AlphaBot: Autonomes Einparken

Abb. 1: Schritte eines Einparkvorgangs

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul II
Lehrveranstaltung:	Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester
Lektion:	11

Inhalt

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion können Sie

• mit yED eine Zustandsmaschine planen.
• eine Zustandsmaschine programmieren.
• funktional programmieren und Funktionen zu einem großen Projekt zusammenfügen.
• Quelltext debuggen und optimieren.
• Messdaten speichern und via MATLAB^® auswerten und visualisieren.
• autonom einen AlphaBot einparken.

Vorbereitung/Hausaufgabe

In diesem Praktikumstermin soll Ihr AlphaBot autonom einparken. Erstellen Sie als Vorbereitung ein Zustandsdiagramm für die Funktion Parken() mit yEd. Falls in der Informatik Zustandsautomaten nicht behandelt worden, schauen Sie sich bitte als Vorbereitung die Tutorial an.

Planen Sie eine Zustandsmaschine, die zwischen den Zuständen

• Zustand 1: Parklücke suchen,
• Zustand 2: Rechtseinschlag (rückwärts),
• Zustand 3: Linkseinschlag (rückwärts) und
• Zustand 4: Geradeaus (Korrekturzug)

unterscheiden kann. Welche Transitionen führen zu den Zustandsübergängen?

Legen Sie das Programm als Funktionsrümpfe an.

Arbeitsergebnis: ZustandsdiagrammAutonomesParken.graphml

Arbeitsergebnisse: AutonomesParken.pap, AutonomesParken.ino

Ansatz für die Lösung Hausaufgabe 

Tutorial

• HSHL-Wiki: Zustandsdiagramm

// Pin-Definitionen
const int ledPin = 13;
const int buttonPin = 2;

// Zustände definieren
enum State {
  LED_OFF,
  LED_ON,
  LED_BLINK
};

State currentState = LED_OFF;

// für Tasterentprellung
bool lastButtonState = LOW;
unsigned long lastDebounceTime = 0;
const unsigned long debounceDelay = 50;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  handleButton();
  runStateMachine();
}

void handleButton() {
  bool reading = digitalRead(buttonPin);

  if (reading != lastButtonState) {
    lastDebounceTime = millis();
  }

  if ((millis() - lastDebounceTime) > debounceDelay) {
    if (reading == HIGH && lastButtonState == LOW) {
      // Zustand wechseln bei Tastendruck
      switchState();
    }
  }

  lastButtonState = reading;
}

void switchState() {
  if (currentState == LED_OFF) {
    currentState = LED_ON;
  } 
  else if (currentState == LED_ON) {
    currentState = LED_BLINK;
  } 
  else {
    currentState = LED_OFF;
  }

  Serial.print("Neuer Zustand: ");
  Serial.println(currentState);
}

void runStateMachine() {
  switch (currentState) {

    case LED_OFF:
      digitalWrite(ledPin, LOW);
      break;

    case LED_ON:
      digitalWrite(ledPin, HIGH);
      break;

    case LED_BLINK:
      digitalWrite(ledPin, millis() % 500 < 250);
      break;
  }
}

Versuchsdurchführung

In diesem Termin lassen wir den AlphaBot autonom einparken.

Aufgabe 11.1: Parken

Schreiben Sie das Programm AutonomesParken.ino. Folgende Funktionsanforderungen sollten erfüllt werden:

1. Erstellen Sie eine Zustandsmaschine, die zwischen den folgenden 4 Zuständen unterscheiden kann.
   1. Zustand: Parklücke suchen,
   2. Zustand: Rechtseinschlag,
   3. Zustand: Linkseinschlag und
   4. Zustand: Geradeaus (Korrekturzug)
2. Fahren Sie konstant ohne Unterbrechung zügig rückwärts.
3. Verwenden Sie Ihr Programm sucheParkluecke.ino im Zustand 1.
4. Programmieren Sie Zustand 2: Rechtseinschlag. Schlagen Sie voll rechts ein und fahren Sie rückwärts bis das Fahrzeug 40° zur Lücke steht.
5. Programmieren Sie Zustand 3: Linkseinschlag. Schlagen Sie voll links ein, bis das Fahrzeug gerade (0 °) in der Lücke steht.
6. Programmieren Sie Zustand 4: Geradeaus. Fahren Sie gerade vorwärts, bis Sie mittig in der Parklücke stehen.
7. Schalten Sie alle Motoren aus.

Anforderungen:

• Realisieren Sie die Zustandsmaschine mit der Mehrfachverzweigung switch..case.
• Ermitteln Sie die Roboterpose aus den unterschiedlichen Radumdrehungen (Differenzielle Odometrie).
• Senden Sie den Lagewinkel der Roboterpose und Zustand via Bluetooth an MATLAB und visualisieren Sie diese Werte über der Zeit.
• Nutzen Sie den Ultraschallsensor, um mittig in der Parklücke zu stehen.

Arbeitsergebnisse: AutonomesParken.ino

Aufgabe 11.2: Nachhaltige Doku

• Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.
• Halten Sie die Regeln für den Umgang mit SVN ein.
• Halten Sie die Programmierrichtlinie für C und die Programmierrichtlinien für MATLAB^® ein.
• Versehen Sie jedes Programm mit einem Header (Header Beispiel für MATLAB, Header Beispiel für C).
• Kommentiere Sie den Quelltext umfangreich.

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log

Ausblick zur nächsten Lektion

In der nächsten Lektion findet die Abschlussprüfung statt.

---

→ Termine 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
→ zurück zum Hauptartikel: Informatik Praktikum 2
→ Haben Sie Fragen? Informatik Praktikum FAQ