Anmerkung

Die unten aufgelisteten Beiträge enthalten Informationen der RWTH oder der Institute sowie teilweise Informationen zur Optimierung und Verbesserung. Teilweise sind diese nicht von mir persönlich erstellt und dürfen somit nicht ohne vorheriger Einwilligung des Autors weiter veröffentlicht werden!

Falls es Probleme geben sollte schreibt mir bitte eine Mail. Die Adresse lautet Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Grundgedanken

Im vierten Semester "Elektrotechnik, Informationstechnik und technische Informatik" an der RWTH ist eine Veranstaltung ein Projekt, dass von einem Institut gestellt und betreut wird.

Bei mir entschied sich das Campus-Anmeldesystem für das Autonome Fahrzeug. Der Direktlink ist nur als RWTH-Student zu erreichen. Hier einige Auszüge:

 

Institutsprojekt 4. Semester (ACS - Aufbau eines elektrischen Modellautos) (Praktikum (P))

Dozenten
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Pfeil Univ.-Prof. Antonello Monti, Ph.D.
Pfeil Elektro- u Informationstechnik Stundenplaner
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Veranstalter
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Pfeil Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Pfeil Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems

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Prüfungsleistungen
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Referenz Titel Prüfungsleistung Modulleistung Credits Workload Credits Bonus Kontaktzeit (SWS) Selbststudium (h)
BSETITTI-425/09 Institutsprojekt Modulleistung 3 3 3 45
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Module
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Komplette Referenz Modultitel Kurzbezeichnung Credits Workload Credits Bonus Dauer (Semester) Fachsemester
BSETITTI-425/09 Institutsprojekt BIPR     1 4
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Inhalt

 

In diesem gemeinsamen Projekt der energietechnischen Institute bauen die Studierenden gruppenweise ein fahrtüchtiges, elektrisch angetriebenes Modellauto auf, welches Stück für Stück um einzelne Funktionalitäten erweitert wird. Ziel ist die autonome Umrundung eines vorgegebenen Parcours. Hierfür werden den Teilnehmern im Zuge des Projektes grundlegende Thematiken der Elektrotechnik nähergebracht. Auf einem breiten Spektrum wird der Umgang mit elektrischen Maschinen, Leistungselektronik sowie Sensorik und Regelungstechnik auf Basis eines Mikroprozessors erlernt.

Dazu müssen sich die Studierenden mit Batterien, DC-Motoren für den Antrieb, Hoch- und Tiefsetzstellern, Servo-Motoren für die Lenkung und der erforderlichen Mess- und Regeltechnik vertraut machen. Die Grundlagen hierfür werden vorab in thematischen Kurseinheiten vermittelt. Mit den so gewonnenen Kenntnissen wird schließlich ein handelsübliches ferngesteuertes Auto zur Erfüllung der Aufgabe um Sensoren, Leistungselektronik und den Mikroprozessor erweitert.

Da das Fahrzeug, nachdem es aktiviert wurde, den Parcours völlig selbständig durchfahren muss, liegt ein besonderes Augenmerk auch auf der Steuerung und den notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zum Schutz von Mensch und Material. Dem Wagen liegt ein Bausatz zu Grunde, damit für alle Gruppen die Ausgangssituation die Gleiche ist.

Das Design der Platinen für die Steuerung, das Löten der Platinen, der Zusammenbau der Fahrzeuge und die Programmierung der Steuerung wird von den Studierenden selbständig durchgeführt. Sie können bei offenen Fragen und Problemen jedoch stets ihren Betreuer kontaktieren, der ihnen mit Rat und Tat zur Seite steht.

Als Höhepunkt wird am Ende des Projekts ein Zeitfahren durchgeführt, in dem die Autos der Studierenden gegeneinander und gegen ein Referenzauto der Betreuer antreten. Dabei muss der Wagen die Sicherheitskriterien erfüllen und den Parcours zweimal ohne Ausfall durchfahren, um die Ziele des Projekts zu erfüllen. Zusätzlich wird das schnellste Auto ermittelt und die Gewinnergruppe ausgezeichnet.

Quelle: Campus Office RWTH Aachen - Nicht zur Weitergabe bestimmt!

Schaltplan des Fahrzeugs

Für den Aufbau des Fahrzeugs haben wir Schaltpläne und Anleitungen bereit gestellt bekommen. Die wichtigsten Informationen lassen sich hier finden:

Quelle: ISEA - Nicht zur Weitergabe bestimmt!

Wir haben uns entschieden, den Schaltplan noch etwas "aufzumöbeln". Dabei wollten wir hauptsächlich mehr Informationen aus dem Signal bekommen und eine sauberere Aufbearbeitung haben.

Hier zunächst Auszüge aus den PDFs

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Quelle: ISEA - Nicht zur Weitergabe bestimmt!

Die Versorgungsspannung wird beim Referenzdesign aus einem L7805 bzw. einem L78S05 erzeugt.

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Quelle: ISEA - Nicht zur Weitergabe bestimmt!

Als Signalquelle dient ein Leiter, der auf dem Boden befestigt ist. Durch diesen fließt ein Strom mit 1A und 10kHz Rechtecksignal.

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Quelle: ISEA - Nicht zur Weitergabe bestimmt!

Als "Sensor" dient eine Spule mit 10mH Induktivität. Zusammen mit einem entsprechenten Kondensator wird ein Schwingkreis aufgebaut und das Signal wird über einen Operationsverstärker verstärkt. Dieser übernimmt weden der nicht symmetrischen Versorgungsspannung auch das Gleichrichten des Signals.

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Quelle: ISEA - Nicht zur Weitergabe bestimmt!

Für die Ansteuerung des Motors verwenden wir einen Halbbrückentreiber, welcher den Motor beschleunigen aber auch abbremsen kann. Die Ansteuerung erfolt mittels Pulsweitenmodulation.

 

Wir haben den kompletten Analogteil und die Spannungsversorgung selber entworfen und eine Platine hergestellt. Der Schaltplan sieht wie folgt aus

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Wir verwenden mehrere Linearregler, um möglichst störungsfrei die benötigten Versorgungsspannungen bereit zu stellen.

Wir benötigen folgende Spannungen

  • +5V für das Mikrocontroller-Board und die Digital-Elektronik
  • -5V für die Operationsverstärker
  • +8V für die Operationsverstärker

 

Auf Grund der Höhe der Versorgungsspannung für die Operationsverstärker können diese in dem Ziel-Arbeitsbereich von 0-5V ohne Probleme arbeiten. Des Weiteren sind die Spannungen voneinander entkoppelt.

Der Schaltungsblock unten rechts stellt einen Akkuwächter dar, welcher eine grüne Leuchtdiode nahezu linear mit der Akkukapazität leuchten lässt. Dabei leuchtet die grüne Leuchtdiode ab 8V mit 0mA bis hin zu 20mA bei ca. 12V.

Die rote Leuchtdiode beginnt zu leuchten, wenn die Akkuspannung unter ~8,7V sinkt.

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Die Spulen bilden zusammen mit den Kondensatoren am eingang einen LC-Schwingkreis, welcher auf die Frequenz des "Senders" abgeglichen wird. Als Sender dient ein Rechteck-Generator, welcher einen Leiter mit 1A Strom bei 10kHz durchfließen lässt. Die Werte für die Kondensatoren wurden zunächst rechnerisch und dann experimentell bestimmt. Auffällig war allerdings, dass manchmal die Phase der Spulen je nach verwendetem Kondensator auch komischerweise um 180° gedreht sein konnte. Nach erfolgreichem Abgleich verschwand dieses Phänomen.

Das vom LC-Schwingkreis erzeugte Signal wird zunächst vorverstärkt. Dabei ist zu beachten, dass man nicht in den Begrenzundsbereich von den Operationsverstärkern kommt, da wegen den negativen -5V die OPs nur bis etwa -3V aussteuern können.

Direkt darauf folgt ein aktiver Phasengleichrichter mit zusätzlicher Verstärkung. Das Ausgangssignal darf hier als Spitze ca (revers eingesetzt) V_{peak} = \frac{5V}{2*\sqrt{2}} = 1,768V sein, sodass das mit dem RC-Tiefpass 4. Ordnung gefilterte gleichgerichtete Signal nach dem letzten Verstärker genau 5V erreicht. Somit reicht es theoretisch aus, den Verstärkungsfaktor des Gleichrichters auf 1 zu belassen und nur den Vorverstärker anzupassen.

Hinter dem RC-Tiefpass 4. Ordnung folgt ein einfacher Verstärker mit dem Faktor 2, sodass der Wertebereich des AD-Wandlers im Mikrocontroller optimal ausgenutzt wird.

 

Parallel zu dem Amplitugenverstärker wird auch die Phase beider Spulen verglichen. Dazu wird die Spannung an dem LC-Schwingkreis zunächst mit Masse verglichen. Der Ausgang des Komparators zeigt somit an, ob es sich hier um eine Positive Flanke oder negative Flanke handelt.

Der Ausgang der Komparatoren zurde zunächst mit einfachen Pegelwandlern auf die Pegel der XOR-Gatter angepasst. Diese Aufgabe übernehmen die (internen) Schutzdioden des XOR-Gatters und der Vorwiderstand.

Das XOR-Gatter vergleicht nun, ob die Spannung beider Spulen positiv oder negativ ist. Sind beide Spannungen identisch, so liegt am Ausgang des XOR-Gatters eine logische 0 an, sind beide Spannungen mit unterschiedlichen Vorzeichen behaftet, liegt am Ausgang eine logische 1 an. Dies kann man leicht an einer Wahrheitstabelle ablesen.

Eine Hilfsschaltung kontrolliert den Betrag beider Signale über den Ausgang des Amplitudenverstärkers und meldet das Unterschreiten der Werte im Vergleich zu einer Referenzamplitude an ein zweites XOR-Gatter. Ist die Amplitude beider Signale zu gering, so liegt an einem Eingang des XOR-Gatters eine logische 1 an. Am zweiten Eingang des XOR-Gatters liegt der Ausgang des Phasenvergleichenden XOR-Gatters. Falls die Amplituden beider Signale ausreichend hoch sind, liegen an den Ausgängen beider XOR-Gatter die selben Potentiale an, welche je nach Phase der Signale logisch 1 oder logisch 0 sein können. Andernfalls liegen an beiden Ausgängen unterschiedliche Werte an.

Die nachgeschalteten Widerstände "addieren" die Werte der beiden XOR-Gatter, sodass bei Phasengleichheit 5V anliegen würden, bei Phasenungleichheit 0V und bei zu geringer Amplitude 2,5V. Durch den nachgeschalteten Tiefpass 4. Ordnung wird die Spannung ausreichend geglättet (Für die Berechnung der RC-Werte haben wir zusätzlich die Simulation mit LT-Spice durchgeführt, um passende Werte zu erhalten).

 

Zusammenfassend werden also die Beträge der Amplituden beider Signale mit einem konstanten Faktor verstärkt und geglättet sowie die Phase beider Signale zueinander an den Mikrocontroller weitergegeben.

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Die Motoransteuerung verwendet hauptsächlich die vom Institut vorgeschlagene Halbbrücken-Treiber und dazu passenden MOSFETs. Die Optokoppler wurden nur für die bessere Entkopplung der Motor-Steuerung und des Mikrocontrollers in Eagle entworfen, kamen später allerdings nicht zum Einsatz. Die Masse beider Teilkomponenten wurde auch via Jumper miteinander verbunden.

Der Motor wird mit einem 7812,5Hz PWM Signal angesteuert. Ist das Tastverhältnis kontinuierlich 1 oder 0, so lässt der Brückentreiber beide MOSFETs ausgeschaltet und das Fahrzeug rollt aus. Somit sind für den eigendlichen Fahrbetrieb nur die PWM-Zählerstände von 1-254 wichtig. Ggf. ist eine Begrenzung nach oben und/oder unten wichtig.

Der Servo wird mit einer erhöhten Frequenz von 100Hz angesteuert. Zusätzlich wird dieser mit 5,7V anstatt nur 5V betrieben, sodass die Stellzeiten besser sind.

Die nahezu fertige Platine sieht wie folgt aus:

Weitere Bilder können hier nachgeschlagen werden.

LT-Spice Simulation

Zum Analogteil werde ich noch einige Simulationen hochladen und erklären

Quellcode

Quellcode werde ich erstmal nicht hochladen, da eine gründliche Codebereinigung notwendig ist und dies zu Vorteilen bei Gruppen führen könnte, welche Teile des Codes verwenden.

Die ersten Fahrten

Hier die ersten Videos vom Fahrzeug

 

 

 

Nun gibt es auch die ersten Videos von der realen Rennstrecke unter normalen Bedingungen.

 

Das folgende Video ist aus der "Fahrersicht" aufgenommen

 

Zu guter Letzt noch ein "Referenzvideo" einer anderen Gruppe, welche als erstes den "Schein" bekommen hat. Unser Fahrzeug war zu diesem Zeitpunkt auch etwas langsamer als in den Videos

Das Rennen

Leider haben wir nicht allzuviele Videos von dem Rennen drehen können. Glücklicherweise hat Leon Schottdorf ein paar Videos hochgeladen. Vielen Dank dafür über diesen Weg ;-)

Ursprünglich gab es 12 Teams, wobei je 3 Teams von einem Institut betreut wurden. Von diesen Teams traten 8 an. Die Ausscheidung geschah nach dem K.O.-System, d.h. in diesem Fall gab es für uns ein Viertel-, Halb- und ein Finale.

Die Signalqualität des Signalgenerators entsprach leider nicht der bekannten Stationarität. Da der Signalgenerator nach jedem Rennen abgeschaltet wurde, kühlte dieser etwas ab und began nach erneutem Einschalten mit der Generation des Rechteck-Signals bei einer geringeren Frequenz. Diese ansteigende Rampe der Frequenz störte die Regelgenauigkeit des Fahrzeugs, weil die Amplitude am LC-Schwingkreis entweder zu hoch oder zu gering war.. Somit fuhr das Fahrzeug nicht mehr so sauber wie am Vortag. Wir konnten den Fehler durch Nachjustieren der Amplitude zwar veringern aber nicht komplett beseitigen.

Hier das erste Rennen:

 

Das zweite Rennen:

 

Das Finale (leider unser "schlechtestes" Rennen):

Wir wollen uns nochmal bei den Betreuern des ISEA und allen anderen Betreuern herzlichst Bedanken. Das Projekt hat viel Spaß gemacht und die Arbeit wurde am Ende des Projektes mit einem Sieg belohnt. Natürlich ist dieser nur durch die tatkräftige und intensive Arbeit meiner Komolitonen Florian Sehr und Markus Mirz möglich gewesen, bei denen ich mich auch nochmal bedanken möchte.

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