Systemskiss Minröjningsbandvagn

Transkript

1 Systemskiss Minröjningsbandvagn Version 1.0 Utgivare: Emmeline Kemperyd Datum: 19 september 2013 Status Granskad Anton Pettersson Godkänd

2 Projektidentitet Gruppens e-post: Hemsida: Beställare: Kund: Kursansvarig: Projektledare: Handledare: Johan Dahlin (JD), ISY, Linköpings universitet Torbjörn Crona, Saab Bofors Dynamics Daniel Axehill och David Törnqvist, ISY, Linköpings universitet Anton Pettersson (AP) Björn Johansson, Carl Nordheim, Stefan Thorstensson, Saab Bofors Dynamics, Niclas Evestedt (NE), ISY, Linköpings universitet Gruppmedlemmar Namn Ansvarsområde Telefonnummer E-post Jesper Carlsson (JC) Informationsansvarig jesca887 Jonatan Ekström (JE) Designansvarig jonek364 Emmeline Kemperyd (EK) Dokumentansvarig emmke921 Simon Lind (SL) Hinderansvarig simli718 Johan Norén (JN) Hårdvaruansvarig johno923 Anton Pettersson (AP) Projektledare antpe073 Markus Rombarth (MR) Testansvarig marro498 Jon Tjerngren (JT) Navigationsansvarig jontj362

3 Dokumenthistorik Version Datum Ändringar Utförda av Granskad Första utkastet EK AP Andra utkastet SL AP Version 1.0 SL AP

4 Innehåll 1 Inledning Övergripande beskrivning av systemet Definitioner och förkortningar Delsystem: Basstation Inledande beskrivning Ingående komponenter Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Handkontroll Uppgifter Beroende av andra system Delsystem: Bandvagn Inledande beskrivning av bandvagnen Ingående komponenter Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Sensorer Underdelsystem: Handkontroll Ingående komponenter Uppgifter Beroenden till andra system Underdelsystem: Sensorer Ingående komponenter Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Framdrivning Ingående komponenter Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Mindetektering Ingående komponenter Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Hinderdetektering Ingående komponenter Ingående komponenter Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Positionering och kartering Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Ruttplanering Ingående komponenter

5 Uppgifter Beroende av andra system Ingående delsystem: Reglering Uppgifter Beroende av andra system Underdelsystem: Intern kommunikation Uppgifter

6 Minröjningsbandvagn 1 1 Inledning Detta dokument är en översikt över ett system för autonom minröjning. Systemets delsystem och kraven på dessa beskrivs noggrannare i kravspecifikationen. Det här dokumentet innehåller en kort beskrivning av alla delsystem. 1.1 Övergripande beskrivning av systemet Systemet består av två huvudsystem: en bandvagn och en basstation. Bandvagnen levereras som en fysisk komponent tillsammans med den mjukvara som krävs för positionering, navigering och mindetektering. Basstationen levereras i form av mjukvara som kan byggas och installeras på en x86-kompatibel dator. Bandvagnen och basstationen kommunicerar med varandra via en trådlös länk. Dessa två huvudsystem är i sin tur är uppdelade i mindre delsystem av varierande storlek. Underdelsystemet handkontroll är exempelvis betydligt större än underdelsystemet sensorer implementationsmässigt. Tanken med indelningen är att varje delsystem ska kunna konstrueras och testas individuellt i så stor mån som möjligt, för att därefter sättas ihop till större system och slutligen till ett system, det vill säga minröjningsbandvagnen. Varje delsystem berör en eller flera fysiska komponenter och dessa presenteras också för varje delsystem. Notera att vissa delsystem delar vissa komponenter. För en översiktsbild av systemet se figur??. Figur 1: Skiss över ingående komponenter i bandvagnen 1.2 Definitioner Där förkortningen PWM används står detta för Pulse Width Modulation. IMU står för Inertial Measurement Unit. ARM refererar till en Advanced RISC Machine-processor där RISC står för Reduced Instruction Set Computer.

7 Minröjningsbandvagn 2 2 Delsystem: Basstation Denna del av dokumentet beskriver kortfattat basstationen. Basstationen kan kommunicera trådlöst med både bandvagnen och handkontrollen. 2.1 Inledande beskrivning Basstationens huvuduppgift är att ge operatören en översiktsvy av hur mindetekteringen fortskrider. Basstationen tar emot data från bandvagnen och presenterar dessa data i ett grafiskt gränssnitt. Den möjliggör även konfiguration och felsökning av systemet. Kommunikationen mellan basstation och bandvagn sker via ett WiFi-nätverk. 2.2 Ingående komponenter Mjukvara skriven i C++ x86-kompatibel dator Trådlöst nätverkskort 2.3 Uppgifter Basstationen utför följande uppgifter: Visar bandvagnens skattade position samt positionshistorik på en karta över operationsområdet. Visar sannolikheten att en viss del av operationsområdet är avsökt. Visar positionen för upptäckta minor på kartan. Visar konturen av upptäckta hinder på kartan. Tar emot och tolkar styrkommandon från det grafiska gränssnittet. Vidarebefodrar kommandon till bandvagnen. Tillhandahåller ett gränssnitt för konfiguration av bandvagnen. Tar emot och presenterar/sparar data från bandvagnen. 2.4 Beroenden till andra system Basstationen är beroende av bandvagnen. 3 Delsystem: Bandvagn 3.1 Inledande beskrivning av bandvagnen Bandvagnen är en datorbestyckad mobil minröjningsplattform. Utöver industridatorn är bandvagnen utrustad med sensorer för navigering och motorer för framdrivning. Bandvagnens motorer och sensorer kontrolleras av industridatorn. Utöver detta tar bandvagnen emot styrkommandon från handkontrollen.

8 Minröjningsbandvagn Ingående komponenter Industridator Motorer Larvband Trådlös router GPS IMU Odometer Ultraljudssensorer Magnetometer (Mindetektor) Trådlös handkontroll 3.3 Uppgifter Bandvagnen utför följande uppgifter: Skattar sin position med hög noggrannhet utifrån sensordata. Navigerar och tar sig fram autonomt i operationsområdet. Detekterar och positionerar minor. Karterar och tar sig runt upptäckta hinder. Levererar insamlade data till basstationen. Utför manuella styrkommandon som fås via basstationen eller direkt ifrån handkontrollen. 3.4 Beroenden till andra system Bandvagnen är beroende av följande system: Basstationen eller handkontrollen Sensorer Den trådlösa routern Trådlös kommunikationslänk till handkontrollen 3.5 Underdelsystem: Handkontroll Bandvagnen är utrustad med en handkontroll för att underlätta manuell fjärrstyrning. Handkontrollen ska ha en steglös styrspak samt ett antal tryckknappar som kan användas för att styra bandvagnen. Handkontrollen ska kommunicera trådlöst med bandvagnen.

9 Minröjningsbandvagn Ingående komponenter Handkontroll Trådlös kommunikationslänk Uppgifter Handkontrollens huvuduppgift är att möjliggöra manuell styrning av bandvagnen utan basstationens närvaro. Bandvagnen ska kunna åka framåt och bakåt och vid behov samtidigt svänga. Via handkontrollen ska man även kunna byta mellan autonomt och manuellt läge. Även i manuellt körläge ska vissa av bandvagnens funktioner vara igång. Till exempel ska bandvagnen stanna för att undvika kollision med hinder och vid mindetektion ska handkontrollen vibrera. Handkontrollen utför följande uppgifter: Möjliggör en bekväm och naturlig styrning av bandvagnen. Möjliggör byte från manuell till autonom styrning. Möjliggör nödstopp av bandvagnen. Reagerar på en mindetektion genom att vibrera Beroenden till andra system Handkontrollen är beroende av följande system: Bandvagn Trådlös kommunikationslänk 3.6 Underdelsystem: Sensorer Bandvagnen är utrustad med sensorer för att kunna navigera, detektera minor samt skatta sin egen position Ingående komponenter De sensorer som används specificeras nedan: En GPS för global positionsbestämning. En IMU med magnetometer, accelerometer och gyron. Ultraljudssensorer för mätning av avstånd till objekt i bandvagnens omgivning. Odometri för mätning av de individuella larvbandens förflyttning Uppgifter Sensorsystemet samlar in, loggar och hanterar data från sensorerna samt delar ut sensordata till de övriga delsystemen.

10 Minröjningsbandvagn Underdelsystem: Framdrivning Bandvagnens framdrivningssystem består av elmotorer kopplade till larvband som hanterar dess rörelse Ingående komponenter I delsystemet framdrivning ingår följande komponenter: Motorer Larvband ARM-processor Uppgifter Framdrivningssystemet ska ta emot kommandon från delsystemt för reglering. Mottagna kommandon ska tolkas om till PWM-signaler för bandvagnens motorer Beroenden till andra system Framdrivningssystemet är beroende av systemet reglering. 3.8 Underdelsystem: Mindetektering Delsystemet mindetektering har som uppgift att detektera en mina när bandvagnen passerar nära eller direkt över en mina Ingående komponenter Komponenterna som ingår i delsystemet mindetektering är: Magnetometer Uppgifter Systemet för mindetektering ska detektera minor, som representeras av magneter, med hjälp av en magnetometer och spara deras position. Positionen ska sparas med en viss särkerhetsmarginal Beroenden till andra system Mindetekteringssystemet är beroende av sensorsystemet. 3.9 Underdelsystem: Hinderdetektering På operationsområdet där bandvagnen befinner sig kan det finnas olika hinder utplacerade. Dessa hinder kan skapa navigeringsproblem och göra det omöjligt för bandvagnen att följa den i förväg planerade rutten. För att hantera detta används ett system för hinderdetektion, systemet beskrivs nedan.

11 Minröjningsbandvagn Ingående komponenter Hinderdetekteringssystemet består av: Mjukvara skriven i C++ Sensorer Uppgifter När bandvagnen opererar i operationsområdet kan påträffade hinder detekteras av sensorerna som finns monterade på bandvagnen. När ett hinder detekteras har systemet som uppgift att stanna bandvagnen och initiera en avsökning av hindret. Vid avsökning ska bandvagnen navigera runt och kartera hindret Beroenden till andra system Systemet hinderdetektering är beroende av följande system: Sensorer Positionering och kartering Ruttplanering Reglering 3.10 Underdelsystem: Positionering och kartering Systemet för positionering och kartering har som främsta uppgift att beräkna bandvagnens position, givet att startpunkten är helt känd Uppgifter Positionen bestäms med hjälp av GPS, odometri, gyroskop, accelerometrar och magnetometern. Med hjälp av alla dessa sensorer ska detta delsystem bestämma bandvagnens position och hitta hinder för att kunna skapa en karta som används av ruttplaneringsdelsystemet. Kartan baseras på ett givet avsökningsområde som definieras av användaren vid basstationen. Detta område delas in i ett rutnät där varje ruta markeras med positionsskattningens säkerhet då bandvagnen söker av dem. Kartan ska vara så pass bra att ruttplaneringssystemet, tillsammans med den skattade positionen, kan utföra sin uppgift att söka av hela det angivna området. Positionen, med tillhörande säkerhet, används även av mindetekteringssystemet för att kunna skatta de positioner där minor har detekterats Beroenden till andra system Systemet positionering och kartering är beroende av följande system: Sensorer Mindetektering Hinderdetektering

12 Minröjningsbandvagn Underdelsystem: Ruttplanering Delsystemet för ruttplanering ansvarar för att bestämma vägpunkter som bandvagnen ska färdas mellan på sin väg till ett givet mål. I ruttplaneringssystemet ingår följande komponent: Industridator Uppgifter Ruttplaneringsdelsystemet har som uppgift att, givet den karta och den position som delsystemet för positionering och kartering ger ifrån sig, bestämma ett antal vägpunkter som bandvagnen ska ta sig mellan. Ruttplaneringen använder en samplad version av den interna karta som systemet för positionering och kartering uppdaterar. Då hela området är avsökt ska ruttplaneringsdelsystemet bestämma bästa vägen tillbaka till startpositionen Beroenden till andra system Ruttplaneringssystemet är beroende av följande system: Positionering och kartering 3.12 Underdelsystem: Reglering Delsystemet reglering har hand om styrningen av bandvagnen. I reglering ingår följande komponenter: Industridator Uppgifter Ruttplaneringsdelsystemet ger ut vägpunkter, i den interna kartans koordinater, som bandvagnen ska ta sig till. Bandvagnens aktuella positionen fås från delsystemet för positionering och kartering. Regleringsdelsystemets uppgift är att se till att bandvagnen tar sig till dessa vägpunkter på ett stabilt sätt, givet den aktuella position som bandvagnen är på. Genom att ge signaler, som talar om hur mycket varje larvband ska rotera och åt vilket håll till framdrivningssystemet kommer bandvagnen att förflytta sig närmare nästa vägpunkt Beroenden till andra system Reglersystemet är beroende av följande system: Lokalisering och kartering Ruttplanering

13 Minröjningsbandvagn Underdelsystem: Intern kommunikation Mellan delsystemen ska kommandon och data kunna skickas så att alla delsystem får den data de behöver, när de behöver den. I intern kommunikation ingåar följande komponent: Industridator Uppgifter Delsystemet intern kommunikation ansvarar för att de andra delsystemen ska kunna skicka data internt i bandvagnen och mellan varandra vilket sker i realtid.