Kom - Kommunikation
Einleitung
Dieser Artikel wurde im Wintersemester 2022/23 komplett überarbeitet. Über eine genauere Beschreibung der Kommunikation hinaus wurde eine ausführliche Erklärung der Implementierung ergänzt und neu formuliert (für weitere Informationen siehe Versionshistorie).
Anforderungen und Ziele
Das Modul Kommunikation realisiert den Datenaustausch der einzelnen Module des Carolo Cup Fahrzeugs (CCF). Das Ziel ist es, mithilfe von C++ Code (Visual Studio 2019) die Variablen aus der Objekt- und Spurerkennung (z.B. Spurpolynom ) von PC zur x86 PCI-Erweiterungskarte zu übertragen. Der PC berechnet dabei die zu Fahrspur und die PCI-Karte DS1104 überträgt die Signale als Echtzeitmicrocontroller an die Aktoren und bildet mit verschiedenen Sensoren z.B. zur Geschwindigkeitsregelung einen Regelkreis.
Das wird realisiert indem eine serielle RS-232 Schnittstelle zum Microcontroller, in diesem Fall der Entwicklerkarte DS1104 von dSPCACE, implementiert wird.
Die weitere Verarbeitung der Daten findet in den anderen Modulen statt, die in Simulink (2019b) implementiert und auf der dSPACE-Karte ausgeführt werden. Die Spurparameter werden z.B. in BSF - Bahn- und Spurführung verarbeitet, um den Lenkwinkel aus der aktuellen Position und dem Spurpolynom zu regeln.
Konzept
Die OSE Softwareumgebung beinhaltet die Bild- und Objekterkennung mit Laserscanner die Lidar-Verarbeitung, sowie die Implementierung der RS232 Kommunikation.
Wie in Abbildung 1 zu sehen, ist die Kamera mit Ethernet an die x86-CPU verbunden, diese wiederum ist über einen COM Port über das RS-232 Protokoll mit dem dSPACE CP1104 Connector Panel verbunden. Die x86-CPU führt die "OSE_Draufsicht_Spurpolynom_RS232.exe" (C/C++ Code) aus, die einen Bildverarbeitungsalgorithmus auf das Kamerabild anwendet, um die a-, b-, c-Parameter der Fahrspur zu ermitteln. Die dSPACE Karte wird über MATLAB/Simulink programmiert und empfängt das RS-232 Protokoll über ein D-Sub Kabel.
Die OSE Softwareumgebung erkennt aus den Lidar-Daten Objekte, die in Modulen AEP - Autonomes Einparken, BSF - Bahn- und Spurführung und AuF - Antrieb und Fernbedienung benötigt werden. Mit diesen Daten kann das CCF Hindernissen auf der Teststrecke reagieren und ausweichen.
Serielle Schnittstelle: RS-232
Einen guten ersten Überblick des Recommended Standart 232 vermittelt die Definition im Wikipedia Artikel von RS-232.
Die Übertragung wird mit 8bit, also einem Byte langen Wörtern realisiert. Das heißt, dass der COM Port der x86-CPU 8 Bits in den Puffer der dSPACE Karte schreibt. Diese liest pro Zyklusschritt 8bit aus dem Puffer. Um auf diese Weise alle Bytes zu übertragen, müssen die Daten in der gleichen Reihenfolge ausgegeben und wieder eingelesen werden.
Ein Acknowledgement (ACK), Handshake, Stoppbyte und ein Parity-Byte würden die Kommunikation noch zuverlässiger machen, sind Stand Sprint2 im WiSe22/23 nicht implementiert. Auch die bidirektionale Kommunikation mit RS232 von dSPACE Karte zum PC ist nicht implementiert!
Überblick Variablen
Die zu übertragenden Daten bestehen aus mehreren Variablen, die der SVN: Schnittstellendokumentation zu entnehmen sind.
| Signalname | Datentyp | Beschreibung |
|---|---|---|
| V_x_ego | float32 (4 Byte) | Ego-Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs |
| alpha | float32 (4 Byte) | Lenkwinkel: α > 0 Lenkausschlag links, α < 0 Lenkausschlag rechts |
| Gesamtgröße des Datenpakets | 8 Byte | |
| Signalname | Datentyp | Beschreibung |
|---|---|---|
| SpurA | float32 (4 Byte) | Fahrspurparameter |
| SpurB | float32 (4 Byte) | Fahrspurparameter |
| SpurC | float32 (4 Byte) | Fahrspurparameter |
| Spurzuordnung | bool (1 Byte) | Spurzuordnung: 1 = rechte Fahrspur, 0 = linke Fahrspur |
| Stopplinie_erkannt | bool (1 Byte) | 1 = Stopplinie erkannt, 0 = keine Stopplinie erkannt |
| Stopplinienabstand | float32 (4 Byte) | Entfernung zur Stopplinie |
| n_Objekte | uint8 (1 Byte) | Anzahl relevanter Objekte (maximal 5) |
| Objekt_Nummer | uint8 (1 Byte) | Objektzähler |
| ObjektX | float32 (4 Byte) | x-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn) |
| ObjektY | float32 (4 Byte) | y-Koordinate des Objektmittelpunktes (mitte, vorn) |
| Objektbreite | float32 (4 Byte) | Objektbreite |
| Objekttiefe | float32 (4 Byte) | Objekttiefe |
| Objektausrichtung | float32 (4 Byte) | Objektausrichtung |
| Objektgeschwindigkeit | float32 (4 Byte) | Betrag des Geschwindigkeitsvektors |
| Objekt_Plausibel | uint8 (1 Byte) | Vertrauenswert für das Objekt in Prozent ( 0 = minimale Vertrauen, 100 = maximale Vertrauen) |
| Gesamtgröße des Datenpakets | 149 Byte | |
Dieses Diagramm veranschaulicht die zu sendenden Daten von PC zur dSPACE Karte:
In Abbildung 2 ist zu sehen, das zuerst das Startbyte übertragen wird, dieses wird auf 10101010(BIN) = 170(DEC) festgelegt. Darauf folgt das Spurpolynom mit den drei Polynomkoeffizienten. Da jeder Koeffizient mit einer Genauigkeit eines floats, also 32bit = 4byte berechnet wird, sind es ingesamt 12Byte für das Fahrspurpolynom. Die Stopplinienerkennung setzt sich zwei binären Variablen zusammen, die dennoch mit je einem Byte übertragen werden. Die Stoppliniendistanz wird ebenfalls mit 4byte übertragen.
Die Anzahl der Lidar-Objekte wird mit einem Byte übertragen, die Eigenschaftsparameter wie Größe, Position, Geschwindigkeit werden ebenfalls jeweils mit 4Byte übertragen, die Objektnummer und der Vertrauenswert wird mit einem Byte gesendet.
So ergibt sich eine Datenmange von über 150 Byte, die beispielhaft mit 115200 baud (byte pro Sekunde) in einer Sekunde ~720 mal übertragen wird. Die byte-genaue Größe der zu übertragenen Daten weicht von dieser Darstellung ab, da Struct Datenstrukturen in C++ immer an eine vierte Speicheraddresse gespeichert werden. Das Struct mit den 3 Spurparametern, Spurzuordnung und Stopplinie_erkannt, sowie dem Stopplinienabstand besitzt deswegen eine Variable filler1, die als Platzhalter den Zugriff auf diesen leeren Speicherplatz ermöglicht. Dies kann mit pack pragma umgangen werden, ist aber für diese Implementation nicht zwingend erforderlich!
Softwarearchitektur für die Kommunikation
Die für die OSE Softwareumgebung relevanten Dateien werden im folgendem Diagramm abgebildet.
  |
Beschreibung der Implementierung
Die OSE Softwareumgebung umfasst drei Themenbereiche:
- Die Linienerkennung, mit der die Fahrspur berechnet oder die Stopplinie identifiziert wird.
- Zweitens die Objekterkennung die aus LIDAR Daten berechnet werden (Noch nicht vollständig im Diagramm! | Stand Sprint1 WS22/23).
- Die Implementierung einer RS-232 Kommunikation mit der rs-232.c-Bibliothek von Teunis van Beelen.
Zu Beginn werden in der Hauptklasse der OSE Softwareumgebung "main.h" die Objekt- und Spurerkennung durchgeführt. So werden alle für das Fahrzeug relevanten Informationen generiert Die gesammelten Daten (Spurparameter, Stopplinie, LiDAR-Objekte, etc.) werden im Anschluss in einem Struct zusammengeführt. Mit diesem Struct wird die Funktion RS232_SendDataBigEndianFirst aufgerufen, die mit der Funktion RS232_SendByte() aus "RS232Comm.h" das Datenpaket an die dSPACE-Karte schickt.
Vom PC wird jeder Parameter in 4 Byte aufgesplittet. Es werden, inklusive 5 LiDAR Objekte, insgesamt 47 Parameter nacheinander versendet. Als erstes werden die 4 Byte des a-Parameters empfangen, dann wird der b-Parameter, anschließend der c-Parameter und so weiter. Die Daten werden in der gleichen Reihenfolge empfangen, wie sie auch versendet wurden. Um sicher zu stellen, dass der a-Parameter immer als erstes bearbeitet wird, wird einen START_BYTE von PC zu der dSPACE-Karte gesendet. Dieser wird bewusst als 10101010(BIN) = 170(DEC) gewählt. Wichtig zu beachten ist, dass die Daten im PC als Little-Endian und auf der dSPACE-Karte als Big-Endian gespeichert sind.
Konfiguration der dSPACE-Karte
Mit der RTI Toolbox von dSPACE wird eine Simulink-Bibliothek für die serielle Schnittstelle bereitgestellt. Hierfür sollte das MATLAB®/Simulink online Modell des CCF gestartet werden. Nachdem die CCF_online.slx in Simulink geöffnet wurde, kann mit Strg + L die verlinkte Bibliothek CCF_online → SEN - Sensoren - online → SenKam - Kamera geöffnet werden. Empfehlenswert ist ein Blick in die Dokumentation/Hilfe von dSPACE, die über das Kontextmenü geöffnet werden kann.
Die serielle Kommunikation wird mittels des sogenannten DS1104SER_SETUP -Blocks in Simulink initialisiert, mit einem Doppelklick auf den Block können die Einstellungen des Busses konfiguriert werden: Für die Fahrzeugskommunikation muss auf beiden Seiten eine gleiche Baudrate bestimmt werden.
Im Simulink online Modell werden die gesendeten Bytes mithilfe einer S-Function aufgeschlüsselt. Diese können in dSPACE Control Desk visualisiert und getestet werden.
Hier ist eine ausführlichere Beschreibung der S-Function im online Modell zu finden:
Dekodierung RS-232 in Simulink
Alte Wiki-Artikel zur Kommunikationsimplementierung:
Übertragen des Spurpolynoms
Kommunikation zwischen PC und dSpace-Karte (vorheriger Ansatz)
Kommunikation und Diagnoseschnittstelle (aktueller Ansatz)
Implementierung in Visual Studio
Die Umsetzung in Visual Studio orientiert sich am oben beschrieben Ablauf.
Für die konkrete Implementierung der Datenübertragung wurden die folgenden beiden ausführlichen Artikel verfasst:
(Diese beiden Artikel müssen noch zu einem zusammengefasst werden)
Anleitung für das ONLINE-Modell
- Nutzen sie bitte MATLAB 2019b
- Achten Sie bitte auf der Solver des Blocks --> Fixed Step nicht auf auto
- Lesen Sie die Wiki-Artikeln durch
- Notieren Sie Fehlermeldungen und Warnings
- Warnings sind sofort zu beseitigen beim Erstellen einer neuen Bibliothek!
Tests der Kommunikation
Testdokumentation
| Datum | Link |
|---|---|
| Februar 2019 | Kommunikation zwischen PC und dSpace-Karte via RS232 |
| Januar 2020 | Übertragen des Spurpolynoms |
| Januar 2022 | Kommunikation RS232 zwischen PC und DS1104 |
| Juli 2022 | Kom - Kommunikation: Test der Kommunikation zw. PC und DS1104 |
| Dezember 2022 | Test der RS232-Kommunikation (Abschlusstest WiSe 22/23) |
| WiSe 23/24 | KOM:_RS232-Kommunikation_DS1104-Karte_mit_PC |
Programmierrichtlinien
- Schnittstellendokumentation
- Namenskonvetion
Alte Wiki Artikel
- Tutorial - Bussysteme in Matlab Autor: John Kneib
- Verbindung zum Fahrzeug
- Aufbau einer virtuellen Kommunikationsumgebung
- LiDAR
- Objekterkennung mit LiDAR Hokuyo URG-04LX Autor: Michael Deitel Manuel Groß Bearbeitet von: Benedikt Wulowitsch, John Kneib
- Inbetriebnahme und Objekterkennung des LiDAR Hokuyo URG-04LX in MATLAB Autor: Yu Peng
- Inbetriebnahme und Objekterkennung des RP Lidar A1M8 in MATLAB Autor:Thomas Miska
- Kommunikation Hokuyo LiDAR via USB Autor:Isaac Mpidi Bita
- Kamera
- Umrechnung von Bildkoordinaten ins Weltkoordinatensystem
- Spurerkennung (Vorheriger Ansatz) Autor: Konstantin Wotschel
- Objekterkennung mit Kamera VR-Magic Autor: Christian Hauke 7. Feb. 2014 (CET)
- Bildentzerrung und KOS-Transformation mit OpenCV (aktueller Ansatz) Autor: Luca Di Lillo, Tim Bexten in SS2019
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