Technik
Unser Video zum Wettbewerb 2022
Für die Entwicklung eines autonom fahrenden Fahreuges wird spezifisches technisches Fachwissen benötigt. Aufgrunddessen wird jedes Mitglied einem Team zugeordnet, welches sich mit einem technischen Schwerpunkt befasst. Die Kunst ist hierbei die Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Teams zu koordinieren und so ein funktionsfähiges autonom fahrendes Auto zu entwickeln.
Der Smarty
Der Smarty ist das Fahrzeug der Saison 2021/22. Optisch ist dieser an die Mercedes G-Klasse angelehnt.
camera-vision
Die erste und vielleicht größte Hürde für jedes autonome Fahrzeug besteht darin, seine Umgebung detailgetreu wahrzunehmen, um sich anschließend erfolgreich darin zurechtzufinden. Zu diesem Zweck nutzen die meisten Teams, die am Carolo Cup teilnehmen, vorwiegend eine oder mehrere Kameras, die trotz vergleichsweiser geringer Kosten hochauflösende Aufnahmen der Umgebung ermöglichen.
Im Rahmen des Wettbewerbs gilt es dabei, die großen Mengen aufgenommener Bilddaten möglichst effizient zu verarbeiten, um die folgenden Herausforderungen zu meistern:
Fahrspurerkennung: Welchem Weg soll das Fahrzeug folgen?
Situationserkennung: Befinde ich mich gerade an einer Kreuzung/einem Zebrastreifen und muss Vorfahrt gewähren, oder kann ich Gas geben und weiterfahren?
Parkplatzsuche: Wo kann und wo darf ich parken? Ist der Parkplatz belegt?
Überholen: Befindet sich ein Hindernis auf meiner Spur?
Verkehrsregeln: Wie schnell darf ich aktuell fahren? Gilt hier ein Überholverbot?
Lidar
Für die ergänzte Objekterkennung und Distanzmessungen wird ein Lidar verwendet. Dieser dreht sich mit 15 Hz und sendet dabei Laserstrahlen aus, welche nach der Reflexion wieder empfangen werden. Mithilfe der Lichtgeschwindigkeit kann so die Distanz berechnet werden. Durch das ständige Aussenden von Laserstrahlen wird so eine Punktwolke erstellt. Diese wird durch das Anwenden verschiedener Filter auf den relevantesten Teil reduziert.
Aktuell wird der Lidar in der Kreuzungssituation verwendet, um Fahrzeuge zu erkennen, welche sich auf der Kreuzung befinden oder Vorfahrt haben. Zukünftig soll der Lidar noch zur Vermessung von Parkplätzen und zur Distanzmessung zu vorausfahrenden Fahrzeugen verwendet werden.
Die Aufgabe des Lidar-Teams besteht in der Integration des Lidars im Fahrzeug, sowie der Auswertung der Sensordaten.
Fahrspurerkennung
Das Team der Fahrspurerkennung ist für die Erstellung eines Pfades für die Regelung zuständig.
Es wird ein klassischer, algorithmischer Ansatz für die Erkennung der Fahrspuren verwendet. Aus dem originalen Bild werden im ersten Schritt die vertikalen Kanten des Bildes bestimmt. Basierend auf den in dem vorhergegangenen Bild erkannten Fahrlinien, wird für alle drei Linien eine „region of interest“ bestimmt und die erkannten Kanten den Linien zugeordnet.
Anhand der gefundenen Linienpunkten wird mit dem „least squares“ Algorithmus eine hyperbolische Repräsentation der Linie bestimmt. Wenn für eine Linie nichts erkannt werden konnte, wird ihre Repräsentation aus den anderen berechnet.
Zum Schluss wird die hyperbolische Beschreibung aus der Kameraperspektive in eine parabolische Beschreibung in dem Birds Eye View transformiert.
regelung
Das Regelungsteam ist für die Ansteuerung des Lenkservo und des Motors zuständig.
Dabei wird für jeden Motor ein optimaler Regler entworfen. Die Ansteuerung erfolgt auf Basis der Sensordaten und versucht dem vorgegebenen Pfad der Fahrspurerkennung optimal zu folgen.
Für die Erstellung der Regler wird Matlab/Simulink verwendet.
Das Modell wird daraufhin in C++ Code übersetzt und in ROS implementiert.
Danach werden die Regler und Regelparameter am Fahrzeug validiert.
Konstruktion
Das Team Konstruktion befasst sich mit dem Entwurf der Fahrzeugkarosserie sowie angrenzenden Themengebieten. Die Karosserie ist sowohl für das Design und die Aerodynamik des Fahrzeugs als auch für den Schutz der inneren Komponenten relevant.
Zudem werden mit ihr gleichzeitig noch weitere Aspekte berücksichtigt, wie beispielsweise das Thermomanagement des Fahrzeugs mithilfe funktional platzierter Lufteinlässe. Aus den genannten Aufgaben ergeben sich Schnittstellen zu den Teams Elektronik, Kamera und Lidar.
Für die Konstruktion wird im Projekt die Software SolidWorks verwendet. Darin werden die Karosserie sowie weitere Bauteile wie beispielsweise die Felgen entworfen und anschließend per 3D-Drucker gefertigt. Zentrale Herausforderungen sind die Abstimmung der Karosserie auf die Anforderungen aller Schnittstellenteams und auf das Carolo-Cup-Regelwerk sowie die Integration zusätzlicher Anforderungen. Dies sind eine einfache und schnelle De- und Montage der Karosserie und ein geordnetes Kabelmanagement der Lichter und Scheinwerfer entlang der Karosserieinnenseite.
Filterung
Die Signalverarbeitung zielt auf die Aufbereitung und Weiterverarbeitung der Messsignale aller Fahrzeugsensoren ab. Eine qualitative Aufbereitung der Signale erfordert die digitale Filterung der Sensordaten. Dafür notwendige Filtermechanismen müssen entwickelt und durch ein Testing im Fahrzeug evaluiert werden. Die Signalverarbeitung bildet dabei einen Teil der Software, die auf dem Mikrocontroller eingesetzt wird. Besondere Herausforderungen stellen hierbei die Abstimmung der Schnittstellen für die Implementierung der Filtermechanismen im Gesamtsystem, sowie die sonor-spezifisch individuelle Auslegung der Filterparameter dar.
Energieversorgung
Das Team Energieversorgung hat sich die Entwicklung eines eigenen Akkus und eines dazugehörigen Batteriemanagementsystems zur Aufgabe gemacht. Der entwickelte Akku ist auf die Anforderungen des Modellfahrzeugs abgestimmt. Damit die Zellen nicht durch falsche Handhabung zerstört werden, wird ein dazugehöriges Batteriemanagementsystem entwickelt. Dieses ist für eine geregelte Ladung und Entladung, genauso wie für die Überwachung der Zellen zuständig. Schnittstellen gibt es hauptsächlich zum Team Elektronik.
embedded hard & software
Das Team Embedded Software ist hauptsächlich für die Entwicklung der Software für den Mikrocontroller des Fahrzeugs zuständig. Dieser wird verwendet, um zeitkritische Sensoren und Aktoren zu steuern. Das Team ist außerdem für die Kommunikation zwischen Mikrocontroller und dem Hauptrechner des Fahrzeugs verantwortlich und wählt zusammen mit dem Elektronikteam einen Teil der Komponenten aus. Das Team hat Schnittstellen zur Elektronik und den Teams, die die Daten der Sensoren verarbeiten und die Sollwerte für die Aktoren generieren.
Elektronik
Das Team Elektronik bildet die zentrale Anlaufstelle für die Hardware des Fahrzeugs.
Aufgaben sind die Bauteileauswahl, das Schaltungs- und Platinendesign, der Aufbau des Fahrzeugs sowie das anschließende Testing. Enge Schnittstellen finden sich zur Energieversorgung, Konstruktion und der Embedded Software.
State machine
Mit zunehmender Komplexität der Rundkurse und Aufgaben vom Basic zum Masters Cup steigen auch die Anforderungen an ein autonomes Fahrzeug. Die Informationen, die im ersten Schritt über die verschiedenen Sensoren aus der Umgebung extrahiert wurden, müssen im „Gehirn“ des Fahrzeugs anschließend zu einer Entscheidungsfindung kombiniert werden. Hier werden z.B. Manöver wie Überholen oder Einparken eingeleitet und zu jeder Zeit geprüft, wie (unter Einhaltung der Verkehrsregeln) am schnellsten wieder Vollgas gegeben werden kann.
Simulation
Das Team der Simulation entwickelt eine Simulationsumgebung, um den Softwarestack des Fahrzeugs unabhängig von dem Fahrzeug selbst testen zu
können. Die Herausforderungen sind dabei die Bewegung eines virtuellen Fahrzeugs sowie die Simulation von Sensoren und Kamera.
Die Benutzung der Simulation beschleunigt die Softwareentwicklung und ermöglicht es, verschiedene Szenarien zu testen. Zudem ist es möglich, die
Integration neuer Software zu testen, ohne das Fahrzeug dafür zu benötigen.
Die Simulation basiert auf der durch das KITcar Team frei zur Verfügung gestellte Gazebo-Simulation und ist auf die Bedürfnisse unseres Teams angepasst, sowie um zusätzliche erweitert.
