Autonomes Auto für eine digitale Carrera-Bahn

Die Grundbasis beinhaltet zum einen ein funktionsfähiges Ansteuern des Motors über eine Pulsweitenmodulation sowie eine Lichtansteuerung des Vorder- bzw. Rücklichtes. Zudem wird es weiterhin möglich sein, über die bereits vorhandene Infrarotdiode Signale an die Bahn zu senden (z.B. Streckenweichen und Pitstops).

• Die Platine bzw. der eingebaute Mikrocontroller verfügt über die Möglichkeit, das Signal der Stromschiene, welches in Manchestercodierung erfolgt, zu interpretieren. Um Spannungseinbrüche durch Fahrbahnunterbrechungen zu vermeiden, wird die Spannung des Mikrocontrollers gepuffert.
• Die zu erstellende Platine wird verschraubbar in das Auto integriert. Die Karosserie wird aus optischen Gründen ebenfalls fest mit dem Auto befestigt, so dass die Bauhöhe der Hardware begrenzt ist. Veränderungen an der Karosserie bzw. Tuningmaßnahmen am Fahrwerk und Motor werden nicht vorgenommen.

Als Mikrocontroller wird jetzt der STM32 F103CBT6 eingesetzt. Auf Grund der folgenden Pro--Liste, die sich auf den F103CBT6 bezieht, wird nicht der aus den vorherigen Projekten bekannte AT91SAM7S256 eingesetzt, sondern der Mikrocontroller von STM:

• AT91SAM7S256 ist bei den großen Distributoren nicht mehr lieferbar. (Digikey, Farnel, Mouser). Aktueller Mikrocontroller (Cortex M3) ist zukunftsfähig. Erfahrung mit dem Mikrocontroller-Kern ist im Team vorhanden. Über 250 Derivate mit verschiedenen Peripheriekomponenten sind vorhanden. Problemlose Umstellung auf Cortex M4 mit bis zu 168Mhz möglich. (+ FPU) Guter Support in Internetforen (z.B Mikrocontroller.net) vorhanden.
• Es wird jetzt ein 9-Achsen-Beschleunigungssensor verwendet. Der MPU-9150 von InvenSense ist ein Neun-Achsen-Sensor und besteht aus einem Gyroskop, einem Beschleunigungsmesser und einem Kompass. Ein großer Vorteil dieses Sensors ist dessen Kompaktheit.
• Der 3-Achsen Drehratensensor (Gyroskop) hat eine Empfindlichkeit von bis zu 131 LSBs/dps und Messbereiche von ±250, ±500, ±1000, und ±2000dps (LSBs/dps: least significant bits/degree per second). Der 3-Achsen Beschleunigungsmesser hat programmierbare Messbereiche von ±2g, ±4g, ±8g und ±16g. Der 3-Achsen Kompasssensor hat einen Messbereich von ±1200µT.

Da der grundlegende Anspruch dieser Projektreihe ist, ein Carreraauto so zu modifizieren, dass es optimale Rundenzeiten fährt. Fangen wir zunächst einmal bei den untersten physikalischen Gesetzmäßigkeiten an, die zu ganz unterschiedlichen Schwierigkeiten in der Realisierung führen. Die Grenzen der Haftreibung sind bei der optimalen Regelung eigentlich kein Problem. Empirisch wird zunächst einmal ermittelt, ab welcher Geschwindigkeit das Auto in den Kurven in die Gleitreibung geht, um dies als Parameter vorzugeben und so auf die maximal mögliche Radialbeschleunigung schließen zu können.

Diese Überlegungen dienen als Basis für die Entwicklung einer optimalen Regelung. Auf Basis einer Lernfahrt, welche mit Hilfe der Flanken des Radialbeschleunigungssignals die Kurven erkennt und die Länge der Geraden aufnimmt, wird die Strecke für den Rennbetrieb in 3 unterschiedliche Streckenabschnitte aufgeteilt. In der Kurve springt eine Regelung ein. Zu Beginn einer Geraden befinden wir uns in der Beschleunigungsphase, in welcher das Auto maximal beschleunigt. Diese endet, sobald der Umschaltpunkt erreicht ist. In der Auslaufphase wird der Wagen nun wieder auf die Geschwindigkeit heruntergefahren, mit der er nicht aus der Kurve fliegt. Aufgrund von Zeitmangel, entspricht die gegenwärtig auf dem Versuchsauto implementierte Regelung nicht der optimalen Regelung für beliebige Strecken. Hier wurde der Umschaltpunkt zunächst noch empirisch ermittelt.

In der dritten Version der Platine ist die Hardware nun fast ausgereift. Im Wintersemester 2014 / 15 hat eine Gruppe mit dem Schwerpunk Nachrichten- und Informationstechnik die grundlegende Kommunikation zum Auto über den Manchestercode und Bluetooth implementiert und eine zweite Gruppe mit dem Schwerpunkt Automatisierungstechnik eine grundlegende Regelung mit einem Zweipunktregler.

Beide Ergebnisse sind im Video zu sehen.