SDE Systementwicklung WS25/26: Spurverfolgung mit Kamera

Abb. 1: Autonome Fahrbahnvermessung im Labor Autonome Systeme

Abb. 1: 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: TBD
Ort:	Labor L3.3-E01-180 (Autonome Systeme)

Einleitung

Zu Sprint 2 wurde die Fahrbahn vollständig vermessen und als digitale Karte gespeichert (vgl. Abb. 1, 2). Die Position des Prismas kann während der Fahrt gemessen und in die Referenzkarte eingezeichnet werden. Aufgabe dieses Sprints einen Autonomen Mobilen Roboter (AMR) via Kamera und Spurerkennung in der rechten Fahrspur gereglt zu fahren, diese Fahrt zu vermessen und in die Karte zu übertragen.

Tabelle 1: Anforderung an die Spurverfolgung mit Kamera

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Ein AMR muss autonom in der rechten Fahrspur fahren.	1
2	Als Referenzmessystem kommt die Topcon Robotic Total Station zum Einsatz.	1
3	Der AMR muss die Fahrbahndaten via Kamera (Pixy2.1) auswerten, um der Fahrspur zu folgen.	1
4	Die Referenzwerte müssen mit MATLAB® aufgezeichnet werden (x, y, $\mathrm{\Psi }$).	1
5	Messfehler müssen geeignet gefiltert werden.	1
6	Die zweidimensionale digitalen Karte mit der Roboterpose während der Fahrt muss als MATLAB®-Datei (.mat) bereitgestellt werden.	1
7	Das Vorgehen muss am KANBAN-Board geplant und verfolgt werden.	1
8	Lösungsweg und Lösung muss in diesem Wiki-Artikel dokumentiert werden.	1
9	Als AMR muss ein AlphaBot eingesetzt werden.	1
10	Als Software für die Regelung muss MATLAB®/Simulink eingesetzt werden.	1

Tabelle 3: Arbeitspakete für Sprint 1

AP	Beschreibung	Req.	Zuständigkeit
2.1	Spurerkennung mit der Pixy2.1	3, 9	Berkemeier
2.2	Berechnung der Ist-Ablage zur Sollinie	1	Berkemeier
2.3	Geregelte Fahrt in der rechten Fahrspur anhand der Ist-Ablage.	1	Berkemeier
2.4	Messung der Ist-Position mittels Topcon Robotic Total Station	2, 4	Steffens
2.5	Glättung der Messwerte mittels Kalman-Filter (x, y, vx, vy)	5	Steffens
2.6	Schätzung der Roboterpose $\mathrm{\Psi }$	1	Steffens
2.7	Einzeichnen der Messwerte in die digitale Karte und Speicherung der Karte als Rundkurs.mat	6	Steffens
2.8	Überarbeitung/Verbesserung des Artikels Referenzmessung_mit_der_Topcon_Robotic_Total_Station	8	Berkemeier

Test und Dokumentation (Check)

Modultests

Nutzen Sie die in Reliability Engineering gelehrten Methoden zum Modultest.

• MATLAB^®-Quelltext: MATLAB^®-Modultest
• Simulink-Modell: Simulink Test

Tabelle 6: Bereitgestellte Demos und Daten

#	Modul	Testverfahren	Verantwortung	Testbericht
1	MittelLinie_W.mat	Array mit Mittellinie für AP 1.2
2	RechteFahrspur_W.mat	Array mit Sollinie in der Mitte der rechten Fahrspur für AP 1.9
3	LinkeFahrspur_W.mat	Array mit Sollinie in der Mitte der rechten Fahrspur für AP 1.9
4	berechneEntfernungPunktGerade.m	Berechnung der Ist-Ablage des Prismas zur Sollinie (AP 1.2)	Testbericht
5	Demo_Char2Float.ino	C-Demo für die Umwandlung eines Char in Float
6	DemoSendeFloatSerial.ino	C-Demo versendet Fließkommazahl via Serial IO.
7	empfangeBluetoothFloat.m	MATLAB®-Demo für den Empfang einer Fließkommazahl via Bluetooth
8	DemoSoftwareSerial.ino	C-Demo für bidirektionale Bluetooth Kommunikation
9	BluetoothIO.m	MATLAB®-Demo für bidirektionale Bluetooth Kommunikation
10	testBerechneRegelabweichungSpur.m	Ein gemessener Punkt wird in der Fahrspur in W-KOS angezeigt und der Abstand d zur Mitellinie berechnet.
11	KosTrafoTzuWelt.m	Koordinatentransformation eines Punktes vom T-KOS in das W-KOS anhand der Referenzpositionen A und B.
12	testeKosTrafoTzuWelt.m	Test und Visualisierung der KOS-Trafo	Testbericht

Systemtest gegen die Anforderungen

Tabelle 4: Systemtest gegen die Anforderungen

Req.	Beschreibung	Testergebnis	Erfüllt
1	Ein AlphaBot muss die Mittellinien der Fahrbahn autonom verfolgen.	Modultest, geregelteFahrtMittellinie.m	✕
2	Als Referenzmessystem kommt die Topcon Robotic Total Station zum Einsatz.	SDE WS25: AP 1.1 Positionsmessung des AlpaBot	✓
3	Der AlphaBot muss zur Positionsregelung die Referenzdaten verwenden und als Stützung für die Linienverfolgung nutzten.		✕
4	Die Messwerte Pose (x, y, Kurs) und Farbe müssen mit MATLAB® aufgezeichnet werden.		✕
5	Fehler in den Messwerten müssen bereinigt werden.		✕
6	Die zweidimensionale digitalen Karte mit gemessener Mittellinie muss als MATLAB®-Datei (.mat) bereitgestellt werden.		✕
7	Das Vorgehen muss am KANBAN-Board geplant und verfolgt werden.	KANBAN Übersicht	✓
8	Lösungsweg und Lösung muss im Wiki für nachfolgende Studierende verständlich dokumentiert werden.	Ein Teil der Lösungen wurden dokumentiert und in Tabelle 3 verlinkt.	✕
9	Nach Erstellen der digitalen Karte muss die Fahrt des AlphaBot in der rechten Fahrspur in der Karte eingezeichnet werden.		✕
10	Als Vorbereitung des nächsten Sprints muss eine Kamerahaltung für die Pixy2.1 für den AlphaBot geplant, designed, gedruckt, getestet und dokumentiert werden.	Kamerahalterung	✕

Anhang

Wichtige Links:

• https://docs.pixycam.com/wiki/doku.php?id=wiki:v2:pixy_serial_protocol
• https://www.waveshare.com/UNO-PLUS.htm
• https://www.waveshare.com/wiki/UNO_PLUS
• Einstellung der Kamera: https://docs.pixycam.com/wiki/doku.php?id=wiki:v2:porting_guide

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