Fahrzeughardware
Systemstruktur
Konstruktion und Gesamtaufbau
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.
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Insgesamt besteht das Fahrzeug aus einzelnen Baugruppen, deren Grundlage jeweils eine gelaserte Aluminiumplatte bildet. Die allgemeine Grundlage bildet die Grundplatte, auf der das Mainboard und die weiteren Baugruppen befestigt ist. Die Grundplatte ist an dem Grundgerüst des gewöhnlichen RC-Fahrzeuggestells befestigt.
Am Heck des Fahrzeugs befindet sich die hintere Beleuchtungseinheit, sowie die Halterung der Powerpanel-Platine, die ebenfalls die Bedienelemente zur Inbetriebnahme des Fahrzeuges enthält. An der Front befindet sich eine weitere Beleuchtungseinheit. Oberhalb des Mainboards befindet sich die dSPACE DS1104, die mit der Hilfe eines Winkeladapters elektrisch mit dem Mainboard über die PCI-Schnittstelle verbunden ist. Oberhalb der DS1104 befindet sich eine Platte aus Acrylglas, die zum Schutz der DS1104 dient.
Mit der Hilfe der Adapterplatine, die sich unterhalb des Mainboards und der Grundplatte befindet, wird ein Großteil der Sensoren des Fahrzeuges an die DS1104 angeschlossen. Ebenfalls am Heck des Fahrzeuges befindet sich die erhöhte Befestigung der Kamera und die LED zur Signalisierung des RC-Modus. Die einzelnen Teilkomponenten befinden sich als 3D-Modell im SVN.
Die Halterung der DS1104 am Fahrzeug sichert die Hardware vollständig und zuverlässig. Mit Hilfe der Halterung, die durch ein Rapid-Prototyping-Verfahren (3D-Drucker) erstellt wurde, wird die Zuverlässigkeit des AMR im Betrieb erhöht. Die entwickelte Halterung befindet sich als Teilkomponente und in einer Baugruppe im SVN. Das Modell sieht vor ebenfalls mittels CNC-Laser aus einem Aluminiumblech gefertigt zu werden.
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Die Halterung des Lüfters, der die DS1104 und das Mainboard kühlt, wurde ebenfalls mit dem Rapid-Prototyping-Verfahren erstellt und befindet sich ebenfalls als 3D-Modell in SVN.
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Versorgung
Hier befinden 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
Sensoren
Stellen Sie sicher, dass der Infrarot Sensor nicht verdeckt ist, bevor Sie den Fahrzeug testen.
Autor: Jiaxiang Xia (Diskussion) 00:29, 2. Dez.2022 (CET)
Taster
Die Taster an der Rückseite des Fahrzeugs dienen der Aktivierung der verschiedenen Algorithmen, d.h. Einparkalgorithmus oder Fahrt auf Rundkurs.
Die Taster sind wie folgt belegt und mit der DS-Karte verbunden:
| Taster | Funktion | DS1104-Anschluss |
| Weiß | Kalibrierung des Gyrosensors | IO14 |
| Gelb | Bahnspurführung Rundkurs ohne Hindernisse | IO12 |
| Blau | Bahnspurführung Rundkurs mit Hindernissen | IO13 |
| Rot | Einparkalgorithmus starten | IO11 |
| Grün | Nicht mehr vorhanden |
Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter SVN Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx
Die Implementierung der Taster in das Simulinkmodell ist unter "Einlesen der Taster" erklärt.
Infrarotsensoren
Die Infrarotsensoren dienen 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. Erweiterte Informationen zum Einsatz und zur Funktion sind im Artikel Infrarotsensoren zu finden.
Gierratensensor
Der Gierratensensor (oder auch Gyrosensor bzw. Drehratensensor) des Autonomen Fahrzeugs stellt unter anderem einen Teil der Einparksensorik dar, die Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs erfolgt über diesen. Weitere Informationen unter Gierratensensor.
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. Die weiteren Details der Hardware, sowie das physikalische Messprinzip sind in dem Artikel Hall-Sensor beschrieben.
Platine für die Verbindung zwischen der Fernbedienung den Aktoren und der D-Space Karte
In diesem Kapitel wird die Platine beschrieben, die die D-Space Karte mit der Hardware des RC-Autos verbindet.
In der unten stehenden Abbildung ist der Schaltplan der Platine zu sehen. Die Stecker "ST/TH in" kommen von dem RC Empfänger. Die Stecker für "ST/TH out" verbinden den Servo und den Antriebsmotor mit der D-Space Karte.
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.
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Rohziele des Lidar Sensors(blau)und erkannte Objekte (rot)
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2 Objekte vor dem Sensor
Kamera
Die Inbetriebnahme der Kamera wird im Artikel Inbetriebnahme der VRmagic Kamera beschrieben.
Der aktuelle Softwarestand der Kamera ist in folgendem Artikel beschrieben: OSE Softwareumgebung
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 ersten 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.
Kosten
Die Kosten des Projektes im Sommersemester 2018 werden im SVN gepflegt.
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 . Dieser müsste gekürzt werden, um die 300 mm Marke zu unterschreiten.
Da eine Version 2.0 des Carolo Cup Fahrzeugs in Arbeit ist, und dieses alle Vorgaben nach REQ10.2030 erfüllt, werden keine weiteren Veränderungen am alten Fahrzeug vorgenommen.
| Eigenschaft | Vorgabe nach REQ10.2030 | Gemessener Wert am Fahrzeug |
|---|---|---|
| Radstand | > 200 mm | 264 mm |
| Spurweite | > 160 mm | 164 mm |
| Fahrzeughöhe | < 300 mm | 321 mm |
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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