Informationstechnik WS 2008/2009 Abschlusspräsentation Projekt: dymolog Teilnehmer: Burghard Bolle Elisabeth Ernst Maximilian Heller Sandor Paoli 1

Problemstellung: An der Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft, Fachbereich: Mechatronik, besteht keine Möglichkeit die Dynamik eines Fahrzeugs mit einem nachrüstbarem System zu erfassen. Zur Erhöhung der Fahrsicherheit und für die Navigation müssen zahlreiche Messaufgaben gelöst werden. Zur Untersuchung von Kurvenradien auf Stecken, Bestimmung der Bremsverzögerung und der Anfahrbeschleunigung sowie zahlreiche andere Messaufgaben im Fahrzeugbereich werden Messwerte der Größen Drehrate, Beschleunigung (X-,Y-, Z-Achse) und Richtung benötigt. Aufgabenstellung: Für die Erfassung der Fahrzeugdynamik ist die Bestimmung der Bremsverzögerung, der Anfahrbeschleunigung sowie zahlreiche andere Messaufgaben notwendig. Messwerte wie Drehrate, Beschleunigung (X-,Y-, Z-Achse) und Richtung werden ebenfalls benötigt. Im Rahmen des Dachprojektes "dymolog" soll die Richtungs- und Drehratenbestimmung realisiert werden. Mittels Mikrocontroller aufbereitete Daten werden per USB zur Verfügung gestellt.  Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 2

Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 3

Applikationen für Drehratensensoren: Lagekontrolle und –stabilisierung im Militarybereich: Die Kreiselsteuerung dient dazu, unerwünschte Einflüsse wie die Abdrift durch Wind oder Unregelmäßigkeiten im Antrieb zu kompensieren, um die programmierte Flugbahn einzuhalten. Sie ist heute meist Teil eines inertialen Navigationssystems (INS). Bildstabilisierung bei Kameras: Aufwendige Mechanik, rechnerintensive Bildanalyse und -korrektur oder Verkürzung der Belichtungszeiten (verstärktes Rauschen) können umgangen werden, wenn die Kamera in der Lage ist, die Wackelbewegungen separat misst und dann relativ einfach aus den Bilddaten herauszurechnen. Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 4

Luftfahrtinstrumentierung: Der künstliche Horizont wird benötigt bei der Stabilisierung von Kameras und Zieleinrichtungen, bei Fahrwerk- sowie Fahrzeugstabilisierung. Der künstliche Horizont auch Horizontkreisel, oder offiziell Fluglageanzeiger genannt, wird als Flugüberwachungsgerät zur Bestimmung der Lage des Luftfahrzeugs zur Erdoberfläche eingesetzt. Er bietet eine direkte, bildliche Darstellung der Lage in Relation zur Erdoberfläche, indem er die Fluglage um die Längsachse (engl. roll or bank attitude) und um die Querachse (engl. pitch attitude) anzeigt. Alle anderen Instrumente im Flugzeug können nur indirekt zur Bestimmung der Fluglage verwendet werden. Kfz-Navigation: Die Daten von Drehratensensoren werden bei integrierten Systemen sowohl für die Fahrzeugstabilität, als auch für die Navigation verwendet. Anders als bei nicht integrierten Systemen bricht die Navigation in Tunnels nicht ab. Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 5

Applikationen für Beschleunigungssensoren: Durchführung von Automobiltests: Beschleunigungsmeßgeräte die ebenfalls mit Hilfe von MEMS-Accelerometern die Beschleunigungswerte in einer oder mehreren Achsen messen und auswerten können. Da bei der Geschwindigkeitsbestimmung mit Hilfe von Accelerometern mit endlicher Genauigkeit leicht durch die Integration der Messgröße über der Zeit große Messfehler entstehen, ist hier häufig noch das mechanische Preiselerrad anzutreffen. ABS/ESP – Systeme: Im integrierten Steuergerät befinden sich ein Drehratensensor und einer oder mehrere Beschleunigungssensoren auf MEMS-Basis (Micro-Electro-Mechanical-Sensor). Die in sehr schneller Folge gemessenen Sensorgrößen werden hier intern ausgewertet und nur teilweise über den CAN-Bus im Fahrzeug weitergegeben. Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 6

Applikationen für Beschleunigungssensoren: Speedbox: Die Speedbox kann Beschleunigungen in zwei Achsen mit bis zu 4g messen und die gemessenen Werte über mehrere Schnittstellen (CAN,NMEA,RS232) zur Verfügung stellen. Zur Verringerung des Integrationsfehlers wird hier ein hochpräzises und schnelles GPS-Modul eingesetzt. Ein einfacheres Modell der Gattung findet sich häufig in der Szene der 1/4-Meile-Rennen. Das G-techPro RR besitzt einen 3-Achsen Accelerometerchip und kann nach Eingabe des Fahrzeuggewichtes die Radleistung des Fahrzeuges errechnen. Mitgeliefert wird neben dem Gerät eine PC-Software zur Visualisierung und Auswertung der aufgezeichneten Werte. Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 7

Blackbox: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 8

Blockschaltbild: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 9

Komponenten: Triaxialer Beschleunigungssensor SMB380 Orientierung im 3-dimensionalem Raum zu Beginn der Messdatenaufnahme Setzen eines Nullpunktes als Referenz für weiteren Sensoren Erfassung der Lage zur z-Ebene während der Messdatenaufnahme Verwendeter Range: +/- 2g typische Empfindlichkeit: 256 LSB/g Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 10

Winkel- und biaxialer Beschleunigungssensor ADIS 16209 Einleitung Komponenten: Winkel- und biaxialer Beschleunigungssensor ADIS 16209 Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software Feststellen der Beschleunigung und Lage in der Ebene, Rotation in der Senkrechten typ. Auflösungen: 0,244 mg/LSB 0,025°/LSB Genauigkeit vertikaler Rotation: +/-0,25° HID 11

Komponenten: Drehratensensor ADIS 16255 Messung der Drehrate Auflösung: 0,07326°/s/LSB, bei einem dynamic range von +/- 320°/s Integrierte Daten der Drehrate in Form von relativer Winkelinformationen vorhanden Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 12

Komponenten: Biaxialer Digitalkompass HMC6352 Festlegung des Nordens als Nullpunkt für die Drehratenerfassung Auflösung von 0,5° und einer Genauigkeit von 2,5°RMS C8051F342 SiLabs Mikroprozessor SMBus/I2C SPI Serial Interface 64 kB on-chip Flash memory •4352 Bytes on-chip RAM (256 + 4 kB) Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 13

Einleitung Fertigung der Platine im Rahmen des Labors für Mikrosysteme 2. Prozessor in-system programmierbar und debuggbar Stand d. Technik Aufbau Software HID 14

Portbelegungsplan: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 15 Bemerkung 0.0 2 Taster 1 0.1 1 Taster 2 0.2 32 SPI-Schnittstelle SCK 0.3 31 SPI-Schnittstelle MISO 0.4 30 SPI-Schnittstelle MOSI 0.5 29 SPI-Schnittstelle NSS 0.6 28 Chip Select ADIS16209 0.7 27 Reset ADIS16209 1.0 26 Chip Select ADIS16255 1.1 25 Reset ADIS16255 1.2 24 SMB SDA 1.3 23 SMB SCL 1.4 22 Write Protect 1.5 21 Interrupt SMB380 1.6-2.7 20 AUX Stand d. Technik Aufbau Software HID 15

SPI - Schnittstelle: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 16

SPI - Schnittstelle: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 17

SMBus/I2C-Schnittstelle: Zwei-Draht-Bus SDA = serial data SCL=serial clock Erstes Byte einer Übertragung bestimmt das Ziel Device Nach jedem Byte erwartet der Sender ein Acknowledge-Bit Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 18

SMB/I2C - Schnittstelle: Einleitung void SMB_REGWrite(unsigned char addrsmb, unsigned char value) { while (SMB_BUSY); SMB_BUSY = 1; TARGET = 0x71; SMB_RW = WRITE; SMB_SENDWORDADDRhi = 1; SMB_RANDOMREAD = 0; SMB_ACKPOLL = 1; WORD_ADDRhi = addrsmb; SMB_SINGLEBYTE_OUT = value; pSMB_DATA_OUT = &SMB_SINGLEBYTE_OUT; SMB_DATA_LEN = 1; STA = 1; } Stand d. Technik Aufbau Software HID 19

Interruptserviceroutine SMBus: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 20

Dymolog Windows-Software: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID Weiterentwicklung des SiLabs – Demoprogrammes: HID_Blinky Programmiert in Visual C++ 8.0 Nutzung der dll: slabhiddevice.dll 21

Dymolog Windows-Software: Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID Neuentwicklung Programmiert in C# mit .NET Framework 3.5 keine Nutzung der slabhiddevice.dll Wertetabelle, Momentanwerte, zeitliche Abbildung Messwerte 22

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ausblick: Applikation auf andere Projekte durch weiterentwickelte Software Verbesserte Echtzeitfähigkeit durch Verwendung des integrierten Speichers Perfektionierung des Systems durch Verwendung von GPS-Daten Akkubetrieb möglich Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Einleitung Stand d. Technik Aufbau Software HID 23