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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.
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Bild 0-1: Die Zeitebenen und ihre Bedeutung bei COACH.
Zeitebene 1 - Arbeitsweise der Module (Unterkapitel 2)
- Die maßgeblichen Komponenten sind:
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- Der Drehgeber zur Messung der Motordrehzahl
- Der Infrarot-Entfernungssensor
- Die PWM-Geber für Antriebsmotor und Lenkservo
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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:
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- Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit
- Regelung der Fahrzeugrichtung
- Reaktives Verhalten aufgrund äußerer Störungen
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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.
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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:
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- 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.
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- 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.
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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:
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- 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.
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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.
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