Fahrzeughardware

Zur groben Übersicht ein eventueller Leitfaden!!!!

Allgemeines

Fahrzeugabmessungen und Positionen der Sensoren in mm

- Grundgerüst welchen RC-Fahrzeugs?

- DSpace-Nutzung

- Motor

- Fahrtenregler ...

Versorgung

Akku-Betrieb

- Ein Akku für die Aktuatorik - Zwei Akkus für den Boardcomputer (DSpace-Versorgung)

Verkabelung

für die Infrarot Sensoren siehe Infrarot Sensor Hardware Anbindung

für den Hall Sensor siehe Hall Sensor Hardware Anbindung

für den Gyro Sensor siehe Gyro Sensor Hardware Anbindung

Autor: Julia Müller (Diskussion) 07:51, 4. Feb. 2014 (CET)

Sensoren

- Bild mit Positionierungen der Sensoren

Taster

-> rot für das Einparken

-> weiß für Rücksetzung des Einparkvorgangs (eventuell später auch für die anderen Funktionen)

-> ...

Infrarot Sensor

Der Infrarot Sensor dient 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.

Funktionsweise

Blockschaltbild Infrarot Sensor

Der Infrarot-Sensor besteht aus einer Sende-LED, einer Photodiode als Empfänger und einer integrierten Schaltung (IC = integrated circuit) zur Auswertung der Distanzmessung. Die LED wird über eine Ansteuerschaltung(LED drive circuit) mit der benötigten Spannung versorgt. Die LED sendet Licht im Infrarotbereich aus. Wird das Licht an einem Gegenstand oder Objekt reflektiert, trifft es auf die Photodiode mit einem Leistungsdichtespektrum (PSD= power spectral density) im Infrarotbereich. Die Photodiode ist mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbunden (signal processing circuit). Die Spannungsversorgung der Verarbeitungsschaltung und der Photodiode erfolgt über einen Spannungsregler/-stabilisator (voltage regulator) mit einer positiven Spannung Vcc = 5 V. Das Gehäuse des Sensors ist geerdet. Die Signalverarbeitungsschaltung ist zusätzlich über eine Schwingkreiskopplung (oscillation circuit) mit der LED-Ansteuer-Schaltung verknüpft. Diese Verknüpfung wird zur Auswertung benötigt. Das ausgewertete Signal wird über eine Ausgangsschaltung (output circuit) nach außen übergeben. Es wird dabei ein analoges Signal Vo ausgegeben.

Die Auswertung der Distanz l erfolgt über die Laufzeitmessung. Die Distanz l berechnet sich über die Lichtgeschwindigkeit c =300.000 km/s multipliziert mit der Laufzeit $\delta$ t dividiert durch die Brechzahl n des umgebenden Mediums.

$l=\frac{1}{2}*\frac{c*\delta t}{n}$ (1)

Die Laufzeit $\delta$ t ist die zeitliche Differenz vom Zeitpunkt des Ausstrahlens des Lichtes durch die LED bis zum Eintreffen an der Photodiode. Bei Luft beträgt die Brechzahl ungefähr 1, sodass die Formel (1) folgendermaßen reduziert werden kann:

$l=\frac{c*\delta t}{2}$ (2)

Die Division durch 2 in Formel (2) muss erfolgen, da das Licht den doppelten Weg zurückgelegt hat.

Zeitlicher Verlauf Messungen Infrarot

Der zeitliche Ablauf der Auswertung während des Betriebs ist in der Abbildung Zeitlicher Verlauf dargestellt. Der Sensor wird eingeschaltet und die Versorgungsspannung Vcc wird angelegt. Eine Messung benötigt 38.3 ms ± 9.6 ms. Während der ersten Messung gibt es am Ausgang Vo nur ein unsicheres, bzw. ungültiges Ergebnis. Nach der Messung wird der analoge Ausgabewert mit einer maximalen Verzögerung von 5 ms an den Ausgang übergeben. Anschließend sind kontinuierlich gültige Messwerte am Ausgang vorhanden.

Der Infrarot Sensor besitzt einen Messbereich von 4 – 30 cm. Weitere Details zum Infrarot Sensor wie weitere Eigenschaften oder Diagramme können in den Datenblättern eingesehen werden. Die Datenblätter befinden sich unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Datenblätter\Infrarotsensoren.

Hardware-Anbindung

Skizze Sensorpositionen Infrarot Sensoren

Am Fahrzeug sind 4 Infrarot Sensoren verbaut. Zwei Sensoren befinden sich an der rechten Seite des Fahrzeuges und zwei an der hinteren Seite des Fahrzeuges. Die Sensoren sind wie in der Abbildung Sensorpositionen bezeichnet. Die Bezeichnung der Sensoren findet sich in den Variablennamen und in den Bezeichnungen der Diagramme bei ControlDesk wieder.

Jeder Sensor besitzt drei Anschlusspins. Die Pins sind wie folgt verkabelt:

PIN	Farbe des Kabels	Pin am Sensor	DS1104-Pin
1	Gelb	Sensor_IR_V0	ADCH5…8
2	Orange	Sensor_IR_GND	GND
3	Rot	Sensor_IR_VCC	(-0,3) ..+7 V

An der Pin-Belegung mit der DS1104 Adapterplatte kann sich beim Umbau etwas ändern. Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx

Die Sensoren sollten regelmäßig auf Ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Die Inbetriebnahme der Sensoren erfolgt in ControlDesk. Bei einem Sensor ist in der vergangenen Zeit bereits ein Wackelkontakt aufgetreten. In dem Fall muss die Verkabelung am Pin erneuert werden.

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

Autor: Julia Müller (Diskussion) 07:38, 4. Feb. 2014 (CET)

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.

Funktonsweise

(erarbeitet von Daniel Klein, Carolo_Doku_2012.pdf)

Die Hallsensorik des Motors besteht aus drei um jeweils 120° (2/3 π) phasenverschobene Hallsensoren, die Rechtecksignale erzeugen, die jeweils für eine halbe Motorumdrehung anliegen. Pro Motorumdrehung gibt es also insgesamt sechs Flankenwechsel und anhand der Zustandsänderung ist die Drehrichtung bestimmbar. Zwischen zwei Flankenwechsel dreht sich der Motor um den Winkel λ = 60° = 1/3 π. In Abbildung 1 wird dieser Zusammenhang visualisiert. Dabei wird deutlich, dass es insgesamt sechs gültige Signal–Pegel–Kombinationen, also sechs Zustände gibt.

Hall-Signal-Pegel

Die Getriebeübersetzung sorgt dafür, dass sich der Elektromotor viermal drehen muss um eine vollständige Radumdrehung zu erzeugen (Ü=0.25). Die möglichen Signal–Kombinationen der Hall–Sensorik sind in der Abbildung Hall-Signal-Pegel dargestellt. Dabei ist T_F-F die vergangene Zeit zwischen zwei Flankenwechsel, in der sich der Motor um den Winkel λ dreht. In der aktuellen Implementierung werden ADC–Eingänge der dSPACE–Karte verwendet um die Zustände zu erkennen. Dabei ist es bei digitalen Signalen (die Hall–Sensorik gibt wie aus der Abbildung Hall-Signal-Pegel ersichtlich V_CC–kompatible Pegel aus: Physisch 5 V entspricht einer logischen eins, 0 V einer logischen Null) eigentlich sehr unüblich und in der Regel unpraktisch ADCs zu verwenden. Nicht nur weil es dann nötig ist, via Software die Pegelzustände zu erkennen. Dies wird aktuell mit Relational Operators mit einem derzeit eher kritischen Schwellwert von 5 V durchgeführt. Typische Grenzen für solche Pegel sind ≥ 0, 7 V_CC für logisch eins und ≤ 0, 2 V_CC für logisch null, damit mögliche Spannungsoffsets nicht zu einer Fehl–Erkennung führen können.

Würden hier GPIOs als digitale Eingänge genutzt, lässt sich die Software seitige Erkennung sparen. Mithilfe der Combinatorial Logic werden die Zustände der drei Hall–Signale in Dezimalzahlen umgewandelt. Die insgesamt sechs möglichen Zustände sind in Abbildung 1 ebenfalls dargestellt. Daraus ergeben sich in einer uint8 Darstellung die Dezimalzahlen eins bis fünf. [KlCD12]

Hardware-Anbindung

Die Hall-Sensoren des Antriebsmotors besitzen folgende Pins

Pin	Farbe	Signalname	Bedeutung	DS1104 Anschluss
1	Schwarz	GND	Ground	GND
2	Orange	Phase C	Motorphase C	IO8
3	Weiß	Phase B	Motorphase B	IO9
4	Grün	Phase A	Motorphase A	IO10
5	NC	Temp	temp control, 10k Thermistor referenced to ground potential	NC
6	Schwarz	Vcc	5.0 volts +/- 10%	5V

Zusätzlich befinden sich an den DS1104 Anschlüssen IO17 und IO19 nach Kombi-Logikeingänge der Hallsensoren. Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx

aktuelle Problematik

Bereits das vorherige Team stellte fest, dass die Implementierung der Geschwindigkeitserfassung nur schlecht funktioniert. Im Rahmen des nun vergangenen Praktikums wurde die Auswertung der Hall-Sensoren nicht bearbeitet. Daniel Klein hat im der Dokumentation Carolo_Doku_2012 im Kapitel 17 (ab S. 174) die Geschwindigkeitsmessung und ihre Probleme, bzw. Nachteile erläutert und eine Konzeptidee entwickelt. Die Dokumentation ist zu finden unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Dokumentation_LaTeX\Carolo_Doku_2012.pdf

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

Autor: Julia Müller (Diskussion) 14:37, 3. Feb. 2014 (CET)

Gyro Sensor

Der im Fahrzeug verbaute Gyro Sensor misst bei Drehbewegungen die Winkelgeschwindigkeit um die Hochachse, d.h. den Gierrate. Durch die Ableitung der Gierrate lässt sich der Gierwinkel bestimmen. Der Gierwinkel wird für den Einparkalgorithmus benötigt, da über ihn der Umschlag der Lenkachse ausgelöst wird. Das Umlenken erfolgt, wenn der vorgegebene Gierwinkel durch den gemessenen Gierwinkel überschritten wird.

Funktionsweise

Der Gyro Sensor kann auf Basis von verschiedenen Grundlagen funktionieren.

Faseroptischer Kreisel

Es gibt Gyro Sensoren, die arbeiten auf Basis eines optischen Messverfahrens. Dabei handelt es sich um faseroptische Kreisel. Bei diesem Sensor wird Licht, beispielsweise Laserlicht, in einen Lichtwellenleiter gesendet. Der Lichtwellenleiter (1 in der Abbildung FaseroptischerKreisel) ist spiralförmig aufgedreht. Das ausgesendete Licht wird an einem Koppler (2 in der Abbildung FaseroptischerKreisel) im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn in den Lichtwellenleiter gesendet. Wirkt auf den faseroptischen Kreisel eine Winkelgeschwindigkeit $\omega$ so entsteht eine Laufzeitunterschied.

Dieser Laufzeitunterschied des eintreffenden Lichts am Empfänger lässt sich auswerten und somit kann die Winkelgeschwindigkeit $\omega$ bestimmt werden. (Quelle: Hesse, Stefan; Schnell, Gerhard: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, Auflage 4; Wiesbaden, 2009)

Das Funktionsprinzip anderer Gyro Sensoren basiert oft auf der Wirkung der Coriolis-Kraft. Die Funktionsweise basierend auf der Coriolis-Kraft wird in der PDF-Datei Produkte der Mikrosystemtechnik anschaulich erklärt.

Auf welchem Funktionsprinzip der von uns verwendete Gyro Sensor arbeitet ist nicht bekannt.

Hardware-Anbindung

Aktuell ist noch der Gyro Sensor des Lego NXT verbaut. Es sollte jedoch ein Umbau auf einen anderen Gyro Sensor erfolgen. Die PIN-Belegung sieht wie folgt aus:

Pin	Farbe	Signalname	Bedeutung	DS1104 Anschluss
1	Weiß	AN	Analogeingang bzw.+9V	GND
2	Schwarz	GND	Ground	GND
3	Rot	GND	Ground	GND
4	Grün	Vcc	4,3V Vcc	4,3V
5	Gelb	I²C-SCL	Serial Clock, bzw. RS485-A
6	Blau	I²C-SDA	Serial Data, bzw. RS485-B

Laut DS1104-Adapterkabel-Pinbelegung.xlsx befindet sich der Gyro Analogeingang an ADCH4.(siehe: …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx)

Autor: Julia Müller (Diskussion) 09:01, 4. Feb. 2014 (CET)

Fernbedienung

Bei der Fernbedienung handelt es sich um eine 2-Kanal-Fernsteueranlage. Mithilfe der Fernbedienung kann sowohl die Lenkung als auch der Fahrtenregler gesteuert werden.

Sie wird benötigt, um das Fahrzeug in den RC-Modus (Remote Control) zu schalten. Im RC-Modus wird das Fahrzeug über die Fernbedieung gesteuert. Der Eingriff 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.