ASF Gruppe A4 - SoSe18

Autoren und Gruppenmitglieder: Rina Muçaj, Jan Pinter und Levin Baumeister

Einleitung

Die Aufgabe bestand darin ein Lego Mindstorms NXT Fahrzeug zu konstruieren und zu programmieren, sodass dieses nach dem gegebenen Regelwerk in der Lage ist autonom einer Fahrspur auf dem Boden zu folgen. Dies geschieht im Rahmen des Informatikpraktikum II, SS 18 mit Professor Ulrich Schneider. Weitere Informationen unter Autonomes Fahren SoSe18.

Gruppenmitglieder und ihre Aufgaben

Rina Muçaj

• Konstruktion des Roboters
• Bearbeitung der inhaltlichen Fragen der jeweiligen Praktikumstermine
• Erstellung des Videos
• Verfassen des HSHL-Wiki-Artikels

Jan Pinter

• Konstruktion des Roboters
• Entwicklung der Fahrstrategie mit PAP-Designer
• Umsetzung der Fahrstrategie in Quellcode
• Erstellung des Videos

Levin Baumeister

• Konstruktion des Roboters
• Entwicklung der Fahrstrategie mit PAP-Designer
• Erstellung des Bauplans
• Verfassen des HSHL-Wiki-Artikels

Verwendete Softwaretools

• MATLAB[1] in Kombination mit der RWTH - Mindstorms NXT Toolbox for MATLAB[2] (für die Programmierung der Fahrstrategie zu Beginn des Praktikums)
• Bricx Command Center[3] mit der Programmiersprache NXC[4] (Not eXactly C, für die Programmierung der Fahrstrategie)
• LEGO Digital Designer 4.3[5] (zur Erstellung des Bauplans des Roboters)
• PapDesigner[6] (zur Erstellung des Programmablaufplans nach DIN 66001)
• muvee Reveal Encore 2018[7] (zur Erstellung des YouTube-Videos)
• Captura Version 6.0.1[8] (zur Erstellung des YouTube-Videos)
• Hilfeseite des Wikimedia-Projekts[9] (Hilfe bei der Erstellung des Wiki-Artikels)

Verwendete Hardware

• LEGO MINDSTORMS NXT Education (Set 9797)
• LEGO Education Resource Set (Set 9695)
• NXTCam-v4, Vision Subsystem - Camera for NXT or EV3

Das Lego Set 9797 bildet zusammen mit dem Lego Set 9695 die Grundlage des Roboters, inklusive der Motoren, der Steuerungseinheit (NXT Brick) und der Basis-Sensoren (Tastsensor). Damit der Roboter jedoch in der Lage ist autonom zu fahren, wird die NXTCam-v4 (Vision Subsystem - Camera for NXT or EV3) verwendet.

Die genaue Zusammensetzung der Hardware ist der Bauanleitung und dem Modell (zu öffnen mit LEGO Digital Designer 4.3, enthalten ist ebenfalls eine Bauanleitung) zu entnehmen: Datei:SS18 A4 Anleitung.pdf, Datei:SS18 A4 Modell.zip.

Animation des Zusammenbaus

Bei der Entwicklung der Hardwarezusammensetzung standen folgende Punkte im Vordergrund:

• Leicht zu wartende und solide Bauweise
• Direkt angetriebene Lenkachse
• Kleinere Räder an der Front für bessere Beweglichkeit
• Verstellbare Kamerahalterung
• Leichte Anschließbarkeit

Parameter	Wert
Fahrzeuglänge	390 mm
Fahrzeugbreite	175 mm
Spurweite vorne	130 mm
Spurweite hinten	160 mm
Achsabstand	200 mm
Max. Radeinschlagswinkel links/ rechts	40°

• 

  Seitenansicht des Roboters

• 

  Detailansicht mit Kamera

• 

  Seitenansicht

• 

  Seitenansicht im Detail

• 

  Greifarme

Übersicht der Position der Sensoren und der Aktoren

Fahrstrategie

Bei der Entwicklung der Fahrstrategie standen folgende Punkte in Vordergrund:

• Geregelte Querlenkung
• Fahrgeschwindigkeit an Lenkung angepasst
• Einhalten der StVO

PAP Diagramme

Motor A: Lenkmotor
Motor B: Antriebsmotor

• 

  Hauptprogramm

• 

  Unterprogramm Längsregelung

• 

  Unterprogramm Querregelung

• 

  Unterprogramm Camera

Umsetzung in NXC und MATLAB

Die Implementierung der ersten Praktikumsaufgaben wurde in MATLAB umgesetzt, später wurde, wie auch schon im Informatikpraktikum I - WS17/18, NXC verwendet.

Die grundsätzliche MATLAB-Befehle wurden den MATLAB-Tutorials MATLAB Courses[13] entnommen.

NXT spezifische MATLAB-Befehle siehe LEGO MINDSTORMS NXT Support from MATLAB[14], RWTH - Mindstorms NXT Toolbox for MATLAB - Toolbox Documentation[15] und interne Hilfefunktion der Toolbox.

NXC-Befehle siehe Einführung in die Programmierung mit NXC[16], Buch „Roboter programmieren mit NXC für LEGO Mindstorms NXT“[17], Programmierung LEGO NXT Roboter mit NXC [18] und NXC Programmer's Guide [19]. (In diesen Dokumenten befindet sich auch eine Übersicht der Sensoren und Aktoren).

MATLAB-Quellcode aus Praktikumstermin 1, Aufgabe 1.5:

motor1 = NXTMotor(motor);
motor1.SpeedRegulation   = false;
motor1.Power             = geschwindigkeit;
motor1.TachoLimit        = laenge;
motor1.ActionAtTachoLimit = 'Brake';

motor1.SendToNXT();

disp('Berechnung beendet');
fprintf('\n');

tacho=0;
strecke=0;
tic;
i=0;
% monitor during movement
  data = motor1.ReadFromNXT();
  while(1)
      i=i+1;
      data = motor1.ReadFromNXT(); % refresh
      Zeit(i)=toc;
      tacho=-data.TachoCount;
      Strecke(i)=tacho*1
      if i>1
          dt = Zeit(i)-Zeit(i-1);
          ds = Strecke(i)-Strecke(i-1);
          Geschwindigkeit(i)=ds/dt;
      else
          Geschwindigkeit(i)=0;
      end
  
 if Strecke(i) > 2000
    motor1.Stop('off');
    break;
 end;
 end
  
%% Plot erstellen
%Fenster wird erstellt
figure(1);
      subplot 211
      plot(Zeit,Strecke,'r.-');
      title('s-t-Diagramm');
      xlabel('Zeit in Sekunden');
      ylabel('Strecke in cm');
            subplot 212
      plot(Zeit,Geschwindigkeit,'b.-');

% Grafiküberschrift
title('123');
% x-Achse Beschriftung
xlabel('456');
% y-Achse Beschriftung
ylabel('789'); 

NXC-Quellcode aus Praktikumstermin 5 , Aufgabe 5.3 :

const byte camPort  =  IN_1;

#define CAMADDR     0x02
#include "nxtcamlib-default.nxc"

task main ()
{
	int cam;
	Wait(100);

  // Camera initialisieren
  cam = NXTCam_Init(camPort, CAMADDR);
  Wait(100);
  //Line Tracking Modus
  NXTCam_SendCommand(camPort, CAMADDR,'L');
  Wait(100);
  //Tracking einschlaten
  NXTCam_SendCommand(camPort, CAMADDR,'E');
  Wait(100);

  //LCD-Anzeige leeren
  ClearScreen();
  //Text ausgeben
  TextOut(0, LCD_LINE1, "Verbindung aktiv" );
  TextOut(40, LCD_LINE2, "..." );
  Wait(5000);
  }
}

YouTube-Video

• 

Video zum Roboter der Gruppe A4

Video-Beschreibung:
Herausgeber: Rina Muçaj, Levin Baumeister und Jan Pinter
Hochschule: Hochschule Hamm-Lippstadt
Studiengang: Mechatronik 2. Semester
Projektkurs: Informatikpraktikum II (Gruppe A4)
Betreuer: Prof. Dr. Ing.-Schneider
Musik: Epic - Royalty Free Music[20]
Praktikumsziel: Konstruktion und Programmierung eines LEGO-Mindstorms zur autonomen Spurführung in den Programmiersprachen NXC und MATLAB

Zusammenfassung

Lerneffekt

• Programmierung eines mechatronischen Systems
• Vertiefung der Programmierkenntnisse mit der Sprache C und MATLAB
• Zusammenhänge zwischen den Bauteilen (Sensoren, Aktoren) verstehen
• Erfahrungen mit dem Einsatz von verschiedenen digitalen Filtern
• Erfahrung mit Bild- und Videobearbeitungsprogrammen

Erfolg

Der Roboter hat erfolgreich am Praktikum teilgenommen, er hat die zweit größte Distanz zurückgelegt.

Literaturverzeichnis

Alle verwendeten Bildmaterialien auf dieser Seite wurden eigenständig erstellt.

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