ArduMower: Kartierung

Matrix-basierte Karte der zu mähenden Fläche in Matlab/Simulink

Dieser Wiki-Beitrag ist Teil eines Projektes, welches im Rahmen vom Fachpraktikum Elektrotechnik im 6. Semester und 7. Mechatronik absolviert wurde. Ziel des Beitrags ist es, eine nachhaltige Dokumentation zu schaffen, welche die Ergebnisse festhält und das weitere Arbeiten am Projekt ermöglicht.

Autoren: Marcel Kreuer

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Schneider, Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel

Projekt: Ardumower

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt den Aufbau einer Matrix-basierten Karte zur Darstellung des aktuellen Mähstandes eines Rasenmähroboters. Neben der visuellen Darstellung, dient die Karte als Informationsgrundlage für beispielsweise die Planung der Mähstrategie.

Anforderungen

Die Aufgabe ist die Erstellung einer selbstlernenden Karte, welche im Lastenheft wie folgt gefordert wird:

In dem durch das Team Ardumower erstellten Pflichtenheft werden die Anforderungen weiter ausgeführt:

Um eine Implementierung zu ermöglichen wurden folgende Anforderungen an die Karte spezifiziert:

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Die Karte muss als Matrix mit der Rastergröße 0,3 m umgesetzt werden (Grid-Map).	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
2	Die Perimeterschleife muss in der Karte mit dem Wert „1“ hinterlegt sein und in der Darstellung rot markiert werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
3	Die aktuelle Position des Mähers muss in der Karte mit dem Wert „4“ hinterlegt sein und in der Darstellung blau markiert werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
4	Hindernisse müssen in der Karte mit dem Wert „5“ hinterlegt sein und in der Darstellung magenta markiert werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
5	Unbekannte Bereiche müssen in der Karte mit dem Wert „0“ hinterlegt sein und in der Darstellung weiß bleiben.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
6	Ungemähter Rasen muss in der Karte mit dem Wert „2“ hinterlegt sein und in der Darstellung dunkelgrün makiert werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
7	Gemähter Rasen muss in der Karte mit dem Wert „3“ hinterlegt sein und in der Darstellung hellgrün makiert werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
8	Die Karte muss zyklisch aktualisiert werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
9	Die Umsetzung muss als Matlab-Skript erfolgen, so dass eine Einbindung in Simulink als Matlab-Funktion möglich ist.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
10	Eingangsgrößen der Funktion Kartenfunktion.m sind Aktuelle Positionen in m: xNeu,yNeu Alter Positionsvektor in m: PosAlt Ausrichtung der Ardumower in deg: Ausrichtung Aktuelle Karte: Karte Signale zur Objekterkennung: Bumper,Ultraschall Signalstärke der Perimeterschleife: Perimeterschleife	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
11	Ausgangsgrößen der Funktion Kartenfunktion.m sind Aktueller Positionsvektor in m: PosNeu Aktuelle Karte: Karte	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
12	Die Initialisierung muss 1s und die zyklische Darstellung muss 1ms unterschreiten.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017
13	Bei Kommentierung und Dokumentation muss sich an die Projektrichtlinien gehalten werden.	Marcel Kreuer	05.10.2017	Simon Kohfeld	05.10.2017

Historie

In erster Instanz wurde die zu mähende Rasenfläche entlang der Perimeterschleife mit einem GroundTruth System vermessen. Die daraus resultierenden Messdaten wurden in Matlab eingelesen und zu einer Karte verarbeitet.

Die Karte selbst wurde als eine Matrix angelegt, wobei jedes Matrixelement eine Fläche von 0,3m x 0,3 m repräsentiert.

Die Auswertung der Messdaten ergab folgende mit Matlab generiert Karte:

Karte aus Messpunkten

Die Matrix selbst wurde exportiert und mithilfe eines einmaligen Algorythmuses in die Darstellungsform wie am Anfang des Artikels dargestellt konvertiert.

Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf

Bei der Größe des zu erstellenden Modells werden die Schritte Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf des V-Modells zusammen gelegt und bereits Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken definiert.

Schnittstellen für die Modellierung einer selbstlernenden Karte

Komponentenspezifikation

Das Modell wird insgesamt als Komponente aufgefasst, d. h. die einzelnen Blöcke aus dem Systementwurf werden als Bestandteil der Komponente "Selbstlernende Karte" definiert. Die Funktion der Komponente "Selbstlernende Karte" wird in Form eines PAP spezifiziert.

Spezifikation der selbstlernenden Karte

Programmierung

Im Folgenden wird die Matlab-Funktion hinter dem Simulink-Block vergestellt. Dabei lässt sich die Funktion unterteilen in:

1. den Funktionsaufruf
2. die Initialisierung und
3. die zyklische Aktualisierung

der selbstlernenden Karte.

Funktionsaufruf

Im Funktionsaufruf ist der Aufruf der Funktion und die deklarierung der Persistenten Variabeln beschrieben. Hinzukommen die Befehle coder.extrinsic() welche die Matlab-Befehle imshow() und num2str() in Simulink nutzbar machen.

function [PosNeu, Karte] = Kartenfunktion(xNeu,yNeu,PosAlt,Ausrichtung,Karte,Bumper,Ultraschall,Perimeterschleife)
coder.extrinsic('imshow'); 
coder.extrinsic('num2str'); 
%aColorMap
persistent bInitKarte nKartenPosAlt mKarte hKarte hAxes  xt  yt  xtLabel ytLabel hImg
persistent nUnbekannt nPerimeter nNichtGemaeht nGemaeht nArduMower nHindernis