AMR 2022

Aus HSHL Mechatronik
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Dieses Artikel befasst sich mit dem Aufbau des autonomen mobilen Roboters AMR 2022 an der HSHL.


Systemübersicht

Konstruktion

Fahrgestell

Aktuatorenschalter

Der Aktuatorenschalter schaltet den Fahrtenregler und Lenkservo aus, sodass keine Fahrt- und Lenkbewegung möglich ist.

Stellung Funktion von hinten auf den Wagen schauend
Links Regler ein
Mitte Regler aus
Rechts Regler aus

Motor

Anschlüsse

Der Motor verfügt über zwei Anschlüsse. Der erste Anschluss dient zur Steuerung der drei Phasen des Motors A, B und C seitens des Fahrtenregler. Da diese Leitungen hohe Ströme führen, ist äußerste Vorsicht bei der Umgang mit denen geboten. des weiteren sind diese ansclüsse kurz zu halten um Störungen zu vermeiden. Der zweite Anschluss ist der Sensoranschluss. Hier überträgt der Motor mit hilfe von Hallsensoren am Stator den Stand des Rotors an dem Fahrtenregler, um die Transisitor Brücken des Reglers im passenden Momentan zu schalten, sodass sich für den Motor an den Phasen A B C ein Drehfeld ergibt, welches den Rotor des Motors kontinuierlich beschleunigt oder bremst.

Hall-Sensor

Der Sensoranschluss des Motors wird in Form eines 6-poligen JST ZH-Buchse mit Rastermaß 1,5mm bereitgestellt. Die Signale sind wie folgend belegt:

Pin Farbe Funktion
1   Schwarz GND
2   Orange Phase A
3   Weiß Phase B
4   Grün Phase C
5   Blau NC
6   Rot NC

Bei etwa der maximalen Geschwindigkeit ergeben sich Motorphasen der Periodendauer von ca. 10,2ms. Die Mindestzeit zwischen zwei Flanker der Hall-Phasen beträgt dabei ca. 1,5ms.

  • Hall-Signale des Motors bei maximaler Geschwindigkeit

    Hall-Signale des Motors bei maximaler Geschwindigkeit

Anschluss an Adapterplatine

Die Hall-Signale vom Motor werden an J8_Hall wie folgt an der Adapterplatine angeschlossen:

Funktion Anschluss auf Adapterplatine J8_Hall Anschluss auf Adapterplatine J9_Hall_in Anschluss auf DS1104
Hall A 6 1 & 2
Hall B 5 3 & 4
Hall C 4 5 & 6

Des Weiteren werden die Hall-Signale über eine XOR-Kombinationslogik bearbeitet und zur Geschwindigkeitsermittlung genutzt. Weitere Informationen dazu sind verfügbar unter: Signalverarbeitung und Geschwindigkeitsermittlung.

Damit die Hall-Signale auch von Kombinationslogik erfasst werden können, müssen diese auf der Adapterplatine über Jumper zu Kombinationschip weitergeleitet werden. Auf dem Wannenstecker J18 müssen jeweils die gegenüberliegenden Pins miteinander verbunden werden. Also 1 mit 2, 3 mit 4 und 5 mit 6. Analog dazu muss der Ausgang der Kombinationslogik mit der DS1104-Karte verbunden werden. Dazu müssen auf Wannenstecker J19 Pin 1 mit 2 und Pin 3 mit 4 verbunden werden.

Die Hall-Signale sowie das kombinierte Signal sind wie folgt auf der DS1104 verfügbar:

Funktion Anschluss auf DS1104
Hall A IO6
Hall B IO7
Hall C IO8
Kombi-Hall-Signal IO19
Invertiertes Kombi-Hall-Signal IO17

Empfängermodul

Diese Beschreibung beschränkt sich zunächst auf dem Fernbedienungsempfänger Futaba F143F 50MHz FM. Nichtsdestotrotz können die hier enthaltene Informationen auf andere Empfänger für die gleiche Anwendung übertragen werden.

Der Fernbedienungsempfänger empfängt die Radiosignale der Fernbedienung und gibt Steuersignale zum Lenkservo und Fahrtenregler ab.


Anschlüsse

Die Stromversorgung des Empfängers erfolgt über den Fahrtenregler, der wiederum die Versorgung von Fahrakku entnimmt. Gemessen ist ein Versorgungspegel von 5V.

Die Versorgung des Empfängers kann auch über den BAT- oder B/C-Anschluss erfolgen. Zu beachten ist, dass die Masse- und Versorgungsanschlüsse jeweils über alle Steckplätze kurzgeschlossen sind. An den Anschlüssen CH1 - CH3 können 3 Ausgänge angeschlossen werden. Hier werden der Fahrtenregler an CH1 und der Lenkservo an CH3 angeschlossen. CH1 ist mit einem Failsafe ausgestattet, fällt der Empfang aus wird der Motor abgeschaltet, bzw. in eine definierte Position gebracht.


  • Skizze des Fernbedienungs-empfängers Futaba F143F

    Skizze des Fernbedienungs-empfängers Futaba F143F

Lenk-Signal

Das Lenksignal wird als PWM-Signal vom Empfänger an dem Lenkservo gegeben. Das Signal ist wie folgend beschaffen:

Parameter Wert
Amplitude 3 V
Periodendauer 18,50 ms
Frequenz 54 Hz
Pulsweite Lenkung 0-Position 1,52 ms
Tastgrad Lenkung 0-Position 8,22%
Pulsweite Lenkung Rechts 1,10 ms
Tastgrad Lenkung Rechts 5,94%
Pulsweite Lenkung Links 1,92 ms
Tastgrad Lenkung Links 10,38%
  • Periodendauer des PWM-Lenksignals

    Periodendauer des PWM-Lenksignals

  • Amplitudenmessung des PWM-Lenksignals

    Amplitudenmessung des PWM-Lenksignals

  • Pulsweite bei Lenkwinkel = 0

    Pulsweite bei Lenkwinkel = 0

  • Pulsweite bei Rechtsauschlag

    Pulsweite bei Rechtsauschlag

  • Pulsweite bei Linksauschlag

    Pulsweite bei Linksauschlag


Gas-Signal

Ähnlich wie das Lenksignal wird das Gassignal in einem PWM-Signal moduliert. Das Signal hat folgende Eigenschaften:

Parameter Wert
Amplitude 2,7 V
Periodendauer 18,50 ms
Frequenz 54 Hz
Pulsweite bei Pedal 0-Position 1,50 ms
Tastgrad Pedal 0-Position 8,11 %
Pulsweite Vollgas Vorwärts 1,93 ms
Tastgrad Vollgas Vorwärts 10,43 %
Pulsweite Vollgas Rückwärts 1,11 ms
Tastgrad Vollgas Rückwärts 6 %
  • Periodendauer des PWM-Gassignals

    Periodendauer des PWM-Gassignals

  • Amplitudenmessung des PWM-Gassignals

    Amplitudenmessung des PWM-Gassignals

  • Pulsweite bei Pedalstellung = 0

    Pulsweite bei Pedalstellung = 0

  • Pulsweite bei Vollgas in Vorwärtsrichtung

    Pulsweite bei Vollgas in Vorwärtsrichtung

  • Pulsweite bei Vollgas in Rückwärtsrichtung

    Pulsweite bei Vollgas in Rückwärtsrichtung

Signalschwankungen

Die oben dargestellten Pulsbreiten der Signale schwanken bei konstanter Betätigung der Fernbedienung um ca. 65µs.

  • Schwankung der Pulsbreite der Fernbedienungssignale

    Schwankung der Pulsbreite der Fernbedienungssignale

Anschluss des Empfängermoduls an Adapterplatine

Die Fahr- und Lenksignale der Fernbedienung werden an der Adapterplatine auf Stecker J9 angeschlossen, der wie folgt belegt ist:

Funktion Pin auf J9 Anschluss auf DS1104
Nicht verbunden 1
Lenksignal der Fernbedienung 2 SCAP1
Fahrsignal der Fernbedienung 3 SCAP2
Vcc 4
GND 5
  • Anschluss des Empfangsmodul an Adapterplatine

    Anschluss des Empfangsmodul an Adapterplatine

Fahrtenregler und Lenkservo

Fahrtenregler

Der Fahrtenregler hat folgende Eingangsverkabelung:

Pin Farbe Funktion
1   Schwarz GND
2   Rot Vcc
3   Weiß PWM-Eingang

Lenkservo

Der Lenkservo hat folgende Eingangsverkabelung:

Pin Farbe Funktion
1   Braun GND
2   Rot Vcc
3   Weiß PWM-Eingang


Die Steuersignale für Fahrtenregler und Servo aus der DS1104 sind auf Stecker J10 zu finden. Der Stecker hat folgende Belegung:

Funktion Pin auf J9 Anschluss auf DS1104
Nicht verbunden 1
PWM-Ausgang des Lenksignals 2 ST2PWM
PWM-Ausgang des Fahrsignals 3 SPWM7
Vcc bei Geschlossenen Jumper auf J21 4
GND 5

Es besteht auch die Möglichkeit, Den Fahrtenregler und Servo an Vcc der Adapterplatine anzuschliessen. Dazu müssen beide Pins des Steckers J21 miteinander über ein Jumper angeschlossen werden.

  • Anschluss zu Ansteuerung des Fahrtenreglers und Servo

    Anschluss zu Ansteuerung des Fahrtenreglers und Servo

  • Jumper zu Weiterleitung von Vcc zu Pin 4 von Stecker J10

    Jumper zu Weiterleitung von Vcc zu Pin 4 von Stecker J10


Verkabelung

  • Blockdiagramm der Komponenten und Verkabelung im Fahrgestell

    Blockdiagramm der Komponenten und Verkabelung im Fahrgestell

Karosserie

Adapterplatine

Versorgt wird die Adapterplatine aus dem Powerpanel mit 5V über den Stecker J1

  • Skizze der Adapterplatine

    Skizze der Adapterplatine

  • Anschlüsse der Adapterplatine

    Anschlüsse der Adapterplatine

  • Stecker J1 zur Spannungsversorgung der Adapterplatine mit 5V

    Stecker J1 zur Spannungsversorgung der Adapterplatine mit 5V

Auch verfügt die Adapterplatine über 2 Anschlüsse zur Spannungsmessung der Akkus. PC-Akkus können an J27 angeschlossen werden und Fahr-Akku an J26. Über Analogeingang der DS1104 können die Spannungen an der Akkus gemessen werden.

Funktion Pinnummer auf Stecker J26 Anschluss an DS1104
GND 1
Spannungseingang Fahrakku 2 ADCH2
Funktion Pinnummer auf Stecker J26 Anschluss an DS1104
GND 1
Spannungseingang PC-Akku 1 2 ADCH3
Spannungseingang PC-Akku 2 3 ADCH1


  • Stecker zur Messung der Spannung am Fahrakku

    Stecker zur Messung der Spannung am Fahrakku

  • Stecker zur Messung der Spannungen an PC-Akkus

    Stecker zur Messung der Spannungen an PC-Akkus


Anschlüsse an der Adapterplatine

NC: Not Connected, Pin nicht angeschlossen bzw. ohne Funktion.

Stecker auf Adapterplatine Funktion Pin Auf Stecker Pin-Funktion Pin auf dSPACE DS1104
J1 5V DC 1 Vcc = 5V
2 GND
J2 Spannungsversorgung der Kamera 1 Vcc
2 GND
J3 Steuersignal der blauen LED-Diode

(Fernbedienungseingriff)

1 Vcc
2 GND
3 Steuersignal IO15, B-27
J4 Eingang der Hall-Signale vom Motor 1 NC
2 Hall-Signal A IO6, A-31
3 Hall-Signal B IO7, B-31
4 Hall-Signal C IO8, A-30
5 GND
J5 Infrarotsensor 3 hinten rechts 1 Vcc
2 GND
3 Analogausgang des Sensors , A-44
J6 Infrarotsensor 2 hinten seitlich 1 Vcc
2 GND
3 Analogausgang des Sensors , B-46
J7 Ultraschallsensor 1 vorne links 1 GND
2 Triggersignal des Sensors , A-16
3 Triggersignal des Sensors , A-16
4 Echosignal des Sensors , A-7
5 Vcc
J8 Ultraschallsensor 2 vorne rechts 1 GND
2 NC
3 Triggersignal des Sensors ,
4 Echosignal des Sensors ,
5 Vcc
J9 Eingangssignal der Fernbedienung 1 NC
2 Lenksignal der Fernbedienung , A-9
3 Fahrsignal der Fernbedienung , A-8
4 Vcc
5 GND
J10 Ausgangssignal zu Fahrtenregler 1 NC
2 Lenksignal , B-12
3 Fahrsignal , B-16
4 Vcc bei eingesetztem Jumper J21
5 GND
J11 UART RS232 1 CTS , B-3
2 RTS , A-3
3 DRS , B-4
4 GND
5 DTR , A-4
6 RXD , B-5
7 TXD , A-5
8 DCD , B-2
J12 Infrarotsensor 4 hinten links 1 Vcc
2 GND
3 Analogsignal des Sensors , B-44
J13 Taster 1 GND
2 Taster 1 , B-29
3 Taster 2 , A-28
4 Taster 3 , B-28
5 Taster 4 , A-27
J14 Infrarotsensor 1 vorne seite 1 Vcc
2 GND
3 Analogsignal des Sensors , A-46
J15 Anschluss A an der dSPACE DS1104
J16 Anschluss B an der dSPACE DS1104
J17 Jumper zur Auswahl, welche Achse aus Gyrosensor gelesen wird 1 Z-Achse
2 Ausgangssignal der gewählten Achse , B-48
3 X-Achse
J18 Jumper zur durchleitung der Hall-Signale zu der XOR-Auswertelogik 1 Eingang Hall-A
2 Ausgang Hall-A
3 Eingang Hall-B
4 Ausgang Hall-B
5 Eingang Hall-C
6 Ausgang Hall-C
J19 Ausgang der XOR-Auswertelogik der Hall-Signale. Weiterleitung der Signale über Jumper 1 Anschluss des Ausgangssignals von Hall-Auswertelogik an DS1104 , B-25
2 Ausgangssignal von Hall-Auswertelogik
3 Anschluss des invertierten Ausgangssignals von Hall-Auswertelogik an DS1104 , B-26
4 Invertiertes Ausgangssignal von Hall-Auswertelogik
J20 Steuerung der Lichter 1 GND
2 Blinker Links
3 Blinker Rechts
4 Bremslicht
5 Rückfahrlicht
6 Fahrlicht
J21 Jumper zur Durchleitung von Vcc zu Fahrtenregler 1 Pin 4 auf J10
2 Vcc
J22 Jumper zur Auswahl des Z-Signals aus dem Gyrosensor. Es soll entweder 1 mit 2 oder 2 mit 3 verbunden werden 1 1x Z
2 Weiterleitungspin
3 4x Z
J23 Jumper zur Auswahl des X-Signals aus dem Gyrosensor. Es soll entweder 1 mit 2 oder 2 mit 3 verbunden werden 1 1x X
2 Weiterleitungspin
3 4x X
J24
J25
J26 Spannungseingang des Fahr-Akkus zur Spannungsmessung 1 GND
2 Spannungseingang Akku , B-50
J27 Spannungseingang der PC-Akkus zur Spannungsmessung 1 GND
2 Spannungseingang Akku 2 , A-50
3 Spannungseingang Akku 1

Gyrosensor

Im AMR 2013 wird der Gyroskop LPR510AL eingesetzt. Informationen zum Gyrosensor können hier gelesen werden.

Per Jumper können 3 Einstellungen vorgenommen werden:

  • X-Signal wird einfach oder vierfach verstärkt.
Funktion Pins auf J23 kurzschließen
X-Signal einfach verstärkt 1 und 2
X-Signal vierfach verstärkt 2 und 3
  • Z-Signal wird einfach oder vierfach verstärkt.
Funktion Pins auf J22 kurzschließen
Z-Signal einfach verstärkt 1 und 2
Z-Signal vierfach verstärkt 2 und 3
  • X- oder Z-Signal werden an DS1104 weitergeleitet.
Funktion Pins auf J17 kurzschließen
Z-Signal an DS1104 weiterleiten 1 und 2
X-Signal an DS1104 weiterleiten 2 und 3
  • Jumper zur Auswahl des Gyrosignals X und Z

    Jumper zur Auswahl des Gyrosignals X und Z

  • Jumper zu Auswahl der Verstärkung des Z-Signals des Gyrosensors 1- oder 4-Fach

    Jumper zu Auswahl der Verstärkung des Z-Signals des Gyrosensors 1- oder 4-Fach

  • Jumper zu Auswahl der Verstärkung des X-Signals des Gyrosensors 1- oder 4-Fach

    Jumper zu Auswahl der Verstärkung des X-Signals des Gyrosensors 1- oder 4-Fach

Rechner

dSPACE DS1104 RCP

Kamera

VRmagic D2 OEM-Version Spannungsversorgung mit Vcc=5V von der Adapterplatine (J2) und Anschluss an dem Rechner über die Ethernet-Schnittstelle

Funktion Pins auf J2
5V-Versorgung der Kamera 1
GND 2
  • Stecker zur Spannungsversorgung der Kamera

    Stecker zur Spannungsversorgung der Kamera

LIDAR

Ultraschallsensoren

Vorgesehen sind 2 Ultraschallsensoren zur Distanzmessung zu Hindernissen vor dem Fahrzeug. Diese werden an Stecker J7 und J8 angeschlossen.

Sensorposition Sensornummer Anschluss auf Adapterplatine
Vorne Links 1 J7
Vorne Rechts 2 J8

Der Sensor 1 ist wie folgt verdrahtet:

Funktion Pinnummer auf Stecker J7 Anschluss an DS1104
GND 1
Triggersignal 2 SPWM1
Triggersignal 3 SPWM1
Echosignal 4 SCAP3
Vcc 5

Der Sensor 2 ist wie folgt verdrahtet:

Funktion Pinnummer auf Stecker J8 Anschluss an DS1104
GND 1
Nicht verbunden 2
Triggersignal 3 SPWM2
Echosignal 4 SCAP4
Vcc 5
  • Stecker für die Ultraschallsensoren

    Stecker für die Ultraschallsensoren

IR-Sensoren

Es sind 4 Infrarotsensoren zur Abstandsmessung am Fahrzeug angebracht. Weitere Information zum Sensor können hier entnommen werden. Die Sensoren werden wie folgt angeschlossen:

Sensorposition Sensornummer Anschluss auf

Adapterplatine

Anschluss auf

DS1104

Hinten Rechts 3 J5 ADCH7
Seite Hinten 2 J6 ADCH6
Hinten Links 4 J12 ADCH8
Seite Vorne 1 J14 ADCH5

Dabei haben alle Sensoren folgende Verdrahtung:

Funktion Pinnummer
Vcc 1
GND 2
Analogausgang des Sensors 3
  • Skizze Sensorpositionen Infrarotsensoren

    Skizze Sensorpositionen Infrarotsensoren

  • Anschlüsse der Infrarotsensoren auf der Adapterplatine

    Anschlüsse der Infrarotsensoren auf der Adapterplatine

Lichter

Fahrzeugbeleuchtung

  • Anscluss der Lichter an Adapterplatine

    Anscluss der Lichter an Adapterplatine

Funktion Anschluss auf

Adapterplatine J20

Anschluss auf DS1104
GND 1 GND
Blinker Links 2 IO9
Blinker Rechts 3 IO5
Bremse 4 IO1
Rückfahrlicht 5 DACH8
Fahrlicht 6 Vcc / immer an!
Anschlussplatine der Beleuchtung

Eingriffsbeleuchtung / Blaue LED

Die blaue LED zu Signalisierung des Fernbedienungseingriff wird über Stecker J3 angeschlossen.

Funktion Pin auf J3 Anschluss auf DS1104
Vcc 1
GND 2
Steuersignal der Diode 3 IO15
  • Anschluss der blauen LED an Adapterplatine

    Anschluss der blauen LED an Adapterplatine

Powerpanel

Taster

Programmtaster

Es sind 4 Programmtaster vorhanden. Damit können verschiedene Programmmodi geschaltet werden. Die Taster sind an der Adapterplatine an Stecker J13 angeschlossen.

Funktion Pin auf J3 Anschluss auf DS1104
GND 1
Taster 1 2 IO11
Taster 2 3 IO12
Taster 3 4 IO13
Taster 4 5 IO14
  • Anschluss der Taster an der Adapterplatine

    Anschluss der Taster an der Adapterplatine

Schaltung und Layout

Anschlüsse des Mikrocontrollers

Folgende Tabelle zeigt die Funktion der Anschlüsse des Mikrocontrollers auf der Steuerplatine

Pin Port/Name Funktion
1 PB0 PC_ON_SWITCH
2 PB1 PC_ON_SIGNAL
3 PB2 uC_PC_PWR_ENABLE
4 PB3 Einschalten Bar-Anzeige 1
5 PB4 Einschalten Bar-Anzeige 2
6 PB5 Baranzeige LED0
7 PB6 Baranzeige LED1
8 PB7 Baranzeige LED2
9 !RESET
10 VCC
11 GND
12 NC
13 NC
14 PD0 uC_ENABLE_PC_BAT
15 PD1 uC_ENABLE_PC_EXTERNAL
16 PD2 Baranzeige LED3
17 PD3 Baranzeige LED4
18 PD4 Baranzeige LED5
19 PD5 Reserviert für ein Buzzer
20 PD6 Baranzeige LED6
21 PD7 Baranzeige LED7
22 PC0 Baranzeige LED8
23 PC1 Baranzeige LED9
24
25
26
27
28 PC6 BAT_CHECK_SWITCH
29
30
31
32
33
34
35
36
37 PA3 Status-LED der externen Stromversorgung (Netzteil)
38 PA2/ADC2 Spannungsmessung Fahr-Akku
39 PA1/ADC1 Spannungsmessung externe Versorgung (Netzteil)
40 PA0/ADC0 Spannungsmessung PC-Akku

Aufladen der Akkus

Verkabelung

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