AuF - Antrieb und Fernbedienung

SS 2014

Einleitung

In diesem Artikel werden Arbeiten dokumentiert, welche im Rahmen des SDE Praktikums im SS2014, des MTR Studienganges, durchgeführt wurden. Im Speziellen wird hier auf die Funktion der Fernbedienung eingegangen, durch welche es möglich ist, einen autonomen Ablauf zu unterbrechen und das Fahrzeug manuell zu steuern. Das Team "AuF" besteht aus den Studenten Benjamin Brüne und Alexander Haneke.

Anforderungen des Lastenheftes

Die folgenden Aufgaben sind ein Ausschnitt aus dem Lastenheft, welches vorgegeben ist, und stellt die Anforderungen dar, welche über das Semester erfüllt werden sollen.

Ausgangssituation

Vor Beginn des Semesters war das Fahrzeug durch Vorarbeiten früherer Semester in folgendem Zustand:

- Das Fahrzeug war mit einem Empfänger für die Fernbedienungssingale ausgestattet.

- Eine Reaktion auf Fernbedienungssignale war teilweise gegeben.

- Das Lenken per Fernbedienung war bereits eingeschränkt möglich.

- Auf das Gasgeben per Fernbedienung reagierte das Fahrzeug nicht.

Projektplan

Um die Umsetzung der Aufgaben zu planen wurde ein Projektplan erstellt,damit der Fortschritt, sowie die einhaltung des Zeitplans im Überblick ist.

Projektplan AuF

Projekttagebuch

KW 18:

Einarbeitung in die Vorarbeiten des letzten Semesters. Dazu zählte:

1.) Einarbeitung in das Matlab-Simulinkmodell

2.) Einarbeitung in das dSpace ControlDesk Modell

3.) Kennenlernen der Fernbedienungsfunktion

4.) Auslesen der Fernbedienungssignale am Empfänger mit Hilfe eines Oszilloskops

KW 19:

5.) Verfolgung der Signalflüsse von Lenkwinkel und Gas

6.) Berichtigung des falschen Signalflusses Gas

7.) Verlagerung der Schleichfahrtfunktion in den Aktorblock

8.) Anpassung der Begrenzungsparameter für die Schleichfahrtfunktion

KW 20:

9.) Erstellung einer geeigneten Diagnoseseite in ControlDesk

10.) Dokumentation und Beschriftung Simulink

11.) Anpassung der Begrenzungsparameter entfernt, durch Lookup Table ersetzt

KW 21:

Spezialworkshop Fernbedienung

KW 22:

12.) Linearisierung der Geschwindigkeit

13.) Signalfilterung Fernbedienung (Angeschaltet)

14.) Simulinkmodell bereinigt

KW 23:

15.) Notstopfunktion im Totbereich (Lookup Table)

16.) Geradestellung der Spur (Software)

17.) Teilsingalfilterung Fernbedienung (Ausgeschaltet)

KW 25:

18.) Dokumentation im Wiki

19.) ControlDeskseite überarbeiten

Optimierung der Fernbedienungsfunktionen

Berichtigung des Signalwegs

Bei der Verfolgung der für die Fernbedienung relevanten Signale im Simulinkmodell fiel auf, dass das Signal SenRti_PwmBreiteGas_f64 nicht zum Aktor durchgeleitet wird. Fälschlicherweise wurde das Signal SenRti_PwmFreqGas_f64 mit dem Aktor verbunden, sodass eine Ansteuerung des Antriebs mit der Fernbedienung unmöglich war. Dieser Fehler wurde durch die Neuverlegung des Signals behoben, sodass das Signal ordnungsgemäß am Aktor ankommt und der Antrieb durch die Fernbedienung bedient werden kann.

Implementierung von Test- und Wettbewerbsmodi

LookUpTable der Fernbedienung

Das Fahrzeug soll über die Fernbedienung in 2 Modi gesteuert werden: - Ein Wettbewerbsmodus, in dem das Fahrzeug bei Eingriff der Fernbedienung nur 0,3 m/s in beide Richtungen fahren kann. - Ein Testmodus, in dem das Fahrzeug bei Eingriff der Fernbedienung 1,0 m/s in beide Richtungen fahren kann.

Um das zu ermöglichen, wurde zunächst die Variable PAR_Schelichmodus in die start.m-Datei implementiert. Diese Variable schaltet einen Schalter im Simulinkmodell, der zwischen beiden Modi schalten soll. Für beide Modi wurden dann jeweils Saturation-Blöcke eingefügt, welche das Signal nach oben und unten begrenzen.

Im Weiteren stellte sich raus, dass die Steuerung über die Fernbedienung nicht stufenlos funktioniert, sondern lediglich eine An/Aus-Funktion bietet. Im Testmodus sollte das Fahrzeug jedoch auch stufenlos zu beschleunigen sein. Um das zu erreichen, wurde anstelle des Saturation-Blocks eine Lookup-Table implementiert und so dimensioniert, dass das Fernbedienungssignal das Fahrzeug stufenlos beschleunigen kann.

Da das Fahrzeug bei der Fahrt durch den Regler mit der Fernbedienung gestoppt werden soll, wurde sich darauf geeinigt, dass um die Nullstellung der Fernbedienung ein Bereich freigelegt wird, in dem das Auto zwar durch die Fernbedienung angesprochen wird, aber nicht fährt. So ist es möglich, das Fahrzeug mit der Fernbedienung zum Stehen zu kriegen.

Anschließend wurde auch eine Lookup Table in den Wettbewerbsmodus eingebaut, damit das Fahrzeug auch im Wettbewerb gestoppt werden kann. Auch hier wurde ein Totbereich erstellt, in dem das Fahrzeug zwar angesprochen wird, sich jedoch nicht bewegt.

Aktorblock mit Begrenzungen

Somit ist das sicherheitsrelevante Stoppen des Fahrzeugs funktionsfähig.

Erstellung einer geeigneten Diagnoseseite in ControlDesk

Um die Fernbedienungsfunktionen korrekt darzustellen und zu analysieren, wurde eine geeignete Seite in ControlDesk erstellt. Diese Seite beinhaltet die PWM-Breite des Eingangssignales des Antriebs und des Lenkwinkels, sowie die Ausgangssignale an die Aktoren. Somit kann immer nachvollzogen werden, welche Änderung welche Auswirkung auf das Verhalten des Fahrzeugs hat. Außerdem wurden Anzeigen für die Aktivitätsbits der Lenkung, des Antriebs und der Fernbedienung in Allgemeinen erstellt, welche die Diagnose von Fehlern übersichtlich machen. Zudem wurde eine Umstellmöglichkeit vom Wettbewerb- in den Testmodus erstellt.

ControlDesk Seite Fernbedienung

Filterung des Signals bei ausgeschalteter Fernbedienung

Da das Abfragen des An/Aus-Schalters durch den Empfänger nicht möglich ist, wurden zunächst die Störsignale bei ausgeschalteter Fernbedienung analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Eingangswerte größtenteils in einem Bereich unterhalb von 0.002 liegen. Diese Signale lassen sich durch eine einfache if-Bedingung filtern, in dem man Signale unterhalb von 0.002 gleich Null setzt. Außerdem entstehen teilweise kurze Peaks, die in einem Bereichoberhalb 0.1 liegen und sich somit von dem Signal der üblichen Aktorenansteuerung nicht unterscheidet. Diese Signale lassen sich leider momentan noch nicht ausreichend herausfiltern. Die momentane Filterung funktioniert so, dass das Signal abgetastet wird, und erst durchgeschaltet wird, wenn es eine bestimmte Zeit $t$ anliegt. Mit Erhöhung von $t$ könnte man eine bessere Filterung erzielen, allerdings würde sich dies negativ auf die Reaktionszeit auswirken.

Zusammenfassung

Fazit

Zum Ende der Projektphase konnte die vollständige Funktion der Fernbedienung im eingeschalteten Zustand realisiert werden. Es ist nun möglich, das Fahrzeug zu bewegen und zu lenken. Der Noteingriff während der Fahrt mit eingeschalteter Regelung führt nun zunächst zum Stopp des Fahrzeugs, anschließend kann der Benutzer das Fahrzeug wunschgemäß steuern. Der Eingriff wird durch Blinken einer blauen Signal-LED am höchsten Punkt des Fahrzeugs signalisiert. Somit sind alle Punkte des Lastenheftes realisiert worden.

Ausblick

Die Fernbedienungsfunktionen sind nun vollständig gegeben. Es sollte jedoch noch eine verbesserte Filterung der Signale bei ausgeschalteter Fernbedienung implementiert werden, um das Fahrzeug zu schützen. Auch die Filterung des Signals bei eingeschalteter Fernbedienung funktioniert nicht immer optimal. Die Störfälle sind nicht reproduzierbar, wodurch sich eine Analyse des Störsignals kaum durchführen lässt. Außerdem können die Höchstgeschwindigkeiten der Wettbewerb- und Testmodi erst korrekt eingestellt werden, wenn das Auslesen der Geschwindigkeit über die Hallsensoren fehlerfrei funktioniert. Bis dahin können diese Werte nur empirisch ermittelt werden.

Für die Zukunft sollte man überlegen, ob die eingebaute Hardware eine zufriedenstellende Lösung ist.

WS 2014/2015

Einleitung

Im Wintersemester 2014/15 wurden die Arbeiten aus dem vorherigen Semester weitergeführt. Nachfolgend werden die Ergebnisse dokumentiert und erläutert. Die Ausgangssituation entspricht dem beschriebenen Stand aus Punkt 1.6 sowie 1.7.

Anforderungen des Lastenheftes

Die nachfolgenden Aufgaben wurden für das Semester gestellt, und es galt, diese bis zum 15.01.2015 abzuschließen

Projektplan

Da das Projekt einem zeitlichen Rahmen unterliegt, wurde vorab ein Projektplan erstellt, welcher zur Kontrolle der Ressource „Zeit“ dient.

Aufgabenlösungen

Filterung der Fernsteuerungssignale

Die Filterung des Fernsteuerungssignals wurde neuen Erkenntnissen auf dem Stand des SS2014 belassen. Dies geschah aus folgenden Gründen.

1.) Eine stärkere Filterung hätte Nachteile, welche das Signal beeinflussen. So würde sich beispielsweise eine Verzögerung einstellen, welche zur Folge hätte, dass das Fahrzeug nicht rechtzeitig unter Kontrolle gebracht werden könnte und dadurch ein Schaden entsteht.

2.) Die Störungen bei ausgeschalteter Fernbedienung lassen sich nicht vermeiden, da diese im Arbeitsbereich liegen. Eine Filterung würde die beschriebene Auswirkung der Verzögerung aus Punkt 1 nach sich ziehen.

3.) Werden die folgenden grundlegenden Dinge beachtet, ist das Signal nahezu störungsfrei:

- Achten Sie auf die Ladung der Fernbedienungsbatterien. Diese sollten immer voll sein.

- Achten Sie darauf, dass das Antennenkabel nicht um Motoren oder andere störende Bauteile gewickelt ist.

- Achten Sie darauf, dass das Antennenkabel 2-3 cm aus dem Führungsröhrchen hinaus ragt.

- Achten Sie darauf, dass die Fernbedienung immer Sichtkontakt zum Fahrzeug hat.

- Achten Sie darauf, dass die Trimmräder an der Fernbedienung nicht verstellt sind. Optimale Werte bei ruhender Lenk- und Gasstellung sind:

Lenkwinkelkalibrierung

Damit die Lenkung in der Bahnplanung und Spurführung, sowie beim Einparken, gezielt eingestellt werden kann, musste zunächst eine Kalibrierung durchgeführt werden. Der erste Schritt bestand darin, die Lenkung, in der Nullstellung der Fernbedienung, so einzustellen, dass das Fahrzeug geradeaus fährt. Da dies zu Beginn der Arbeiten nicht der Fall war, wurde zunächst die Vorderachse eingestellt. Zur Feinkalibrierung verfügt die Fernbedienung über sogenannte Trimmräder. Verstellt man diese, ändert sich der Nullpunkt. Ein Nachteil bei dieser Einstellung ist, dass sich dabei der Lenkwinkel in die eine Richtung verkürzt und zur anderen Seite vergrößert. Da zu beiden Seiten gleichermaßen gelenkt werden soll, muss die Vorderachse neu eingestellt werden Dies geschieht über Spurstangen, welche in der folgenden Abbildung rot markiert sind.

Die Spurstangen lassen sich in der Länge verstellen, sodass die Spur eingestellt werden kann. Die erste(obere) Spurstange befindet sich direkt am Servomotor für die Lenkung. Mit dieser lässt sich einstellen, wie weit nach rechts und links eingelenkt werden kann.

Hat man die Spurstange so eingestellt, dass man zu beiden Seiten gleichermaßen lenken kann, betrachtet man die Position der einzelnen Räder an der Vorderachse. Laufen diese gerade, ist keine weitere Einstellung nötig. Ansonsten müssen die Rechte und linke Spurstange eingestellt werden.

Da das Fahrzeug nicht über einen Sensor verfügt, welche den Lenkwinkel misst, wurde eine Vorrichtung gebaut um diesen zu bestimmt. In der folgenden Schemazeichnung wurde der Aufbau skizziert.

An die Räder der Vorderachse wurden Stifte montiert und unter dem Fahrzeug wurde ein Blatt Papier platziert. Lenkt man nun das Fahrzeug manuell mit der Fernbedienung, wird eine Linie erzeugt, welche in der Schemazeichnung grün gekennzeichnet ist. Anhand dieser Linie lässt sich anschließend der Lenkwinkel pro Rad, in die jeweilige Richtung bestimmen.

Der Lenkwinkel beträgt pro Seite 24 °

Damit der Lenkwinkel auch manuell per Software bestimmt werden kann, wurde der Servomotor per Software angeregt. Hierbei wurde gleichzeitig der Lenkwinkel sowie die PWM-Breite dokumentiert. Anschließend wurde das Ergebnis mithilfe einer Lookup Table in die Software implementiert. Es stellte sich dabei herraus, dass das Verhältniss von Lenkwinkel zu PWM-Breite linear ist, und daher eine Umrechnung sehr einfach durchgeführt werden kann.

Zu finden ist dieser Part unter CCF-online==> AKT - Aktoren - online==> AktRtiPwM - PWM4fach-Modul der RTI-Bloecke

Der Lenkwinkel kann nun in Radiant(SI-Einheit) eingegeben werden, dies wird dann durch die Lookup Table in die entsprechende PWM-Breite umgerechnet und dementsprechend eingestellt.

Des Weiteren kann auf der Hauptseite des Control-Desk Aufbaus der aktuelle Winkel abgelesen (Nr.1), und auch neu definiert werden (Nr.2).

Geschwindigkeitseinstellung

Nachdem eine Geschwindigkeitseinstellung nach m/s möglich war, wurde die Höchstgeschwindigkeit in den jeweiligen Modis angepasst. Die Vmax beträgt nun im Testmodus 0,3 m/s und im Wettbewerbsmodus 0,1 m/s. Die Umsetzung erfolgt über Lookup Tables (Matlab) sowie Schaltern (Control Desk). Die Lookuo Tables können unter CCF-online==> AKT - Aktoren - online==> AktRtiPwM - PWM4fach-Modul der RTI-Bloecke, Wettbewerbsmodus - Testmodus, gefunden werden

Um die Sattelpunkte bei 0,09 befindet sich das Fahrzeug in Ruhe. Der Bereich von 0,086 - 0,1 wird durch die Vorgabe, auf ca. 0,09 gesetzt. Dies hat zur Folge, dass das Fahrzeug bei einem Eingriff durch die Fernbedienung, zunächst auch in Ruhe versetzt wird. Dadurch hat man als Bediener eine bessere Kontrolle. Drückt man den Gaszug weiter , fängt das Fahrzeug langsam an zu beschleunigen.

Die Art des Modus kann in der start.m Datei, in Zeile 93 geändert werden, oder in Control-Desk auf dem Reiter "Fernbedienung HB", wie weiter oben in Abschnitt "Erstellung einer geeigneten Diagnoseseite in ControlDesk" gezeigt.

Siehe auch

• Filterung Fernbedienung

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