Mechlab

Am 27.09.18 besuchte eine Delegation der Jiliang-Universität aus Hangzhou das Mechlab-Team und den ITVS-Lehrstuhl der TU Dresden. Nach einer Vorstellung der aktuellen Forschungsprojekte auf dem HTW-Prüffeld wurden die Möglichkeiten der Zusammenarbeit im Bereich der vernetzten und automatisierten Fahrfunktionen diskutiert. Am Ende des Arbeitsbesuches erfolgt die Unterzeichnung einer Absichtserklärung zum Aufbau des „Chinesisch-Deutschen Forschungszentrums für automatisierte Fahrsysteme (CDFFAF)“ an der Jiliang Universität.

Die ROSCon ist eine internationale Entwicklerkonferenz nach dem Vorbild der PyCon bzw. C++Now (ehemals BoostCon). Der Inhalt orientiert sich im Wesentlichen am aktuellen Entwicklungsstand des Open Source Frameworks, insbesondere in Hinsicht auf ROS 2 mit Verbesserungen im Bereich sicherheitskritischer und echtzeitfähiger Anwendungen sowie der Ausführbarkeit in eingebetteten Systemen. Da ROS ein essenzieller Bestandteil der Systemarchitektur im Verbundprojekt „Generische Entwicklungs- und Absicherungsmethodik für vernetzte und automatisierte Fahrfunktionen“ (GEwAF) darstellt, besuchte auch ein Teil des Mechatroniklabors die Konferenz in Madrid und informierte sich in diesem Zusammenhang über aktuelle Forschungsprojekte, neue Anwendungen und praxistaugliche Einsatzmöglichkeiten.

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Heute erreichte uns der Zuwendungsbescheid für das Forschungsprojekt „Spurgenaue Lokalisierung für Intelligente Verkehrssysteme (IVS-LOK)“. Unter Leitung der TU Dresden werden in den kommenden 3 Jahren neue Methoden zur Verbesserung der Fahrzeuglokalisierung untersucht. Damit ist das Mechlab-Team nun auch offizieller Teil der Projektinitiative Synchrone Mobilität 2023. Beim Team liegen vor allem die dynamischen Untersuchungen im Fahrzeug, sowohl für den Bereich des Prüffeldes als auch im realen Verkehr.

 

Heute war der britische Bildungsminister Damian Hinds zu Besuch an verschiedenen Dresdner Bildungseinrichtungen. Den Besuch an der HTW Dresden beendete er mit einer Visite beim Mechlab-Team auf dem HTW-Prüffeld. Die Studierenden und Mitarbeiter demonstrierten verschiedene Projekte, so den automatisierten Twizy, die Fahrzeugvernetzung und die Umfelddetektion mittels Laserscanner. Im Bild zu sehen ist M. Sc. Sven Eckelmann (wie immer an der legeren Kleidung gut zu erkennen), der dem Minister (Bildmitte) spannende Details seines Promotionsthemas im Rahmen des Projektes NIVES erläutert.

Am 10.09.18 fanden am Nachmittag umfangreiche Dreharbeiten für einen Wissenschaftsbeitrag des MDR-Fernsehens statt. Zum Thema „Mobilität der Zukunft“ informierte sich das Aufnahmeteam über die aktuellen Arbeiten im Labor für Kfz-Mechatronik. Erstmals konnte auch eine automatisierte Fahrt mit Spurführung mit dem Renault-Twizy gezeigt werden (VIDEO).

Der Sendezeitpunkt steht noch nicht exakt fest, voraussichtlich wird der Beitrag am 10.10.18 im Spätprogramm gesendet.

Am 28.08.18 besuchte der Staatsminister für Finanzen, Dr. Matthias Haß, die HTW Dresden. Den Abschluss seiner Tour bildete die Vorführung des Mechlab-Teams zur vernetzten Mobilität auf dem HTW-Prüffeld. Anhand verschiedener Szenarien wurden aktuelle und zukünftige Technologien erläutert und im Fahrversuch demonstriert. Der Minister zeigte sich sehr interessiert an der Thematik, investiert doch der Freistaat Sachsen im Rahmen verschiedener Projekte erhebliche Forschungsmittel. Das Mechlab-Team konnte hier zeigen, dass diese Gelder sehr gut angelegt sind.

M.Sc. Sven Eckelmann (links, wie unschwer an der Bekleidung zu erkennen ist) erläutert dem Staatsminister (2. v.l.) die Messtechnik des Versuchsträgers:

Das elektronische Fahrpedal ist Teil des Regelkreises zur Querführung in Kraftfahrzeugen. Es ermittelt permanent die Pedalstellung und gibt diese Führungsgröße an das Motorsteuergerät weiter, dessen Aufgabe darin besteht, eine dem Leistungswunsch des Fahrers entsprechende Stellgröße an die Regelstrecke zu übergeben. Im Verbrennungsmotor setzt sich das Stellglied aus den Drosselelementen des Ottomotors bzw. den Einspritzelementen des Dieselmotors zusammen, wohingegen im Elektrofahrzeug durch ein leistungselektronisches Stellglied (AC/DC-Wandler) die Gleichspannung der Hochvoltbatterie in eine n-phasige Wechselspannung für die Traktionsmaschine umgeformt wird.

Ziel dieses Projektes ist die Simulation des elektronischen Fahrpedals eines BMW i3 durch ein elektronisches Steuergerät mit Anbindung an den CAN-Bus bzw. mit Anbindung an das ROS-Framework.

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[acc_item title=“Analyse des Fahrpedals“]

Die aktuelle Fahrpedalstellung wird zum Zwecke der Redundanz durch 2 Sensoren ermittelt und als analoges Spannungssignal übertragen. Es ergibt sich somit die dargestellte lineare Spannungskennlinie des elektronischen Fahrpedals. Die Ruhespannungen liegen bei 0,726 V für Spannungssignal 1 bzw. 0,363 V für Spannungssignal 2 und steigen bei maximaler Pedalbetätigung auf 4 V bzw. 2 V an. In Abhängigkeit der Pedalstellung x ergeben sich somit folgende Gleichungen:

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\begin{align*}
f(x)_{S1}=0,03274x+0,726\,[V] \\
f(x)_{S2}=0,01637x+0,363\,[V]
\end{align*}
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[acc_item title=“Entwicklung des Steuergerätes“]

Erzeugen der Signalspannung
Die meisten kleineren Mikrocontroller sind nicht in der Lage analoge Spannungen auszugeben. Es gibt jedoch die Möglichkeit ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) zu generieren und dieses anschließend durch eine nachgeschaltete Kombination aus Widerstand und Kondensator (Tiefpass) glätten zu lassen. Als nachteilig erweist sich jedoch die Tatsache, dass die Dimensionierung der Bauteile von der zu glättenden Spannung abhängt, welche sich jedoch dynamisch im Stellbereich der Gleichungen f(x)_S1 und f(x)_S2 ändert. Somit sind Oberwellen im geglätteten Spannungsverlauf nicht gänzlich ausgeschlossen. Eine weitere Alternative ist der Aufbau eines Widerstandsnetzwerkes, welches durch die freien Ports des Mikrocontrollers angesteuert wird. Die Genauigkeit hängt von der Anzahl der verwendeten Pins ab. Bspw. ergibt sich bei der Nutzung eines gesamten Ports eine Auflösung von 8 Bit (255 Werte). Da diese Auflösung sehr gering ist, stellt eine bessere Alternative die Nutzung eines externen Digital-Analog-Converters (DAC) dar, welcher über das Serial Peripheral Interface (SPI) des Mikrocontrollers angesteuert wird. Um die maximale Ausgangsspannung flexibel auszulegen und nicht auf 5 V zu begrenzen, wird die durch den MCP4922 erzeugte Spannung durch einen Operationsverstärker (OPV), welcher als nichtinvertierender Verstärker verschaltet ist nochmals erhöht.

Einlesen der Signalspannung

Um analoge Spannungen einzulesen, können die analogen Eingangspins des Mikrocontrollers genutzt werden. Zu beachten ist hier, dass die eingelesene Spannung zwischen 0 V und 5 V liegen muss. Zur Erweiterung dieses Bereiches auf den doppelten Spannungsbereich, kann wie in der nächsten Abbildung dargestellt ein einfacherer Spannungsteiler vorgeschaltet werden, welcher jede Eingangsspannung halbiert.

Signalumschaltung

Der Fahrer muss zu jedem Zeitpunkt die Möglichkeit haben, dass Steuergerät automatisiert oder manuell zu überstimmen. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, muss eine Umschaltung zwischen Fahrpedal und Steuergerät stattfinden, welche im stromlosen Zustand die Verbindung zwischen Fahrzeug und Fahrpedal herstellt. Wie in folgender Abbildung dargestellt, kann dies mithilfe eines 2-Wechsler SMD-Signalrelais realisiert werden.

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[acc_item title=“Inbetriebnahme“]

Die Programmierung des Mikrocontrollers erfolgt unter der integrierten Entwicklungsumgebung Atmel Studio 7 in C mithilfe des Programmier und On-Chip-Debuggers Atmel-ICE über die JTAG-Schnittstelle. Die wesentliche Aufgabe des Hauptprogrammes besteht darin, die CAN-Botschaften mit den Informationen der Fahrpedalstellung zyklisch zu versenden, die CAN-Botschaften für die Steuerung des Fahrpedals einzulesen und den DAC entsprechend der hinterlegten Fahrpedal-Kennlinie anzusteuern. Weiterhin erfolgt hier die Prüfung auf Abbruchbedingungen, welche bspw. durch den Fahrer bei laufender Simulation oder durch eine entsprechende CAN-Botschaft ausgelöst werden kann.

Mittels rqt_graph wird die ROS-interne Kommunikation deutlich.

Die /socketcan_bridge ist die Verbindung zum CAN-Netzwerk. Sie kann Nachrichten senden (/sent_messages) oder empfangen (/received_messages).

Durch den /ros_drivepedal_node werden die CAN-Botschaften verarbeitet und die Informationen des elektronischen Fahrpedals extrahiert.

Das topic /drivepedal enthält die Informationen der aktuellen Fahrpedalposition in Volt und Prozent.

/cmd_vel wird verwendet um die gewünschte Fahrpedalstellung an /ros_drivepedal_node und weiterhin an die /socketcan\_bridge zu übermitteln.

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Am Mittwoch, 25.07.2018, endete der Dresdner Teil der diesjährigen HAWtech Summer School „Automotive Engineering“. Den Schwerpunkt bildete in diesem Jahr die Analyse von Messdaten mittels Matlab. Mit den Ergebnissen erstellten die Studierenden in 4 Gruppen Präsentationen, in denen sie auf ausgewählte Aspekte der Analyse eingingen. Die Videos sind im YouTube-Kanal des Labors abrufbar (Click to Open).