SDE Systementwurf SoSe2025: Autonome Fahrbahnvermessung

Abb. 1: Autonome Fahrbahnvermessung im Labor Autonome Systeme

Abb. 2: Ergebnisdarstellung der Außenlinien

Autoren:	Jan Steffens & Lukas Berkemeier
Dozent:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul	Mechatronik, Systementwicklung (Wahlpflichtprofil „Systems Design Engineering“), Sommersemester
Modulbezeichnung:	MTR-B-2-6.11
Modulverantwortung:	Ulrich Schneider
Lehrveranstaltung:	Praktikum Systementwurf
Sprint 1:	Autonome Fahrbahnvermessung
Zeit:	Dienstag, 08:15 - 10:30 Uhr, Selbstlernzeit: Dienstag, 10:45 - 12:00 Uhr, Donnerstag, 13:00 - 15:00 Uhr
Ort:	Labor L3.3-E01-180 (Autonome Systeme)

Einleitung

Für verschiedene Aufgaben im Forschungsbereich des Autonomen Fahrens wird eine Referenzmessung (Engl.: Ground Truth) benötigt um beispielsweise Messwerte zu bewerten. Programmieren Sie, wie Sie es im 2. Semester gelernt haben, einen bestehenden AlphaBot mit einem Linienverfolger, so dass dieser die bestehenden Fahrbahnränder abfährt (vgl. Abb. 6). Zeichnen Sie dabei die Roboterpose mit einem Referenzsystem auf und erstellen Sie so eine digitale Karte der bestehenden Fahrbahn (vgl. Abb. 7),

Tabelle 2: Anforderung an die Autonome Fahrbahnvermessung

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Ein AlphaBot muss nacheinander die drei Linien der Fahrbahn autonom verfolgen.	1
2	Als Referenzmessystem kommt die Topcon Robotic Total Station zum Einsatz.	1
3	Das Prisma wird auf einer zu fertigenden Halterung über der Lenkachse des AlphaBot montiert.	1
4	Die Referenzwerte müssen mit MATLAB® aufgezeichnet werden.	1
5	Fehler in den Messwerten müssen bereinigt werden.	1
6	Die zweidimensionale digitalen Karte muss als MATLAB®-Datei (.mat) bereitgestellt werden.	1
7	Das Vorgehen muss als Gantt-Diagramm geplant werden.	1
8	Lösungsweg und Lösung muss im Wiki dokumentiert werden.	1
9	Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der Karte eingezeichnet werden.	1

Getting Started

Testergebnisse 

1. Sicherheitseinweisung für das Labor Autonome Systeme
2. Besprechung der Selbstlernzeit mit Kollegen Ebmeyer
3. Planung Gantt-Chart
4. Besprechung der Planung mit Prof. Schneider, Verabredung von Meilensteinen und der Abschlusspräsentation von Sprint 1
5. Übernahme der Arbeitspakete auf dem KANBAN-Board
6. CAD-Design der Montageplatte für den AlphaBot
7. Review und 3D-Druck durch Merrn Ebmeyer
8. Montage der Prismabefestigung
9. Inbetriebnahme AlphaBot Linienverfolger für durchgezogene Linie
10. Einarbeitung und Inbetriebnahme der Referenzstation
11. Testweise Erstellung einer Referenzmessung
12. Referenzmessung für rechte und linke Fahrspur
13. Optional: Anpassung der Software für die Mittelspur ODER geometrische Berechnung der Mittelspur
14. Bereinigung von Fehlern in der Karte
15. Ablage der digitalen Karte als .mat-Datei.
16. Messung einer Roboterbewegung und Anzeige auf der Karte.
17. Test der Anforderungen und Dokumentation
18. ggf. Überarbeitung/Verbesserung des Artikels Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station
19. Analyse und Bewertung der Ergebnisse im Wiki-Artikel

Terminübersicht SoSe25 - Sprint 1

#	Termin	Thema	Protokoll
1	25.03.2025	Auftaktveranstaltung	Planung - Sprint 1 in Form eines Gantt Diagramms erstellt
2	27.03.2025	Linienverfolger und Referenzmessung	Kanban-Board erstellt, erste Tests Linienfolger Folgende zu erledigen Punktew wurden in das Kanban-Board aufgenommen: Planung, Dokumentation, Prüfen der Linienfolgerdemo, Implementierung PD-Regler, durchgezogene Linie verfolgen (Meilenstein), Referenzmessung mit TopCon (Meilenstein), Fahrweg in Karte einzeichnen, 2D-Karte erstellen, Mittelinienfolger, drei Linien in Karte einzeichnen (Meilenstein)
3	01.04.2025	Linienverfolger und Referenzmessung	Planung überarbeitet -> Planung abgeschlossen, PD-Regler implementiert, Linienfolgerdemo E08b aus der Arduino Beispielbibliothek genutzt und geändert, siehe PD-Regler Test und Parametrierung Prüfen der Linienfolgerdemo und Implementierung PD-Regler abgeschlossen
4	03.04.2025	Linienverfolger und Referenzmessung	Anpassung des Linienfolgerprogramms, es werden nun beide Motoren geregelt, nicht nur einer Erste versuche zur Verfolgung der Mittellinie: wenn der aktuelle IstWert über 4000 || 0 == alles Schwarz, dann soll der AlphaBot geradeaus Fahren -> halber Erfolg Test 2: Mittellinienverfolgung mit letzten gespeicherten Motorwerten -> Linienfolgerfunktion nicht mehr gegeben, Änderungen zunächst wieder verworfen
5	08.04.2025	Linienverfolger und Referenzmessung	Erste Testmessungen, Vergleich von unterschiedlichen Topcon Positionen Kommentar: Auf der Geraden kurz die Sicht verloren -> Standort des TopCon geändert - Messung aus der mitte der Schleife Zwei erfolgreiche Messungen für äußere Bahn ("TopCon_Messung_250408_1139.mat") und innere Bahn ("TopCon_Messung_250408_1153.mat") Messung durchgeführt mit "trackePrisma.m", Anzeige mit "zeigeTopConMessung.m" Referenzmessung in TopCon und Fahrweg in Karte abgeschlossen
6	10.04.2025	Linienverfolger und Referenzmessung	Mittellinienfolger angefangen: Softwareplanung im PAP erstellt und im umgesetzt umsetzung erfolgt mit switch case mit Zuständen zwischen weißer linie erkannt und keine linie erkannt Erster Test: wenn der AlphaBot keine weiße linie erkennt soll er einfach geradeaus fahren -> Problem: der AlphaBot lenkt automatisch nach links Lösung: den linken Motor um einen Faktor verringern Zweiter Test: im Zustand keine Linie erkannt soll der AlphaBot mit den zuletzt verwendeten Motowerten fahren -> Problem: bei Linienabbruch folgt der Zustand 0 nicht schnell genug Dritter Test: Arrays für letzte Motorwerte anlegen und den drittletzten Motorwert nutzen Probleme zum Mittellinienverfolger bleiben bestehen
7	15.04.2025	Linienverfolger und Referenzmessung	2D-Karte: Innen- und Außenmessung zusammengeführt, Koordinatentranformation überarbeitet, Wiki-Artikel mit Protokollen, Gantt-Diagramm und SVN-Ordnerstruktur erweitert
8	17.04.2025	Linienverfolger und Referenzmessung	2D-Karte erfolgreich erstellt. Aussenlinien zusammengefügt, Startlinie eingefügt und Hilfslinien bis auf Stopplinien entfernt. Wiki-Artikel überarbeitet: Abb. 1 + 2 ausgetauscht.
	22.04.2025	Feiertag: Ostern
	29.04.2025	Meilenstein Sprint 1
	06.05.2025
	13.05.2025
	20.05.2025
	27.05.2025	Meilenstein Sprint 2
	03.06.2025	ab 13:00 Uhr Hochschultag
	10.06.2025	Feiertag: Pfingsten
	17.06.2025
	24.06.2025	Meilenstein Sprint 3

Planung - Sprint 1

Abb. 3: Planung Sprint 1 - Gantt-Diagramm

PD-Regler Test und Parametrierung

Testergebnisse 

Tabelle 1: Testergebnisse

Test #	Geschwindigkeit	Kp	Kd	Sollwert	Beschreibung
Test 1	80	0.01	0	2000	Fehlerhaft - kleinste Störungen auf der Fahrbahn führen zu nicht verfolgung der Linie
Test 2	80	0.01	0	2000	in der Funktion readLine variable white_line auf TRUE gesetzt -> AlphaBot folgt nun aktiv der weißen Linie
Test 3	80	0.01	0	2100	Sollwertänderung geteset, führt jedoch zur Offset nach links zur weißen Linie -> Sollwert 2000 optimal
Test 4	80	0.1	0	2000	Sollwert passend, vorher eine sehr langsame Regelung also Kp Wert geändert -> danach schnellere Regelung , allgemein bessere Fahrt
Test 5	80	0.5	0	2000	Kp extreme Testen = 0.5 -> Kp Wert viel zu hoch, der AlphaBot schlägt sehr aus
Test 6	80	0.1	0.1	2000	Kp Wert wieder auf 0.1 gesetzt, Kd Wert auf 0.1 angehoben -> Einschwingverhalten zu erkennen
Test 7	80	0.1	0.5	2000	Kd Wert erhöhen = 0.5 -> gutes Fahrverhalten des AlphaBot, trotzdem noch starkes Schwingen
Test 8	80	0.08	0.7	2000	Feintuning -> die Werte führen in die richtige Richtung
Test 9	80	0.08	1.5	2000	sehr gutes Fahrverhalten des AlphaBot
Test 10	80	0.07	1.8	2000	Kd und Kp Werte noch einmal angepasst, sehr gutes Fahrverhalten -> PD-Regler abgeschlossen
Test 11	80	0.07	1.8	2000	Fahrt mit Prisma, weiterhin sehr gutes Fahrverhalten

Ergebnis (A)

Aktion/Reagieren/Verbessern (act)
Zuvor haben Sie Ihren Plan entwickelt, umgesetzt und überprüft. Jetzt müssen Sie auf die Ergebnisse reagieren. Es wird eine Analyse des Soll-Zustands erstellt, die anschließend mit dem Ist-Zustand verglichen wird. Zudem stehen während dieser Phase die Fragen im Vordergrund, was optimiert werden kann und wo sich weitere Potenziale befinden.

Anhang

Arbeitsergebnisse im SVN-Ordner: https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/_Semesterordner/SS2025/Sprint_1/

Tabelle 3: Ablauf Meilenstein Spring 1

Uhrzeit	Inhalt
8:15	Begrüßung und Meilensteinpräsentation
8:25	Diskussion der Ergebnisse
8:40	Test der Anforderungen
8:45	Live-Vorführung der Fahrt ink. Vermessung der Roboterpose (Req. 9)
8:50	Sichtung der Abgabeunterlagen, Diskussion der Eigenbewertung
9:00	Besprechung der Aufgaben und Vorgehensweise für Sprint 2

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