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© Guido Kramann

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3 Echtzeitaspekte bei den COACH-Vehikeln

Analyse des Zeitverhaltens zentraler Peripheriemodule und Entwurf verschiedener Szenarien für das Zusammenspiel der Module und eines Schwarms von COACH-Vehikeln

  • In der folgenden Betrachtung wird deutlich werden, dass es bei der Steuerung und Regelung des COACH-Vehikels mehrere aufeinander aufbauende Schichten gibt.
  • Auf der untersten Schicht befinden sich Programmodule zur Ansteuerung der Peripherie, wie Sensor, Drehgeber, PWM-Geber für Antrieb und Lenkservo. Diese wird mit Zeitebene 1 bezeichnet.
  • Eine Schicht darüber befinden sich schnelle Regler für Geschwindigkeit und Fahrtrichtung und Entscheidungsstrukturen für das reaktive Verhalten bei äußeren Störungen, wie beispielsweise auftauchende Hindernisse. Diese wird mit Zeitebene 2 bezeichnet.
  • Noch eine Schicht darüber befinden sich die Programmmechanismen zur Realisierung des Schwarmverhaltens. Diese wird mit Zeitebene 3 bezeichnet.
  • Auf Zeitebene 3 kann es ebenso wie auf Zeitebene 2 Regelkreise geben.
  • Während die auf Zeitebene 2 momentane Regelabweichungen ausgleichen, wirken die Regler auf Zeitebene 3 in einem größeren Maßstab auf das Erreichen eines vogegebenen Ziels hin, z.B. im Konvoi zu fahren.
  • Wenn, wie in einem solchen Fall, eine Strecke, die schon geregelt ist mit einem weiteren übergeordneten Regler versehen wird, spricht man von einem Kaskadenregler.
  • Was beim Aufbau einer solchen Kaskadenregelung zu beachten ist, soll im ersten Unterkapitel behandelt werden.
Die Zeitebenen und ihre Bedeutung bei COACH.

Bild 3-1: Die Zeitebenen und ihre Bedeutung bei COACH.

Zeitebene 1 - Arbeitsweise der Module (Unterkapitel 2)
  • Die maßgeblichen Komponenten sind:
  1. Der Drehgeber zur Messung der Motordrehzahl
  2. Der Infrarot-Entfernungssensor
  3. Die PWM-Geber für Antriebsmotor und Lenkservo
Zeitebene 2 - Verwendung der Module zur Implementierung diverser Regelalgorithmen und elementarer reaktiver Verhaltensweisen (Unterkapitel 3)
  • Auf Basis dieser Komponenten werden übergeordnete Programmstrukturen implementiert.
  • Diese haben folgende Aufgaben:
  1. Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit
  2. Regelung der Fahrzeugrichtung
  3. Reaktives Verhalten aufgrund äußerer Störungen
Zeitebene 3 - Technische Umsetzung des Schwarmverhaltens (Unterkapitel 4)
  • Letztlich sollen die Fahrzeuge ausgehend von einem ungeordneten Anfangsverhalten nach einer gewissen "Einschwingzeit" in ein kooperatives Verhaltensmuster verfallen.

Direkte Umsetzung durch zentrale Steuerung mit massivem Hardwareeinsatz

  • Als mutmaßlich einfach umzusetzendes Verhalten wurde das Fahren in einem Konvoi innerhalb eines definierten umgrenzten Fahrbereichs angesetzt.
  • Um dieses Ziel zu erreichen, wäre eine naheliegende Möglichkeit, alle Fahrzeuge von einer Zentrale fernzusteuern.
  • Der fernsteuernde Rechner könnte im einfachsten Fall einen vollständigen Überblick über die Bewegungszustände der Fahrzeuge haben und über ihre Umgebung.
  • Der fernsteuernde Rechner könnte zu jedem Zeitpunkt eine Sollposition und Sollgeschwindigkeit für jedes Fahrzeug innerhalb eines Konvois bereitstellen und darauf hinarbeiten die Differenz zwischen Ist- und Sollwerten jedes Fahrzeuges zu minimieren.
  • Mit diesem Konzept kann das geforderte Ziel sehr geradlinig verfolgt werden.
  • Jedoch ist der Hardwareeinsatz unverhältnismäßig groß und dieses Vorgehen hat einige Unzulänglichkeiten:
  • Die Zielvorgaben (Sollpositionen/-geschwindigkeiten) mußten zwangsweise wegen der besonderen Eigenschaften dieses Ansatzes mit zentraler Steuerung, restriktiver gefaßt werden, als es eigentlich notwendig wäre:
  • Es gibt ein weites Feld an Möglichkeiten in einem Konvoi zu fahren, aber nur eine konnte bei diesem Ansatz verfolgt werden.
  • Das hat dann zur Folge, dass bei vielen Anfangsbedingungen es sehr schwierig und langwierig ist, den geforderten Gesamtbewegungszustand zu erreichen, obwohl viele gute Lösungen einfach erreichbar wären.
  • Durch die zentrale Steuerung entsteht eine Vielzahl an Abhängigkeiten:
  • Eine Erfassung der Gesamtsituation, sowie eine ständige Funkverbindung der Zentrale mit den Fahrzeugen sind notwendig.
  • Fällt eine dieser Elemente aus, funktioniert das Gesamtsystem nicht mehr.

Umsetzung als parallel arbeitende Teilsystem

  • Die Besonderheit bei der Implementierung von Schwarmintelligenz ist es, die Verfolgung eines globalen Ziels in Form von Teilzielen auf die einzelnen Mitglieder des Schwarms zu verteilen.
  • Das globale Ziel wird durch Kooperation der Schwarmmitglieder untereinander erreicht.
  • Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass typischerweise das globale Zielverhalten nicht exakt formuliert werden kann.
  • Wenn dies, wie hier beim Konvoi fahren, auch nicht gefordert ist, kann dies ein Vorteil sein, weil dann stets eine passende Lösung zu einem globalen Anfangsbewegungszustand gefunden wird.
  • Vorteile liegen bei diesem Ansatz zudem in der geringeren Anfälligkeit gegen Störungen:
  • Es gibt keine zentrale Einheit, die den Gesamtzustand ständig erfassen muß. Damit verbundene Versaensmöglichkeiten entfallen.
  • Das Gesamtsystem kann viel schneller auf lokale Störungen reagieren, da die einzelnen Schwarmeinheiten parrallel an einem Ausgleich arbeiten.
Puck (Unterkapitel 5)
  • Um das Zusammenspiel der verschiedenen Zeitebenen verstehen und verbessern zu können, liegt es nahe, das Verhalten der einzelnen Vehikel und ihr Verhalten im Schwarm zu simulieren.
  • Zu diesem Zweck soll ausgehend von einfachen gleitenden Scheiben (Puck) ein solches Gesamtsimulationsmodell immer weiter verfeinert werden.
  • Als Einstieg wird im letzten Unterkapitel eine Musterlösung für "Puck" gegeben.