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Simulation eines Abstandsreglers mit Lego Mindstorms NXT und EV3

Zielstellung:

Legoroboter mit Abstandsregelung

Praktisches Ergebnis: Legoroboter mit Abstandsregelung

  • Simulation von Fahrerassistenzsystemen am Beispiel eines Abstandsreglers mit Lego Mindstorms
  • dabei sind die wichtigsten Punkte, wie Distanzmessung und Regelung des Abstandes, der realen Funktionsweise des Fahrerassistenzsystems im Modell möglichst gut nachzubilden
  • zwei Roboter zu bauen und zu programmieren
  • für das Führungsfahrzeug eine geeignete Steuerung zu gewährleisten

Mechanischer Versuchsaufbau und Funktionsweise des Modells:

  • mechanische Versuchsaufbau erfolgt mit dem Lego Mindstorms Set
  • Kernstück des Bausatzes sind ein programmierbarer Legostein sowie Elektromotoren, Sensoren und Lego-Technik-Teile (Lochbalken, Achsen, Zahnräder, usw.)
  • Lego-Steckverbindungen ermöglichen einfache Konstruktion; es sind keine komplizierten Aufbauten mit Löt-, Bohr- und Schraubarbeiten notwendig
  • Versuch besteht aus zwei Fahrzeugen, einem vorausfahrenden Modell und einem den Abstand regelnden Modell das dem Führungsfahrzeug folgt
  • beide Roboter wurden mit der von Lego entwickelten Software NXT-G und EV3-G programmiert
  • es handelt sich dabei um eine übersichtliche symbolbasierte Programmier-oberfläche

Führungsfahrzeug:

Führungsfahrzeug

Führungsfahrzeug (Darststellung von links)

  • besteht aus zwei Antriebsmotoren, dem programmierbaren Legostein und einer Infrarotfernbedienung
  • das Modell wird über einen PC oder ein Tablet/ Handy ferngesteuert und gibt den Fahrweg für das Folgefahrzeug mit Abstandsreglung vor

Hinterherfahrendes abstandsregelndes Fahrzeug:

Folgefahrzeug mit Abstandsregelung

Folgefahrzeug mit Abstandsregelung (Darstellung von links)

  • besteht aus dem programmierbaren Legostein, zwei Antriebsmotoren, einem Ultraschallsensor, einem Infrarotsensor und einem Berührungssensor
  • zu Beginn misst der Ultraschallsensor die Entfernung zum vorderen Fahrzeug, diese wird als Anfangsabstand definiert
  • die Parameter für den P-Regler und den PI-Regler werden in Form von Variablen am Anfang des Programms eingestellt
  • nun wird kontinuierlich der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug mit Hilfe des Ultraschallsensors gemessen
  • ist die Abstandsdifferenz kleiner als der Anfangsabstand, regelt ein P-Regler, da das System sonst bei geringer Entfernung instabil ist und zu schwingen anfängt
  • ist der Abstand größer als der Anfangsabstand wird ein PI-Regler aktiv; dieser zeigt bei größeren Distanzen ein besseres Regelverhalten
  • ein Infrarotsender auf dem Führungsfahrzeug und ein Infrarotempfänger auf dem Folgefahrzeug halten beide Modellfahrzeuge auf ihrer Spur; dabei dient ein vom Sensor ausgegebene Wert zur Steuerung der Lenkung des Folgefahrzeugs
  • der Berührungssensor oberhalb des Modells dient lediglich dem schnellen Abbruch des Programms

Fehleranalyse:

  • Messungenauigkeiten der Sensoren
  • eingeschränkter Wertebereich
  • gemessene Sensorwerte sind ganzzahlige Werte
  • Störungen der Sensoren (durch bspw. andere Infrarotquellen/ Ultraschallquellen)

Zusammenfassung:

  • es wurde der wesentliche Aufbau und die Funktionsweise des Fahrerassistenzsystems im Modell umgesetzt
  • anstatt eines Radars wurde ein Ultraschallsensor verwendet, da bei dem Lego Mindstorms-Set kein Radarsensor vorhanden ist
  • die Funktionsweise beider Systeme und die Programmstruktur sind ähnlich
  • mit dem Robotersystem kann man nur einen begrenzten Teil an möglichen Fahrsituationen simulieren (z.B. andere Massenverhältnisse, Bremsleistungen)
Betreuer: Frau Prof. Kelber
Bearbeiter: Tom Niclas Schreiber
Gymnasium: HOGA Schulen Dresden
Zeitraum: 18.-29.01.2016
Ergebnis: Praktischer Aufbau und Dokumentation zweier Lego-Modelle
Last changed: 24.01.2019  |  Author: T. Schreiber und K. Kelber