Apparatives Praktikum Autonome Systeme (2667, 5, WT)

 

Modulnummer: 2667
ECTS: 5, WT

Qualifikationsziele

Die Studenten haben

  1. einen geschlossenen Regelkreis implementiert.
  2. das Korrespondenzproblem in der Bildverarbeitung erkannt.
  3. Erfahrung bei der Anwendung eines Kalman Filters gesammelt.
  4. Erfahrung bei der Auslegung von Regelparametern gesammelt.
  5. Erfahrung in der C++-Programmierung gesammelt.
  6. eine geschlossene Projektarbeit durchgeführt, in der Einzelaufgaben erfolgreich zusammenspielen.

Inhalte

Die Studierenden realisieren im Modul Praktikum Autonome Systeme einen kompletten, geschlossenen Regelkreis durch die visuelle Wahrnehmung der Umgebung und die Ableitung von Stellgrößen für Geschwindigkeit und Lenkung eines 1:5 Modellfahrzeuges, welche durch einen P, PI- oder PID-Regler umgesetzt werden sollen. Am Ende des Praktikums soll das Modellfahrzeug in der Lage sein, eine bestimmte Aufgabe vollautonom zu lösen. Ein Beispiel für eine solche Aufgabe wäre das Abfahren einer gut markierten Spur.
Das Praktikum ist als Gruppen-Projektarbeit über sechs Termine ausgelegt. Die gestellte Autonomieaufgabe soll mittels des am Institut verwendeten 4D-Ansatz gelöst werden. Dieser besteht im wesentlichen aus einer rekursiven Schätzung von Zustandsparametern durch ein sequentielles, erweitertes Kalman Filter (EKF), welcher auch verwendet wird, die erwarteten Messungen zu prädizieren. Daraus ergibt sich ein sequentieller Programmablauf aus Messung, Filterinnovation, Zustandsprädiktion und Fahrzeugregelung.

Im folgenden werden nun die einzelnen Inhalte der sechs Termine erläutert:

Termin 1: Kennenlernen des Software-Rahmens (API), Homogene Koordinaten

Der Software-Rahmen ist eng gesteckt, um in der kurzen Zeit überhaupt ein komplettes Projekt abschließen zu können. Die Studenten haben die Aufgabe, nur die wesentlichen Teile des Filter-Prozesses auszufüllen. Ziel des ersten Termins ist es, den Programmablauf des Projektes zu verstehen, ohne dass eine konkrete Implementierung der Einzelaufgaben vorliegt. Zusätzlich werden durch homogene Koordinaten die Abbildungs-Geometrien der Kamera erläutert und erste Schritte in der C++-Programmierung unternommen.

Termin 2: Aufsetzen von Messfenstern

Als erster Schritt in der Bildverarbeitung werden Bildkanten- Messfenster auf einem synthetisch generierten Bildstrom aufgesetzt, z.B. das Abfahren einer gekrümmten Fahrspur, erzeugt durch 3D-Computergrafik. Die dabei auftretenden Probleme, ein stabiles Tracking durchzuführen, sollen den Studenten bewusst werden. Ein Problem dabei besteht im sogenannten “Korrespondenzproblem”, nämlich der Zuordnung gleicher Bildmerkmale unterschiedlicher Kamerabilder (räumlich oder zeitlich getrennt). Es gilt als eines der Hauptprobleme in der Bildverarbeitung.

Termin 3: Implementieren des 4D-Ansatzes

Termin 3 zeigte die Notwendigkeit von Modellannahmen zur Handhabung von Problemen wie dem Korrespondenzproblem. Hierzu wird der 4D-Ansatz verwendet. Beim Beispiel des Spurhaltens wird ein geometrisches Modell der Fahrspur verwendet (Klothoidenmodell), um geeignete Messmodelle von Bildkoordinaten zu Zustandsparametern (z.B. Fahrzeugablage) aufzustellen. Für die Prädiktion wird ein dynamisches Modell der Eigenbewegung verwendet, z.B. das Fahrzeug-Einspurmodell. Damit kann nun ein EKF formuliert werden, welcher eine Schätzung des augenblicklichen Zustandes liefert, sowie eine Prädiktion, um im darauf folgenden Bild die Messungen geeignet parametrieren zu können.

Termin 4: Auslegen eines P/PI/PID-Reglers

Ausgehend vom geschätzten Zustand des EKF, sollen die Studenten in diesem Termin Regler für die Fahrzeugführung entwerfen. Die Art des Reglers liegt im Ermessen der Studenten. Hauptsächlich soll die Querführung geregelt werden. Zu lösende Probleme sind: Fahrzeugidentifizierung als Regelstrecke, Einfluss von Abtastzeiten, Einfluss von unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Ermittlung von Reglerparametern anhand von bekannten Verfahren.

Termin 5: Systemintegration

Dieser Termin hat die Herausforderung, alle Teilaufgaben zu einem funktionierenden Paket zusammenzuführen und zu optimieren.

Termin 6: Wettkampf

Im letzten Termin soll ein kleiner Wettkampf stattfinden. Das Abschneiden in diesem Wettkampf zählt dabei weniger zur Benotung als die gesamte Vorgehensweise während des Praktikums.

Zum Abschluss des Praktikums wird eine Ausarbeitung im Umfang von etwa 10 Seiten gefordert, in welcher die Studierenden ihre Vorgehensweise kurz beschreiben (ca. 2 Seiten/Termin).