Autonome Spurführung mit einem JetRacer ROS AI Robot

Abb. 1: JetRacer ROS AI Roboter von Waveshare

Autor:	Jonas Michael Beisler
Modul:	Projektarbeit, MBP-B-2-6.05
Starttermin:	19.02.2024
Abgabetermin:	TBD
Prüfungsform:	Modulabschlussprüfung als Hausarbeit (Praxisbericht, Umfang 10-50 Seiten Textteil)
Betreuer:	Prof. Dr.-Ing. Schneider, Tel. 806
Mitarbeiter:	Marc Ebmeyer, Tel. 847

Einführung

Der JetRacer ist ein Modellrennwagen im Maßstab 1:10. Hierbei handelt es sich um ein leistungsstarkes intelligentes KI-Modellfahrzeug, das speziell für Studierende entwickelt wurde, die den Umgang mit dem Robot Operation Systelm (ROS) erlernen möchten. Das System besteht aus zwei Steuereinheiten. Den Host-Controller bildet das JETSON-NANO-DEV-KIT-A und als Sub-Controller wird ein Raspberry Pi RP2040-Mikrocontroller verwendet. Die Hauptplatine integriert die OLED, den Servomotor-Antriebsschaltkreis, den Batterieschutzschaltkreis, einen Audioausgangsschaltkreis usw., das lästige Löten des Schaltkreises erspart, das Entladen und Laden unterstützt und kein wiederholtes Entfernen des Akkus erfordert. Der verbauter IMU-Lagesensor und DC-Encodermotor regelt die Geschwindigkeit über einen PID-Regler und kann einen Radkilometerzähler ausgeben. Die Software ist mit dem Open-Source-Projektprogramm NVIDIA Jetbot kompatibel und unterstützt AI Deep Learning, SLAM-Mapping und -Navigation, visuelle OpenCV-Verarbeitung, intelligente Sprachinteraktion und andere Funktionen.

Aufgabenstellung

1. Einarbeitung in den JetRacer
2. Ansteuerung des Antriebs und der Lenkung
3. Einlesen der Sensoren
4. Fokus auf eines der Schwerpunktgebiete
   1. SLAM LiDAR Mapping
   2. Bahnplanung, Autonome Navigation, dynamische Hindernisbehandlung
5. Systemtest
6. Optimierung
7. Dokumentation der Vorgehensweise im HSHL-Wiki

Durchführung

• Zeitplanung

1. Ursprüngliche Planung
2. Überarbeitete Planung

• Montage des Jetracers

Der Jetracer wurde wie in diesem Tutorial: Anleitung zum Aufbau des Jetracers beschrieben aufgebaut. Besonders zu beachten hierbei ist dass das sogenannte Expansion Board welches die Batterien hält, und das Jetson Nano Modul vorher einmal aufgebaut und hochgefahren werden sollten. Somit kann nämlich sicher gegangen werden das beide funktionieren und nicht später wieder ausgebaut werden müssen.

Verbesserung beim Aufbau

Eine Abänderung/Verbesserung zum Montage-Tutorial war das die Schraubenlöcher die zum fixieren des Servo-Motor dienen, nach unten hin größer gefeilt wurden. Dies war nötig da der Servo Motor sonst zu die über ihm liegende Teile blockiert hätte. Außerdem wurde die Aufhängung des Motors durch größere Schrauben und Gummringe zur Dämpfung verbessert.

• Multimachine Communication

1. Jetracer Image

Anleitung für die Inbetriebnahme des Racers

1. Virtualbox Ubuntu Image

Anleitung für die Inbetriebnahme des Controllers

1. Verbinden der beiden Parteien

Anleitung für die Verbindung zwischen Racer und Controller

1. NoMachine

Sehr nützlich für das Arbeiten mit dem Jetracer ist das Programm NoMachine.

• Austesten aller Funktionen

1. Kamera

Kalibrieren der Kamera (Tutorial)

1. LIDAR

Austesten des LIDARS und der verschiedenen Mapping-Algorithmen (Tutorial)

1. Verschiedene manuelle Steuerungsmodi

1. Steuerung per Tastatur
2. Steuerung per Joystick

Zu beachten ist hierbei das der Joystick/Controller von der Virtualbox richtig erkannt wird. Dafür muss in den Einstellungen das Gerät als USB-Eingabe festgelegt werden. Ebenfalls könnte es sein das die Ports js0 und js1 in der Virtualbox getauscht werden müssen, da sonst die Maus als Eingabe anstatt des Controllers benutzt wird. "Hier" wird beschrieben wie die Ports getauscht werden können.

1. Automatisches Fahren

Im Tutorial "" ist beschrieben wie die Navigations-Funktion des Jetracers aktiviert und genutzt werden kann.

1. Anfahren eines einzelnen Zieles

Um einen einzelnen Punkt auf der Karte anzufahren,

1. Abfahren mehrerer Punkte

Um mehrere Zielpunkte setzen und dann abfahren zu können muss auf Seiten des Jetracers das sogenannte "Multipoint_navigation.py" Skript ausgeführt werden. Danach aktiviert sich im Rviz die Funktion "XYZ" und die Punkte können per Maus nacheinander gesetzt werden.

• Endziel festlegen

Als Endziel wurde festgelegt das der Roboter die im Labor aufgemalte Strecke abfahren soll. Dies sollte anhand von automatisch gesetzten Navigationspunkten erfolgen. Als Automatisch wird in diesem Falle festgelegt das alle benötigten Punkte gesetzt werden sobald ein bestimmtes Skript im Jetracer ausgeführt wird.

• Raum Kartographieren

Anleitung für das erstellen einer Karte mit SLAM

//Bild der Karte//

• Erstellen eigener Python Skripte

Vorhandene Skripte verstehen

Als Vorbild wurde das oben bereits erwähnte, Multipoint Navigation Skript, genutzt. In diesem war der Code, der für das markieren der Punkte in Rviz und das setzten der Zielpunkte für den Racer, vorhanden. Dieser Code wurde dann erstmal so abgeändert das einige Marker in Rviz nicht beim Mausklick, sondern direkt beim ausführen des Skriptes gesetzt wurden. Allerdings stellte sich das setzen der Zielpunkte als etwas schwierieger dar, da dieses ausführlicheren Publisher Code benötigte.

ROS Publisher & Subscriber verstehen

Die sogenannten Publisher und Subscriber sind eine der wichtigsten Funktionen die es in ROS gibt. Sie sind dafür zuständig Daten, wie zum Beispiel Informationen über Marker oder Befehle, zwischen den verschiedenen Nodes hin und her zu schicken. "ROS Tutorial Seite".

Einbauen der gewollten Funktionen

• Austesten der Skripte

Testen & Verbessern des Skriptes

• Finale Vorführung des Ziels

Video

Anforderungen

Das Projekt erfordert Vorwissen in den nachfolgenden Themengebieten. Sollten Sie die Anforderungen nicht erfüllen müssen Sie sich diese Kenntnisse anhand im Rahmen der Arbeit anhand von Literatur/Online-Kursen selbst aneignen.

• Umgang mit Linux
• Python-Programmierung
• Dokumentenversionierung mit SVN
• Optional:
  • AI Deep Learning mit NVIDIA Jetson Nano
  • OpenCV Vision Processing
  • Simulation mit WeBots
  • Umgang mit ROS2
  • Partikel Filter SLAM
  • Mensch-Roboter Sprachinteraktion

Anforderungen an die wissenschaftliche Arbeit

• Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.), nützlicher Artikel: Gantt Diagramm erstellen
• Wöchentlicher Fortschrittsberichte (informativ), aktualisieren Sie das Besprechungsprotokoll - Live Gespräch mit Prof. Schneider
• Projektvorstellung im Wiki
• Tägliche Sicherung der Arbeitsergebnisse in SVN
• Tägliche Dokumentation der geleisteten Arbeitsstunden
• Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider
• Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit
• Abgabe der Schriftlichen Ausarbeitung als Wiki-Artikel (ggf. Artikel als PDF drucken).

Repositorium

• Sciebo-Projektordner: \JetRacer_ROS_AI_Robot\
• Sciebo-Abgabeordner: \Jonas_Beisler\Projektarbeit\

Getting started

Lesen Sie zum Einstieg diese Artikel

• Hauptartikel: JetRacer_ROS_AI_Roboter
• Waveshare: JetRacer ROS AI Kit
• Gantt Diagramm erstellen
• Tipps zum Schreiben eines Wiki-Artikels
• PAP Designer Einstieg
• Einführung in SVN
• Einrichtung der ScienceBox (Sciebo)

Tabelle 1: Checkliste

LOP	Status	Bemerkung
Sicherheitseinweisung für die Labore von Marc Ebmeyer	☑
Schlüsselübergabe für die Labore von Marc Ebmeyer	☑
SVN-Zugang bereitstellen	☑	user: Jonas_Beisler
Vereinbarung wöchentlicher Meetings	☑	user: Jonas_Beisler
Wiki-Zugang bereitstellen	☑	user: Jonas_Beisler

Nützliche Artikel

• Waveshare: JetRacer ROS AI Kit Wiki

---

→ zurück zum Hauptartikel: Studentische Arbeiten