Entwicklung von SoC-Modulen zum Betrieb eines autonomen Modell-Trikes

Entwicklung von SoC-Modulen zum Betrieb eines autonomen Modell-Trikes

Aufgabenstellung

Das Augenmerk ist in dieser Arbeit auf eine Beschleunigung des Systems gelegt.

Als Flaschenhals hat sich das Empfangen und Verarbeiten der Daten des optischen Sensors entpuppt. Da sich der Roboter nur bewegen darf, wenn neue, gültige Daten vorliegen,  äußert sich das Problem sichtbar im Bewegungsablauf. Vergleichen lässt sich der Fahrstil, der aktuell implementiert ist,  am besten mit dem Bewegungsbild eines Chamäleons. Nach einer kurzen Bewegung wird gestoppt und im Stillstand verharrt, bevor eine neue Bewegung auf Grund von neu eingetroffenen und ausgewerteten Daten ausgeführt wird.

Es ist, aufbauend auf den vorhandenen Fähigkeiten der Hardware eine „System on a programmable  Chip“ basierende Verbesserung zu entwickeln, die das bisherige Fahren in eine flüssigere Bewegung überführt.

Durchführung

Die Arbeit beschreibt den Aufbau von drei verschiedenen Implementierungen einer UART Kommunikation mit dem Hokuyo Laser URG04 LX. In dem daran Anschließenden Vergleich dieser Realisierungen werden die Vor- und Nachteile der drei Verfahren gegenüber gestellt und das DMA gesteuerte System ausgewählt.

Als weiteres wird eine Synchronisation mit dem Lasersensor durch eine SoC Komponente  entwickelt, die das Empfangen der Daten vereinfacht und den Controller selbst entlastet.

Fazit

Das Fahrzeug ist zum Abschluss der Arbeit in der Lage in verschiedenen Intervallen die Messwerte des Lasers zu empfangen. Die Kommunikation mit dem Laser und der Empfang der Daten laufen parallel zu dem Ablauf des Programms ab. Sie beanspruchen keine Rechenzeit des Prozessors und werden nur durch den DMA Controller geregelt. Das bisher gravierendste Problem, das langsame Erlangen von Messdaten, ist behoben.

In der Arbeit wurden drei verschiedene Implementierungen der Schnittstelle verglichen. Anhand der erhaltenen Resultate wurde ein DMA gesteuertes Kommunikationssystem gewählt und in das bestehende Projekt eingearbeitet.

Das DMA System arbeitet erst optimal, wenn es synchron zu dem tatsächlichen Sendevorgang der Messdaten des Lasers aktiviert wird. Realisiert ist diese Optimierung dadurch, dass das Output-Signal des Lasers von einer Hardwarekomponente ausgewertet wird. Diese „Sync- Komponente“ wird zum Starten des Datenempfangs verwendet und gestaltet das System effizient ohne Wartezeiten auf den Datenverkehr.

Ausblick

Das Fahrzeug wurde nach Beendigung dieser Arbeit mechanisch weiterentwickelt. Der bisher verbaute getriebelose Antriebsmotor wurde durch einen Untersetzungsmotor der Firma Faulhaber getauscht.

Dieser Motor ist in der Lage, niedrige Drehzahlen sehr präzise zu Fahren. Da kein Fahrtregler des Motorherstellers verbaut wurde, muss eine SoC Komponente entwickelt werden, welche die Drehzahl mittels einem PWM Signal steuert und die Drehzahl dynamisch überwacht, indem der Sensor des Motors selbst ausgewertet wird.

Michael Appel, August 2014