Smart-Car

Autoren: Can Nen & Darvin Welslau
Betreuer: Prof. Göbel & Prof. Schneider

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Einleitung

Im Rahmen des GET-Fachpraktikums im 5. Semester des Studienganges Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt, soll ein Projekt zur Vertiefung und Umsetzung des bisher vermittelten Wissens umgesetzt werden. Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung eines intelligenten Fahrzeuges welches selbstständig durch einen Raum fahren soll und dabei Kollisionen vermeidet. Vermittelte Inhalte des bisherigen Studium, beinhalten die Konstruktion von Bauteilen mittels der Software SolidWorks, Anfertigung der Bauteile mithilfe von 3D-Printing, Projektmanagement Kenntnisse sowie der Programmierung von Mikrocontrollern. Anhand dieses Projektes soll ein zusammenwirken der verschiedenen Studienschwerpunkte veranschaulicht werden, Inhalt der Schwerpunkte Global Produktion Engineering (GPE) & System Design Engineering (SDE) sind in diesem Projekt vertreten. Die Programmierung von Mikrocontrollern findet sich im Schwerpunkt SDE wieder, wohingegen die Konstruktion und das 3D-Printing im Schwerpunkt GPE thematisiert wird. Gleichermaßen zeigt dieses Projekt das zusammenwirken auf, welches in der heutigen Automobilindustrie in Zusammenhang mit dem autonomen Fahren einhergeht. Software sowie Hardware und Entwicklung spielen in vielen Bereichen der heutigen Zeit eine tragende Rolle und bilden in vielen Unternehmen das Herzstück. Ebenso soll dieses Projekt die eigenen Interessen der Studenten aufzeigen und das theoretische Wissen mit dem praktischen verbinden.

Anforderungen

Tabelle 1: Testbare, atomare Anforderungen

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Fahrgestell sowie Halterungen und Felgen sollen mittels 3D-Druck hergestellt werden .	Can Nen	30.09.2022	Darvin Welslau	08.10.2022
2	Die Versorgung des Fahrzeuges soll mittels einer 9V Block-Batterie realisiert werden .	Can Nen	19.10.2022	Darvin Welslau	19.10.2022
3	Als Antrieb sollen Servo-Motoren verwendet werden .	Can Nen	30.09.2022	Darvin Welslau	08.10.2022
4	Es soll ein Ultraschallsensor zur Abstandsmessung verwendet werden, welcher laufend den Abstand zum nächsten Objekt misst. Bei einem zu kleinen Abstand (<10cm) soll das Fahrzeug sich um die eigene Achse drehen.	Can Nen	17.10.2022	Darvin Welslau	17.10.2022
5	Das Fahrzeug soll selbstständig durch einen Raum fahren können und Kollisionen vermeiden.	Can Nen	30.09.2022	Darvin Welslau	08.10.2022
6	Die Fahrt soll solange erfolgen bis der Benutzer das Smart-Car abschaltet oder die Batterie leer ist.	Can Nen	17.10.2022	Darvin Welslau	17.10.2022

Tabelle 1 zeigt die funktionalen Anforderungen.

Funktionaler Systementwurf

Das Fahrzeug soll durch einen Ultraschallsensor laufend den Abstand zum Objekt messen, welches sich frontal davor befindet. Sobald eine Entfernung von kleiner als 10 cm gemessen wird, soll das Fahrzeug die Richtung ändern. Dies geschieht durch das ansteuern der Servomotoren. Dabei soll es sich drehen und laufend die neue Entfernung zu Wand messen. Sobald die Entfernung sich wieder auf mehr als 10 cm beläuft, soll das Fahrzeug weiter fahren. Zur Veranschaulichung der Funktion soll das Fahrzeug in einem Testraum fahren, ohne dabei an die Wände dieses Raumes zu stoßen. Das Projekt ist gelungen sobald das Fahrzeug sich selbstständig in diesem Raum bewegen kann

Technischer Systementwurf

Nach der Ideenfindung, wurde zunächst mit einer groben Skizze (siehe Abb. 1) begonnen, um festzuhalten wie die Idee umgesetzt werden könnte. Nachdem ein grober Umriss des Ganzen (siehe Abb. 2) festgehalten wurde, konnte ausgemacht werden, mithilfe welcher Verfahren dieses Projekt in die Realität umgesetzt werden kann. Felgen sowie das Fahrgestell sollen via 3D-Druck (mit einem FDM-Drucker) hergestellt werden, zusätzlich können die Felgen mit einer Gummischicht ummantelt werden um bessere Vortriebskraft zu gewährleisten. Antrieb findet über zwei Servo-Motoren statt, die diagonal gegenüber voneinander platziert werden. Im Falle einer Richtungsänderung soll abhängig von der Richtung der jeweilige Servo-Motor schneller Drehen um das Fahrzeug in die gewünschte Richtung zu bewegen. Diese Motoren werden in der Konstruktion des Fahrgestell berücksichtigt und mit eingebettet. Als Versorgung kommt eine 9-Volt Block Batterie zum Einsatz. Ein Arduino Uno und ein Motorshield runden das ganze Projekt ab und sollen das eigentliche Leben in das Smart-Car bringen.

Abb. 1: Systementwurf Smart-Car

Abb. 2: Skizze des Smart-Cars

Komponentenspezifikation

Elektrische Komponenten

Ultraschallsensor: HC-SR04

Daten

• Reichweite: 3 – 400 cm
• Betriebsspannung: 5 V DC
• Frequenz: 40 kHz
• Trigger-Pulsweite: 10 µs
• Maximale Messabweichung: 3mm
• Maße: 43x20x15

Pinbelegung

• Pin 1: VCC
• Pin 2: Trigger
• Pin 3: Echo
• Pin 4: GND

Entfernung ermitteln

Die Schallgeschwindigkeit beträgt 343,5 m/s bei 20°C. Der HC-SR04 gibt die gemessene Zeit in Mikrosekunden aus. Das heißt, pro Mikrosekunde hat der Schall 0,03434 cm zurückgelegt. Um die gemessene Zeit des Echo-Signals nun in cm umzurechnen, muss die gemessene Zeit mit 0,03434 cm multipliziert werden. Dieser Wert muss nun durch zwei geteilt werden, da wir sonst den Hin- und Rückweg ausrechnen würden.

Schaltplan

Microcontroller: Arduino Uno

Der Arduino Uno bietet sich als Microcontroller an, da er leicht zu bedienen ist. Außerdem verfügt er über eine breite Palette von Ein- und Ausgängen, welche es ermöglichen, mit verschiedenen Sensoren und Aktoren zu interagieren. Darüber hinaus ist der Arduino Uno kostengünstig und bietet, durch die große Community, viel Unterstützung durch Foren oder Tutorials.

Motor-Shield: Heemol L298P Shield R3 DC Driver Module

Das Heemol Motor-Shield bietet eine leistungsstarke und zuverlässige Möglichkeit, DC-Motoren zu steuern. Außerdem verfügt es über einen H-Brückentreiber, welches das Drehen der Motoren in beide Richtungen ermöglicht. Der wichtigste Punkt ist allerdings, dass er kompatibel mit dem Arduino Uno ist.

Motoren: N20 DC 6 V Getriebemotor

Dieser Getriebemotor ist passend für das Smart-Car, da er klein und leicht ist. Außerdem hat er eine hohe Drehmomentkapazität und mit 150 U/min eine relativ hohe Drehzahl. Außerdem ist der N20 DC 6V Getriebemotor sehr günstig im Vergleich zu ähnlichen Produkten.

Batterie: 9V Blockbatterie

Für die Stromversorgung wurde eine einfache 9V Blockbatterie mit dem zugehörigen Batteriehalter genutzt. Der Batteriehalter hat am anderen Ende lose Kabelenden für die Befestigung am Motor-Shield.

Verkabelung: Jumper Wire Kabel

Für die Verkabelung der Sensoren und Motoren mit dem Motor-Shield wurden einfache Jumper Wire Kabel genutzt. Es waren sowohl „male to male“ -, als auch „female to female“ Kabel notwendig.

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Der Aufbau des Smart-Cars wurde mittels 3D Druck realisiert. Dazu kam ein herkömmlicher FDM (Fused Deposition Modelling) Drucker zum Einsatz. Die einzelnen Komponenten wurden zunächst in der gängigen Software SolidWorks konstruiert. Angefangen mit dem Grundgehäuse bzw. dem Chassis, diese wurde so konstruiert, dass die die Servomotoren sowie die 9V-Baterrie im Innenraum Platz finden. Die Servomotoren können so in dem Chassis platziert werden, dass diese diagonal von einander das Smart-Car antreiben. Um ein verrutschen zu gewährleisten wurden anhand der Maße der Motoren jeweils Anschläge im Innenraum realisiert. Zusätzlich können die Motoren mit Klebstoff fixiert werden. Da ein Arduino Uno sowie ein Motorshield für das Smart-Car verwendet werden, wurde in dem Chassis eine Aussparung vorgesehen in den der Arduino Uno eingeschoben werden kann. Das gewährleiteistet ein festen Sitz des Controllers, anschließend findet das Motorshield auf dem Arduino seinen Platz und ist somit auch vor verrutschen geschützt. Bei der Konstruktion der Felgen, wurde sich an bekannten Felgen aus dem Automobilbereich orientiert und zusätzlich ein wenig eigene Kreativität ins Spiel gebracht. Die Felgenaufhängung bzw. Felgenmitte wurde so ausgelegt, dass diese problemlos auf dem Servo-Motor platziert werden kann, dazu wurde mit dem Maßen der vorhandenen Servo-Motoren gearbeitet. Um den Ultraschall-Sensor am Gehäuse befestigen zu können wurde eine Halterung aus zwei Komponenten angefertigt. In den ersten Teil der Halterung kann der Ultraschall-Sensor eingelegt werden, mit der zweiten Komponente wird die Halterung umschlossen, sodass der Sensor fest an einer Position gehalten wird. In dieser zweiten Komponente befinden sich die jeweiligen Aussparungen für die Funktion des Sensors. Alle Bauteile sind auf der Abbildung ... zu sehen.

Felge, Chassis, Ultraschallsensor Halterung

Komponententest

3D Komponenten

Felgen sowie Halterungen und Chassis wurden beim Aufbau auf ihre Maßhaltig und Belastung getestet. Das Chassis hat eine Aussparung für den Arduino in der dieser einen festen Sitz haben soll, ebenso müssen die Servo-Motoren und die Batterie im Chassis platz finden. Die Servo-Motoren müssen so eingesetzt werden, dass die Felgen mit deren Passung auf die Enden der Motoren geschoben werden können. Auch hier muss ein fester Sitz erfolgen um ein Abfallen der Felgen zu gewährleisten. Der Ultraschallsensor findet in seiner Halterung seinen Platz, der mit einer Verschlusskappe verschlossen wird, der wiederum zwei runde Aussparungen an den passenden Stellen hat.

Servomotoren

Die Servomotoren wurde zum testen direkt an die 9V Blockbatterie angeschlossen. Sie lassen sich durch das Vertauschen der Pole in unterschiedliche Richtungen drehen.

Steuerungskomponenten

Die Steuerungskomponenten, bestehend aus dem Arduino Uno und dem Motorshield wurden getestet, indem sie an den PC angeschlossen wurden. Es wurde eine Verbindung aufgebaut, um über die Software Matlab auf den Arduino zugreifen zu können. Mithilfe der Verbindung zu dem PC konnten dann die einzelnen Servomotoren angesteuert werden.

Ultraschallsensor

Der Ultraschallsensor wurde durch eine Beispielsoftware getestet. Hierfür wurde fortlaufend die Entfernung zu einem Objekt gemessen und ausgegeben. Diese Ausgabe wurde durch ein Lineal überprüft.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

Wie in der Abbildung .. zu erkennen wurde der Aufbau des Smart Cars mittels 3D Druck realisiert. Dazu kam ein handelsüblicher Filamentdrucker zum Einsatz. Räder, Chassis sowie Ultraschallsensor-Halterungen vor zu beginn des Projektes in der Software SolidWorks konstruiert. Basis des ganzen bildet die Skizze die in Abbildung … zu sehen ist. In folgenden Abmaßen sind die Bauteile aus dem das Smart- Car besteht angefertigt worden. Felgen: 50mm Durchmesser, Chassis: Länge … Breite … Höhe …, Ultraschallsensor-Halterung: länge… Breite …

Nach erfolgreichem Drucken wurden zunächst die Servomotoren mit den dazugehörigen Kabeln verlötet, sodass diese an die passenden Stellen am Motor Shield angeschlossen werden können. (s. Verdrahtungsplan)

Das Herzstück des Smart-Cars bildet ein Arduino Uno. Auf den Uno wurde ein Motor Shield gesetzt. Die Servo-Motoren und die Batterie wurden an den H-Brückentreiber des Motor Shields angeschlossen, sodass sich die Motoren in beide Richtungen drehen können. Der Ultraschallsensor wurde über das Motor Shield an die Stromversorgung angeschlossen und mit den Trigger- und Echo-pins verbunden. Anschließend wurde der Komponententest durchgeführt (s. Komponententest)

Literatur

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