ArduMower: Kartierung in Matlab/Simulink

Abb. 1: Matrix-basierte Karte der zu mähenden Fläche in MATLAB/Simulink

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt den Aufbau einer Matrix-basierten Karte zur Darstellung des aktuellen Mähstandes eines Rasenmähroboters (vgl. Abb. 1). Der Anstoß zur Entwicklung dieser Karte lieferte das Projekt "ArduMower", in dem der Kollege Prof. Göbel und der Autor dieses Artikels mit Studierenden gemeinsam einen autonomen Rasenmäher entwickeln, siehe Projekt ArduMower.

Das systematische Vorgehen bei der Entwicklung des Modells orientiert sich am V-Prozessmodell.

Anforderungen

Im Lastenheft des Projektes ArduMower wird die Erstellung einer selbstlernenden Karte gefordert(vgl. Tabelle 1).

Tabelle 1: Anforderung an die Komponente "Karte" - Auszug aus dem Lastenheft

Im Pflichtenheft taucht daraufhin der Punkt Selbstlernende Karte auf, konkrete Anforderungen werden jedoch nicht näher spezifiziert (vgl. Tabelle 2).

Tabelle 2: Anforderung an die Komponente "Karte" - Auszug aus dem Pflichtenheft

Zur Entwicklung der Komponente Selbstlernende Karte werden konktete Anforderungen gestellt (vgl. Tabelle 3). Diese sollten stets eindeutig, testbar, widerspruchsfrei und atomar formuliert werden.

Tabelle 3: Anforderung an die Komponente `Selbstlernende Karte`
ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Die Karte muss als Matrix mit der Rastergröße 30cm umgesetzt werden (Grid-Map).	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
2	Die Perimeterschleife muss rot markiert werden.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
3	Die aktuelle Position des Mähers muss blau markiert werden.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
4	Hindernisse müssen magenta markiert werden.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
5	Unbekannte Bereiche müssen weiß bleiben.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
6	Ungemähter Rasen muss dunkelgrün und gemähter Rasen hellgrün markiert werden.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
7	Die Karte muss zyklisch aktualisiert werden.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
8	Die Umsetzung muss als Matlab-Skript erfolgen, so dass eine Einbindung in Simulink als Matlab-Funktion möglich ist.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
9	Eingangsgrößen der Funktion `Kartenfunktion.m` sind Aktuelle Positionen in m: xNeu,yNeu Alter Positionsvektor in m: PosAlt Ausrichtung der Karte in deg: Ausrichtung Aktuelle Karte: Karte Signale zur Objekterkennung: Bumper,Ultraschall Signalstärke der Perimeterschleife: Perimeterschleife	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
10	Ausgangsgrößen der Funktion `Kartenfunktion.m` sind Aktueller Positionsvektor in m: PosNeu Aktuelle Karte: Karte	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
11	Die Initialisierung muss 1s und die zyklische Darstellung muss 1ms unterschreiten.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018
12	Bei Kommentierung und Dokumentation muss sich an die Projektrichtlinien gehalten werden.	Prof. Schneider	18.01.2018	Hr. Kreuer	18.01.2018

Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf

Bei der Größe des zu erstellenden Modells werden die Schritte Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf des V-Modells zusammen gelegt und bereits Schnittstellen zwischen den einzelnen Blöcken definiert (vgl. Abb. 2).

Komponentenspezifikation

Das Modell wird insgesamt als Komponente aufgefasst, d. h. die einzelnen Blöcke aus dem Systementwurf werden als Bestandteil der Komponente "Selbstlernende Karte" definiert. Die Funktion der Komponente "Selbstlernende Karte" wird in Form eines PAP spezifiziert (vgl. Abb. 3).

Programmierung

Die Programmierung unterscheidet sich

in die Initialisierung und
die zyklische Aktualisierung

der selbstlernenden Karte.

Initialisierung

In der einmaligen Initialisierung werden die Farben der Karteninhalte entsprechend der Anforderungen festgelegt. Die aColorMap wird anderen Programmteilen als globale Variable zur Verfügung gestellt.

% Farben festlegen
cUnbekannt = [1 1 1];        nUnbekannt    = 0;
cPerimeter = [1 0 0];        nPerimeter    = 1;
cNichtGemaeht = [0.5 0.8 0]; nNichtGemaeht = 2;
cGemaeht = [0 1 0];          nGemaeht      = 3;
cArduMower = [0 0 1];        nArduMower    = 4;
cHindernis = [1 0.5 1];      nHindernis    = 5;

aColorMap = [ cUnbekannt ; cPerimeter ; cNichtGemaeht ; cGemaeht  ; cArduMower ; cHindernis ];

Die Karte wird aus einer Datei geladen und in Form und Größe initialisiert. Hierzu gehört auch die beschriftung der Achsen und die Darstellung des Gitters in Meter. Die Handles hierzu werden persistent gespeichert.

Karte = imread('libraries/mKarte.png'); % Karte laden
%% Karte in Größe und Form initialisieren
mKarte = Karte; % Ursprüngliche Karte sichern
hKarte = figure;
set(hKarte,'WindowStyle', 'normal')
hImg = imshow(Karte,aColorMap); set(gca,'YDir','normal');
hAxes = gca;
set(hKarte,'Position',[1     1   500   600],'OuterPosition',[ 550   300   500   600]); % 589
set(hAxes,'OuterPosition',[-0.1068   0    1.1819    1])
set(hAxes,'Visible','on')
xt = 0: 10:size(Karte, 2)-1;
yt = 0: 10:size(Karte, 1)-1;
for i=1:length(xt)
    xtLabel{i}=num2str(xt(i)*0.3);
end
for i=1:length(yt)
    ytLabel{i}=num2str(yt(i)*0.3);
end
set(gca, 'xgrid', 'on', 'ygrid', 'on', 'xtick', xt, 'ytick', 1/2+yt, 'xticklabel', xtLabel, 'yticklabel', ytLabel)
xlabel('x in m'); ylabel('y in m');

Aktualisierung

Bei der zyklischen Aktualisierung muss:

die Position in m in die Kartenmatrix umgerechnet,
eine Aktualisierung überprüft,
die neue Position eingetragen und
die alte Position aktualisiert

werden.

Die Umrechnung erfolgt über:

nKartenPosAlt = floor((PosAlt/0.30))+1;
nKartenPosNeu = floor((PosNeu/0.30))+1;

Eine Aktualisierung ist notwenig, wenn ein neues Matrixfeld erreicht wurde:

if ~isequal(nKartenPosNeu,nKartenPosAlt)

Hindernisse werden in der Karte vermerkt oder die neue Mäherposition eingetragen:

if Bumper==1
    Karte(nKartenPosNeu(1),nKartenPosNeu(2))  = nHindernis;
    mKarte(nKartenPosNeu(1),nKartenPosNeu(2)) = nHindernis; % Hindernisse nicht aus Karten löschen
else
    Karte(nKartenPosNeu(1),nKartenPosNeu(2)) = nArduMower; % Neue Position des Mähers markieren
end

Anschließend werden die alten Mäherpositionen gemäß Anforderungen eingefärbt:

switch mKarte(nKartenPosAlt(1),nKartenPosAlt(2))
    case nNichtGemaeht
        Karte(nKartenPosAlt(1),nKartenPosAlt(2)) = nGemaeht;
    case nPerimeter
        Karte(nKartenPosAlt(1),nKartenPosAlt(2)) = nPerimeter;
    case nHindernis
        Karte(nKartenPosAlt(1),nKartenPosAlt(2)) = nHindernis;
    case nUnbekannt
        Karte(nKartenPosAlt(1),nKartenPosAlt(2)) = nUnbekannt;
end

Abschließend wird der aktualisierte Inhalt der Karte dargestellt. Hierzu wird Inhalt (Bildmatrix) direkt über das Handle hImg aktualisiert.

set(hImg,'CData',Karte); % Karte aktualisieren

Komponententest

Da es sich bei dieser Entwicklung um die einer einzelnen Komponente handelt, schließt der Komponententest mit dem Testbericht die Entwicklung ab.

ID	Testfallbeschreibung	Eingänge x,y,PosAlt,Ausrichtung,Karte,Bumper,Ultraschall,Perimeterschleife	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Der Mäher fährt kein Feld weiter.	0.1, 0.0, [0;0], 0, Karte, 0, 0, 1000	Kein neues Feld wird blau markiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
2	Der Mäher fährt auf der Perimeterschleife.	0.6, 0.0, [0.3;0.0], 0, Karte, 0, 0, 1000	Neues Feld wird blau markiert, altes Feld wird rot markiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
3	Der Mäher fährt ein Feld weiter.	0.3, 0.0, [0;0], 0, Karte, 0, 0, 1000	Neues Feld wird blau markiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
4	Der Mäher trifft auf ein Hindernis.	34.0, 4.0, [33.7;4.0], 0, Karte, 1, 0, 1000	Neues Feld wird magenta markiert, altes Feld wird hellgrün markiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
5	Das überschreitet die Perimeterschleife in unbekanntes Gebiet.	0.0, 3.0, [0.3;3.0], 0, Karte, 0, 0, 1000	Neues Feld wird weiß markiert, altes Feld wird rot markiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
6	Das Fährt auf ungemähtem Rasen.	0.6, 0.6, [0.3;0.3], 0, Karte, 0, 0, 1000	Neues Feld wird blau markiert, altes Feld wird hellgrün markiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
6b	Das Fährt auf gemähtem Rasen.	0.6, 0.6, [0.3;0.3], 0, Karte, 0, 0, 1000	Neues Feld wird blau markiert, altes Feld wird hellgrün markiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
7	Der Mäher fährt mit fester Zykluszeit eine simulierte Mäanderfahrt.	Mäander simuliert, ,,*, 0, Karte, 0, 0, 1000	Die Karte wird zyklisch aktualisiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
8	Einbindung des Matlab-Skriptes in Simulink.	Mäander simuliert in Simulink	Die Karte wird zyklisch aktualisiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
9	Test der Eingangsparameter	Variation der Eingangsparameter	Die Karte wird zyklisch gemäß Anforderungen aktualisiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
10	Test der Ausgangsparameter	Variation der Eingangsparameter	Die Karte wird zyklisch gemäß Anforderungen aktualisiert.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
11	Laufzeitmessung	0.3, 0.0, [0;0], 0, Karte, 0, 0, 1000	Die Initialisierung muss 1s und die zyklische Darstellung muss 1ms unterschreiten.	OK	Prof. Schneider	21.01.2018
12	Kommentierung und Dokumentation entsprechen den Projektrichtlinien	-	Code Review, Artikel-Review	OK	Prof. Göbel	21.01.2018

Als Abschluss zeigt die letzte Abbildung dieses Artikels eine Ergebnisdarstellung einer mäanderfärmig simulierten Mähfahrt.

Abb. 4: Ergebnisdarstellung der Modellierung einer selbstlernenden Karte

Zusammenfassung

Eine selbstlernende Karte wurde gemäß Anforderungen programmiert, getestet und dokumentiert. Als Ansteuerung wurde eine einfache Mäanderfahrt implementiert. Nun kann die Mähstrategie anhand dieser Karte in Echtzeit visualisiert werden.

Link zum Quelltext in SVN

SVN: ArduMower Softwareprojekt

→ zurück zum Hauptartikel: Projekt ArduMower