Dokumentation Roboterfahrzeug

Transkript

1 Dokumentation Roboterfahrzeug Gruppe 6 Sensor und Regelungssysteme Praktikum Mechatronik Master SS16 Matthias Wolf, Fabian Pfeffer

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis... I Tabellenverzeichnis... I 1 Einleitung Gesamtsystembeschreibung Mechanischer Aufbau Elektrischer Aufbau Umsetzung Abstandsregelung zur Wand Probleme bei der Regelung Umsetzung Kollisionserkennung Probleme Anhang Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 - Blockschaltbild Gesamtsystem... 2 Abbildung 2 - Auto - Gesamtaufbau... 3 Abbildung 3- Anschluss Motoren und Integration der Stromsensoren... 5 Abbildung 4 - Regelalgorithmus Abstandsregelung aus Anhang Teil Abbildung 5 - Ausgabewert Ultraschallsensor bei Fahrt an der Wand... 6 Abbildung 6 - Problemdarstellung Abstandsmessung... 7 Abbildung 7 - Sensorausgangsspannungen der Stromsensoren (Motorstrom) während einer Kollision. oben: Antrieb links; unten: Antrieb rechts... 8 Abbildung 8 - Simulink Kollisionsalgorithmus aus Anhang Teil Abbildung 9 - State-Flow aus Anhang Teil Abbildung 10 - Umfahrung eines Hindernisses Abbildung 11 - Gesamtsystem Tabellenverzeichnis Tabelle 1 - Pinbelegung Motortreiber... 4 Tabelle 2 - Pinbelegung Sensoren... 4 I

3 1 Einleitung 1 Einleitung Parallel zu den Vorlesungen,,Sensorsysteme und,,regelungssysteme im 1. Semester des Masters Mechatronik wird zur praktischen Umsetzung des Gelernten ein Projekt bearbeitet. Es soll ein Roboterfahrzeug mit Sensorik ausgestattet werden, um dieses mit konstantem Abstand entlang einer Wand fahren zu lassen. Dazu wird ein Ultraschallsensor verwendet. Des Weiteren soll das Fahrzeug mit Hilfe von Stromsensoren zur Überwachung des Motorstroms eine Kollision mit einem Objekt erkennen. Die Sensoren werden an ein Linux Embedded System, einen BeagleBone Green, angebunden und über diesen parametriert und ausgelesen. Die komplette Programmierung geschieht über die Software Matlab/Simulink. In der vorliegenden Dokumentation wird zunächst im Kapitel 2 der Aufbau des Gesamtsystems anhand eines Blockschaltbildes erklärt bevor in Kapitel 2.1 explizit auf den mechanischen und in Kapitel 2.2 auf den elektrischen Aufbau eingegangen wird. In Kapitel 3 wird die Umsetzung der Abstandsregelung dargestellt und in Kapitel 4 die Umsetzung der Kollisionserkennung. 1

4 2 Gesamtsystembeschreibung 2 Gesamtsystembeschreibung In Abbildung 1 ist das Gesamtsystem als Blockschaltbild zu sehen. Die zentrale Einheit stellt hier der Mikrokontroller (BeagleBone) dar. Von ihm wird die gesamte Steuerung des Autos übernommen. Der Motortreiber erhält vom Mikrokontroller ein PWM-Signal zur Geschwindigkeitsregelung, sowie ein Signal zur Bestimmung der Drehrichtung der Motoren und folglich der Fahrtrichtung des Fahrzeugs. Als Sensoren sind zwei Stromsensoren, sowie ein Ultraschall-Sensor verbaut. Der Ultraschallsensor dient zur Abstandsregelung gegenüber einer Wand und die Stromsensoren messen die Stromaufnahme der beiden Motoren. Hierdurch soll eine Kollision erkannt werden. Der Antrieb des Autos ist durch insgesamt vier Motoren umgesetzt. Auf jeder Seite des Autos befinden sich zwei Motoren, die jeweils gleich angesteuert werden. Die Verbindung zum Entwicklungsrechner wird über eine kabellose WLAN Verbindung hergestellt. Als Entwicklungssoftware dient Matlab/Simulink. Abbildung 1 - Blockschaltbild Gesamtsystem 2

5 2 Gesamtsystembeschreibung 2.1 Mechanischer Aufbau In der Abbildung 2 ist das Roboterfahrzeug dargestellt. Das Chassis besteht aus einer Bodenplatte und einer Trägerplatte, welche zur Befestigung weitere Hardware auf der Bodenplatte befestigt wurde. An der Bodenplatte sind die Powerbank und der Ultraschallsensor befestigt. Der BeagleBone wurde mit zwei Distanzhülsen auf die Trägerplatte geschraubt. An der Hinterseite der Trägerplatte sind die Motortreiberplatine und die beiden Stromsensoren befestigt. Abbildung 2 - Auto - Gesamtaufbau 2.2 Elektrischer Aufbau Auf den BeagleBone wurde zur Vereinfachung des Anschließens von Peripherie und zum Schutz vor Schäden durch falsches Anschließen ein sogenanntes Cape aufgesteckt. Das verwendete Grove Cape besitzt spezielle Stecker zur UART-1/2- und I²C-1/2-Kommunikation sowie für die ADCs AIN 0 bis 4. Die Sensoren und die Motoren über den Motortreiber sind über das Cape mit dem BeagleBone verbunden. Im Folgenden wird der Anschluss der Sensorik und des Motortreibers beschrieben. In Tabelle 1 ist die Belegung der Pins zwischen BeagleBone und Motortreiber beschrieben. 3

6 2 Gesamtsystembeschreibung BeagleBone Motortreiber 3,3V VCC (Pin 1) GND GND (Pin 8) GPIO_60 (Pin 12) IN1 (Pin 3) GPIO_48 (Pin 15) IN2 (Pin 4) GPIO_49 (Pin 23) IN3 (Pin 6) GPIO_117 (Pin 25) IN4 (Pin 7) EHRPWM1A (Pin 14) ENA (Pin 2) EHRPWM1B (Pin 16) ENB (Pin 5) Tabelle 1 - Pinbelegung Motortreiber In Tabelle 2 ist der Anschluss der beiden Stromsensoren und des Ultraschallsensors an den BeagleBone beschrieben. BeagleBone Stromsensor A Stromsensor B Ultraschallsensor 5 V VCC VCC VCC GND GND GND GND AIN1 (Pin 40) OUT AIN3 (Pin 38) OUT I2C2_SDA (Pin 20) SDA I2C2_SDL (Pin 19) SCL Tabelle 2 - Pinbelegung Sensoren In der Abbildung 3 ist der Anschluss der beiden Motoren und die Integration der Stromsensoren in den Schaltkreis dargestellt. Der Motortreiber wird über die Powerbank mit Strom versorgt. 4

7 2 Gesamtsystembeschreibung Abbildung 3- Anschluss Motoren und Integration der Stromsensoren 5

8 3 Umsetzung Abstandsregelung zur Wand 3 Umsetzung Abstandsregelung zur Wand Um die Abstandsregelung entlang einer Wand umzusetzen, wurde der in Abbildung 4 gezeigte Regelalgorithmus in Matlab/Simulink entwickelt. Der Hauptteil der Regelung stellt der P- Regler dar. Der Sollabstand zur Wand ist im Programm fest hinterlegt und ist 50cm. Als Messeinrichtung zur Rückkopplung wird ein Ultraschallsensor verwendet. Hier kommt ein Ultraschallsensor vom Typ SRF02 zum Einsatz. Dieser Sensor überträgt seine Daten über die I2C Schnittstelle zum BeagleBone. Das Stellsignal, welches über den Motortreiber die Motoren ansteuert, wird hier durch zwei PWM Signale erreicht. Der in Abbildung 4 gezeigte Regelalgorithmus ist der Teil 3 des im Anhang gezeigten Gesamtalgorithmus. Abbildung 4 - Regelalgorithmus Abstandsregelung aus Anhang Teil 3 In Abbildung 5 ist der Ausgabewert des Ultraschallsensors während der Fahrt entlang einer Wand zu sehen. Hier wird der Abstand auf eine Distanz von 50cm geregelt. Ist der Abstand zur Wand größer 50cm, werden die linken Räder mit einem größeren duty cycle des PWM- Signals als die des rechten Antriebs angesteuert. Für einen Abstand kleiner 50cm gilt dies umgekehrt. Dadurch fährt das Fahrzeug mit einem Abstand von ca. 50cm +/- 5cm entlang der Wand. Abbildung 5 - Ausgabewert Ultraschallsensor bei Fahrt an der Wand 6

9 3 Umsetzung Abstandsregelung zur Wand 3.1 Probleme bei der Regelung Das Hauptproblem bei der oben erklärten Regelung ist, dass als Rückmeldung der aktuellen Fahrzeuglage nur 1 Ultraschallsensor verwendet wird. Hierdurch lässt sich zwar der Abstand zur Wand erkennen, jedoch nicht eine mögliche Schräglage des Fahrzeugs zur Wand. Diese Problematik ist in der Abbildung 6 verdeutlicht. Wird der Istabstand während der Fahrt aufgrund z.b. einer Einbuchtung in der Wand größer als der Sollabstand, lenkt das Fahrzeug folglich zur Fahrt in Richtung der Wand ein. Erwartungsgemäß sollte das Fahrzeug nun in Richtung der Wand fahren und der gemessene Abstand zur Wand sollte sich verkleinern. Dadurch, dass das Fahrzeug jedoch nun nicht mehr parallel zur Wand steht, wird wie in der Abbildung 6 zu sehen ein noch größerer Abstandswert gemessen. Folglich lenkt das Fahrzeug noch mehr zur Fahrt in Richtung der Wand ein und der gemessene Abstandswert wird noch größer. Letztendlich fährt das Fahrzeug gegen die Wand. Abbildung 6 - Problemdarstellung Abstandsmessung Eine Verbesserung der Regelung wäre mit einem zweiten Distanzsensor erreichbar. Durch einen zweiten am Heck des Fahrzeuges angebrachten Distanzsensor könnte der Winkel des Fahrzeugs zur Wand bestimmt werden und dieser Effekt vermieden werden. 7

10 4 Umsetzung Kollisionserkennung 4 Umsetzung Kollisionserkennung Zur Erkennung einer Kollision des Fahrzeugs wurden zwei Stromsensoren verwendet. Diese wurden, wie in der Abbildung 3 dargestellt, in die Zuleitungen der linken und die Zuleitungen der rechten Motoren zwischengeschalten. Der Stromsensor liefert an dem OUT-Pin eine analoge Spannung, welche linear proportional zu dem Strom ist. Der Sensor wird mit einer Spannung von 5V betrieben und hat eine Ausgangsempfindlichkeit von 185mV pro Ampere. Abbildung 7 zeigt den Spannungsverlauf, der von den beiden Stromsensoren gemessen wird. Während das Auto geradeaus fährt geben die Stromsensoren einen Wert von ca. 0,02V aus, was einem Strom von ca. 100mA entspricht. Bei einer Kollision steigt dieser Strom auf knappe 300mA (0,4V - 0,05V) an. Eine Kollision findet in Abbildung 7 zum Zeitpunkt t=3,7s statt. Abbildung 7 - Sensorausgangsspannungen der Stromsensoren (Motorstrom) während einer Kollision. oben: Antrieb links; unten: Antrieb rechts Der in Abbildung 8 gezeigte Algorithmus dient zur Auswertung der beiden Stromsensoren. Die Sensoren werden über die beiden Analogen Eingänge des BeagleBones AIN1 und AIN3 ausgelesen. Durch den Algorithmus wird jeder Sensor einzeln überprüft, ob er einen Grenzwert von 220mA (0,04V) überschreitet. Ist dies der Fall, löst das Fahrzeug die Befehlsabfolge zum Umfahren eines Hindernisses aus. 8

11 4 Umsetzung Kollisionserkennung Abbildung 8 - Simulink Kollisionsalgorithmus aus Anhang Teil 1 Abbildung 9 - State-Flow aus Anhang Teil 2 In der Abbildung 10 ist schematisch die Handlung nach einer Kollision dargestellt. Die Abbildung 9 zeigt das dazu in Simulink implementierte State-Flow-Diagramm. Die grün dargestellte Handlung in der Abbildung 10 zeigt die Routine nach der Kollision. Während diesem Vorgang ist die Routine zur Distanzregelung nicht aktiv. Bei der Grau dar- 9

12 4 Umsetzung Kollisionserkennung gestellten Handlung ist die Routine zur Distanzregelung aktiv. Nach einer Kollision mit einem Objekt wird die Fahrrichtung gewechselt und das Fahrzeug fährt für 2 Sekunden rückwärts. Anschließend wird durch das Stoppen der Drehung der linken Räder und der ausschließlichen Ansteuerung der rechten Räder für 2 Sekunden eine Drehung des Fahrzeugs nach links ausgeführt. Nach der Drehung um ca. 90 werden wieder beide Räder angesteuert um für 2 Sekunden geradeaus zu fahren. Danach werden die rechten Räder gestoppt und ausschließlich die linken Räder für 2 Sekunden angesteuert, wodurch eine Drehung um ca. 90 nach rechts entsteht. Anschließend werden wieder für 2 Sekunden die linken und rechten Räder angesteuert, um gerade aus zu fahren, bis das Objekt komplett umfahren ist. Anschließend wird wieder die Routine der Distanzregelung zur Wand ausgeführt. Abbildung 10 - Umfahrung eines Hindernisses 4.1 Probleme Durch die fest eingestellte Zeit bei der Ansteuerung der Räder ergibt sich das Problem, dass der Winkel den sich das Fahrzeug nach der Kollision mit einem Hindernis dreht von der Batteriespannung des Powerpacks abhängig ist. Das heißt, dass sich das Fahrzeug bei einem fast leeren Akku weniger weit dreht als bei einem vollen Akku, da dann die Drehzahl der Motoren mit sinkender Spannung abnimmt. Dieses Problem könnte gelöst werden, indem weitere Sensoren zur Messung der Radumdrehungen angebracht werden und anstelle der Zeiten eine bestimmte Umdrehungszahl der Räder angegeben wird. Die Lösung des Problems könnte außerdem durch das einpflegen eines Look-up-table (Werte abhängig von der Motorspannung) in das Modell erreicht werden. 10

13 5 Anhang 5 Anhang Abbildung 11 - Gesamtsystem 11