Fahrzeughardware - Wagen 2

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider

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Übersicht

bild fahrzeug Datei:Fahrzeug.jpg

Systemstruktur

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  Abbildung 1: Systemstruktur des Fahrzeugs

systemarchitektur, ordnerstruktur,

Inbetriebnahme

akkus, dokument, hochfahren, runterfahren, tests akkus laden

• Basler GigE
  
• Basler GigE
  
• Basler GigE
  

Gesamtaufbau

Abmessungen, anschlüsse sensoren, position sensoren, kamera test plattform

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  Abbildung 1: Systemstruktur des Fahrzeugs

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  Abbildung 1: Seitenansicht Fahrzeug - Überblick über die Sensoren

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  Abbildung 1: Draufsicht Fahrzeug - Überblick über die Sensoren

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  Abbildung 1: Anschlussplatte Rückseite

Sensoren und Aktoren

Im Folgenden werden alle relevanten Artikel für jeden Sensor und Aktor des Fahrzeugs.

Kamera

• Basler GigE
  

Gierraten Sensor

• Analyse Gierrate
  
• Gierrate
  
• Messkette Gierratensensor
  

Infrarot-Abstandssensoren

• Sharp IR Abstandssensor
  
• Abstandssensorik
  
• Sharp Sensor
  

Hall-Sensoren

• Hall-Sensor
  
• Signalverarbeitung
  
• Messkette Längsgeschwindigkeit
  

LiDAR

• Hokuyo LiDAR
  

Taster

• Messkette Taster
  
• SenTaster
  

Alt

Konstruktion und Gesamtaufbau

Das Fahrzeug basiert auf einem normalen 1:10 RC-Fahrzeug der Firma LRP. Auf dessen Grundgerüst ist ein DS1104 R&D Controller Board der Firma DSpace installiert, mit welchem alle angebrachten Sensoren verbunden sind. Über einen VGA-Anschluss an der Front des Fahrzeugs hinter dem Laserscanner kann der Boardcomputer mit einem Monitor verbunden werden.

Insgesamt besteht das Fahrzeug aus einzelnen Baugruppen, deren Grundlage jeweils eine gelaserte Aluminiumplatte bildet. Die allgemeine Grundlage bildet die Grundplatte, auf der das Mainboard und die weiteren Baugruppen befestigt ist. Die Grundplatte ist an dem Grundgerüst des gewöhnlichen RC-Fahrzeuggestells befestigt.

Fahrzeug hoch-/runterfahren

Inbetriebnahme vor jedem Start

Alle Akkus werden einzeln in Schutztaschen verpackt in einer speziellen Kiste gelagert. Die Taschen schützen bei einer Explosion der Akkus, allerdings nicht vor möglichen giftigen Ausgasungen. Deshalb werden die Taschen gesmammelt in der Kiste gelagert. Diese schützt auch vor Ausgasungen.

Schutzkiste

Schutztaschen

Akkus auf Schutztaschen.

Bei jeder Inbetriebnahme muss die Spannung der Akkus händisch mit einem Multimeter kontrolliert werden. Dazu wird bei den beiden PC-Akkus der Messanschluss genutzt. Dieser kann (vorsichtig) in einen Schraubstock eingespannt und fixiert werden. Das Multimeter sollte mit feinen Messspitzen ausgestattet werden, damit die Anschlüsse gut erreicht werden können. Die Spannung wird zwischen dem Rechten und dem Mittleren, sowie zwischen dem Mittleren und dem Linken Anschluss gemessen. Bei dem Fahrantrieb-Akku wird zwischen Minuspol und Mittelabgriff, sowie zwischen Mittelabgriff und Pluspol gemessen. Das ist nötig, weil ein Akku zwei Einzelne in Reihe geschaltete Zellen enthält. Die Lithium-Polymer Akkus haben unter Last eine Nennspannung von 3,7V. Voll geladen ist der Akku bei 4,21V (Ladeschlussspannung). Spätestens bei 3,1V muss der Akku wieder geladen werden (Entladeschlussspannung). Ab einer Spannung von 2,8V ist der Akku Tiefenentladen und damit unbrauchbar.

Spannungsmessung an PC-Akku

Spannungsmessung an Fahrantrieb-Akku.

Wird ein Akku zum Laden an das Ladegerät angeschlossen, müssen die oben genannten Werte verdoppelt werden, da beide Zellen in Reihe geschaltet gemessen werden (Ladeschlussspannung = 8,42V; Entladeschlussspannung = 6,2V). Der Ladevorgang wird in folgendem Artikel näher beschrieben: → Akku laden

Nach der Spannungsmessung und dem ggf. nötigen aufladen können die Akkus wie in den Fotos zu sehen in das Fahrzeug eingesetzt werden.

Einschub für PC-Akkus

Anschluss und Fach für Antriebs-Akku.

Um das Fahrzeug in Notsituationen zuverlässig ferngesteuert bedienen zu können, werden die Batterien der Fernbedienung nach Nutzung entnommen und geladen, bevor sie wieder eingesetzt werden. Dazu wird das Batteriefach im Fuß der Fernbedienung geöffnet, die Batterien entnommen und in die vorgesehenen Ladegeräte eingelegt (siehe Fotos).

Batteriefach der Fernbedienung

Ladegeräte für Batterien.

Nachdem alle Akkus eingesetzt Wurden kann der Akkubetrieb zugeschaltet und der Computer gestartet werden.

Einschalten im Akku-Betrieb

Um das Fahrzeug alleine über die Akkus zu versorgen, muss der rote Kippschalter am Panel eingeschaltet werden. Auch hier gilt im Anschluss das Betätigen des schwarzen Tasters, wie beim Einschalten im Netz-Betrieb.

Autor:Jiaxiang Xia (Diskussion) 15:45, 3. Dez.2022 (CET)

Bild:Jiaxiang Xia (Diskussion) 11:07, 1. Nov. 2022 (CET)

Ausschalten des PCs

Grundsätzlich wird der PC durch softwaretechnisches Herunterfahren ausgeschaltet.

Im Notfall ist dies aber entweder durch Drücken des roten Kippschalters (Ein-/Ausschalter) des Powerpanels im Akkubetrieb oder durch Herausziehen des Netzteilsteckers im Netzbetrieb möglich.

ACHTUNG!! Automatisches Herunterfahren des PCs im Akkubetrieb möglich, wenn Akkuspannung unter 13,1V fällt (Sicherheitsabschaltung/Unterspannungsschutz). Beim Arbeiten im Akkubetrieb sollte demnach auf die Spannung geachtet und zwischendurch oft gespeichert werden.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 16:46, 4. Feb. 2014 (CET)

Ansteuerung des Antrieb- und Servomotors einschalten

Um mit dem Bordcomputer sowohl im Netz- als auch im Akku-Betrieb die Motoren ansteuern zu können, muss der silberne Kippschalter (versteckt hinter dem Powerpanel) in nachfolgender Abbildung in die rechte Stellung gestellt werden. Bei Linksstellung ist die Ansteuerung unterbrochen.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 14:03, 6. Feb. 2014 (CET)

Sensoren

Stellen Sie sicher, dass der Infrarot Sensor nicht verdeckt ist, bevor Sie den Fahrzeug testen.

Autor: Jiaxiang Xia (Diskussion) 00:29, 2. Dez.2022 (CET)

Taster

Die Taster an der Rückseite des Fahrzeugs dienen der Aktivierung der verschiedenen Algorithmen, d.h. Einparkalgorithmus oder Fahrt auf Rundkurs.

Bild: Philipp Tewes (Diskussion) 13:58, 1. Feb. 2017 (CET)

Die Taster sind wie folgt belegt und mit der DS-Karte verbunden:

Taster	Funktion	DS1104-Anschluss
Weiß	Kalibrierung des Gyrosensors	IO14
Gelb	Bahnspurführung Rundkurs ohne Hindernisse	IO12
Blau	Bahnspurführung Rundkurs mit Hindernissen	IO13
Rot	Einparkalgorithmus starten	IO11
Grün	Nicht mehr vorhanden

Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter SVN Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx

Die Implementierung der Taster in das Simulinkmodell ist unter "Einlesen der Taster" erklärt.

Autoren:

Julia Müller (Diskussion) 10:22, 4. Feb. 2014 (CET)

Update: Vincent Holthaus 13:44 Uhr, 22. Nov. 2019 (CET)

Sascha Dienwiebel (Diskussion) 12:56, 4. Feb. 2014 (CET)

Infrarotsensoren

Die Infrarotsensoren dienen der Positionserfassung bzw. Abstandsmessung von Objekten im Umfeld des Fahrzeuges. In Kombination mit dem Hall- und Gyro-Sensor werden die Infrarotsensoren für den Einparkalgorithmus verwendet. Erweiterte Informationen zum Einsatz und zur Funktion sind im Artikel Infrarotsensoren zu finden.

Gierratensensor

Der Gierratensensor (oder auch Gyrosensor bzw. Drehratensensor) des Autonomen Fahrzeugs stellt unter anderem einen Teil der Einparksensorik dar, die Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs erfolgt über diesen. Weitere Informationen unter Gierratensensor.

Hall-Sensor

Der Hall-Sensor befindet sich am Antriebsmotor. Mithilfe des Hall-Sensors sollen die aktuelle Geschwindigkeit, die Fahrtrichtung und die zurückgelegte Strecke bestimmt werden. Die Bestimmung der Geschwindigkeit und Fahrtrichtung sind wesentliche Bestandteile des Regelkreises der Bahnplanung und Spurführung. Die Messung der zurückgelegten Strecke wird für die Bestimmung der Parklückengröße benötigt. Die weiteren Details der Hardware, sowie das physikalische Messprinzip sind in dem Artikel Hall-Sensor beschrieben.

Platine für die Verbindung zwischen der Fernbedienung den Aktoren und der D-Space Karte

In diesem Kapitel wird die Platine beschrieben, die die D-Space Karte mit der Hardware des RC-Autos verbindet. In der unten stehenden Abbildung ist der Schaltplan der Platine zu sehen. Die Stecker "ST/TH in" kommen von dem RC Empfänger. Die Stecker für "ST/TH out" verbinden den Servo und den Antriebsmotor mit der D-Space Karte.

Autor[Benutzer:Timo Schmidt| Timo Schmidt]

Laser Scanner

Es ist der LIDAR Sensor URG-04LX-UG01 der Firma HOKUYU verbaut, der einen Laserstrahl im Infrarotbereich (785nm) aussendet. Grundsätzlich ist der Sensor dazu geeignet, um die Distanz und den Winkel zu einem Objekt zu messen. LIDAR Sensoren spielen eine zentrale Rolle auf dem Weg zum automatisierten Fahren. Als markantes Merkmal sind die ersten selbstfahrenden Fahrzeuge von Google beispielsweise mit einem LIDAR Sensor auf dem Dach ausgestattet, die eine Rundumsicht ermöglichen.

Funktionsweise

Um nicht nur einen einzelnen Punkt vor dem Fahrzeug zu erfassen, wird der Laserstrahl durch einen drehbaren Spiegel nach links und rechts abgelenkt. Dadurch wird ein Winkelbereich von 240° bei einer Winkelauflösung von 0.36° erfasst. Die Messung der Distanz erfolgt bei diesem Sensor nicht nach dem Time of Flight Prinzip, sondern wird durch die Phasenverschiebung des zurückreflektierten Sensorstrahls errechnet. Aus den so gewonnenen Polarkoordinaten kann die Objekt-Position in kartesischen Koordinaten errechnet werden.

Der Sensor wird über USB mit dem PC verbunden und kann durch eine mitgelieferte API über C/C++ angesprochen werden.

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  Rohziele des Lidar Sensors(blau)und erkannte Objekte (rot)

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  2 Objekte vor dem Sensor

Autor: Stephan Maier (Diskussion) 09:01, 12. Juli. 2016 (CET)

Kamera

Die Inbetriebnahme der Kamera wird im Artikel Inbetriebnahme der VRmagic Kamera beschrieben.
Der aktuelle Softwarestand der Kamera ist in folgendem Artikel beschrieben: OSE Softwareumgebung

Fernbedienung

Bei der Fernbedienung handelt es sich um eine 2-Kanal-Fernsteueranlage. Die Fernsteueranlage besteht aus einem Empfänger und einem Sender, d.h. einer Fernbedienung. Mithilfe der Fernbedienung kann sowohl die Lenkung als auch der Fahrtenregler des Fahrzeugs gesteuert werden.

Die Fernbedienung wird benötigt um das Fahrezeug einsatzfähig zu machen. Erst durch Einschalten der Fernbedienung kann das Fahrzeug autonom fahren. Vor dem ersten Start muss die Fernbedienung kalibriert werden (siehe SVN). Nach erfolgreicher Kalibrierung ist die blau blinkende LED erloschen und das Fahrzeug kann autonom fahren. Der Eingriff, also die Betätigung der Fernbedienung, unterbricht das autonome Fahren und darf in Notsituationen eingesetzt werden. Eine Notsituation ist immer dann vorhanden, wenn das Fahrzeug die geforderte Aufgabe nicht mehr erfüllt. Über den RC-Modus kann das Fahrzeug dann angehalten und verfahren werden. Ein Eingriff ist erfolgt, sobald der Gas-/Bremshebel oder das Drehrad der Lenkung betätigt wird. Der Eingriff muss über die blau blinkende LED am höchsten Punkt des Fahrzeugs signalisiert werden.

Funktionsweise

Die Fernbedienung überträgt zwei Signale. Ein Signal liefert die Informationen über den Lenkwinkel und das zweite Signal liefert die Informationen für das Gas- und Bremsverhalten. Gesendet werden PWM-Signale. Die Übertragung erfolgt durch Quarze mit der gleichen Frequenz, die sich im Sender und Empfänger befinden. Die Fernbedienung verfügt neben dem Drehrad für die Lenkung und dem Gas-/Bremshebel über weitere Schalter und Drehräder. Diese dienen verschiedenen Einstellungen an der Fernbedienung. Beispielsweise kann mithilfe von Trimmreglern die Neutralstellung der Lenkung und des Antriebs eingestellt werden. Details zu den Einstellungen und Funktionen sind in der Bedienungsanleitung zu finden. Diese ist im SVN abgelegt. Um den RC-Modus zum ersten Mal lauffähig zu machen muss die Anleitung im SVN beachtet werden (Link). Nach aktuellem Stand ist die Fernbedienung korrekt kalibriert und einsatzbereit. Über die ControlDesk Oberfläche kann der RC-Modus getestet werden. Das Simulink-Online-Modell muss, der Anleitung entsprechend, verändert werden. Nach der Kompilierung und der erfolgreichen Übertragung auf die dSpace Karte, kann der RC-Modus vollständig genutzt werden.

Hardware-Anbindung

Der Empfänger ist mit der DS1104 Karte verbunden. Laut aktuellem Pinbelegungsplan der DS1104 (Pinbelegungsplan) ist der Empfänger wie folgt angeschlossen:

Sender-Anschluss	Kabelfarbe	DS1104 Anschluss
RC-In Signal FR	orange	SCAP2
RC-In Signal LS	orange	SCAP1
RC-Out Signal LS	orange	ST2PWM
RC-Out Signal FR	orange	SPWM7

Wobei LS für Lenk-Servo uns FR für Fahrtenregler steht.

Autor: Pascal Funke (Diskussion) 09:26, 4. Jan. 2019 (CET)

Kosten

Die Kosten des Projektes im Sommersemester 2018 werden im SVN gepflegt.

→ SVN: Kostenübersicht

Autor: Steffen Topp (Diskussion)

Literatur

[HeSch09] Hesse, Stefan; Schnell, Gerhard: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, Auflage 4; Wiesbaden, 2009

[KlCD12] Klein, Daniel; Carolo_Doku_2012: Die Hallsensorik, S.174 ff., Lippstadt, 2012

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