Autonomes Fahren im Maßstab 1:10

Autor: Christian Sievers
Betreuer: Prof. Schneider
Art: Projekt

Quelle: TU-Braunschweig

Thema

Autonomes Fahren ist ein wichtiges Ziel auf der Agenda der Automotive OEMs für die kommenden Jahre. Für das Praktikum SDE ist ein Mikrocontroller-gesteuertes Fahrzeug im Maßstab 1:10 zu entwickeln.

Ziel

Entwickeln Sie autonomes Modellfahrzeug, welches in der Zukunft im Praktikum SDE im Studiengang Mechatronik eingesetzt werden kann.

Umfang

Die Praktika habe laut Modulhandbuch folgenden Umfang

• Systementwurf Workload: 108h (45h Präsenz + 63h Selbststudium)
• Systemintegration Workload: 150h (60h Präsenz + 90h Selbststudium)

Der Umfang entspricht 258h. Bei einer 40 Stunden Woche entspricht dies ca. 7 Wochen.

Aufgabenstellung

Systementwurf

1. Projektplanung und Zeit-Management*
2. Entwickeln Sie konsequent nach dem V-Modell.
3. Aufstellung der Anforderungen (Lastenheft)*
   1. Raspberry Pi für die LiDAR und Videoverarbeitung
   2. Optional Berücksichtigung von 3D-ToF-Sensorik
   3. Arduino zur Auswertung einfacher Sensorik und Ansteuerung der Aktoren
   4. Längs- und Querregleregler
   5. WLAN Kommunikation mit einem Diagnose-PC
   6. Display ansteuern
4. Umsetzung der Anforderungen in ein Pflichtenheft*
5. Planung der Hardware*
6. Konstruktion und 3D-Druck des mechanischen Aufbaus des Fahrzeugs*
7. QV-Antrag und Beschaffung der Bauteile

Systemimplementierung

1. Modellbasierte Programmierung mit Simulink aufbauend auf der bestehenden Online/Offline-Software*
2. Inbetrieb des Systems*
3. Test der Anforderungen entsprechend der Methoden der Vorlesung Reliability Engineering (statische und dynamische Code-Tests, Modul- und Systemtests)
4. Testdokumentation*
5. Dokumentation nach wissenschaftlichem Stand*

* Diese Meilensteine müssen mit Prof. Schneider in einem persönlichen Gespräch abgestimmt und dokumentiert werden.

Anforderung

• Wissenschaftliche Vorgehensweise (Requirements, Projektplan, etc.)
• Wöchentliche Fortschrittsberichte
• Regelmeeting
• Projektvorstellung im Wiki
• ggf. Literaturrecherche mit Citavi
• Softwareentwicklung nach HSHL Standard, tägliche Datensicherung in SVN

Getting Started

• Nutzen Sie die Matlab Academy, um sich in Matlab Simulink einzuarbeiten.
• Studieren Sie das Carolo Cup Regelwerk zur Erstellung der Anforderungen.
• Erstellen Sie ein Lastenheft.
• Für die Entwicklung steht ein Bausatz "SunFounder Raspberry Pi Smart Video Car Kit V2.0" zur Verfügung.
• Lastenheft und Projektdaten der Vorgängen in SVN

Projektplanung und Zeit-Management

Meilensteine A-Muster

Projektplanung und Zeit-Management erstellt

Plandatum: 21.02.2019 Aktuelles Zieldatum: 21.02.2019 Meilenstein erreicht: 21.02.2019

Erstellung Lastenheft

Plandatum: 07.03.2019 Aktuelles Zieldatum: 07.03.2019 Meilenstein erreicht: 07.03.2019

Erstellung Pflichtenheft

Plandatum: 18.04.2019 Aktuelles Zieldatum: 03.05.2019 Meilenstein erreicht: 03.05.2019

Freigabe Lastenheft und Pflichtenheft

Plandatum: 31.05.2019 Aktuelles Zieldatum: 31.05.2019 Meilenstein erreicht: 28.05.2019

Erstellung Testplan

Plandatum: 18.04.2019 Aktuelles Zieldatum: 31.05.2019 Meilenstein erreicht: -

Konstruktion und mechanischer Aufbau

Plandatum: 02.05.2019 Aktuelles Zieldatum: 06.05.2019 Meilenstein erreicht: 06.05.2019

Software flashen

Plandatum: 16.05.2019 Aktuelles Zieldatum: 31.05.2019 Meilenstein erreicht: 28.05.2019

1. Fahrt

Plandatum: 21.05.2019 Aktuelles Zieldatum: 31.05.2019 Meilenstein erreicht: 28.05.2019

Testplan abgearbeitet

Plandatum: 04.06.2019 Aktuelles Zieldatum: 04.06.2019 Meilenstein erreicht: -

Präsentation

Plandatum: 11.06.2019 Aktuelles Zieldatum: 17.06.2019 Meilenstein erreicht: -

Dokumentation finalisiert

Plandatum: 02.07.2019

Abschlussgespräch

Plandatum: 02.07.2019 Aktuelles Zieldatum: 02.07.2019 Meilenstein erreicht: -

Beschaffung

Zur Inbetriebnahme sind folgende Komponenten beschafft worden:

Bausatz Sunfounder Smart Video Car Kit V2.0

Der Bausatz wurde zu Beginn des Projekts bereits durch Prof. Schneider zur Verfügung gestellt.

Preis (08.06.2019) US$115.00

Link zum Onlineshop von Sunfounder

Batterien

Industriezelle, Li-Ion, 18650, 3,7 V, 3200 mAh, Button Top

Preis (08.06.2019) 15,59 €

Benötigt werden 2 Stück für das Fahrzeug. Beschafft wurden 4 Stück.

Link zum Shop von Reichelt

Batterie Ladegerät

XTAR D2 :: AC Ladegerät, 2 A, 2 slot

Das Ladegerät ist geeignet für diverse Modellbauakkus, unter anderem auch für die verwendeten 18650 LiPo.

Preis (08.06.2019) 14,20 €

Link zum Shop von Reichelt

Batterie Lagerbeutel

brandschutzbeutel-fuer-li-polymer-akkus-lipo-guard

Preis (08.06.2019) 8,24 €

Wichtig! Von LiPo Akkus geht bei Defekt immer eine Brand- und Explosionsgefahr aus!

Die Akkus immer bei Nichtverwendung im Lagerbeutel aufbewahren.

Akkus ohne Lagerbeutel nicht unbeaufsichtigt lassen, nicht Wärmequellen und mechanischer Belastung aussetzen.

Link zum Shop von Reichelt

Zusammenbau

Der Zusammenbau erfolgte mit Hilfe der dem Bausatz beigefügtem Bausatz. Der Bausatz ist gut bebildert und hilft, die einzelnen Schritte zu verstehen. Zusätzlich ist ein Video erstellt worden, in dem der gesamte Zusammenbau des Modells dokumentiert wurde. Hier kann sich jeder einzelne Schritt des mechanischen Zusammenbaus angeschaut werden, falls Fragen zum Aufbau aufkommen. Die Schritte des Aufbaus sind dabei identisch zur PDF vom Hersteller gewählt, damit man sich schnell orientieren und zum momentanen Schritt zu springen.

Das Video ist momentan im SVN vorhanden und wird, da Grafiken vom Hersteller Sunfounder vernwedet werden, erst online gestellt, wenn die Freigabe erfolgt ist. Dann wird es auf Youtube frei verfügbar sein.

Installation Software

Anleitung und Tools für die Software Installation Sunfounder.

Win32DiscImager

Mit diesem Tool kann das Image für das Raspberry Pi Betriebssystem auf die SD Karte geflasht werden. Es werden zwei Partitionen erstellt, eins für das Betriebssystem und eins für die Datenverwaltung (Software, Medien, etc).

Link zum Download bei www.heise.de

Advanced IP Scanner

Der Advanced IP Scanner kann genutzt werden um die dynamische IP vom Raspberry Pi herauszufinden. Die IP wird benötigt, um sich auf den Raspberry Pi per Netzwerk zu verbinden und Änderungen vorzunehmen, sowie um den Browser Client zu verbinden.

Link zum Download bei www.advanced-ip-scanner.com

PuTTY

Das Tool PuTTy ist notwendig, um per Netzwerk Fernzugriff auf den Raspberry Pi zuzugreifen. Dabei ist die IP Adresse vom Raspberry Pi notwendig. Das Tool ist ähnlich der Eingabeaufforderung unter Windows und die erforderlichen Befehle sind alle in der Sunfounder Doku zu finden.

Link zum Download bei www.heise.de

Browser: Internet Explorer/Google Chrome/FIrefox

Um das Fahrzeug fernsteuern zu können, wird ein Standard Browser benötigt. Dabei wird das Fahrzeug über die dynamische IP Adresse mit dem Zusatz :8000 verbunden. Die Tests wurden mit dem Internet Explorer 7 vorgenommen. Da eigentlich jeder PC einen Browser vorinstalliert hat, sollte der vorhandene getestet werden, bevor ein anderer installiert wird.

Komponenten

Grundplatten

Die Grundplatten bestehen auf einem Plexiglas. Alle Teile sind bereits fertig zugeschnitten und müssen nicht mechanisch nachbearbeitet werden. Die Teile sind beidseitig mit einer Schutzfolie versehen, die vorab entfernt werden muss.

Servos

Kupplungsgetriebe-Digitalservo mit eingebautem Gleichstrommotor Nach einer bestimmten Belastung kuppelt und schützt das Lenkgetriebe das Produkt automatisch vor Beschädigung.

Elektrische Eigenschaften:

Motoren

Die Beigefügten Motoren sind Gleichstrommotoren mit drehzahlreduzierendem Getriebe.

Elektrische Eigenschaften:

Platinen

TB6612_Motor_driver

Das TB6612 Motortreibermodul ist geeignet für Motoren mit geringer Wärmeentwicklung und kleinem Motorgehäuse.

PCA9685_PWM_Driver.JPG

PCA9685 16-Kanal-12-Bit-I2C-Bus-PWM-Treiber. Es unterstützt eine unabhängige PWM-Ausgangsleistung und ist ein einfach zu verwendender 4-Draht-I2C-Port für den parallelen Anschluss von 3-Farben-Ports für die PWM-Ausgabe.

Robot_hats.JPG

Robot HATS ist ein speziell für einen 40-Pin-Raspberry-Pi entwickelter HAT (Hardware Attached on Top), der mit den Raspberry-Pi-Modellen B +, 2-Modell B und 3-Modell B kompatibel ist. Er versorgt den Raspberry-Pi über die GPIO-Ports mit Strom. Dank des Designs der idealen Diode nach den Regeln von HATS kann der Raspberry Pi sowohl über das USB-Kabel als auch über den Gleichstromanschluss mit Strom versorgt werden. Dadurch wird verhindert, dass die TF-Karte durch tiefenentladene Batterien beschädigt wird. Der PCF8591 wird als ADC-Chip mit I2C-Kommunikation und der Adresse 0x48 verwendet.

Räder

Die verwendeten Räder sind aus einem Kunststoff, der mit Gummiüberzug versehen ist. Die Räder für vorne und hinten sind unterschiedlich im Design, aber gleich im Durchmesser.

Kamera

Die beigefügte Kamera besitzt einen Weitwinkel von 120 °.

Mechanischer Aufbau

Koordinatensysteme im Fahrzeug

Schwerpunkt des Fahrzeugs

Der Schwerpunkt des Fahrzeugs wurde über Aufhängung und Kippversuche ermittelt (Siehe Testplan).

Referenzpunkte für Software

Die Software benötigt für die korrekte Interpretation der Messdaten die Referenzpositionen der Kamera. Für die Erstellung des Einspurmodells, um die Fahreigenschaften abzubilden, werden Achsabstände, Spurbreite, Lenkwinkel etc. verwendet. Dies sind die relevanten Referenzpunkte am Fahrzeug:

Achsensystem 1:

Referenz Vorderachsmittelpunkt

Koordinaten: [0;0;0]

Achssysteme 2-5:

Vorderachse links [0;19;0]

Vorderachse rechts [0;-19;0]

Hinterachse links [-138;19;0]

Hinterachse rechts [-138;-19;0]

Achssysteme 5,6:

Kameradrehpunk 5: [36;0;21]

Kameradrehpunkt 6: [91;0;39]

Grundfläche Fahrbahn:

[x;y;-34]

Weblinks

• Carolo Cup Homepage
• Carolo-Cup 2018: Kleine Autos ganz groß
• SunFounder Raspberry Pi Smart Video Car Kit V2.0
• Zukunftsrauschen: Mobilität in Meschede

Siehe auch

1. Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider
2. Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit
3. Programmierrichtlinien für Matlab
4. SVN Repositorium

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