SDE Systementwicklung WS25/26: Geregelte autonome Fahrt

Abb. 1: Autonome Fahrbahnvermessung im Labor Autonome Systeme

Abb. 2: Rundkurs mit Solllinie (rote Mittellinie)

Autoren:	Jan Steffens & Lukas Berkemeier
Dozent:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul	Mechatronik, Systementwicklung (Wahlpflichtprofil „Systems Design Engineering“), Wintersemester
Modulbezeichnung:	MTR-B-2-7.09
Modulverantwortung:	Ulrich Schneider
Lehrveranstaltung:	Praktikum Systementwicklung
Sprint 1:	Geregelte autonome Fahrt
Zeit:	Dienstag, 10:00 - 12:15 Uhr, Selbstlernzeit: TBD
Ort:	Labor L3.3-E01-180 (Autonome Systeme)

Einleitung

Im Praktikum Systementwurf im SoSe25 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 geregelt zu fahren, diese zu vermessen und in die Karte zu übertragen. Zu Sprint 2 wurde die Bluetooth-Kommunikation mit dem AlphaBot realisiert und getestet.

Die Ergebnisse der PDCA-Phase 4 (Fehlerbehebung) ist hier dokumentiert und in Sprint 1 zu berücksichtigen.

Verwenden Sie die Eingangsdaten im Ordner:

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Daten/Rundkurs_L33_E01_210

Im Welt-KOS (W-KOS) hat Punkt A die Position $A_W=[1,83;0;0]m$ (vgl. Abb. 2).

Tabelle 1: Eingangsdaten

Datei	Datentyp	Beschreibung
MittelLinie_W.mat	2x632 double	Positionen der Mittellinie
LinkeFahrspur_W.mat	2x632 double	Positionen der linken Fahrspur
RechteFahrspur_W.mat	2x632 double	Positionen der rechten Fahrspur

Tabelle 2: 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 zur Positionsregelung die Referenzdaten verwenden und als Stützung für die Linienverfolgung nutzten.	1
4	Die Messwerte Pose (x, y, Kurs) und Farbe müssen mit MATLAB® aufgezeichnet werden.	1
5	Fehler in den Messwerten müssen bereinigt werden.	1
6	Die zweidimensionale digitalen Karte mit gemessener Mittellinie muss als MATLAB®-Datei (.mat) bereitgestellt werden.	1
7	Das Vorgehen muss am KANBAN-Board geplant und verfolgt werden.	1
8	Lösungsweg und Lösung muss im Wiki für nachfolgende Studierende verständlich dokumentiert werden.	1
9	Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der rechten Fahrspur in der Karte eingezeichnet werden.	1
10	Als Vorbereitung des nächsten Sprints muss eine Kamerahaltung für die Pixy2.1 für den AlphaBot geplant, designed, gedruckt, getestet und dokumentiert werden.	1

Tabelle 3: Arbeitspakete für Sprint 1

AP	Beschreibung	Priorität	Zuständigkeit
1.1	Positionsmessung des AlpaBot $[x,y]$	1	Steffens
1.2	Schätzung der Roboterpose $\mathrm{\Psi }$	1	Steffens
1.3	Berechnung der Ist-Ablage des Prismas zur Sollinie	1	Steffens
1.4	Übertragung der Ist-Ablage via BT MATLAB→Arduino (Senden und Empfang)	1	Steffens
1.5	Geregelte Fahrt anhand der Ist-Ablage	1	Berkemeier
1.6	Messung der Mittellinie mit dem Linienverfolgungssensor	1	Berkemeier
1.7	Berechnung der Mittellinienposition (x, y) anhand der Messwerte des Linienverfolgungssensors	1	Berkemeier
1.8	Übertragung der Messung der Mittellinie (x, y, Farbe) via BT Arduino→MATLAB (Senden und Empfang)	1	Berkemeier
1.9	Einzeichnen der Messwerte in die digitale Karte und Speicherung der Karte als Rundkurs.mat	1	Steffens
1.10	Bereinigung von Fehlern in der Karte	1	Steffens
1.11	Geregelte Fahrt in der rechten Fahrspur anhand der Prismamessung und Kartendaten	1	Berkemeier
1.12	Kamerahaltung für die Pixy2.1	1	Steffens
1.13	Inbetriebnahme AlphaBot Linienverfolger für durchgezogene Linie und Stützung während des Ausfalls der Linie.	2	Berkemeier
1.14	Überarbeitung/Verbesserung des Artikels Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station	2	Berkemeier

Planung (Plan)

Um die gesetzten Ziele zu erreichen wurde der Sprint am Kanban-Board in Arbeitspakete unterteilt. Die Arbeitspakete wurden eigenständig geplant.

Ziel-Zustand

Die Ziele des Sprint 1 sind es, die reale Mittelinie mithilfe der geregelten Fahrt auf der Mittellinie und den IR-Sensoren am AlphaBot zu erfassen, den AlphaBot dann geregelt in der rechten Fahrspur fahren zu lassen und eine Kamerahaltung für die Pixy2.1 Kamera zu entwerfen.

Die Fahrt auf der Mittellinie erfolgt dabei auf der Mittellinie, die in unseren erfassten Karte eingezeichnet wurde. Die reale Mittellinie soll dann in die Karte eingetragen werden. Um auf den Linien geregelt zu fahren soll die Ist-Ablage berechnet und genutzt werden.

Umsetzung (Do)

Die Arbeitspakete aus Tabelle 3 wurden wurden bearbeitet und deren Umsetzung in den einzelnen Wiki Artikeln dokumentiert.

Test und Dokumentation (Check)

Die einzelnen Arbeitspakete und Module wurden eigenständig getestet und dokumentiert.

Systemtest gegen die Anforderungen

Tabelle 4: Systemtest gegen die Anforderungen

Req.	Beschreibung	Testergebnis	Erfüllt
1	Ein AlphaBot muss die Mittellinien der Fahrbahn autonom verfolgen.	Modultest, geregelteFahrtMittellinie.m	✕
2	Als Referenzmessystem kommt die Topcon Robotic Total Station zum Einsatz.	SDE WS25: AP 1.1 Positionsmessung des AlpaBot	✓
3	Der AlphaBot muss zur Positionsregelung die Referenzdaten verwenden und als Stützung für die Linienverfolgung nutzten.		✕
4	Die Messwerte Pose (x, y, Kurs) und Farbe müssen mit MATLAB® aufgezeichnet werden.		✕
5	Fehler in den Messwerten müssen bereinigt werden.		✕
6	Die zweidimensionale digitalen Karte mit gemessener Mittellinie muss als MATLAB®-Datei (.mat) bereitgestellt werden.		✕
7	Das Vorgehen muss am KANBAN-Board geplant und verfolgt werden.	KANBAN Übersicht	✓
8	Lösungsweg und Lösung muss im Wiki für nachfolgende Studierende verständlich dokumentiert werden.	Ein Teil der Lösungen wurden dokumentiert und in Tabelle 3 verlinkt.	✕
9	Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der rechten Fahrspur in der Karte eingezeichnet werden.		✕
10	Als Vorbereitung des nächsten Sprints muss eine Kamerahaltung für die Pixy2.1 für den AlphaBot geplant, designed, gedruckt, getestet und dokumentiert werden.	Kamerahalterung	✕

Status - Sprint 1:

• Regler schwingt auf
• Analyse notwendig
• Aufzeichnung von Regelparameter über der Zeit
• Vergleich mit Ground-Truth über der Zeit

Fehlerbehebung (Act)

Tabelle 5: Optimierungsansätze des Sprint1

Ergebnis	Optimierung
Req. 1: Geregelte Fahrt	Kalma-Filter für d, Reglerabstimmung
Req. 3: Konzept zur Aufzeichnung der Littellinie	Effizienter arbeiten (trunk mit Tag für Sprint)
Req. 4: Messung der Farbe und Position der Mittellinie	Gesamtarchitektur zu Beginn erstellen
Req. 5: Fehlerbereinigung	aus den Augen verloren, Wichtigkeit unterschätzt, Übertrag aus Multisensorsysteme
Req. 6: Digitale Karte	zeitlich nach hinten verschoben
Req. 7: KANBAN-Board	hat gut geklappt, Gesamtergebnis aus den Augen verloren
Req. 8: Lösungsweg und Lösung muss im Wiki dokumentiert werden.	nicht bearbeitete AP wurden nicht dokumentiert
Req. 9: Fahrt in der rechten Fahrspur	zeitlich nach hinten verschoben
Req. 10: Kamerakalterung	Wichtigkeit unterschätzt, AP aus den Augen verloren, Fahrtrichtung überdenken
Nachhaltigkeit	Transfer der Software in den SVN\trunk https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/AlphaBot

Zusammenfassung

In Tabelle 6 ist der aktuelle Status zum Ende des Sprint 1 zusammengefasst. Wie zu erkennen, wurden nicht alle Arbeitspakete bearbeitet und bzw. oder nicht fertig gestellt. Die bearbeiteten Artikel wurden systematisch geplant, umgesetzt, getestet und dokumentiert. In einem ersten Systemtest wurde die geregelte Fahrt an der Mittellinie realisiert, wie in Abschnitt Systemtest gegen die Anforderungen dokumentiert. Fehlende Bausteine zum Ziel des Sprint1 sind zum einen das Arbeitspaket 1.4 zur Schätzung der Roboterpose und das Arbeitspaket 1.9 zum einzeichnen der Punkte der Mittellinie in die Karte. Dann könnten alle einzelnen Module aus den Arbeitspaketen zu einem kompletten System zusammengefügt werden.

Tabelle 6: Stand der Arbeitspakete am Kanban-Board zum Abschluss des Sprint1

ToDo	Planung	in Arbeit	Probleme	Testen	Dokumentation	Erledigt
						1.1 Positionsmessung des Alphabot
						1.2 Schätzung der Roboterpose
						1.3 Berechnung der Ist-Ablage
						1.4 Übertragung der Ist-Ablage Matlab→Arduino
				1.5 Geregelte Fahrt anhand der Ist-Ablage (Regelabweichung e)
						1.6 Messung der Mittellinie
						1.7 Berechnung der Mittellinienposition
						1.8 Übertragung der Mittellinienposition
1.9 Einzeichnen der Mittellinie in Karte
1.10 Bereinigung von Fehlern in der Karte
	1.11 Geregelte Fahrt in der rechten Fahrspur
		1.12 Kamerahalterung für Pixy 2.1
1.13 Stützen der Regelung durch Linienfolger
1.14 Doku überarbeiten Topcon Station

Anhang

Arbeitsergebnisse im SVN-Ordner:

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/_Semesterordner/WS2025/Sprint_1/

Tabelle 6: Bereitgestellte Demos und Daten

#	Datei	Bemerkung	Testbericht
1	MittelLinie_W.mat	Array mit Mittellinie für AP 1.2
2	RechteFahrspur_W.mat	Array mit Sollinie in der Mitte der rechten Fahrspur für AP 1.9
3	LinkeFahrspur_W.mat	Array mit Sollinie in der Mitte der rechten Fahrspur für AP 1.9
4	berechneEntfernungPunktGerade.m	Berechnung der Ist-Ablage des Prismas zur Sollinie (AP 1.2)	Testbericht
5	Demo_Char2Float.ino	C-Demo für die Umwandlung eines Char in Float
6	DemoSendeFloatSerial.ino	C-Demo versendet Fließkommazahl via Serial IO.
7	empfangeBluetoothFloat.m	MATLAB®-Demo für den Empfang einer Fließkommazahl via Bluetooth
8	DemoSoftwareSerial.ino	C-Demo für bidirektionale Bluetooth Kommunikation
9	BluetoothIO.m	MATLAB®-Demo für bidirektionale Bluetooth Kommunikation
10	testBerechneRegelabweichungSpur.m	Ein gemessener Punkt wird in der Fahrspur in W-KOS angezeigt und der Abstand d zur Mitellinie berechnet.
11	KosTrafoTzuWelt.m	Koordinatentransformation eines Punktes vom T-KOS in das W-KOS anhand der Referenzpositionen A und B.
12	testeKosTrafoTzuWelt.m	Test und Visualisierung der KOS-Trafo	Testbericht

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