AEP Gruppe C2

Vorwort

AEP - autonomes Einparken, war ein Projekt des zweiten Informatikpraktikums im Studiengang Mechatronik (Sommersemester 2014) an der Hochschule Hamm-Lippstadt(wiki). Für die wertvolle Unterstützung und Leitung des Projekts bedanken wir uns an den Prof. Ulrich Schneider.

Projektgruppe C2

Christo Tsibadze
- HSHL-Wiki-Eintrag
- Programmieren
- Präsentation
- Videoschnitt
- Roboterbau
- LEGO Digital Designer - Bauanleitung
Martin Vo
- Programmieren
- Präsentation
- LEGO Digital Designer - 3D-Modell
- LEGO Digital Designer - Bauanleitung
Benedikt Röper
- Programmieren
- Präsentation
- Roboterbau
- Konzeptionierung

Praktikumsziele

Die praktische Vertiefung der Informatikkenntnisse speziell in:
Vertiefung der Kenntnisse in prinzipiellen Aufbau von Mechtronischen Systemmen,
so wie das Erwerben der Grundkenntnisse in Mess-, Regelungs- und Digitaltechnik
- Lego Mindstorms NXT(wiki)
last but not least:
- Das Lösen von komplexen mechatronischen Aufgaben im Team!

Projekt-Vorgaben

Der Aufbau des Roboters:

Der Fahrzeugaufbau sollte sich an der Realität orientieren, somit über eine angetriebene sowie eine lenkende Achse verfügen.
Die Konstruktion sollte mit Hilfe des LEGO Mindstorms NXT mit folgendem Inhalt realisiert werden:
- einem programmierbaren NXT-Stein (NXT-Brick)
- Sensoren:
  - Ultraschallsensor, für die Abstandsmessung zwischen sich und einem Objekt mit dem Messbereich 6 cm bis 255 cm, cm-genau.
  - Gierratensensor, für die Messung der Winkeländerung pro Zeit
  - Rotationssensor (eingebaut im Servomotor) mit 1° Genauigkeit
- Aktuatoren:
  - drei Sensormotoren
- Verbindungskabel
- diverse LEGO-Bauteile
Maximaler Radeinschlagswinkel sollte 40° betragen.
Achsabstand (Toleranz ±10%) sollte doppelt so groß sein wie die Spurweite (Toleranz ±5%).
Differenzialgetriebe auf Hinterachse

Software Anforderungen:

Bei der Softwareumsetzung mit Matlab, sollten die Befehle aus der RWTH Toolbox zur Hilfe genommen werden.
Implementierung eines Reglers, mit dessen Hilfe der Roboter geradeaus fahren kann und gegebenfalls die Kursabweichungen korrigiert
Implementierung und Steuerung von vorhandenen Sensoren und Aktoren mit Matlab für diverse Aufgaben
Als Software-Versionsverwaltung sollten wir SVN benutzen

Prüfung

Unter Verwendung von Hard- und Software sollte der Auto-Roboter autonom geradeaus fahren und Parkplatz auf der rechten Seite suchen und einschließlich parken.

Realisierung

Wir wurden mit folgenden Aufgaben im laufe des Semesters auf die Prüfung (autonomes Einparken) gut vorbereitet:

1.Praktikumstermin

Roboter mit LEGO Mindstorms unter Berücksichtigung von den Vorgaben konstruieren
Implementierung des Gyrosensors
kurze Einarbeitung in Matlab und NXC
Ultraschallsensor seitlich anbringen
Differenzialgetriebe für die Wendigkeit (Tipp)

> Meilenstein 1 - Funktionstüchtiges Fahrzeug

Firmware update des Bricks
Motortreiber von RWTH Toolbox auf den Bricks laden
USB-Verbindung mit Matlab aufbauen
Messwerte der Batterie und des US-Sensors auslesen und plotten
Mit den SVN Standartfunktionen vertraut machen

> Meilenstein 2 - Verbindung mit Software und Hardware hergestellt, und mit den ersten Funktionen von Matlab und SVN vertraut gemacht

2.Praktikumstermin

Funktionen schreiben mit Gierratensensor, Werte auslesen und Winkel berechnen, Daten plotten
Offset-Bestimmung des Gyrosensors (Calibrierung)

> Meilenstein 3 - sich mit dem Gyrosensor vertraut gemacht

3.Praktikumstermin

Parallel zur Wand fahren mit Hilfe des Ultraschallsensors
Parallel zur Wand fahren mit Hilfe des Gyrosensors --> Regler Implementierung
Lineare Rampe implementieren für das sanfte Anfahren

> Meilenstein 4 - Querregelung und Rampe

4.Praktikumstermin

Task Parken schreiben, die entstandene Messwerte als Text-Datei speichern

> Meilenstein 5 - Funktion - Parken funktioniert

5.Praktikumstermin

sich mit Simulink und Stateflow vertraut machen und die vorherigen Funktionen hiermit umsetzen

> Meilenstein 6 -das Komplette Programm zum Einparken fertig für die Prüfung

Umsetzung - Hardware

Für bessere Wendigkeit haben wir das Differenzialgetriebe auf hintere Achse verbaut. Der erste Servomotor dient für die vorwärts- und rückwärts Bewegungen mit der Hinterachse. Zweiter Servomotor für die Lenkung mit der Vorderachse. Den Gierratensensor haben wir oben links angebracht in Fahrtrichtung und den Ultraschallsensor oben in Fahrtrichtung rechts damit der Roboter rechts nach Parkplatz suchen kann. Das NXT-Stein (Brick) wurde ergonomisch verbaut, somit alle Anschlüsse und Bedienelemente frei und leicht zugänglich sind. Außerdem wurde vorne ein Hilfs-Lenkungsrad angebracht damit man auch manuell per Hand die Lenkung gegebenfalls anfangs ausrichten kann.
Die Zusammengefassten Fahrzeugparameter können Sie in folgender Tabelle ablesen.

Fahrzeugparameter	Wert
Fahrzeuglänge	262 mm
Fahrzeugbreite	165 mm
Spurweite vorn	160 mm
Spurweite hinten	154 mm
Achsabstand	190 mm
Max. Radeinschlagswinkel Links	40° (Tol. -5°)
Max. Radeinschlagswinkel Rechts	40° (Tol. -5°)

3D-Modelierung mit LEGO Digital Designer Bei 3D-Modellierung mit Hilfe von LEGO Digital Designer waren die bereits fertigen 3D-Einzelteile sehr hilfreich und zeitsparend. Nach kurzer Einarbeitung funktioniert die Modellierung fast problemlos. Einige Probleme gab es bei den Einzelteilen die nicht waagerecht oder senkrecht eingebaut wurden. Die meisten Bauteile die verdreht eingebaut werden sollten, konnten einfach nicht mit der Software richtig platziert werden. Diese Bauteile haben wir in der Bauanleitung extra erwähnt.

Umsetzung - Software

Die Software-Programmierung wurde mit hilfe von den Aufgaben aus dem Praktikumsterminen Schritt für Schritt durchgeführt. In folgendem Konzept zeigen wir Ihnen den Verlaufsplan des Auto-Roboters zum Parken.

Das Fahrzeug startet parallel zur Wand und fährt geradeaus stets parallel zur Wand mit Hilfe von der Querregelung mit den Daten vom Gyrosensor. Auf die rechten Seite werden während der Fahrt mit dem Ultraschallsensor die Abstände gemessen, sobald ein ausreichender Abstand (Breite) in ausreichender Länge vorhanden ist, wurde die Parklücke gefunden und das Fahrzeug stoppt die Suche, falls der Parkplatz nicht gefunden wurde, dann wird es weitergesucht bis einer gefunden wurde.

Bevor der Einparkvorgang beginnt, fährt das Fahrzeug ganz kurz nach vorn und anschließend stoppt.Hier nach beginnt der Einparkvorgang. zu erst wird nach rechts eingeschlagen und das Fahrzeug beginnt rückwärts zu fahren bis das Fahrzeug mit dem Winkel von 40° zur Straße steht. Das Fahrzeug fährt weiterhin rückwärts. Anschließend wird die Lenkung voll nach links eingeschlagen bis das Fahrzeug wieder parallel zur Straße steht. Erst dann stoppt das Fahrzeug und fährt nicht mehr rückwärts. Die Räder werden wieder gerade ausgerichtet, das Fahrzeug fährt kurz nach vorn bis es mittig in der Parklücke steht und stoppt. Fahrzeug ist geparkt, Ton wird abgespielt und ende...

Fazit

Durch Teamarbeit haben wir auch komplexe Aufgaben einige auch unter dem Zeitdruck trotzdem gut gemeistert. Unsere Kenntnisse wurden in mechatronische Systeme, in Mess-, Regelungs- und Digitaltechnik vertieft. Die Arbeit mit Matlab und Simulink hat uns weitere sehr nützliche Ingenieurs-Tools näher gebracht.

Das Informatikpraktikum hat uns einige "Aha-Effekte" beschert, und uns die Möglichkeit gegeben praktische Erfahrungen zu sammeln.

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Bauanleitung zum nachbauen des Fahrzeugs (als PDF)

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Hier können Sie den Roboter in 3D herunterladen. Sie wurde mit Hilfe von LEGO Digital Designer erstellt. Damit Sie diese Datei öffnen können, benötigen Sie eine ZIP-Software (7-zip Download) und den LEGO Digital Designer

3D-Modell in ZIP-Format

Weblinks

YouTube Video

Autonomes Einparken - Team C2

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