Fahrzeughardware
Zur groben Übersicht ein eventueller Leitfaden!!!!
Allgemeines
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.
Nachfolgende Abbildung zeigt die Maße des Fahrzeugs und dessen maximalen Lenkeinschlag nach Komplettmontage.
Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 14:48, 4. Feb. 2014 (CET)
Versorgung
Für die Stromversorgung des Fahrzeugs des Controller Boards stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Entweder über den Netz-Betrieb, oder über den Akku-Betrieb. Im Netz-Betrieb erfolgt die Stromversorfung komplett über ein Netzteil, welches im Panel am Heck des Fahrzeugs mit dem Fahrzeug verbunden wird. Für den Akkubetrieb dienen drei Li-Ionen Akkus. Einer besitzt wie in jedem RC-Fahreug die Funktion, Servo- und Antriebsmotor und den Fahrtenregler zu versoren. Die zwei anderen Akkus hingegen sind für den Boardcomputer, das controler board zuständig.
Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 15:05, 4. Feb. 2014 (CET)
Akku laden
Am Fahrzeugpanel ist eine zweireihige LED-Anzeige angebracht. Direkt darüber befindet sich ein sogenannter "Prüf-Taster". Bei Betätigung wird der Akkufüllstand durch Aufleuchten der LEDs angezeigt. Anhand dessen kann entschieden werden, ob die Akkus geladen werden müssen, oder nicht.
Sollten die Akkus zu sehr entladen sein, ist dies auch in den Reaktionen des Fahrzeugs bemerkbar. Ruckelndes Lenken oder Fahren sind sowohl Anzeichen von Leeren Akkus im Fahrzeug, als auch in der Fernbedienung.
Ebenso wie die drei Akkus für das Versorgen unterschiedlicher Bereiche zuständig sind, werden sie auch getrennt geladen. Wichtig ist dabei, den roten Kippschalter am Fahrzeugpanel auszustellen, sodass das Fahrzeug nicht im Akku-Betrieb läuft.
Rechts und Links an dem Fahrzeugpanel befinden sich zwei Stecker. Ebenso liegen dem Fahrzeug zwei Ladekabel bei, die unterschiedlich mit PC oder ??? beschriftet sind.
Bild der Ladekabel und entsprechenden Stecker am Panel
Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 15:22, 4. Feb. 2014 (CET)
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
Autor: Julia Müller (Diskussion) 07:51, 4. Feb. 2014 (CET)
Fahrzeug starten
Einschalten im Netzbetrieb
Nach anschließen des Netzteils läuft der Boardcomputer für ein paar Sekunden an und verweilt anschließend wieder im Modus "Aus". Hinter dem am Heck des Fahrzeugs befindlichen Panels befindet sich ein lose liegender Taster. Dieser muss einmal kurz betätigt werden, um den Boardcomputer des Fahrzeugs zu starten.
Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 15:05, 4. Feb. 2014 (CET)
Einschalten im Akku-Betrieb
Um das Fahrzeug alleine über die Akkus zu versorgen, muss der rote Kippschalter am Panel eingeschaltet werden. auch hier gilt im Anschluss das Betätigen des losen Tasters, wie beim Einschalten im Netz-Betrieb.
Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 15:05, 4. Feb. 2014 (CET)
Sensoren
- Bild mit Positionierungen der Sensoren
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 |
| Rot | Einparkalgorithmus starten | IO11 |
| Gelb | Bahnspurführung Rundkurs ohne Hindernisse | IO12 |
| Blau | Bahnspurführung Rundkurs mit Hindernissen | IO13 |
| Weiß | Rücksetzung des Einparkvorgangs | IO14 |
| Grün | nicht belegt |
Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter SVN Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx
Der weiße Taster wird aktuell für die Rücksetzung des Einparkvorgangs verwendet. Er könnte später auch für das Zurücksetzen der anderen Funktionen genutzt werden.
Die Implementierung der Taster in das Simulinkmodell ist unter "Einlesen der Taster" erklärt.
Autoren:
Julia Müller (Diskussion) 10:22, 4. Feb. 2014 (CET)
Sascha Dienwiebel (Diskussion) 12:56, 4. Feb. 2014 (CET)
Infrarot Sensor
Der Infrarot Sensor dient 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.
- Funktionsweise
Der Infrarot-Sensor besteht aus einer Sende-LED, einer Photodiode als Empfänger und einer integrierten Schaltung (IC = integrated circuit) zur Auswertung der Distanzmessung. Die LED wird über eine Ansteuerschaltung(LED drive circuit) mit der benötigten Spannung versorgt. Die LED sendet Licht im Infrarotbereich aus. Wird das Licht an einem Gegenstand oder Objekt reflektiert, trifft es auf die Photodiode mit einem Leistungsdichtespektrum (PSD= power spectral density) im Infrarotbereich. Die Photodiode ist mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbunden (signal processing circuit). Die Spannungsversorgung der Verarbeitungsschaltung und der Photodiode erfolgt über einen Spannungsregler/-stabilisator (voltage regulator) mit einer positiven Spannung Vcc = 5 V. Das Gehäuse des Sensors ist geerdet. Die Signalverarbeitungsschaltung ist zusätzlich über eine Schwingkreiskopplung (oscillation circuit) mit der LED-Ansteuer-Schaltung verknüpft. Diese Verknüpfung wird zur Auswertung benötigt. Das ausgewertete Signal wird über eine Ausgangsschaltung (output circuit) nach außen übergeben. Es wird dabei ein analoges Signal Vo ausgegeben.
Die Auswertung der Distanz l erfolgt über die Laufzeitmessung. Die Distanz l berechnet sich über die Lichtgeschwindigkeit c =300.000 km/s multipliziert mit der Laufzeit t dividiert durch die Brechzahl n des umgebenden Mediums.
(1)
Die Laufzeit t ist die zeitliche Differenz vom Zeitpunkt des Ausstrahlens des Lichtes durch die LED bis zum Eintreffen an der Photodiode. Bei Luft beträgt die Brechzahl ungefähr 1, sodass die Formel (1) folgendermaßen reduziert werden kann:
(2)
Die Division durch 2 in Formel (2) muss erfolgen, da das Licht den doppelten Weg zurückgelegt hat.
Der zeitliche Ablauf der Auswertung während des Betriebs ist in der Abbildung Zeitlicher Verlauf dargestellt. Der Sensor wird eingeschaltet und die Versorgungsspannung Vcc wird angelegt. Eine Messung benötigt 38.3 ms ± 9.6 ms. Während der ersten Messung gibt es am Ausgang Vo nur ein unsicheres, bzw. ungültiges Ergebnis. Nach der Messung wird der analoge Ausgabewert mit einer maximalen Verzögerung von 5 ms an den Ausgang übergeben. Anschließend sind kontinuierlich gültige Messwerte am Ausgang vorhanden.
Der Infrarot Sensor besitzt einen Messbereich von 4 – 30 cm. Weitere Details zum Infrarot Sensor wie weitere Eigenschaften oder Diagramme können in den Datenblättern eingesehen werden. Die Datenblätter befinden sich unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Datenblätter\Infrarotsensoren.
- Hardware-Anbindung
Am Fahrzeug sind 4 Infrarot Sensoren verbaut. Zwei Sensoren befinden sich an der rechten Seite des Fahrzeuges und zwei an der hinteren Seite des Fahrzeuges. Die Sensoren sind wie in der Abbildung Sensorpositionen bezeichnet. Die Bezeichnung der Sensoren findet sich in den Variablennamen und in den Bezeichnungen der Diagramme bei ControlDesk wieder.
Jeder Sensor besitzt drei Anschlusspins. Die Pins sind wie folgt verkabelt:
| PIN | Farbe des Kabels | Pin am Sensor | DS1104-Pin |
| 1 | Gelb | Sensor_IR_V0 | ADCH5…8 |
| 2 | Orange | Sensor_IR_GND | GND |
| 3 | Rot | Sensor_IR_VCC | (-0,3) ..+7 V |
An der Pin-Belegung mit der DS1104 Adapterplatte kann sich beim Umbau etwas ändern. Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx
Die Sensoren sollten regelmäßig auf Ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Die Inbetriebnahme der Sensoren erfolgt in ControlDesk. Bei einem Sensor ist in der vergangenen Zeit bereits ein Wackelkontakt aufgetreten. In dem Fall muss die Verkabelung am Pin erneuert werden.
[HeSch09] Hesse, Stefan; Schnell, Gerhard: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, Auflage 4; Wiesbaden, 2009
Autor: Julia Müller (Diskussion) 07:38, 4. Feb. 2014 (CET)
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.
- Funktonsweise
(erarbeitet von Daniel Klein, Carolo_Doku_2012.pdf)
Die Hallsensorik des Motors besteht aus drei um jeweils 120° (2/3 π) phasenverschobene Hallsensoren, die Rechtecksignale erzeugen, die jeweils für eine halbe Motorumdrehung anliegen. Pro Motorumdrehung gibt es also insgesamt sechs Flankenwechsel und anhand der Zustandsänderung ist die Drehrichtung bestimmbar. Zwischen zwei Flankenwechsel dreht sich der Motor um den Winkel λ = 60° = 1/3 π. In Abbildung 1 wird dieser Zusammenhang visualisiert. Dabei wird deutlich, dass es insgesamt sechs gültige Signal–Pegel–Kombinationen, also sechs Zustände gibt.
Die Getriebeübersetzung sorgt dafür, dass sich der Elektromotor viermal drehen muss um eine vollständige Radumdrehung zu erzeugen (Ü=0.25). Die möglichen Signal–Kombinationen der Hall–Sensorik sind in der Abbildung Hall-Signal-Pegel dargestellt. Dabei ist TF-F die vergangene Zeit zwischen zwei Flankenwechsel, in der sich der Motor um den Winkel λ dreht. In der aktuellen Implementierung werden ADC–Eingänge der dSPACE–Karte verwendet um die Zustände zu erkennen. Dabei ist es bei digitalen Signalen (die Hall–Sensorik gibt wie aus der Abbildung Hall-Signal-Pegel ersichtlich VCC–kompatible Pegel aus: Physisch 5 V entspricht einer logischen eins, 0 V einer logischen Null) eigentlich sehr unüblich und in der Regel unpraktisch ADCs zu verwenden. Nicht nur weil es dann nötig ist, via Software die Pegelzustände zu erkennen. Dies wird aktuell mit Relational Operators mit einem derzeit eher kritischen Schwellwert von 5 V durchgeführt. Typische Grenzen für solche Pegel sind ≥ 0, 7 VCC für logisch eins und ≤ 0, 2 VCC für logisch null, damit mögliche Spannungsoffsets nicht zu einer Fehl–Erkennung führen können.
Würden hier GPIOs als digitale Eingänge genutzt, lässt sich die Software seitige Erkennung sparen. Mithilfe der Combinatorial Logic werden die Zustände der drei Hall–Signale in Dezimalzahlen umgewandelt. Die insgesamt sechs möglichen Zustände sind in Abbildung 1 ebenfalls dargestellt. Daraus ergeben sich in einer uint8 Darstellung die Dezimalzahlen eins bis fünf. [KlCD12]
- Hardware-Anbindung
Die Hall-Sensoren des Antriebsmotors besitzen folgende Pins
| Pin | Farbe | Signalname | Bedeutung | DS1104 Anschluss |
| 1 | Schwarz | GND | Ground | GND |
| 2 | Orange | Phase C | Motorphase C | IO8 |
| 3 | Weiß | Phase B | Motorphase B | IO9 |
| 4 | Grün | Phase A | Motorphase A | IO10 |
| 5 | NC | Temp | temp control, 10k Thermistor referenced to ground potential | NC |
| 6 | Schwarz | Vcc | 5.0 volts +/- 10% | 5V |
Zusätzlich befinden sich an den DS1104 Anschlüssen IO17 und IO19 nach Kombi-Logikeingänge der Hallsensoren. Der aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx
- aktuelle Problematik
Bereits das vorherige Team stellte fest, dass die Implementierung der Geschwindigkeitserfassung nur schlecht funktioniert. Im Rahmen des nun vergangenen Praktikums wurde die Auswertung der Hall-Sensoren nicht bearbeitet. Daniel Klein hat im der Dokumentation Carolo_Doku_2012 im Kapitel 17 (ab S. 174) die Geschwindigkeitsmessung und ihre Probleme, bzw. Nachteile erläutert und eine Konzeptidee entwickelt. Die Dokumentation ist zu finden unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Dokumentation_LaTeX\Carolo_Doku_2012.pdf
[KlCD12] Klein, Daniel; Carolo_Doku_2012: Die Hallsensorik, S.174 ff., Lippstadt, 2012
Autor: Julia Müller (Diskussion) 14:37, 3. Feb. 2014 (CET)
Gyro Sensor
Der im Fahrzeug verbaute Gyro Sensor misst bei Drehbewegungen die Winkelgeschwindigkeit um die Hochachse, d.h. den Gierrate. Durch die Ableitung der Gierrate lässt sich der Gierwinkel bestimmen. Der Gierwinkel wird für den Einparkalgorithmus benötigt, da über ihn der Umschlag der Lenkachse ausgelöst wird. Das Umlenken erfolgt, wenn der vorgegebene Gierwinkel durch den gemessenen Gierwinkel überschritten wird.
- Funktionsweise
Der Gyro Sensor kann auf Basis von verschiedenen Grundlagen funktionieren.
Es gibt Gyro Sensoren, die arbeiten auf Basis eines optischen Messverfahrens. Dabei handelt es sich um faseroptische Kreisel. Bei diesem Sensor wird Licht, beispielsweise Laserlicht, in einen Lichtwellenleiter gesendet. Der Lichtwellenleiter (1 in der Abbildung FaseroptischerKreisel) ist spiralförmig aufgedreht. Das ausgesendete Licht wird an einem Koppler (2 in der Abbildung FaseroptischerKreisel) im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn in den Lichtwellenleiter gesendet. Wirkt auf den faseroptischen Kreisel eine Winkelgeschwindigkeit so entsteht eine Laufzeitunterschied.
Dieser Laufzeitunterschied des eintreffenden Lichts am Empfänger lässt sich auswerten und somit kann die Winkelgeschwindigkeit bestimmt werden. (Quelle: Hesse, Stefan; Schnell, Gerhard: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation, Auflage 4; Wiesbaden, 2009)
Das Funktionsprinzip anderer Gyro Sensoren basiert oft auf der Wirkung der Coriolis-Kraft. Die Funktionsweise basierend auf der Coriolis-Kraft wird in der PDF-Datei Produkte der Mikrosystemtechnik anschaulich erklärt.
Auf welchem Funktionsprinzip der von uns verwendete Gyro Sensor arbeitet ist nicht bekannt.
- Hardware-Anbindung
Aktuell ist noch der Gyro Sensor des Lego NXT verbaut. Es sollte jedoch ein Umbau auf einen anderen Gyro Sensor erfolgen. Die PIN-Belegung sieht wie folgt aus:
| Pin | Farbe | Signalname | Bedeutung | DS1104 Anschluss |
| 1 | Weiß | AN | Analogeingang bzw.+9V | GND |
| 2 | Schwarz | GND | Ground | GND |
| 3 | Rot | GND | Ground | GND |
| 4 | Grün | Vcc | 4,3V Vcc | 4,3V |
| 5 | Gelb | I²C-SCL | Serial Clock, bzw. RS485-A | |
| 6 | Blau | I²C-SDA | Serial Data, bzw. RS485-B |
Laut DS1104-Adapterkabel-Pinbelegung.xlsx befindet sich der Gyro Analogeingang an ADCH4.(siehe: …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx)
Autor: Julia Müller (Diskussion) 09:01, 4. Feb. 2014 (CET)
Laser Scanner
Kamera
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 Fahrzeug in den RC-Modus (Remote Control) zu schalten. Im RC-Modus wird das Fahrzeug über die Fernbedieung gesteuert. Der Eingriff 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 eine blau-blinkende LED am höchsten Punkt des Fahtzeugs signalisiert werden.
Damit das Fahrzeug autonom fahren kann, muss die Fernbedienung angeschaltet sein.
- 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 unter ...\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Datenblätter\Fernbedienung abgelegt.
- Hardware-Anbindung
Der Empfänger ist mit der DS1104 Karte verbunden. Laut aktuelle Pinbelegungsplan der DS1104 (unter …\SVN-Unterlagen\Dokumentation\Systemarchitektur\DS1104 - Adapterkabel – Pinbelegungsplan.xlsx) 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.
Autor: Julia Müller (Diskussion) 09:34, 4. Feb. 2014 (CET)