AuF - Antrieb und Fernbedienung

Einleitung

In diesem Artikel werden Arbeiten dokumentiert, welche im Rahmen des SDE Praktikums des Studienganges MTR, durchgeführt wurden. Im Speziellen wird hier auf die Funktion der Fernbedienung eingegangen, durch welche es möglich ist, einen autonomen Ablauf zu unterbrechen und das Fahrzeug manuell zu steuern.

Anforderungen des Lastenheftes

Autoren: Martin Theine und Patrick Schumann
Stand: 12.02.2021

Die folgenden Aufgaben sind ein Ausschnitt aus dem Lastenheft, welches vorgegeben ist, und stellt die Anforderungen dar, welche über das Semester erfüllt werden sollen.

REQ - Antrieb und Fernbedienung

Pflichten/Ziel

Hinweis: Ziele und Pflichten an das jeweilige Semester anpassen. Ziele und Pflichten des voherigen Jahrgangs entfernen!

Ausgangssituation

Autoren: Martin Theine und Patrick Schumann
Stand: 12.02.2021

Vor Beginn des Wintersemseters 2020/21 war das Fahrzeug durch Vorarbeiten früherer Semester in folgendem Zustand:

• ...
• ...
• ...

Filterung der Fernsteuerungssignale

Die Filterung des Fernsteuerungssignals wurde nach neuen Erkenntnissen, auf dem Stand des SS2014 belassen. Dies geschah aus folgenden Gründen:

1.) Eine stärkere Filterung hätte Nachteile, welche das Signal beeinflussen. So würde sich beispielsweise eine Verzögerung einstellen, welche zur Folge hätte, dass das Fahrzeug nicht rechtzeitig unter Kontrolle gebracht werden könnte und dadurch ein Schaden entsteht.

2.) Die Störungen bei ausgeschalteter Fernbedienung lassen sich nicht vermeiden, da diese im Arbeitsbereich liegen. Eine Filterung würde die beschriebene Auswirkung der Verzögerung aus Punkt 1 nach sich ziehen.

3.) Werden die folgenden grundlegenden Dinge beachtet, ist das Signal nahezu störungsfrei:

- Achten Sie auf die Ladung der Fernbedienungsbatterien. Diese sollten immer voll sein.

- Achten Sie darauf, dass das Antennenkabel nicht um Motoren oder andere störende Bauteile gewickelt ist.

- Achten Sie darauf, dass das Antennenkabel 2-3 cm aus dem Führungsröhrchen hinaus ragt.

- Achten Sie darauf, dass die Fernbedienung immer Sichtkontakt zum Fahrzeug hat.

- Achten Sie darauf, dass die Trimmräder an der Fernbedienung nicht verstellt sind.

Kalibrierung von Fernbedienung und Fahrtenregler

Autoren: Martin Theine und Patrick Schumann
Stand: 12.02.2021

Die Fernbedienung des Carolo-Cup-Fahrzeugs bietet Trimmmöglichkeiten zur Feineinstellung:

• für die Nullstellung des Lenkservos: zwei Potentiometer über dem "Lenkrad"
• für die Nullstellung des "Gaspedals": Trimmrad unter dem "Lenkrad"

Damit der gleiche Stellweg in beide Richtungen zur Verfügung steht, wurden alle Trimmräder in Mittelstellung gebracht.

Daraufhin wurde der Fahrtenregler ("") nach folgender Anleitung kalibriert:

Kontrolle der Kalibrierung (Fernbedienung)

Autoren: Martin Theine und Patrick Schumann
Stand: 12.02.2021

Damit die autonomen Fahrdiziplinen störungsfrei ausgeführt werden können, ist es essentiell, dass die Trimmräder nicht verstellt werden. Sind diese verstellt, so wird ein Fernbedienungseingriff in der Software erkannt, obwohl kein Eingriff stattfindet. Bei der Inbetriebnahme des Carolo-Cup-Fahrzeugs muss folglich jedes Mal überprüft werden, ob die Trimmräder in Mittelstellung sind. Zudem sollten mit Control Desk (Reiter "Fernbedienung") die folgenden drei Bits überprüft werden:

• "SenFernb_FernbAktiv_bit" == 0
• "SenFernb_LwFernbEin_bit" == 0
• "SenFernb_GasFernbEin_bit" == 0

Wird bei eingeschalteter Fernbedienung keine Eingabe (lenken oder Gas geben) getätigt, so müssen die drei Bit den o.g. Zustand haben. Ist dies nicht der Fall, so müssen die Trimmräder für Lenkung und Gaspedal bewegt werden, bis der Zustand (0,0,0) erreicht ist. Die blaue LED am höchsten Punkt des Fahrzeugs darf keinen Fernbedienungseingriff anzeigen.

Wird nun nur das Lenkrad an der Fernbedienung bewegt, so muss folgender Zustand vorliegen:

• "SenFernb_FernbAktiv_bit" == 1
• "SenFernb_LwFernbEin_bit" == 1
• "SenFernb_GasFernbEin_bit" == 0

Wird nun nur der Gashebel an der Fernbedienung bewegt, so muss folgender Zustand vorliegen:

• "SenFernb_FernbAktiv_bit" == 1
• "SenFernb_LwFernbEin_bit" == 0
• "SenFernb_GasFernbEin_bit" == 1

Werden nun beide Eingaben gleichzeitig getätigt, so muss folgender Zustand vorliegen:

• "SenFernb_FernbAktiv_bit" == 1
• "SenFernb_LwFernbEin_bit" == 1
• "SenFernb_GasFernbEin_bit" == 1

Nach Abschluss der o.g. Kontrolle ist das Fahrzeug betriebsbereit.

Kalibrierung des Lenkwinkels

Damit die Lenkung in der Bahnplanung und Spurführung, sowie beim Einparken, gezielt eingestellt werden kann, musste zunächst eine Kalibrierung durchgeführt werden. Der erste Schritt bestand darin, die Lenkung, in der Nullstellung der Fernbedienung, so einzustellen, dass das Fahrzeug geradeaus fährt. Da dies zu Beginn der Arbeiten nicht der Fall war, wurde zunächst die Vorderachse eingestellt. Zur Feinkalibrierung verfügt die Fernbedienung über sogenannte Trimmräder. Verstellt man diese, ändert sich der Nullpunkt. Ein Nachteil bei dieser Einstellung ist, dass sich dabei der Lenkwinkel in die eine Richtung verkürzt und zur anderen Seite vergrößert. Da zu beiden Seiten gleichermaßen gelenkt werden soll, muss die Vorderachse neu eingestellt werden Dies geschieht über Spurstangen, welche in der folgenden Abbildung rot markiert sind.

Forderachsaufhängung CC-Fahrzeug

Die Spurstangen lassen sich in der Länge verstellen, sodass die Spur eingestellt werden kann. Die erste (obere) Spurstange befindet sich direkt am Servomotor für die Lenkung. Mit dieser lässt sich einstellen, wie weit nach rechts und links eingelenkt werden kann.

Hat man die Spurstange so eingestellt, dass man zu beiden Seiten gleichermaßen lenken kann, betrachtet man die Position der einzelnen Räder an der Vorderachse. Laufen diese gerade, ist keine weitere Einstellung nötig. Ansonsten müssen die Rechte und linke Spurstange eingestellt werden.

Da das Fahrzeug nicht über einen Sensor verfügt, welche den Lenkwinkel misst, wurde eine Vorrichtung gebaut um diesen zu bestimmt. In der folgenden Schemazeichnung wurde der Aufbau skizziert.

Schemazeichnung über den Versuchsaufbau zur Ermittlung des Lenkwinkels

An die Räder der Vorderachse wurden Stifte montiert und unter dem Fahrzeug wurde ein Blatt Papier platziert. Lenkt man nun das Fahrzeug manuell mit der Fernbedienung, wird eine Linie erzeugt, welche in der Schemazeichnung grün gekennzeichnet ist. Anhand dieser Linie lässt sich anschließend der Lenkwinkel pro Rad, in die jeweilige Richtung bestimmen.

Der Lenkwinkel beträgt pro Seite 24 °

Damit der Lenkwinkel auch manuell per Software bestimmt werden kann, wurde der Servomotor per Software angeregt. Hierbei wurde gleichzeitig der Lenkwinkel sowie die PWM-Breite dokumentiert. Anschließend wurde das Ergebnis mithilfe einer Lookup Table in die Software implementiert. Es stellte sich dabei heraus, dass das Verhältnis von Lenkwinkel zu PWM-Breite linear ist, und daher eine Umrechnung sehr einfach durchgeführt werden kann.

Zu finden ist dieser Part unter CCF-online==> AKT - Aktoren - online==> AktRtiPwM - PWM4fach-Modul der RTI-Bloecke

Der Lenkwinkel kann nun in Radiant (SI-Einheit) eingegeben werden, dies wird dann durch die Lookup Table in die entsprechende PWM-Breite umgerechnet und dementsprechend eingestellt.

Des Weiteren kann auf der Hauptseite des Control-Desk-Aufbaus(Projekt:Carolo Cup Fahrzeug ==> Inbetriebnahme) der aktuelle Winkel abgelesen (Nr.1), und auch neu definiert werden (Nr.2).

Originaldatei

Kommt es während autonomen Fahrten zu Störungen der Fernbedienung, muss die Einstellung dieser kontrolliert werden. Für die Feinabstimmung sind 2 Trimmräder vorhanden, welche eingestellt werden können.

Originaldatei

Das Rädchen mit der Nummer 1 ist für die Einstellung der Lenk-Range zuständig. Normalerweise beträgt der Lenkwinkel 24 ° in jede Richtung. Ist die Position verstellt worden und es ist nur noch ein Einschlag von beispielsweise 18 ° möglich, muss die Radstellung passend eingestellt werden. Zur Hilfe kann man die Hauptseite des Control-Desk-Aufbaus verwenden, welche den aktuellen Einschlagwinkel in Grad anzeigt.

Das zweite Rädchen ist für die Abstimmung der Nullposition zuständig.Ist dieser Punkt verstellt, greift die Fernbedienung, durch Störsignale, willkürlich in Regelprozesse ein. Um dies zu vermeiden, sollte die Position so eingestellt werden, dass die gefilterten Störungen keinen Einfluss ausüben können. Dies ist der Fall, wenn der angezeigte Lenkwinkel auf der Control-Desk-Hauptseite ~ 0 ° beträgt, oder die PWM-Breite bei ~ 0,0973 liegt. Die PWM-Breite der Lenkung kann in dem Reiter Fernbedienung HB abgelesen werden.

Originaldatei

Geschwindigkeitseinstellung

Nachdem eine Geschwindigkeitseinstellung nach m/s möglich war, wurde die Höchstgeschwindigkeit in den jeweiligen Modis angepasst. Die Vmax beträgt nun im Testmodus 0,3 m/s und im Wettbewerbsmodus 0,1 m/s. Die Umsetzung erfolgt über Lookup Tables (Matlab) sowie Schaltern (Control Desk). Die Lookuo Tables können unter CCF-online==> AKT - Aktoren - online==> AktRtiPwM - PWM4fach-Modul der RTI-Bloecke, Wettbewerbsmodus - Testmodus, gefunden werden

Um die Sattelpunkte bei 0,09 befindet sich das Fahrzeug in Ruhe. Der Bereich von 0,086 - 0,1 wird durch die Vorgabe, auf ca. 0,09 gesetzt. Dies hat zur Folge, dass das Fahrzeug bei einem Eingriff durch die Fernbedienung, zunächst auch in Ruhe versetzt wird. Dadurch hat man als Bediener eine bessere Kontrolle. Drückt man den Gaszug weiter , fängt das Fahrzeug langsam an zu beschleunigen.

Die Art des Modus kann in der start.m Datei, in Zeile 93 geändert werden, oder in Control-Desk auf dem Reiter "Fernbedienung HB", wie weiter oben in Abschnitt "Erstellung einer geeigneten Diagnoseseite in ControlDesk" gezeigt.

Filterung der Objektliste

Damit Hindernisse auf der Fahrbahn erkannt werden und diesen ausgewichen werden kann, wurde dieses Szenario von Herrn Professor Doktor Ulrich Schneider, in einer Simulation umgesetzt.

Die rote Linie zeigt die gefahrene Wegstrecke des Fahrzeuges, pinke Kästchen symbolisieren Hindernisse auf der Fahrbahn.

Werden Hindernisse in der Simulation erkannt, werden diese in einer Objektliste gespeichert. Bei der Fahrt mit dem echten Fahrzeug werden die Objekte mithilfe eines Laserscanners sowie einer Kamera detektiert.

Die folgende Abbildung zeigt eine Objektliste:

Die Eigenschaften von gefunden Objekten werden jeweils in einer Zeile gespeichert.

In der ersten Spalte steht die Objekt-ID.

In der zweiten Spalte befindet sich der X-Abstand in Metern.

In der dritten Spalte befindet sich der Y-Abstand in Metern.

In der vierten Spalte befindet sich die Breite des gefundenen Objektes.In der Simulation ist dies ein statischer Wert.

In der fünften Spalte befindet sich die länge des gefundenen Objektes.In der Simulation ist dies ein statischer Wert.

Spalte sechs und sieben sind momentan ebenfalls statisch und werden in der Simulation nicht verwendet.

Die wichtigen Werte für eine Filterung sind zunächst die Objekt-ID, sowie der X- und Y-Abstand.

Mithilfe der ID wird zunächst registriert, ob ein Objekt gefunden wurde oder nicht. Ist dies der Fall, wird mithilfe eines Kalmanfilters der X- und Y-Abstand gefiltert.

Der Kalman hat den Vorteil, dass er bei Verlust der Detektion, kurfristigem Rauschen oder kurzfristigem Ausfall von Sensoren weiter schätzt, und somit vorgesetzt werden kann. Des Weiteren können weitere Größen geschätzt werden, für welche keine eigenen Sensoren verbaut sind. Beispielsweise wird bei der Filterung des X- und Y-Wertes, gleichzeitig die Richtungsgebundene Geschwindigkeit geschätzt.

Der Aufbau wurde in Matlab/Simulink umgesetzt und ist auf der folgenden Abbildung dargestellt. Finden kann man diesen Part unter : CCF_offline==>SAB - Signalaufbereitung==>SABLIDAR-Kalman

Zunächst werden die relevanten Werte aus der Objektliste gezogen.

Hierzu dient der Matlab-Block: Selector

Anschließend sorgt ein Mux-Block dafür, dass aus den einzelnen X- und Y-Werten ein Vektor erstellt wird.

Ein Switch-Block fragt ab, ob die rausgezogene Objekt-ID, größer 0 ist.

Ist dies der Fall, wird der XY Vektor durch einen Kalman-Block gefiltert, ansonsten nicht.

Der Kalmanblock muss für eine korrekte Funktion, genau auf die Eingangsgrößen eingestellt werden.Die nachfolgende Abbildung zeigt die Einstellmöglichkeiten:

Da wir 2 Einganswerte haben, aus welchem wiederum 2 neue Werte geschätzt werden, muss die Startposition eine 4 x 1 Matrix sein. Der Startwert wird hier bei 0 angesetzt.

In der "Initial consition for estimate error covariance" wird festgelegt, wie genau der bestimmte Startwert ist. Die Covarianz beziffert die Breite der Gausglocke, welche den Bereich der möglichen Position festlegt.

Bei der "State transition matrix" handelt es sich um das Systemmodell. In diesem Beispiel wird das Ruck-Null-Modell verwendet, welches aus der Vorlesung "Multisensorsysteme" bekannt ist.

Die "Process nois covariance" legt fest, inwieweit das Systemmodell genau ist, bzw. wie viel dem Modell vertraut wird.

Die "Measurement matrix" ist das Messmodell. Die Einsen legen fest, welche Eingangswerte gemessen werden. Die "Measurement noise covariance" legt wieder fest, in wie weit dem Modell vertraut wird.

Nachfolgende Grafik, zeigt die erzeugte Trackliste, mit dem Vergleich zur Objektliste:

Die Trackliste besteht momentan nur aus 4 Elementen pro Zeile.

Jede Zeile steht für ein gefundenes Objekt.

Das erste Element ist der gefilterte Y-Wert. Das zweite Element ist der gefilterte X-Wert. Das dritte Element ist die geschätzte Geschwindigkeit in Y-Richtung. Das vierte Element ist die geschätzte Geschwindigkeit in X-Richtung.

Optimierung der Fernbedienungsfunktionen

Autoren: Martin Theine und Patrick Schumann
Stand: 12.02.2021

Berichtigung des Signalwegs

Bei der Verfolgung der für die Fernbedienung relevanten Signale im Simulinkmodell fiel auf, dass das Signal SenRti_PwmBreiteGas_f64 nicht zum Aktor durchgeleitet wird. Fälschlicherweise wurde das Signal SenRti_PwmFreqGas_f64 mit dem Aktor verbunden, sodass eine Ansteuerung des Antriebs mit der Fernbedienung unmöglich war. Dieser Fehler wurde durch die Neuverlegung des Signals behoben, sodass das Signal ordnungsgemäß am Aktor ankommt und der Antrieb durch die Fernbedienung bedient werden kann.

Implementierung von Test- und Wettbewerbsmodi

LookUpTable der Fernbedienung

Das Fahrzeug soll über die Fernbedienung in 2 Modi gesteuert werden: - Ein Wettbewerbsmodus, in dem das Fahrzeug bei Eingriff der Fernbedienung nur 0,3 m/s in beide Richtungen fahren kann. - Ein Testmodus, in dem das Fahrzeug bei Eingriff der Fernbedienung 1,0 m/s in beide Richtungen fahren kann.

Um das zu ermöglichen, wurde zunächst die Variable PAR_Schelichmodus in die start.m-Datei implementiert. Diese Variable schaltet einen Schalter im Simulinkmodell, der zwischen beiden Modi schalten soll. Für beide Modi wurden dann jeweils Saturation-Blöcke eingefügt, welche das Signal nach oben und unten begrenzen.

Im Weiteren stellte sich raus, dass die Steuerung über die Fernbedienung nicht stufenlos funktioniert, sondern lediglich eine An/Aus-Funktion bietet. Im Testmodus sollte das Fahrzeug jedoch auch stufenlos zu beschleunigen sein. Um das zu erreichen, wurde anstelle des Saturation-Blocks eine Lookup-Table implementiert und so dimensioniert, dass das Fernbedienungssignal das Fahrzeug stufenlos beschleunigen kann.

Da das Fahrzeug bei der Fahrt durch den Regler mit der Fernbedienung gestoppt werden soll, wurde sich darauf geeinigt, dass um die Nullstellung der Fernbedienung ein Bereich freigelegt wird, in dem das Auto zwar durch die Fernbedienung angesprochen wird, aber nicht fährt. So ist es möglich, das Fahrzeug mit der Fernbedienung zum Stehen zu kriegen.

Anschließend wurde auch eine Lookup Table in den Wettbewerbsmodus eingebaut, damit das Fahrzeug auch im Wettbewerb gestoppt werden kann. Auch hier wurde ein Totbereich erstellt, in dem das Fahrzeug zwar angesprochen wird, sich jedoch nicht bewegt.

Aktorblock mit Begrenzungen

Somit ist das sicherheitsrelevante Stoppen des Fahrzeugs funktionsfähig.

Erstellung einer geeigneten Diagnoseseite in ControlDesk

Um die Fernbedienungsfunktionen korrekt darzustellen und zu analysieren, wurde eine geeignete Seite in ControlDesk erstellt. Diese Seite beinhaltet die PWM-Breite des Eingangssignales des Antriebs und des Lenkwinkels, sowie die Ausgangssignale an die Aktoren. Somit kann immer nachvollzogen werden, welche Änderung welche Auswirkung auf das Verhalten des Fahrzeugs hat. Außerdem wurden Anzeigen für die Aktivitätsbits der Lenkung, des Antriebs und der Fernbedienung in Allgemeinen erstellt, welche die Diagnose von Fehlern übersichtlich machen. Zudem wurde eine Umstellmöglichkeit vom Wettbewerb- in den Testmodus erstellt.

ControlDesk Seite Fernbedienung

Filterung des Signals bei ausgeschalteter Fernbedienung

Da das Abfragen des An/Aus-Schalters durch den Empfänger nicht möglich ist, wurden zunächst die Störsignale bei ausgeschalteter Fernbedienung analysiert. Es wurde festgestellt, dass die Eingangswerte größtenteils in einem Bereich unterhalb von 0.002 liegen. Diese Signale lassen sich durch eine einfache if-Bedingung filtern, in dem man Signale unterhalb von 0.002 gleich Null setzt. Außerdem entstehen teilweise kurze Peaks, die in einem Bereichoberhalb 0.1 liegen und sich somit von dem Signal der üblichen Aktorenansteuerung nicht unterscheidet. Diese Signale lassen sich leider momentan noch nicht ausreichend herausfiltern. Die momentane Filterung funktioniert so, dass das Signal abgetastet wird, und erst durchgeschaltet wird, wenn es eine bestimmte Zeit $t$ anliegt. Mit Erhöhung von $t$ könnte man eine bessere Filterung erzielen, allerdings würde sich dies negativ auf die Reaktionszeit auswirken.

Zusammenfassung

Autoren: Martin Theine und Patrick Schumann
Stand: 12.02.2021

Ausblick

• Test der Filter Filter in das Online-Modell implementiert und am echten Fahrzeug getestet werden.

Quellen / Weiterführende Literatur

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