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.
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung
2 Erstellung eines Steuerungskonzeptes
2.1 Stromversorgung
2.2 Busse
2.3 Komponenten schalten
2.4 Notstopp
2.5 sonstige Steuer-, Regelungs- und Kontrollaufgaben
3 Erstellung eines Pflichtenhefts
4 Evaluierung eines geeigneten Rechensystems
4.1 Vergleich verschiedener Rechensysteme
4.2 Auswahl eines geeigneten Rechensystems
5 Aufbau und Entwicklung der Hardware
5.1 Beschreibung der einzelnen Funktionsblöcke
5.1.1 Ethernet Schnittstelle
5.1.2 Strom- und Spannungsmessung
5.1.3 Lenkabgleich
5.1.4 ISO–K–Line Tranciever & RS232 Schnittstelle für Kompassauswertung
5.1.5 Inkrementalgeberauswertung
5.1.6 USB – Controlleranbindung und EIOS
5.1.7 Softwareemulierte RS232 Schnittstelle für Debugging
5.1.8 LIDAR Schalt- und Fehlerausgangauswertung
5.1.9 Front- und Bremslichter
5.1.10 Temperatursensoren
5.1.11 Sensorbordanbindung
5.1.12 Auswertung der Infrarotsensoren
5.1.13 Stromversorgung Mainbord
5.2 Implementierung der Funktionsblöcke
6 Entwicklung der Steuerungssoftware
6.1 Allgemeiner Überblick
6.2 Realisierung der Software
6.2.1 Maincontroller
6.2.2 USB - Controller
6.2.3 Notstoppcontroller
7 Kommunikationsprotokolle
7.1 Ethernetkommunikation
7.2 MBC – NBC
7.3 MBC – EECUSB
8 Ergebnisse und Zusammenfassung
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Konzeption und Implementierung eines robusten Steuerungssystems für ein autonomes Elektrofahrzeug, basierend auf dem Projekt AICC, um eine zuverlässige Hardwareschnittstelle für den zentralen Steuerungscomputer zu schaffen.
- Entwicklung einer zentralen Hardware-Schnittstelle mittels Ethernet.
- Realisierung eines autonomen Notstoppsystems zur Crash-Vermeidung.
- Implementierung eines Power-Managements mit Fehlererkennung.
- Entwicklung eines Diagnose-Interfaces via USB für Systemüberwachung.
- Hardwarenahe Programmierung von Mikrocontrollern für Echtzeit-Aufgaben.
Auszug aus dem Buch
2.4 Notstopp
Die Umsetzung der Notstoppfunktionalität ist ein wichtiger Bestandteil des Steuerungssystems. Der Notstopp hält AICC kurz vor Hindernissen an, wenn der Steuerungscomputer fehlerhafte Fahrbefehle sendet oder abgestürzt ist. Das ist ein weiterer Grund, weshalb das Steuerungssystem so zuverlässig wie möglich funktionieren muss, denn der Notstopp ist die letzte Instanz der einen Crash des Fahrzeuges verhindern kann.
Für den Notstopp wurden mehrere verschiedene Sensortypen evaluiert, denn es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Hindernissen, die durch einen Sensortyp erkannt werden können, durch den Anderen aber nicht und umgekehrt. Aufgrund der vielen Sonderkonstellationen, die im normalen Fahrbetrieb auftreten könnten und für die eigene Sensoren benötig werden würden, musste, um die Anzahl der Sensoren überschaubar zu halten, die Art der Hindernisse eingeschränkt werden. Die meisten zugelassenen Hindernisse werden gut vom LIDAR – Sensor durch die Laserabtastung erkannt. Der Vorteil dabei ist, dass sich beim verwendeten LIDAR – Sensor über ein einfaches serielles Konfigurationsinterface Warn- und Schutzfelder definieren lassen, die über Schaltausgänge einfach ausgewertet werden können. Für die Realisierung der Notstoppfunktionalität ist dieses Feature des Sensors ideal. Leider reichen die Warn- und Schutzfelder dieses Sensors allein nicht aus. Da der LIDAR – Sensor nur ein Zeilenscanner ist, d.h. man erfasst seine Umgebung in nur einer Ebene, können keine Stiegen o.Ä. erkannt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Aufgabenstellung: Beschreibt die Anforderungen an ein zentrales Steuerungssystem, das Hardware-Vorverarbeitung leistet und den Steuerungscomputer entlastet.
2 Erstellung eines Steuerungskonzeptes: Definiert die Architektur der Stromversorgung, Bussysteme, Komponentensteuerung und das Sicherheitskonzept des Notstopps.
3 Erstellung eines Pflichtenhefts: Führt die priorisierten technischen Anforderungen und Spezifikationen auf, die als Basis für die Hardwareentwicklung dienen.
4 Evaluierung eines geeigneten Rechensystems: Vergleicht verschiedene Embedded-Plattformen und begründet die Wahl eines Mikrocontroller-Systems.
5 Aufbau und Entwicklung der Hardware: Detailliert die Schaltpläne und Layout-Überlegungen für Mainboard und Sensorbord.
6 Entwicklung der Steuerungssoftware: Erläutert das Multitasking-Konzept und die Software-Logik der drei beteiligten Mikrocontroller.
7 Kommunikationsprotokolle: Beschreibt die Datenstrukturen und Befehlssätze für die Kommunikation via Ethernet, I2C und USB.
8 Ergebnisse und Zusammenfassung: Bewertet das Konzept kritisch und diskutiert Optimierungspotenziale bezüglich der Recheneinheit.
Schlüsselwörter
Steuerungssysteme, Elektrofahrzeuge, PIC, Ethernet, USB, Notstopp, Sensorik, Hardwareentwicklung, Mikrocontroller, Echtzeit, Diagnose, Kommunikationsprotokolle, AICC, Embedded, Fahrassistenz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Konzeptionierung und technische Realisierung eines Steuerungssystems für das autonome Projektfahrzeug AICC, um eine verlässliche Hardware-Infrastruktur bereitzustellen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen sind Hardware-Layoutdesign, Embedded-Softwareentwicklung, Notstopp-Sicherheitsstrategien und die Implementierung von effizienten Kommunikationsprotokollen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Entwicklung eines zentralen Zugriffspunktes für die Fahrzeug-Hardware, der Echtzeit-Berechnungen durchführt und den übergeordneten Steuerungscomputer entlastet.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde ein systematischer Ingenieursansatz gewählt: Anforderungsanalyse, Konzepterstellung, Hardware-Evaluierung, Prototypenentwicklung und eine iterative Software-Implementierung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Hardwareentwicklung (Mainboard/Sensorbord), die Software-Struktur (Maincontroller/Notstoppcontroller) und die Definition der Kommunikationsschnittstellen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Dokument?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Steuerungssysteme, Elektrofahrzeuge, PIC-Mikrocontroller, Ethernet-Stack-Optimierung und Echtzeit-Diagnose.
Warum wurde die Wahl für ein Mikrocontroller-System getroffen?
Die Wahl fiel auf Mikrocontroller, da sie eine hochspezifische, auf die Applikation optimierte Hardware ermöglichen, was Stromverbrauch und Platzbedarf im Vergleich zu IPCs oder FPGAs minimiert.
Welche Herausforderung stellte die Platzierung des Schaltreglers dar?
Die größte Herausforderung war die Störungsminimierung durch die 200kHz-Rechtecksignale, was eine räumliche Trennung vom empfindlichen Controller-Bereich und die Implementierung von Masseflächen erforderte.
Wie wurde das Problem des Verbindungsabrisses gelöst?
Durch die Implementierung eines sogenannten "Conlosttimers" im Notstoppcontroller, der bei Ausbleiben von Ethernet-Daten eine Sicherheits-Vollbremsung auslöst.
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- Markus Kandler (Author), 2009, Steuerungssysteme für Elektrofahrzeuge am Beispiel des Projekts AICC, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/125372
