Weiterentwicklung der Roboterplattform BobbyCar (2WD)

Aufgabenstellung

Die Roboterplattform FTW-2WD beruht auf der mechanischen Basis des Rodeo-Ranger der Firma Peg Perego S.p.A. mit zwei vorhandenen Antriebsmotoren und einer mechanischen Lenkung. Die Abmessungen des Fahrzeugs eignen sich hervorragend für den Einbau von umfangreicher Sensorik, Steuerelektronik und deren Spannungsversorgung in Form von Akkumulatoren. Die Entwicklung einzelner Komponenten hin zu einem autonomen Gesamtsystem erfolgte bereits in vorangegangenen Diplom- und Bachelorarbeiten, wodurch sich die Plattform bei Beginn der Abschlussarbeit in der Entwicklungsstufe 5 befand. Die Roboterplattform FTW-2WD gliedert sich in sieben Teilsysteme, sog. Subsysteme. Die Anforderungen an das System FTW-2WD lassen sich anhand von Anwendungsfällen (engl.: use case) verschiedener interagierender Akteure modellieren. Dem Entwickler bzw. Nutzer als handelnde Person muss beispielsweise neben den Sicherheitsmaßnahmen wie Not-Aus ermöglicht werden, das Fahrzeug im manuellen Modus über eine Fernbedienung oder eine externe Steuerungseinheit zu lenken. Weiterhin soll der aktuelle Status des Systems abrufbar sein. Dieser beinhaltet neben Informationen über Position, Geschwindigkeit, Fahrtrichtung und Zustand der Akkumulatoren auch Hinweise auf erkannte Objekte in näherer Umgebung des Fahrzeugs. Dabei ist ersichtlich, dass die Verfügbarkeit unterschiedlicher Sensordaten eine zentrale Steuerungsfunktion im autonomen Betrieb hin zur Navigation und Detektierung von Hindernissen übernimmt.
Das Ziel dieser Abschlussarbeit ist die Realisierung des Sensor Subsystem Front anhand der Konzeption für dieses Teilsystem. Die Anforderungen sehen folgende Sensorik vor:

  • Ultraschallsensoren zur Entfernungsmessung
  • GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung
  • Kompass mit Neigungskorrektur zur Richtungsbestimmung
  • Laserscanner bzw. Lidarsensor zur Umgebungswahrnehmung

Die vertikale Auslenkung des Laserscanners bei Fahrten in unebenem Gelände soll mithilfe eines Servos eingestellt werden. Ermittelte Messwerte einzelner Sensoren werden auf einer Anzeige ausgegeben und der Status des Subsystems über programmierbare Leuchtdioden visualisiert. Weiterhin soll dem Entwickler eine Schnittstelle zur Diagnose von Fehlfunktionen bereitgestellt werden. Sensordaten und Daten des Laserscanners werden über USB anhand zweier virtueller, serieller Schnittstellen gesendet und Befehle empfangen. Die Kommunikation und der Datenaustausch innerhalb der Subsysteme erfolgt über den CAN-Bus. Ferner wird die Ansteuerung der Frontscheinwerfer und Blinker offeriert. Ein moderner und leistungsfähiger Mikrocontroller soll dabei die Verarbeitung aller Daten übernehmen und die Kommunikation zu anderen Subsystem gewährleisten.


Durchführung

Der Entwurf der notwendigen Hardware zur Sicherstellung der oben genannten Anforderungen war der erste Schwerpunkt dieser Abschlussarbeit. Dazu zählen neben der Platine für das Sensor Subsystem Front auch geänderte Komponenten des Power Subsystems.
Den zweiten Schwerpunkt bildete die Programmierung des Mikrocontrollers. Dabei wurden zwei Softwareprojekte erstellt. Zum einen handelt es sich um ein Diagnoseprogramm für das Testen der korrekten Funktionalität aller Module und zum anderen um das eigentliche Betriebsprogramm.


Fazit

Aufgabenstellung war es, die notwendigen Nutzungsanforderungen im Bereich der Sensorik durch Realisierung des Sensor Subsystem Front zu erfüllen. Die Arbeit beschreibt die implementierte Hardware zur Ansteuerung verschiedener Sensoren und Sicherstellung der Kommunikation zum Gesamtsystem. Weiterhin wurden zusätzliche Peripherien und Funktionen, wie Anzeigeelemente, Lichtsteuerungen und Neigungskorrektur des Laserscanners, eingebunden. Die entwickelte Software basiert auf einem Real Time Betriebssystem und umfasst neben dem eigentlichen Betriebsprogramm ein Diagnoseprogramm, welches die Funktionalität der Platine verifiziert und dem Entwickler eine Testmöglichkeit bietet. Das Betriebsprogramm erfasst, verarbeitet und sendet die Daten der angeschlossenen Sensoren auf Anfrage an andere Subsysteme. Eine ausführliche Dokumentation beider Softwareprojekte wurde mithilfe von Doxygen generiert. Zusammenfassend konnten durch Prüfung der Funktionalität aller Sensoren und Peripherien im bestehenden System die Anforderungen an das Sensor Subsystem Front in vollem Umfang bestätigt werden. Die ermittelten Sensorwerte wurden zur Verifizierung durch Messungen oder Vergleichswerte anderer Geräte belegt.

 
Ausblick 

Die Entwicklung der Roboterplattform FTW-2WD „BobbyCar“ hin zu einem autonom agierenden Fahrzeug erfordert den Ausbau weiterer Subsysteme. Im Bereich der Sensorik sollte das Sensor Subsystem Rear umgesetzt werden.
Basierend auf den dann zur Verfügung stehenden Daten können durch Weiterentwicklung des Logic Subsystems erste Schritte zur autonomen Plattform vorgenommen werden.


Peter Baudy, Juni 2011

Sensor Controller

BobbyCar

Umbau