Kurzfassung

Steuerungssysteme für Elektrofahrzeuge am Beispiel des Projekts AICC

Diese Bachelorarbeit behandelt die Konzeptionierung und Realisierung eines Steuerungssystems für Elektrofahrzeuge anhand des Beispiels des Projektfahrzeuges AICC. Die Plattform von AICC basiert auf einem früheren Projekt, dem „TTCAR -NEXT“. Das „TTCAR“ wurde zur Demonstration des „drive - by - wire“ Konzepts entwickelt.

Zuerst werden in dieser Arbeit die Abgrenzung des Funktionsumfangs des Steuerungssystems und die darauf folgende Konzepterstellung beschrieben. Die Arbeit beinhaltet deshalb Informationen zu verschiedenen Rechensystemen bezüglich ihrer Einsetzbarkeit in mobilen Systemen.

Nach der Festlegung des Funktionsumfanges und Auswahl des Rechensystems folgt die konkrete Umsetzung am Projektfahrzeug AICC. Um den Überblick zu behalten wird das Konzept in Funktionsblöcke zerlegt, die separat betrachtet und beschrieben werden. Dabei wird sowohl auf die Implementierung der Hardware und der Software im Detail eingegangen.

Das letzte Kapitel enthält sowohl eine Zusammenfassung als auch Ergebnisse der Entwicklungsarbeit. Weiters werden Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt, die sich während der Umsetzung des Konzeptes herauskristallisierten. Suchbegriffe: (Steuerungssysteme, Elektrofahrzeuge, PIC, Ethernet, USB)

Summary

Control systems for electric traction using the example of the project AICC

This bachelor thesis deals with the conceptual design and implementation of a control system for electric traction on the basis of the project AICC. The platform of AICC is based on the “TTCAR” which was the development of an earlier project at the FH -Kaernten. The main focus of the “TTCAR” project was the demonstration of the drive - by - wire concept.

At the beginning of this thesis the limitation of the functionality of the control system and the following conceptual design are described. For that reason this paper contains information about many various computing systems concerning their usability in mobile systems.

After the fixing of the range of supported functions and the choice of the most adequate computing system, the concrete implementation on AICC is explained. To keep the general idea the concept is split in small function blocks which are described individually. Both hardware- and software- implementation are specified.

The last chapter of this paper is dealing with the results of the development work. In addition some improvement opportunities, which came out during the construction of AICC are highlighted.

Key words: (control systems, electric traction, PIC, Ethernet, USB)

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

Kurzfassung.   2

Inhaltsverzeichnis   3

Abbildungsverzeichnis.   5

Tabellenverzeichnis 6   

Abk  ürzungsverzeichnis  7

Vorwort.   8

1  Aufgabenstellung.  9

2  Erstellung eines Steuerungskonzeptes.  11

2.1  Stromversorgung  11

2.2  Busse.  12

2.3  Komponenten schalten  15

2.4  Notstopp  16

2.5  sonstige Steuer-, Regelungs- und Kontrollaufgaben  17

3  Erstellung eines Pflichtenhefts  20

4  Evaluierung eines geeigneten Rechensystems  21

4.1  Vergleich verschiedener Rechensysteme  22

4.2  Auswahl eines geeigneten Rechensystems.  23

5  Aufbau und Entwicklung der Hardware  25

5.1  Beschreibung der einzelnen Funktionsblöcke  25

5.1.1  Ethernet Schnittstelle  25

5.1.2  Strom- und Spannungsmessung.  26

5.1.3  Lenkabgleich.  28

5.1.4  ISO-K-Line Tranciever RS232 Schnittstelle für Kompassauswertung.  29

5.1.5  Inkrementalgeberauswertung.  30

5.1.6  USB - Controlleranbindung und EIOS  31

5.1.7  Softwareemulierte RS232 Schnittstelle für Debugging.  32

5.1.8  LIDAR Schalt- und Fehlerausgangauswertung  33

5.1.9  Front- und Bremslichter.  33

5.1.10  Temperatursensoren.  33

5.1.11  Sensorbordanbindung  33

5.1.12  Auswertung der Infrarotsensoren.  34

5.1.13  Stromversorgung Mainbord.  35

3

Inhaltsverzeichnis

5.2  Implementierung der Funktionsblöcke.  36

6  Entwicklung der Steuerungssoftware  39

6.1  Allgemeiner Überblick  39

6.2  Realisierung der Software  39

6.2.1  Maincontroller  40

6.2.2  USB - Controller.  46

6.2.3  Notstoppcontroller  48

7  Kommunikationsprotokolle  50

7.1  Ethernetkommunikation  50

7.2  MBC - NBC  51

7.3  MBC - EECUSB.  52

8  Ergebnisse und Zusammenfassung  54

Literatur  - und Quellenverzeichnis  56

Anhang.   57

4

Abbildungsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  2-1-1 Schema Stromversorgung  

Abb.  2-1-2 Schema des ISO-K-Line Bus  

Abb.  2-1-3 Schema Ethernet Kommunikation  

Abb.  2-1-4 Schema USB - Diagnose  

Abb.  2-1-5 Schema Komponentenschalten  

Abb.  2-1-6 Schema Notstoppsensorik  

Abb.  2-1-7 Schema Lenkabgleich  

Abb.  2-1-8 Kompassauswertung.  

Abb.  2-2-1 Schema Steuerungssystem  

Abb.  2-3-1 Rechensystem.  

Abb.  2-4-1 Blockdiagramm Ethernetmodul Microchip Technology 2007  

Abb.  2-4-2 Ethernetmodulbeschaltung  

Abb.  2-4-3 Spannungsmessung  

Abb.  2-4-4 Beschaltung Strommessung  

Abb.  2-4-5 Beschaltung Lenkabgleich  

Abb.  2-4-6 Beschaltung ISO-K-Line Kompass.  

Abb.  2-4-7 Blockdiagramm USB - Modul Microchip Technology 2007.  

Abb.  2-4-8 USB - Controller Anbindung (Schaltplan)  

Abb.  2-4-9 Beschaltung Software USART.  

Abb.  2-4-10 Sensorbordanbindung.  

Abb.  2-4-11 Stromversorgung des Mainbords (Schaltplan)  

Abb.  2-4-12 Leitungsführung Ethernet.  

Abb.  2-4-13 Anbindung USB - Controller (Layout)  

Abb.  2-4-14 Stromversorgung des Mainbords (Layout)  

Abb.  2-5-1 Flussdiagramm Maincontrollersoftware  

Abb.  2-5-2 Flussdiagramm USB - Controller Software.  

Abb.  2-5-3 Flussdiagramm Sensorbordsoftware  

Abb.  8-1 TTCAR vs. AICC  

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Tabellenverzeichnis

Tab. 2-6-1 Kontrollbyte Ethernet ...........................................................................................51 Tab. 2-6-2 SFR Datenbyte Bedeutung ....................................................................................52 Tab. 2-6-3 Diagnosemodus des Notstoppcontrollers ................................................................53

Tab. 2-6-4 Steuerbefehle für den USB - Controller .................................................................53

Abkürzungsverzeichnis

Vorwort

Die Motivation für das Projekt „AICC“ (artificial intelligence concept car) basiert ursprünglich auf der DARPA - Challenge, welche alle paar Jahre vom amerikanischen Verteidigungsministerium ausgeschrieben wird. Dabei handelt es sich um einen Wettbewerb mit autonomen Fahrzeugen die selbstständig einen Hindernisparcours bewältigen müssen. Am Projektfahrzeug AICC wurde großteils die gleiche Sensorik verbaut, die auch bei den DARPA - Autos verwendet wurde. Dadurch mussten ähnliche Probleme und Herausforderungen, wie die Teams, die an der Challenge teilnahmen, bewältigt werden. Aufgrund der begrenzten Zeit und finanziellen Mittel wurde deshalb entschieden, ein verkleinertes Modell eines solchen Fahrzeuges zu entwickeln, welches ebenfalls in der Lage sein sollte, selbstständig seine Ziele zu finden. Als Basis wurde das „TTCAR“ verwendet, das an der FH - Kärnten entwickelt wurde. Da das „TTCAR“ nicht für den Einsatz im Freien gedacht ist, wurde das Einsatzgebiet von AICC ausschließlich auf den Indoor - Betrieb beschränkt. Diese Beschränkung zog jedoch eine Reihe von Problemen nach sich, wie zum Beispiel die Positionierung in geschlossen Räumen ohne GPS. Es mussten aufwendige Algorithmen in die „autonomous driving software“ implementiert werden um eine zuverlässig funktionierende Positionsermittlung in Gebäuden zu realisieren.

Aufgrund der Verwendung des „TTCARs“ war dieses auch der Ausgangspunkt für die Entwicklung des Steuerungssystems unseres Fahrzeuges AICC. Das „TTCAR“ wurde für die Demonstration des „drive-by-wire“ Konzeptes entwickelt und besitzt jeweils vier unabhängige Lenk- und Antriebsmotoren. Dadurch ist es möglich, jedes Rad sowohl separat zu lenken als auch zu drehen. Jeder Motor wird über einen eigenen Steuerungsknoten angesteuert, welcher wiederum an den ISO - K - Line Bus angeschlossen ist. Über diesen erhält der Knoten seine Anweisungen. Beim ISO - K - Line Bus handelt es sich um einen seriellen „one wire“ Bus, der vor allem in der Automobilindustrie, bei VW und Opel zu Diagnosezwecken eingesetzt wurde. Dabei wird der Bus auch als OBD 1 oder ALDL bezeichnet. Mit OBD 1 versuchte man erstmals herstellerübergreifend eine standardisierte Diagnoseschnittstelle zu schaffen. Dies wurde aber erst mit der Einführung der OBD 2 Schnittstelle und des CAN - Busses teilweise erreicht. Der Bus nach ISO 9141 Standard ist zeichenbasiert und bietet eine bidirektionelle Halbduplex Kommunikation mit einer typischen Übertragungsrate von 9600 - 10400 BAUD. Die verwendeten Übertragungsraten sind herstellerspezifisch und können auch 160 oder 8192BAUD betragen. Mitte der 1990er Jahre wurde dieser Bus aufgrund seiner begrenzten Bandbreite vom CAN - Bus größtenteils abgelöst. Bei US amerikanischen Fahrzeugen wird er teilweise heute noch zur Diagnose kleiner Steuergeräte eingesetzt. Für weitere Informationen zum ISO - K - Line Bus verweise ich auf [1]. Aufbauend auf die bestehende Motorsteuerung und des damit verbundenen Bussystems, wurde ein Steuerungssystem entwickelt, das den Anforderungen des AICC - Projektes genügt. Damit inbegriffen ist die Schaffung einer standardisierten Schnittstelle über die das Auto gesteuert und überwacht werden kann.

1 Aufgabenstellung

Nach einigen Funktionstests mit dem bestehenden „TTCAR“ kristallisierten sich die wichtigsten Aufgaben für das neue Steuerungssystem sehr schnell heraus. Die primäre Aufgabe dieses Systems besteht darin, einen zentralen Zugriffspunkt zu schaffen um mit einer standardisierten PC - Schnittstelle alle Knoten ansteuern zu können. In diesem zentralen Zugriffspunkt sollte aber auch bereits eine Vorauswertung der Hardwaredaten implementiert sein, damit der eigentliche Steuerungscomputer entlastet wird. Er muss dadurch keine Hardwaremanagement Tasks abarbeiten. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Realisierung verschiedener Fahralgorithmen auf dem Steuerungssystem. Die Algorithmen sollten die Ansteuerung über den Steuerungscomputer vereinfachen. Der Steuerungscomputer ist für die Navigation und die Wegfindung verantwortlich und beinhaltet sozusagen die eigentliche „Intelligenz“ des Gesamtsystems. Das Steuerungssystem stellt dem Steuerungscomputer eine, im Konzept festgelegte Anzahl von Fahrmodi zu Verfügung, welche über einfache Befehle aufgerufen werden können. Ein in die Steuerung implementiertes Kontroll- und Regelungssystem berechnet selbstständig die unterschiedlichen Winkel für geometrisch korrektes Lenken und sendet diese an die vier Lenkknoten. Weiters ist auch das für die Kurvenfahrt notwendige Differential in das Steuerungssystem integriert. Während einer Kurvenfahrt drehen sich die kurvenäußeren Räder schneller als die Kurveninneren. Dieser Drehzahlunterschied der Räder wird bei herkömmlichen Antriebskonzepten mit einem mechanischen Differential ausgeglichen. Da bei AICC jedes Rad separat angetrieben wird, war der Einsatz eines mechanischen Differentials nicht möglich. Der Drehzahlausgleich musste mit der unterschiedlichen Ansteuerung der Fahrmotoren erfolgen und daher über die Software realisiert werden. In das Steuerungssystem wurde deshalb eine Differentialfunktion integriert, die die Drehzahlen für die jeweiligen Räder berechnet und die entsprechenden Befehle an die Antriebsknoten über den ISO - K - Line Bus sendet. Die dritte Aufgabe war die Implementierung einer Steuerungs- und Überwachungsfunktion für die am Auto verbaute Hardware. Diese Funktionen führen die Bootsequenz, das Powermanagement, die Strom-und Temperaturüberwachung und die

Funktionsüberwachung der Lenk- und Fahrknoten aus. Diese Funktionen verhindern die Beschädigung der Hardware durch etwaige Fehlfunktionen. Für die Realisierung dieser Funktionen muss das Steuerungssystem eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, denn ein Ausfall des Steuerungssystems könnte die angeschlossene Hardware beschädigen.

Eine weitere Aufgabe war die Realisierung einer Selbst- und Peripheriediagnose in das Steuerungssystem. Die Selbstdiagnose soll in der Lage sein Fehler in der Steuerung eigenständig zu erkennen und das System wieder in einen sicheren Zustand zu bringen. Die Peripheriediagnose überwacht die gesamte, an das Steuerungssystem angeschlossene; Hardware und sollte das System im Falle eines Fehlers ebenfalls in einen sicheren Zustand bringen. Tritt ein Fehler auf, so muss das Diagnosesystem selbstständig entscheiden können ob eine Weiterfahrt noch gefahrlos möglich ist. Der Steuerungscomputer erhält über ein regelmäßig gesendetes Statusbyte Informationen, ob das Steuerungssystem das Auto freigibt oder nicht.

Weiters muss das Steuerungssystem auch die am Auto verbauten Inkrementalgeber auswerten und daraus die absolute Geschwindigkeit und die zurückgelegte Wegstrecke berechnen. Diese Daten müssen dem Steuerungscomputer in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden, denn dieser benötigt sie für die Dead - Reckoning Funktionen. Dead - Reconing ist ein wesentlicher Bestandteil der Navigation unseres Fahrzeuges die auf dem SLAM Konzept basiert. Weitere Informationen zur Navigation bzw. SLAM unter [2].

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2 Erstellung eines Steuerungskonzeptes

Als erstes wurden im Steuerungskonzept die zu steuernde Hardware und die dafür benötigten Schnittstellen festgelegt. Weiters wurde evaluiert, an welchen Stellen die Steuerung eingreifen können soll und auf welche Parameter sich die Regelungen des Steuersystems stützen. Dabei war immer auf die Realisierbarkeit der Layouts zu achten die aufgrund der beengten Platzverhältnisse zur Herausforderung wurde.

Für die Erstellung des Steuerungskonzeptes wurde die Steuerung in mehrere Teile geteilt. Der erste Teil bzw. das erste Unterkapitel behandelt die Steuerung und die Schnittstellen zur Stromversorgung. Der zweite Teil spezifiziert die am Fahrzeug verwendeten Bussysteme für die Kommunikation mit dem PC, der dritte Teil betrifft das Schalten der einzelnen Komponenten, der vierte Teil erklärt das Konzept des Notstopps und der fünfte Teil beschreibt kurz die restlichen Steuer-, Regelungs- und Kontrollaufgaben

2.1 Stromversorgung

Die Stromversorgung besteht aus fünf DC/DC Convertern, die die benötigten Spannungen am Fahrzeug erzeugen. Die Converter können jeweils über eine Steuerleitung ein- und ausgeschaltet werden, um bei Überhitzung oder bei einem Defekt den Converter abschalten zu können. Die Temperatur der Converter wird mit Temperatursensoren gemessen die jeweils unter den Convertern verbaut sind. Die Spannungen zur Spannungsüberwachung werden am zentralen Maincon 3 Stecker abgegriffen.

Die Temperatursensoren sind an einen I2C Bus angebunden, um die Anzahl der Leitungen möglichst klein zu halten. Außerdem liefern diese Sensoren bereits einen absoluten digitalen Wert, der direkt verwendet werden kann. Dadurch entfallen zeitraubende Berechnungen des Steuerungssystems.

Weiters wurden zwei Punkte zur Strommessung implementiert, um eine Überstromabschaltung realisieren zu können. Diese beiden Messpunkte sind am Power Control 2 Stecker ausgeführt und messen den Strom der vorderen und hinteren Antriebs-und Lenkmotoren getrennt. Damit soll ein Überlasten der H - Brücken, die jeweils nur ca. 6A aushalten, vor Überlast geschützt werden. Weiters wird dadurch auch die gesamte Stromversorgungsplatine abgesichert, denn diese ist in Summe für einen konstanten Spitzenstrom von 30A ausgelegt.

Zusätzlich können bei Fehlern im Steuerungssystem die Antriebs- und Lenkmotoren abgeschaltet werden, um unkontrollierte Fahrmanöver zu verhindern. Diese Funktion wird ebenfalls zur Realisierung der Überstromabschaltung verwendet. Durch das Übereinanderstapeln der DC/DC - Converter kommt es bei höheren Belastungen zu Hitzestaus im Fahrzeug. Dabei könnte die Temperatur so hoch werden, dass die Converter abgeschaltet werden müssen und somit das ganze Fahrzeug zum Stillstand käme. Aus diesem Grund wurden zusätzlich drei Lüfter in das Fahrzeugchassis eingebaut, die über das Steuerungssystem geschaltet werden können. Sie werden bei Bedarf ein- oder abgeschaltet.

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Abb. 2-1-1: Schema Stromversorgung

In Abbildung 2-1-1 stellt die Stromversorgung schematisch dar. Über Power Control 1 und Power Control 2 werden die DC/DC - Converter gesteuert, die Spannungen und die Ströme von der Steuerung gemessen. Der I2C Bus der Temperatursensoren ist ebenfalls über diese Stecker geführt. Die Ansteuerung der Lüfter erfolgt leistungslos über zwei Signalleitungen.

2.2 Busse

Der ISO - K - Line Bus wird, wie in der Abbildung 2-1-2 zu sehen, wie bisher beim TTCAR zur Ansteuerung der Motorsteuerungsknoten verwendet. Mittels geeigneter Tranciever kann der Bus über eine Standard - USART Schnittstelle betrieben werden. Diese Variante wurde gewählt, weil fast jeder Mikrocontroller eine solche Schnittstelle auf Hardwareebene implementiert hat und sie auch auf einem FPGA relativ einfach zu realisieren ist. Da die Knoten nur Daten empfangen aber nicht senden können, konnte der komplette Bus unidirektional ausgelegt werden, was das Hardwaredesign wesentlich vereinfachte.

Abb. 2-1-2: Schema des ISO-K-Line Bus

Für die physikalische Verbindung wurden ebenfalls die bereits vorhandenen Kabel weiterverwendet. Dabei handelt es sich um Flachbandkabel mit einem Western RJ11 Stecker.

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Um eine maximale Flexibilität für die zentrale Kommunikationsschnittstelle zu gewährleisten wurde entschieden das Ethernetprotokoll für die Kommunikation zwischen der Steuerung und dem Steuerungscomputer einzusetzen. Ethernet auf einem Mikrocontroller, FPGA o.ä. zu implementieren ist eine relativ komplexe Aufgabe, aber dadurch kann nahezu jeder beliebige PC oder jedes Embedded System zur Steuerung des Fahrzeuges verwendet werden. Weiters ist es problemlos möglich das Fahrzeug per WLAN fernzusteuern und auch eine Ferndiagnose ist einfach realisierbar. Ethernet schränkt jedoch die Auswahlmöglichkeiten für das Rechnersystem der Steuerung etwas ein, denn ein kleiner Ethernetstack, der nur das UDP - Protokoll beinhaltet, benötigt auf Mikrocontrollern mit 16bit Befehlssatz bereits ca. 10kB. Ein grobes Schema der am Fahrzeug verwendeten Ethernetkomponenten stellt Abbildung 2-1-3 dar.

Abb. 2-1-3: Schema Ethernet Kommunikation

Wie aus Abbildung 2-1-3 ersichtlich, wurde mit dem Router ein eigenes kleines Netzwerk am Fahrzeug aufgebaut. Auf dem Router läuft ein DHCP - Server, der den einzelnen Geräten IP - Adressen zuteilt. Wie oben schon erwähnt, erfolgt die Kontrolle Steuerungssystems direkt über Ethernet. Für das Steuerungssystem und den Steuerungscomputer wird ein so genanntes statisches DHCP verwendet, um eine einwandfreie Kommunikation zwischen Steuerungscomputer und Steuerungssystem sicherzustellen. Sonst könnte es nämlich während des Betriebs passieren, dass eines der Geräte eine neue IP zugewiesen bekäme und in Folge die Verbindung abreißen würde. Für diesen Fall sind zwar Sicherheitsmechanismen integriert, damit das Fahrzeug nicht außer Kontrolle gerät, trotzdem ist dann ein Neustart des Systems erforderlich. Der Accesspoint ermöglicht die Steuerung und Fernwartung über WLAN und die Webcam dient zu Verfolgung der Fahrbewegungen des Fahrzeuges. Die Webcam ist natürlich ebenfalls über WLAN erreichbar. Für die physikalische Verbindung wurden Standard CAT5 - Kabel mit RJ45 Westernstecker verwendet. Detaillierte Informationen zu Ethernet und dessen Eigenschaften bei der Vernetzung von Computersystemen unter [16] Kapitel 15.

Für die Umsetzung des „Haupt“ - Diagnoseinterface fiel die Wahl des Kommunikationsbusses auf USB, um, ebenso wie bei Ethernet, möglichst flexibel zu sein. Da Laptops heutzutage kaum mehr eine RS232 Schnittstelle haben, jedoch das Diagnoseinterface eine schnelle Diagnose des Fahrzeuges ermöglichen soll, stellte USB die beste Alternative dar. Um dem Benutzer die umständliche Installation von Treibern zu ersparen, verwendet das Diagnoseinterface den integrierten Windowstreiber für virtuelle COM - Ports und ist dadurch sofort an jedem Laptop einsatzbereit. Nur eine *.inf Datei ist

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