erforderlich!

Softwarearchitektur für die Kommunikation

Die für die OSE Softwareumgebung relevanten Dateien werden im folgendem Diagramm abgebildet.

Abb. 3: Allgemeine_SH_Kommunikation Abb. 4: Projektmappe Visual Studio OSE Draufsicht Spurpolynom RS232

Beschreibung der Implementierung

Die OSE Softwareumgebung umfasst drei Themenbereiche:

1. Die Linienerkennung, mit der die Fahrspur berechnet oder die Stopplinie identifiziert wird.
2. Zweitens die Objekterkennung die aus LIDAR Daten berechnet werden (Noch nicht vollständig im Diagramm! | Stand Sprint1 WS22/23).
3. Die Implementierung einer RS-232 Kommunikation mit der rs-232.c-Bibliothek von Teunis van Beelen.
   

Zu Beginn werden in der Hauptklasse der OSE Softwareumgebung "main.h" die Objekt- und Spurerkennung durchgeführt. So werden alle für das Fahrzeug relevanten Informationen generiert Die gesammelten Daten (Spurparameter, Stopplinie, LiDAR-Objekte, etc.) werden im Anschluss in einem Struct zusammengeführt. Mit diesem Struct wird die Funktion RS232_SendDataBigEndianFirst aufgerufen, die mit der Funktion RS232_SendByte() aus "RS232Comm.h" das Datenpaket an die dSPACE-Karte schickt.
Vom PC wird jeder Parameter in 4 Byte aufgesplittet. Es werden, inklusive 5 LiDAR Objekte, insgesamt 47 Parameter nacheinander versendet. Als erstes werden die 4 Byte des a-Parameters empfangen, dann wird der b-Parameter, anschließend der c-Parameter und so weiter. Die Daten werden in der gleichen Reihenfolge empfangen, wie sie auch versendet wurden. Um sicher zu stellen, dass der a-Parameter immer als erstes bearbeitet wird, wird einen START_BYTE von PC zu der dSPACE-Karte gesendet. Dieser wird bewusst als 10101010(BIN) = 170(DEC) gewählt. Wichtig zu beachten ist, dass die Daten im PC als Little-Endian und auf der dSPACE-Karte als Big-Endian gespeichert sind.

Abb. 6: Ablauf der Kommunikation auf Senderseite

Abb. 5: BitReihenfolge

Konfiguration der dSPACE-Karte

Mit der RTI Toolbox von dSPACE wird eine Simulink-Bibliothek für die serielle Schnittstelle bereitgestellt. Hierfür sollte das MATLAB®/Simulink online Modell des CCF gestartet werden. Nachdem die CCF_online.slx in Simulink geöffnet wurde, kann mit Strg + L die verlinkte Bibliothek CCF_online → SEN - Sensoren - online → SenKam - Kamera geöffnet werden. Empfehlenswert ist ein Blick in die Dokumentation/Hilfe von dSPACE, die über das Kontextmenü geöffnet werden kann. Die serielle Kommunikation wird mittels des sogenannten DS1104SER_SETUP -Blocks in Simulink initialisiert, mit einem Doppelklick auf den Block können die Einstellungen des Busses konfiguriert werden: Für die Fahrzeugskommunikation muss auf beiden Seiten eine gleiche Baudrate bestimmt werden.

Abb. 7: SEReinstellung

Abb. 8: RTI Block im Simulink online Modell (CCF_online → SEN - Sensoren - online → SenKam - Kamera)

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Im Simulink online Modell werden die gesendeten Bytes mithilfe einer S-Function aufgeschlüsselt. Diese können in dSPACE Control Desk visualisiert und getestet werden.
Hier ist eine ausführlichere Beschreibung der S-Function im online Modell zu finden:

Dekodierung RS-232 in Simulink

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Alte Wiki-Artikel zur Kommunikationsimplementierung:
Übertragen des Spurpolynoms Kommunikation zwischen PC und dSpace-Karte (vorheriger Ansatz)

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Implementierung in Visual Studio

Die Umsetzung in Visual Studio orientiert sich am oben beschrieben Ablauf.
Für die konkrete Implementierung der Datenübertragung wurden die folgenden beiden ausführlichen Artikel verfasst:

• Übertragen des Spurpolynoms
• Datenübertragung zwischen PC und dSPACE Karte

(Diese beiden Artikel müssen noch zu einem zusammengefasst werden)

Anleitung für das ONLINE-Modell

Abb. 9: Beim ersten Start fehlen bestimmte Windows Bibliotheken. Das Kompilieren der Datei "ComTest.vcxproj" mit Visual Studio (2019) löst das Problem.

1. Nutzen sie bitte MATLAB 2019b
2. Achten Sie bitte auf der Solver des Blocks --> Fixed Step nicht auf auto
3. Lesen Sie die Wiki-Artikeln durch
   • Starten der Online-Simulation
   • Updates von Bibliotheken
   • Ändern Bibliotheken
   • Signal Hinzufügen
   • Softwareverwaltung mit SVN
4. Notieren Sie Fehlermeldungen und Warnings
5. Warnings sind sofort zu beseitigen beim Erstellen einer neuen Bibliothek!

Tests der Kommunikation

Testdokumentation

Tabelle 5: Links zur Testdokumentation

Datum	Link
Februar 2019	Kommunikation zwischen PC und dSpace-Karte via RS232
Januar 2020	Übertragen des Spurpolynoms
Januar 2022	Kommunikation RS232 zwischen PC und DS1104
Juli 2022	Kom - Kommunikation: Test der Kommunikation zw. PC und DS1104
Dezember 2022	Test der RS232-Kommunikation (Abschlusstest WiSe 22/23)
WiSe 23/24	KOM:_RS232-Kommunikation_DS1104-Karte_mit_PC

Programmierrichtlinien

Schnittstellendokumentation

→ Schnittstellendokumentation

Namenskonvetion

→ Namenskonvention

Alte Wiki Artikel

• Tutorial - Bussysteme in Matlab Autor: John Kneib
• Verbindung zum Fahrzeug
  • VNC-Verbindung
  • Von Simulink zu ControlDesk
• Aufbau einer virtuellen Kommunikationsumgebung
  • Erstellung eines virtuelle Port
  • Serielle Visualisierung mit HTerm
• LiDAR
  • Objekterkennung mit LiDAR Hokuyo URG-04LX Autor: Michael Deitel Manuel Groß Bearbeitet von: Benedikt Wulowitsch, John Kneib
  • Inbetriebnahme und Objekterkennung des LiDAR Hokuyo URG-04LX in MATLAB Autor: Yu Peng
  • Inbetriebnahme und Objekterkennung des RP Lidar A1M8 in MATLAB Autor:Thomas Miska
  • Kommunikation Hokuyo LiDAR via USB Autor:Isaac Mpidi Bita
• Kamera
  • Umrechnung von Bildkoordinaten ins Weltkoordinatensystem
  • Spurerkennung (Vorheriger Ansatz) Autor: Konstantin Wotschel
  • Objekterkennung mit Kamera VR-Magic Autor: Christian Hauke 7. Feb. 2014 (CET)
  • Bildentzerrung und KOS-Transformation mit OpenCV (aktueller Ansatz) Autor: Luca Di Lillo, Tim Bexten in SS2019

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