Fahrzeughardware

Allgemeines

Das Fahrzeug basiert auf einem normalen 1:10 RC-Fahrzeug der Firma LRP. Auf dessen Grundgerüst ist ein DS1104 R&D Controller Board der Firma DSpace installiert, mit welchem alle angebrachten Sensoren verbunden sind. Über einen VGA-Anschluss an der Front des Fahrzeugs hinter dem Laserscanner kann der Boardcomputer mit einem Monitor verbunden werden.

Bild: Julia Müller (Diskussion) 11:35, 5. Feb. 2014 (CET), aktualisiert durch Sascha Dienwiebel

Nachfolgende Abbildung zeigt die Maße des Fahrzeugs und dessen maximalen Lenkeinschlag nach Komplettmontage.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 14:06, 6. Feb. 2014 (CET)

Versorgung

Hier befindet sich Informationen zur Energieversorgung des Fahrzeugs. Sowohl den Aufbau des PowerPanels als auch eine Anleitung zum Aufladen.

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

für die Fernbedienung siehe Fernbedienung Hardware-Anbindung

für die Taster siehe Taster

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

Fahrzeug hoch-/runterfahren

Einschalten im Netzbetrieb

Nach anschließen des Netzteils läuft der Boardcomputer für ein paar Sekunden an und verweilt anschließend wieder im Modus "Aus". An dem am Heck des Fahrzeugs liegenden Panel befindet sich ein grüner Taster. Dieser muss einmal kurz betätigt werden, um den Boardcomputer des Fahrzeugs zu starten.

Autor: Philipp Tewes (Diskussion) 14:06, 1. Feb. 2017 (CET)

Bild: Philipp Tewes (Diskussion) 14:06, 1. Feb. 2017 (CET)

Einschalten im Akku-Betrieb

Um das Fahrzeug alleine über die Akkus zu versorgen, muss der rote Kippschalter am Panel eingeschaltet werden. Auch hier gilt im Anschluss das Betätigen des grünen Tasters, wie beim Einschalten im Netz-Betrieb.

Bild: Philipp Tewes (Diskussion) 13:58, 1. Feb. 2017 (CET)

Autor: Philipp Tewes (Diskussion) 13:58, 1. Feb. 2017 (CET)

Ausschalten des PCs

Grundsätzlich wird der PC durch softwaretechnisches Herunterfahren des ausgeschaltet.

Im Notfall ist dies aber entweder durch Drücken des roten Kippschalters (Ein-/Ausschalter) des Powerpanels im Akkubetrieb oder durch Herausziehen des Netzteilsteckers im Netzbetrieb möglich.

ACHTUNG!! Automatisches Herunterfahren des PCs im akkubetrieb möglich, wenn Akkuspannung unter 13,1V fällt (Sicherheitsabschaltung/Unterspannungsschutz). Beim Arbeiten im Akkubetrieb sollte demnach auf die Spannung geachtet und zwischendurch oft gespeichert werden.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 16:46, 4. Feb. 2014 (CET)

Ansteuerung des Antrieb- und Servomotors einschalten

Um mit dem Bordcomputer sowohl im Netz- als auch im Akku-Betrieb die Motoren ansteuern zu können, muss der silberne Kippschalter (versteckt hinter dem Powerpanel) in nachfolgender Abbildung entweder in die rechte oder linke Stellung gestellt werden. Bei Mittelstellung ist die Ansteuerung unterbrochen.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 14:03, 6. Feb. 2014 (CET)

Sensoren

Autor: Julia Müller (Diskussion) 12:12, 5. Feb. 2014 (CET)

Taster

Die Taster an der Rückseite des Fahrzeugs dienen der Aktivierung der verschiedenen Algorithmen, d.h. Einparkalgorithmus oder Fahrt auf Rundkurs.

Bild: Philipp Tewes (Diskussion) 13:58, 1. Feb. 2017 (CET)

Die Taster sind wie folgt belegt und mit der DS-Karte verbunden:

Taster	Funktion	DS1104-Anschluss
Weiß	Rücksetzung des Einparkvorgangs	IO14
Gelb	Bahnspurführung Rundkurs ohne Hindernisse	IO12
Blau	Bahnspurführung Rundkurs mit Hindernissen	IO13
Rot	Einparkalgorithmus starten	IO11
Grün	PC hochfahren

Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter SVN Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx

Der weiße Taster wird aktuell für die Rücksetzung des Einparkvorgangs verwendet. Er könnte später auch für das Zurücksetzen der anderen Funktionen genutzt werden.

Die Implementierung der Taster in das Simulinkmodell ist unter "Einlesen der Taster" erklärt.

Autoren:

Julia Müller (Diskussion) 10:22, 4. Feb. 2014 (CET)

Sascha Dienwiebel (Diskussion) 12:56, 4. Feb. 2014 (CET)

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

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.

$l=\frac{1}{2}\cdot \frac{c \cdot \delta t}{n}$ (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:

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

Die Division durch 2 in Formel (2) muss erfolgen, da das Licht den doppelten Weg zurückgelegt hat.[HeSch09]

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.

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 (Beispielhaft, siehe Update)

(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.

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

Update!!!

Durch Austausch des Motors hat sich die Flankenanzahl verändert. Hierdurch passten die Messungen von Länge und Geschwindigkeit nicht mehr. Der neu verbaute Motor bietet zwei Flanken und nicht mehr sechs wie beim zuvor verbauten. Dies wurde bei der Berechnung der Übersetzung korrigiert.

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

Update durch:Philipp Tewes (Diskussion) 14:16, 1. Feb. 2017 (CET)

Instandsetzung

Am 28.06.2018 musste eine Reparatur durchgeführt werden. Bei der Diagnose zu fehlehrhaften Werten für zurückgelegte Distanzen sind fehlende Signale zweier Hall-Sensoren aufgrund von Kabelbrüchen aufgefallen. Nach dem Austausch der betroffenen Leitungen konnte eine vollständige Funktionsfähigkeit festgestellt werden. Geschwindigkeits- und Wegberechnungen liefern wieder zuverlässige Ergebnisse.

Signalverteiler

Zwischen dem ESC und den Motoren befindet sich ein Signalverteiler. Dieser sendet die Signale der Hallsensoren weiter zur Adapterplatine. Genaue Pinbelegung folgt.

Autoren: Steffen Topp (Diskussion) und Michael Menke (Diskussion)

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

Bei dem Fahrzeug wurde der LPR510AL verwendet. Dieser Sensor wurde im Rahmen der Sensortechnik schon im Wiki beschrieben.

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)

Hinweis

Dadurch, dass das Fahrzeug in der Höhe auf dem Chassi verändert werden kann, kommt es im Änderungsfall zu starken Fehlmessungen. Wird das Fahrzeug hinten angehoben ist aufgrund der Fehlmessungen kein Einparken mehr möglich. Es sollte daher auf die Einhaltung der vorhandenen Höhe geachtet werden.

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

Update: Philipp Tewes (Diskussion) 15:21, 9. Jul. 2016 (CET)

Laser Scanner

Es ist der LIDAR Sensor URG-04LX-UG01 der Firma HOKUYU verbaut, der einen Laserstrahl im Infrarotbereich (785nm) aussendet. Grundsätzlich ist der Sensor dazu geeignet, um die Distanz und den Winkel zu einem Objekt zu messen. LIDAR Sensoren spielen eine zentrale Rolle auf dem Weg zum automatisierten Fahren. Als markantes Merkmal sind die ersten selbstfahrenden Fahrzeuge von Google beispielsweise mit einem LIDAR Sensor auf dem Dach ausgestattet, die eine Rundumsicht ermöglichen.

Funktionsweise

Um nicht nur einen einzelnen Punkt vor dem Fahrzeug zu erfassen, wird der Laserstrahl durch einen drehbaren Spiegel nach links und rechts abgelenkt. Dadurch wird ein Winkelbereich von 240° bei einer Winkelauflösung von 0.36° erfasst. Die Messung der Distanz erfolgt bei diesem Sensor nicht nach dem Time of Flight Prinzip, sondern wird durch die Phasenverschiebung des zurückreflektierten Sensorstrahls errechnet. Aus den so gewonnenen Polarkoordinaten kann die Objekt-Position in kartesischen Koordinaten errechnet werden.

Der Sensor wird über USB mit dem PC verbunden und kann durch eine mitgelieferte API über C/C++ angesprochen werden.

Rohziele des Lidar Sensors(blau)und erkannte Objekte (rot)
2 Objekte vor dem Sensor

Autor: Stephan Maier (Diskussion) 09:01, 12. Juli. 2016 (CET)

Kamera

Fernbedienung

Bei der Fernbedienung handelt es sich um eine 2-Kanal-Fernsteueranlage. Die Fernsteueranlage besteht aus einem Empfänger und einem Sender, d.h. einer Fernbedienung. Mithilfe der Fernbedienung kann sowohl die Lenkung als auch der Fahrtenregler des Fahrzeugs gesteuert werden.

Die Fernbedienung wird benötigt um das Fahrezeug einsatzfähig zu machen. Erst durch Einschalten der Fernbedienung kann das Fahrzeug autonom fahren. Vor dem ersteb Start muss die Fernbedienung kalibriert werden (siehe SVN). Nach erfolgreicher Kalibrierung ist die blau blinkende LED erloschen und das Fahrzeug kann autonom fahren. Der Eingriff, also die Betätigung der Fernbedienung, 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. Ein Eingriff ist erfolgt, sobald der Gas-/Bremshebel oder das Drehrad der Lenkung betätigt wird. Der Eingriff muss über die blau blinkende LED am höchsten Punkt des Fahrzeugs signalisiert werden.

Funktionsweise

Die Fernbedienung überträgt zwei Signale. Ein Signal liefert die Informationen über den Lenkwinkel und das zweite Signal liefert die Informationen für das Gas- und Bremsverhalten. Gesendet werden PWM-Signale. Die Übertragung erfolgt durch Quarze mit der gleichen Frequenz, die sich im Sender und Empfänger befinden. Die Fernbedienung verfügt neben dem Drehrad für die Lenkung und dem Gas-/Bremshebel über weitere Schalter und Drehräder. Diese dienen verschiedenen Einstellungen an der Fernbedienung. Beispielsweise kann mithilfe von Trimmreglern die Neutralstellung der Lenkung und des Antriebs eingestellt werden. Details zu den Einstellungen und Funktionen sind in der Bedienungsanleitung zu finden. Diese ist im SVN abgelegt. Um den RC-Modus zum ersten Mal lauffähig zu machen muss die Anleitung im SVN beachtet werden (Link. Nach aktuellem Stand ist die Fernbedienung korrekt kalibriert und einsatzbereit. Über die ControlDesk Oberfläche kann der RC-Modus getestet werden. Das Simulink-Online-Modell muss, der Anleitung entsprechend, verändert werden. Nach der Kompilierung und der erfolgreichen Übertragung auf die dSpace Karte, kann der RC-Modus vollständig genutzt werden.

Hardware-Anbindung

Der Empfänger ist mit der DS1104 Karte verbunden. Laut aktuellem Pinbelegungsplan der DS1104 (Pinbelegungsplan) ist der Empfänger wie folgt angeschlossen:

Sender-Anschluss	Kabelfarbe	DS1104 Anschluss
RC-In Signal FR	orange	SCAP2
RC-In Signal LS	orange	SCAP1
RC-Out Signal LS	orange	ST2PWM
RC-Out Signal FR	orange	SPWM7

Wobei LS für Lenk-Servo uns FR für Fahrtenregler steht.

Autor: Pascal Funke (Diskussion) 09:26, 4. Jan. 2019 (CET)

SoSe 2018

Die Kosten des Projektes im Sommersemester 2018 werden im SVN gepflegt.

→ SVN: Kostenübersicht

Autor: Steffen Topp (Diskussion)

Fahrzeug Abmessungen

Um mit dem Fahrzeug am Carolo Cup teilnehmen zu können müssen die Wettkampfregeln eingehalten werden. Unter anderem sind in diesen Regeln auch die Abmessungen des Fahrzeugs vorgeschrieben diese finden sich auch im Lastenheft unter dem Requirement REQ10.2030 wieder. Momentan hält das autonome Fahrzeug alle Anforderungen bis auf die maximale Fahrzeughöhe ein (siehe Bild "Mast der VrMagic Kamera"). Dieser müsste gekürzt werden, um die 300 mm Marke zu unterschreiten. Da die Kamera allerdings nicht am höchsten Punkt befestigt ist, stellt dies kein Problem da und kann durchgeführt werden.

Abmessung	Sollmaß nach REQ10.2030	Istmaß
Radstand	>200mm	262mm
Spurweite	>160mm	160mm
Fahrzeughöhe	<300mm	310mm

Galerie zu den Fahrzeugabmessungen
Mast des autonomen Fahrzeug zur Befestigung der Kamera
Abmessungstabelle

Autor: John Kneib (Diskussion)

Literatur

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

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

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