Kravspecifikation Joachim Lundh TSRT0 - SEGWAY 6 december 200 Version.0 Status: Granskad Alla 6 december 200 Godkänd Markus (DOK) 6 december 200
PROJEKTIDENTITET Segway, HT 200 Tekniska högskolan vid Linköpings universitet, ISY Namn Ansvar Tele f on E post Joachim Lundh Projektledare (PL) 070-293 29 66 joalu33 Markus Sundbrandt Dokumentansvarig (DOK) 073-955 2 23 marsu752 David Elofsson Designansvarig hårdvara (DES) 070-292 89 80 davel369 Pontus Jernberg Bluetoothansvarig (BLT) 070-939 6 5 ponje4 Karl Cederman Regulatoransvarig (REG) 070-565 56 67 karjo492 Henrik Hagelin Testansvarig (TST) 070-898 95 06 henha374 Dan Gunning Följningsansvarig (FLJ) 073-697 47 5 dangu444 Håkan Richter Observatöransvarig (OBS) 073-532 47 95 hakri323 E-postlista för hela gruppen: tsrt0segway@googlegroups.com Kund: David Törnqvist, ISY kundtelefon: +46 3 28882, e-postadress: tornqvist@isy.liu.se Beställare: Patrik Axelsson, +46 3 284474, axelsson@isy.liu.se Handledare: Ylva Jung, +46 3 284474, ylvju@isy.liu.se Kursansvarig: David Törnqvist, +46 3 28882, tornqvist@isy.liu.se
Innehåll Inledning 4. Parter............................................. 4.2 Syfte och mål......................................... 4.3 Användning.......................................... 4.4 Bakgrundsinformation.................................... 4.5 Definitioner.......................................... 4 2 Översikt av systemet 5 2. Grov beskrivning av produkten................................ 6 2.2 Produktkomponenter..................................... 6 2.3 Beroenden till andra system.................................. 6 2.4 Ingående delsystem...................................... 6 2.5 Avgränsningar......................................... 6 2.6 Designfilosofi......................................... 6 2.7 Generella systemkrav..................................... 7 3 Delsystem - Kommunikation 7 3. Gränssnitt........................................... 7 4 Delsystem 2 - Handföljning 7 4. Gränssnitt........................................... 8 5 Delsystem 3 - Linjeföljning 8 5. Gränssnitt........................................... 8 6 Delsystem 4 - Undvika hinder 8 6. Gränssnitt........................................... 9 7 Delsystem 5 - Regulator för att hålla roboten upprätt 9 7. Gränssnitt........................................... 9 8 Vidareutveckling 0 9 Ekonomi 0 0 Leveranser 0 Dokumentation 2
Dokumenthistorik Version Datum Utförda förändringar Utförda av Granskad 0. 200-09-20 Första utkast Alla Alla 0.2 200-09-23 Andra utkast Alla Alla 0.3 200-09-27 Tredje utkast MS, PJ Alla 3
Inledning Projektets mål är att reglera en segway byggd i Lego Mindstorms. Roboten ska stå upprätt, följa en linje, undvika hinder, följa en hand samt styras manuellt via Bluetooth. En översikt av systemet ses i figur. Figur : Systemet i dess omgivning. Parter De ingående parterna i detta projekt är beställaren Patrik Axelsson, kunden David Törnqvist och handledaren Ylva Jung anställda på avdelningen för reglerteknik vid Tekniska högskolan vid Linköpings universitet..2 Syfte och mål Syftet med detta projekt är att reglera en segway. Den ska bland annat kunna hållas stående upprätt, följa en referensbana samt styras manuellt. Projektets mål är att roboten ska ha två olika regulatorstrukturer för att hålla den stående upprätt. Den ska kunna följa en linje på golvet, kunna följa en hand, undika hinder, undvika att köra ner från ett stup samt kunna styras manuellt med hjälp av bluetooth. Regulatorer m.m. implementeras med hjälp av Simulink..3 Användning Roboten ska användas till att utvärdera olika regulatorstrukturer samt möjligheter till bluetoothkommunikation och olika följningar..4 Bakgrundsinformation Beställningen av en segwayrobot uppkom som en del av kursen TSRT0 - Reglertekniskt projektkurs, CDIO..5 Definitioner Dessa definitioner definerar olika ord som används i dokumentet. Vägg: Homogen yta på minst 50 cm över marken. Detta för att ultraljudssensorn ska ha möjlighet att upptäcka väggen. 4
Stup: Nivåskillnad på minst 30 cm. Detta för att ljussensorn ska upptäcka stupet Hand: En normalstor hand. Tejpremsa: En markering på marken som indikerar vart roboten ska åka. Markeringen består av två tejpremsor en svart och en vit, placerade på en tejpremsas avstånd så att det fördelaktiga golvet i RT-korridoren syns mellan. De olika kraven specificeras enligt följande definitioner. Prioritet innebär att det måste uppfyllas, prioritet 2 innebär att i mån av tid uppfylla kravet och prioritet 3 är förslag till vidareutveckling. Samtliga krav som senare preciseras kommer beskrivas i listform enligt nedan. Tabell visar hur kravtabellerna ser ut i hela dokumentet. Krav nr X Original/Uppdaterad/Tillägg Kravtext Prioritet Tabell : Exempel på hur tabellerna som beskriver kraven ser ut 2 Översikt av systemet Systemet är en segwayrobot som består av fem olika delsystem och dessa visas i figur 2. Delsystemet regulator för att hålla roboten upprätt består av en observatör för att skatta alla tillstånd och två olika regulatorer. I delsystemen handföljning och linjeföljning kommer roboten att antigen följa en hand eller en linje. Delsystemet undvika hinder är ett säkerhetssystem för att hindra roboten att köra in i väggar och utför stup. Allt som de andra delsystem gör och sensorvärden ifrån dessa kommer via delsystemet kommunikation överföras till en PC för att visas på skärmen. Detta delsystem kommer även kunna styra roboten manuellt. Figur 2: Översikt av systemet 5
2. Grov beskrivning av produkten Roboten är en segway som är byggd i Lego Mindstorms. Den ska bland annat kunna hållas ståendes upprätt, kunna följa en linje, följa en hand, undvika hinder samt styras manuellt med bluetooth. Roboten är utrustad med två ljussensorer för linjeföljning och för att dektetera stup. Den har även en ultraljudsensor för att bestämma avstånd framåt och ett gyro för att bestämma dess vinkelhastighet. Systemet har två aktuatorer i form av en motor till varje hjul. 2.2 Produktkomponenter Vid leverans kommer följande ingå: Robot som uppfyller kravspecifikation Användargränssnitt i PC Teknisk dokumentation Användarmanual Poster Hemsida över projektet Film Efterstudie 2.3 Beroenden till andra system För att utnyttja all funktionalitet i roboten behövs en dator med bluetoothenhet och programvara för bluetoothgränssnittet. 2.4 Ingående delsystem De ingående delsystemen är: Kommunikation Handföljning Linjeföljning Undvika hinder Regulator för att hålla roboten upprätt 2.5 Avgränsningar Roboten ska inte behöva kunna bära någon extern last. Det finns heller inte några uttalade krav på vidareutveckling eller underhåll av produkten. När linjekörning är aktivt behöver inte roboten kunna dektetera stup. Det finns inget krav på att roboten ska klara av att undvika väggar vid backning. Det ska inte utredas om det är bättre att använda ett annat programeringsspråk, andra utvecklingsverktyg eller andra komponenter än de som är tänkta att användas. 2.6 Designfilosofi Projektet bryts ner i mindre delsystem för att underlätta arbetet, dessa delsystem kommer sedan integreras med varandra i den slutliga produkten. 6
2.7 Generella systemkrav De generella systemkraven ses i tabell 2. Krav nr Original Roboten ska inte falla omkull på en plan yta Krav nr 2 Original Roboten ska hållas stående på en plan yta utan att röra sig mer än 5cm Krav nr 3 Original Roboten ska kunna styras manuellt via bluetooth från en dator Krav nr 4 Original Roboten ska kunna följa en hand på ett avstånd mellan 0 till 20 cm Krav nr 5 Original Kunna följa en fördefinierad linje i form av en tejpremsa Krav nr 6 Original Roboten ska undvika att köra in i väggar Krav nr 7 Original Roboten ska undvika att köra ner för stup som uppkommer vinkelrätt mot dess färdväg Krav nr 8 Original Roboten ska skicka aktuella mätsignaler och skattade tillstånd till en PC Tabell 2: Generella systemkrav 3 Delsystem - Kommunikation Detta system tar hand om kommunikationen mellan en dator och roboten. Datorn ska hela tiden logga vad roboten gör och visa detta i ett program. Från detta program kan även roboten styras manuellt och man kan välja vad man vill att roboten utför. För att jämföra de olika regulatorerna kan man här skifta mellan olika regulatorstukturer. Generella krav för kommunikationsmodulen ses i tabell 3. Krav nr 9 Original Roboten ska kunna styras manuellt via bluetooth med kommandona framåt och bakåt Krav nr 0 Original Roboten ska kunna styras manuellt via bluetooth med kommandona vänster och höger Krav nr Original Ska kunna välja vilken mod som ska vara aktiv via en PC Krav nr 2 Original Ska kunna välja mellan olika regulatortyper via en PC Tabell 3: Krav för kommunikation 3. Gränssnitt Delsystemet tar emot data ifrån övriga delsystem som åskådligörs i ett program på en PC. Krav på kommunikationsgränssnittet ses i tabell 4. Krav nr 3 Original Delsystemet ska kontinuerligt skicka data från övriga delsystem till en PC Krav nr 4 Original Ska upprätthålla en Bluetooth-länk mellan roboten och en PC Krav nr 5 Original Mätdata ifrån roboten ska presenteras i ett program på en PC Tabell 4: Krav på gränsnittet för kommunikation 4 Delsystem 2 - Handföljning Systemet ser till att roboten håller ett givet avstånd till en hand som placeras framför robotens ultraljudssensor. När handen rör sig kommer roboten följa efter. Om handen tas bort framför roboten eller att roboten tappar bort handen kommer roboten stanna. Generella krav på handföljningen ses i tabell 5 7
Krav nr 6 Original Roboten ska vänta stillastående tills den upptäcker en hand att följa Krav nr 7 Original Roboten ska följa handen framåt och bakåt Krav nr 8 Original Roboten ska följa handen i alla riktningar parallella med markplanet 3 Krav nr 9 Original Roboten ska stanna om handen försvinner Tabell 5: Krav för handföljning 4. Gränssnitt Avståndet mellan handen och roboten kommer skickas till delsystemet kommunikation. Krav på gränssnittet för handföljning ses i tabell 6. Krav nr 20 Original Delsystemet ska skicka avståndsdata till delsystemet kommunikation Tabell 6: Krav på gränssnittet för handföljning 5 Delsystem 3 - Linjeföljning Roboten ska klara av att följa en bana på marken som markeras med en linje i form av en tejpremsa i tre färger. Med hjälp av ljussensorn kan roboten veta vilka av färgerna den står på och på så sätt veta vilket håll den ska åka åt. Generella krav för linjeföljningen ses i tabell 7. Krav nr 2 Original Roboten ska följa en tejp på marken m.h.a. en sensor Krav nr 22 Original Roboten ska klara kurvor med en radie av minst 300 mm Krav nr 23 Original Roboten ska klara av olika vägval 3 Tabell 7: Krav för linjeföljningen 5. Gränssnitt Mätdata ifrån ljussensorn skickas till delsystemet kommunikation. Krav på gränssnittet för linjeföljning ses i tabell 8. Krav nr 24 Original Delsystemet ska skicka mätdata från ljussensorn till delsystemet kommunikation Tabell 8: Krav på gränsnittet för linjeföljning 6 Delsystem 4 - Undvika hinder Delsystemets uppgift är att undvika hinder som uppkommer under körning. Det finns två sorters hinder som roboten ska detektera. Roboten ska upptäcka när den närmar sig ett stup och stanna innan den faller över kanten. Roboten ska stanna en bit innan kanten så att den kan röra sig lite för att hålla sig upprätt utan att ramla ner. Roboten ska också undvika att köra in i väggar och stanna en bit innan. Detta medför att roboten har lite marginal till väggen så att den har svängrum att köra regleralgoritmen som håller den stående. Generella krav för att undvika hinder ses i tabell 9. 8
Krav nr 25 Original Roboten ska stanna 0-20 cm ifrån vägg vid körning rakt emot väggen Krav nr 26 Original Roboten ska stanna framför en vägg då ankomstvinkeln är högst 45 2 grader Krav nr 27 Original Roboten ska stanna vid upptäckt av ett stup vid körning rakt emot Krav nr 28 Original Roboten ska stanna framför ett stup oberoende av ankomstvinkel 3 Krav nr 29 Original Roboten ska stanna 0-20 cm innan vägg vid körning baklänges 3 Krav nr 30 Original Roboten ska stanna framför stup vid körning baklänges 2 Tabell 9: Krav för att undvika hinder 6. Gränssnitt Vid upptäckt av hinder meddelar roboten delsystemet kommunikation om att ett hinder har upptäckts. Krav på gränssnittet för undvikning av hinder ses i tabell 0. Krav nr 3 Original Roboten ska skicka information till delsystem kommunikation när hinder detekterats Tabell 0: Krav på gränsnittet för undvikning av hinder 7 Delsystem 5 - Regulator för att hålla roboten upprätt För att roboten ska kunna stå upprätt krävs att hjulen hela tiden kompenserar för rörelser som gör att roboten vill falla framåt eller bakåt. Regulatorn har till uppgift att skicka ut rätt signaler till motorerna som styr hjulen beroende på i vilket läge roboten befinner sig i. För att uppnå att roboten klarar att stå upprätt utan större oscillationer krävs en genomtänkt regulatordesign. Två olika typer av reglering ska implementeras och utvärderas. Regulatordesignen kommer kräva modeller och en observatörer som skattar tillstånd. Generella regulatorkrav ses i tabell. Krav nr 32 Original Roboten ska innehålla två regulatortyper Krav nr 33 Original Roboten kompletteras med ytterligare en regulator 2 Krav nr 34 Original Roboten ska inte falla omkull på plan yta Krav nr 35 Original Roboten ska inte luta mer än 0 grader vid stillastående Krav nr 36 Original Roboten ska inte luta mer än 5 grader vid stillastående 2 Krav nr 37 Original Roboten ska inte röra sig mer än 2 cm från sin utgångsposition under 2 stillastående Krav nr 38 Original Roboten ska klara en störning i form av en lätt knuff utan att falla Krav nr 39 Original Roboten ska ha en observatör Krav nr 40 Original Om roboten ramlar så ska motorerna stängas av Krav nr 4 Original Roboten ska kunna färdas meter på max 0 sekunder Krav nr 42 Original Roboten ska kunna färdas meter på max 5 sekunder 2 Tabell : Krav på regulator för att hålla roboten upprätt 7. Gränssnitt Delsystemet skickar mätsignaler och tillstånd till delsystemet kommunikation. Om roboten har ramlat skickas ett meddelande. Krav på regulatorgränssnittet ses i tabell 2. 9
Krav nr 43 Original Delsystemet ska skicka aktuella mätsignaler och tillstånd till delsystemet kommunikation Krav nr 44 Original Meddelande skickas om roboten har ramlat Tabell 2: Krav på gränsnittet för regulator för att hålla roboten upprätt 8 Vidareutveckling Här nedan ges olika krav på möjliga vidareutvecklingar som kan göras antingen av oss eller av efterföljande grupper. Vidareutvecklingskrav ses i tabell 3. Krav nr 45 Original Ska kunna styras via en mobiltelefon 3 Krav nr 46 Original Utveckla roboten för att dektetera väggar bakåt. 3 Tabell 3: Krav på vidareutveckling 9 Ekonomi Gruppen har tillgång till en robot, ett projektrum med två stationära datorer samt två av ISY utlånade bärbara datorer. Ekonomiska krav ses i tabell 4. Krav nr 47 Original Gruppen har 920 timmar till förfogande Krav nr 48 Original Gruppen har 30 timmar handledartid till förfogande Tabell 4: Krav på ekonomi 0 Leveranser De leveranser som ingår i projektet ses i tabell 5. Krav nr 49 Original Designspecifikation ska leveras vid BP3 Krav nr 50 Original Testplan ska leveras vid BP3 Krav nr 5 Original Fungerande robot ska levereras vid BP5 Krav nr 52 Original Gränssnitt för bluetoothkommunikation ska levereras vid BP5 Krav nr 53 Original Användarhandledning ska leveras vid BP5 Krav nr 54 Original Testprotokoll ska levereras vid BP5 Krav nr 55 Original En poster ska vara inlämnad innan projektkonferensen Krav nr 56 Original En hemsida ska vara klar innan projektkonferensen Krav nr 57 Original En film ska vara klar innan projektkonferensen Krav nr 58 Original En efterstudie ska vara inlämnad innan projektkonferensen Krav nr 59 Original Återlämning av datorer, nycklar samt robot sker efter projektkonferensen Krav nr 60 Original Teknisk dokumentation ska vara inlämnad innan projektkonferensen Tabell 5: Krav på leveranser 0
Dokumentation Alla dokument tillhörande projektet ska när de lämnar projektgruppen för att nå en yttre instans vara i formatet PDF genererade med L A T E X. Detta för att information inte ska kunna ändras på eller försvinna av misstag. De dokument som kommer att ingå i projektet är: Kravspecifikation, Projektplan, Designspecifikation, Efterstudie, Testspecifikation, Användarhandledning, Teknisk dokumentation, Statusrapporter och Mötesprotokoll. Dokumentkrav ses i tabell 6. Krav nr 6 Original Alla dokument ska skrivas i L A T E X Krav nr 62 Original Alla dokument ska lämnas in i PDF-format Tabell 6: Krav på dokumentation