Projektplan

Teamname: Blowfish
Teammitglieder: Philipp E.; Fabian K.; Hamza M. Thomas L.; Jonathan M.-B.; Osman A.

 1. Motivation

 2. Beschreibung des Projekts

 3. Projektumfang und Meilensteine

 4. Projektstruktur

 5. Aktivitäten und Zeitplan

 6. Material- und Kostenplanung

 7. Risikoanalyse

 8. Dokumentation

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Projektplan:

1. Motivation:

Ganz im Sinne der Informationsverarbeitung bietet dieses Praktikum eine interessante
Gelegenheit Erfahrung im Bereich der Datenerfassung, Verarbeitung und Auswertung
zu sammeln. Der Bau eines autonomen Zeppelins beinhaltet solche Themen zur Genüge.
Theoretisch wird das alles bereits im Vorlesungsalltag der Universität geboten, nur
Praxis kommt oft viel zu kurz und speziell für Elektrotechniker bleibt die Schnittstelle
Hardware – Software ein Thema,womit sich viele Studenten erst im Berufsleben auseinandersetzen
müssen. Neben dieser Erfahrung wird auch die Projektentwicklung im Team
einen hilfreichen Beitrag leisten, zukünftige Projekte mit dem angeeigneten Know-How
anzugehen.

2. Beschreibung des Projekts:

2.1 Zielsetzung

Ziel des Projektes ist die Konstruktion eines autonom fliegenden Zeppelins, das in der
Lage ist, einen Parcours mit Hindernissen im Slalom zu durchfliegen. Danach soll eine
Last in einem Zielgebiet abgeworfen werden. Zusätzliche Hilfe von Menschenhand
darf während des Fluges nicht erfolgen. Als Hilfestellung darf z.B. ein Indoor- Navigationssystem
verwendet werden. Dies soll durch Aufteilung des Teams in verschiedene
Arbeitsgruppen entstehen.

Für den Wettbewerb gelten folgende Rahmenbedingungen:
• Autonomer Flug des Luftschiffes
• Die Positionen der Hindernisse, des Abwurfgebietes so wie des Start- und Endpunktes
   sind bekannt
• Maximale Flugzeit 15 Minuten in einer maximalen Höhe von 2m.
• 2 erlaubte Durchläufe

2.2 Ansatz:

Auf Grundlage zweier Motoren in der Horizontalen für die Lenkung und je nach Bedarf einem oder zwei Motoren für die Höhenregelung, soll eine Gondel entworfen und gebaut werden. Für die Regelung der Motoren werden je zwei Motorregler verwendet, die über einen Arduino Pro Mini angesteuert werden. Zur Steuerung des Zeppelins wird ein IMU-Board verwendet, diese beinhaltet: Kompass, Gyroskop, Beschleunigungssensoren und Luftdruck. Die Messdaten sollen per Arduino zu Steuerungszwecken ausgewertet werden. Die Positionsdaten der Bodenstation sollen mit einem Funkmodul an die Gondelübertragen werden. Hiermit soll eine autonome Navigation möglich gemacht werden.

2.3 Erfolgskriterien:

Als Erfolgskriterium für das Vorhaben wird neben der Einhaltung der Praktikumsvorgaben, wie Maximalgewicht und Autonomie des Zeppelins vom Team eine gute Zusammenarbeit erwartet. Genauso wird das koordinierte Zusammenführen einzelner Teilprojekte zusammen mit einer ausführlichen Dokumentation gefordert.

Darüber hinaus ist es wichtig die uns selbst gesetzten Abschlusstermine der Arbeitspakete einzuhalten. Umweltfaktoren, wie Wind Störungen der Sensoren durch Reflektionen, Vibrationen und magnetische Einflüsse müssen in der Planung berücksichtigt werden. Sowohl auf Software- als auch Hardwareeben müssen deswegen Anpassungen vorgenommen werden um den Einfluss dieser möglichen Fehlerquellen zu minimieren.

Damit das Projekt ein voller Erfolg werden kann, muss die Software fehlerfrei funktionieren. Durch guten Programmierstil, das heißt vor allem genaue Dokumentation, soll der Code für jedes Teammitglied nachvollziehbar sein.

3. Projektumfang und Meilensteine:

 

Recherche:

 

   -Kostenplanung

 

    -Materialliste erstellen

 

    -in Dokumentationen einlesen(daedalus wiki)

 

    -Konzepte für Regelung, Sensorik, Positionsbestimmung vergleichen

 

Materialbestellung:

 

   -Sammelbestellung Lipoly

 

    -Externe Bestellung

Gondelgrundgerüst:

 

   -Hardwarebefestigungen

 

    -Verbindung zum Zeppelin

 

    -Optimale Gewichtsverteilung

 

Installation der Aktoren

 

   -Motorsystem aufbauen und testen (z.B.Motortreiber ansteuern)

 

    -Halterung für Motoren entwickeln

 

    -Motortest mit Ballon

 

Messdatenerfassung

 

   -Elektrische Inbetriebnahme der Sensoren (IMUBoard/Ultraschall) mit zugehöriger Software

 

    -Daten loggen und auswerten

 

Funk

 

   -Auswahl eines geeigneten Funkmoduls(Stromverbrauch, Störungen)

 

    -Software für Kommunikation und Datentransfer

 

    -Platzierung der Module für optimale Funkverbindung

 

Test und Optimierung des Indoornavigationssystems

 

   -Erweiterung der bestehenden Bodenstationen(Filter, Anzahl der Stationen, Layout)

 

    -Ergänzung des Positionsbestimmungscodes für höhere Genauigkeit

 

    -Einbindung in den bestehenden Gondelaufbau

 

    -Bestimmung der optimalen Aufstellung der Bodenstationen

 

Inbetriebnahme der Gondel

 

   -Gondel mit Ballon verbinden

 

   -Ausgleichsballast anbringen

 

   -Bodentest der Aktoren und Sensoren

 

   -Höhenregelung

 

   -Gerader Flug mit Zielpunktansteuerung

 

Entwicklung der Abwurfeinrichtung

 

   -Test der Konzepte (Schmelzdraht, Magnet)

 

    -Positionierung auf der Gondel

 

    -Test unter Realbedingungen

 

System an Parcoursanforderungen anpassen

 

   -Aufbau eines Testparcours

 

    -Einlesen der Wegpunkte

 

    -Testflug

 

    -Optimierung und Fehlerbeseitigung

 

Dokumentation

 

   -Festhalten des Projektfortschrittes pro Arbeitspaket

 

    -Materialliste

 

    -Softwarecode (Kommentierung)

 

    -Probleme und Lösungen

 

    -Bilder

 

    -Anleitung(Navigationssystem, Zeppelinflug)

 

    -Quellenangaben

 

4. Projektstruktur:

Für die Projektstruktur wurde eine grobe ÜBersicht der Arbeitspakete erstellt:

4.1 Arbeitspaket Arduino und Sensoren:

Das Arbeitspaket Arduino und Sensoren wird von Hamza und Osman bearbeitet. Für den Anfang soll sich zuerst mit den Sensoren mittels einem Serial-to-USB Adapter und dem Arduino-Pro-Mini vertraut gemacht werden. Die empfangen Daten der Sensoren sollen durch z.B. Tiefpässe so optimiert werden, dass diese für die Regelung verwendbar sind. Dies schließt eine Ausseinandersetzung mit den jeweiligen Protokollen der Bussysteme für die Datenübertragung der Sensoren zum Arduino mit ein. Besonderer Wert soll auf die beschränkte Pin Anzahl, des zur Verfügung stehenden Arduinos, gelegt, und möglichst mehrere Sensoren mit einem Bussystem betrieben werden. Für das Projekt sollen zum einen das IMU-Board mit seinem Kompass, der später in Zusammenarbeit mit der Bodenstation für die Kursberechnung zuständig ist und dem Beschleunigungssensor und dem Gyroskop für weitere Kursoptimierung ausgestattet werden. Zum Anderen soll für die Höhenregelung entweder ein externer Ultraschallsensor verwendet oder die Höhe über die Laufzeiten mit der Bodenstation berechnet werden. Beide Höhensysteme sollen getestet und das sich am besten Eignende im Hinblick auf Gewicht und Genauigkeit verwendet werden.

4.2 Arbeitspaket Gondel:

Das Arbeitspaket Gondel wird von Jonathan und Fabian bearbeitet. In diesem Arbeitspaket soll die Gondel konstruiert werden. Darin sind Folgende Einzelarbeitspakete enthalten: Bau eines Gondelgerüsts, an dem später die Hardware der Steuerung angebracht werden kann. Als Konzept soll sich an den Teilnehmern des letztjährigen Projektpraktikums orientiert werden. Die Gondel soll mit zwei Motoren für die horizontale Bewegung und je nach Bedarf mit einem oder zwei Motoren, ja nach dem ob ein Motor für den Gewichtsausgleich nach abwerfen des Rettungspaketes ausreichend ist oder nicht, für die Höhenregelung versehen werden. Hierbei muss experimentell ermittelt werden, wo die Motoren am besten für eine homogene Gewichtsverteilung und maximale Schubkraft befestigt werden können. Eine optimale Platzierung der Motoren ist für die spätere Steuerung essentiell, daher sollen hier mehrere Möglichkeiten ausprobiert werden. Eine Hürde stellt auch die Gewichtsbegrenzung auf 100g dar. Hierfür wollen wir nur Baustoffe wie Styropor, Balsaholz, Kunstoffe oder Carbon verwenden.

Prinzipiell ergibt sich dadurch folgender Aufbau:

-Ein Gondelgerüst aus Styropor oder später aus dem 3D-Drucker hergestelltem Material

-3 Beziehungsweise 4 Motoren: 2 für Lage, 1 oder 2 für die Höhe

-Eine Abstandsstange ca. 50 cm für die Motoren der Horizontalen um einen gewisses, für  die Lenkung nötiges, Drehmoment um die z-Achse erzeugen zu können

-Eine Abstandsstange oder Halter für den Antrieb der Höhenregelung, da zu nahes platzieren am Ballon die Schubkraft wieder reflektiert und damit unnötig Energie verbraucht.

-Eventueller Abstand des Sensorboards mit den Sendeelementen der Steuerung um gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden.

 

4.3 Arbeitspaket Bodenstation:

Das Arbeitspaket Bodenstation wird von Philipp, Thomas in Zusammenarbeit mit den anderen Teams bearbeitet. Das bisher bestehendes System soll zuerst in Betrieb genommen werden und sich mit den Ausgabedaten befasst werden. Um die Bodenstation später für unsere Steuerung verwenden zu können muss der von den einzelnen Bodenstationen generierte Laufzeitunterschied zwischen dem IR- und dem Ultraschallsignal weiter verarbeitet werden. Ziel dabei ist es ein Koordinatensystem zwischen den Bodenstationen aufzuspannen um darin die Position des Zeppelins anzugeben. Da momentan nur drei Bodenstationen funktionsfähig sind, sollen die nicht funktionsfähigen verbessert oder Neue hergestellt werden. Eine Änderung der Software der Bodenstationen kann unter Umständen  und Anpassung je nach Bedarf auch nötig werden. Da die Bodenstation auch von anderen Teams genutzt wird muss hier nach Möglichkeit unter den Teams zusammengearbeitet werden.

4.4 Arbeitspaket Stromversorgung:

Das Arbeitspaket Stromversorgung wird von Jonathan und Fabian bearbeitet. Für die Gondelsteuerung und Motoren wird Strom aus einer möglichst leichten Quelle benötigt. Es bietet sich somit der Einsatz von Lithium-Ion oder Lithium-Polymer Akkumulatoren an. Die Größe und damit Kapazität der Zellen in mAh soll vor der Bestellung grob durch Berechnung und Test mit den im Projektraum verfügbaren Akkus getestet werden. Um eine möglichst verlustarme Ansteuerung der Stromhauptverbraucher, den Motoren, aufzubauen, soll die Spannung der Lithiumzellen und der der Motoren aufeinander angepasst werden um eine direkte Ansteuerung mit einer H-Brücke zu ermöglichen und Verluste durch Spannungsregler gänzlich zu umgehen. Eine Reihenschaltung von zwei Akkumulatorzellen auf 7,4 Volt bietet sich hier an. Aus diesen 7,4 Volt sollen auch die 5 Volt für den Arduino und die Sensoren gewonnen werde. Je nach späterem Bedarf kann es auch nötig werden einen weiteren Regler für 3,3 Volt zu integrieren. Für beide Spannungen sollen Schaltregler aufgrund ihres guten Wirkungsgrades eingesetzt werden. Für das Spannungsversorgungsboard soll eine eigene Platine in Eagle erstellt und gefräst werden. Durch geschicktes Layout und Verringerung der Platinendicke soll hier wie bei allen Komponenten ein möglichst geringes Eigengewicht erreicht werden.

4.5 Arbeitspaket Funk und Kommunikation:

Das Arbeitspaket Funk und Kommunikation wird von Hamza und Philipp bearbeitet. Das Zeppelin muss sowohl Daten senden als auch empfangen. Für die Bodenstation muss je ein IR- und ein Ultraschallsignal gesendet werden, was mit nur einem Arduinoausgang funktionieren soll. Für die Kommunikation mit der Bodenstation muss eine Funkverbindung über ein Nordic- oder XBee-Modul aufgebaut werden. Diese Aufgabe erfordert zuerst eine Einarbeitung in die Protokolle und Schnittstellen beider Module und eine Ausseinandersetztung mit den für das Zeppelin gewollten Eigenschaften in Reichweite, Stromverbrauch und Übertragungsgeschwindigkeit. Ob Nordic oder XBee verwendet werden, soll die Arbeitsgruppe aufgrund gesammelter Erfahrungen betreffend der oben genannten Eigenschaften selbst entscheiden.

 

 

4.6 Arbeitspaket Abwurfeinrichtung und Testflüge:

Das Arbeitspaket Testflüge wird von Jonathan und Fabian bearbeitet.

Für die Aufgabenstellung muss das Zeppelin im Parcours ein vorgegebenes Rettungspaket abwerfen. Für den Abwurf wird eine möglichst leichte Abwurfeinrichtung angestrebt, welche das Rettungspaket über einen Befehl des Arduinos abwirft. Dafür soll eine dünne Kupferlitze oder Zinndraht verwendet werden, der über einen Kondensator gepuffert durch Kurzschließen der Versorgungsspannung die Litze oder Draht zerstört und so im richtigen Moment das Rettungspaket fallen lässt.

Um Zeitdruck am Ende des Projektes zu vermeiden, sollen möglichst viele Testflüge schon nach Fertigstellung der Gondel organisiert werden um die Zusammenführung von Hardware und Software zu optimieren. Dies ist die Aufgabe dieses Arbeitspaketes. Zu den Testflügen gehören eine Vorbereitungs-, eine Test- und eine Nachbereitungsphase. In der Vorbereitungsphase sollen Flugtermine organisiert, die Akkus für den Flug geladen und die Gondel an dem zu Verfügung stehenden Ballon befestigt werden. Die Flugphase soll bei stetiger Überwachung der Komponenten auf eventuelle Beschädigung durchgeführt werden. Besonders soll der Akkumulator vor Tiefentladung und der Ballon vor Zerstörung geschützt werden. In der Nachbereitungsphase müssen Ballon und Gondel sicher bis zum nächsten Flug verstaut werden.

 

 

4.7 Arbeitspaket Regelung und Steuerung:

Das Arbeitspaket Regelung wird von Thomas und Osman bearbeitet. Für einen autonomen Flug benötigt das Zeppelin eine durchdachte Steuerung mit der die durch Sensoren und Bodenstation gewonnen Daten verarbeitet und in Befehle für die Motoren und die Abwurfeinrichtung umgewandelt werden können. Da diese Steuerung sehr komplex ist, soll sie zuerst abstrahiert mit Matlab-Simulink simuliert, und anschließend auf reale Bedingungen angepasst auf den Arduino übertragen werden. Externe Einflüsse wie Wind, Störung des Kompasses und Messfehler müssen mit beachtet werden. Da sich dieses Arbeitspaket einen sehr wichtigen und großen Teil des Projekts ausmacht, soll hier bei Bedarf mit weiteren Projektteilnehmern die Arbeit geteilt werden.

4.7.1 Arbeitspaket Höhenregelung:

Für die Höhenregelung wird die Höheninformation von der Bodenstation oder dem Ultraschallhöhensensor ausgewertet und gibt der H-Brücke für den Antrieb der Höhenregelung ein PWM-Signal das den Motor wie gewollt ansteuert. Es soll erarbeitet werde, welcher Regler z.B. Hysterese- oder PID-Regler sich hierfür am besten eignet um einerseits die Höhe gut zu regeln, allerdings auch im Hinblick auf die Speicher- und Systemauslastung des Atmega328.

4.7.2 Arbeitspaket Richtungsregelung und Zielanflug:

Für die Richtungsregelung und den Zielanflug soll das IMU-Board und die Bodenstation genutzt werden. Durch den im IMU-Board integrierten Kompass und der Bodenstation lässt sich Richtung und Orientierung des Zeppelins berechnen. Inwieweit der Kompass geeignet ist im Hinblick auf äußere Störungen des Erdmagnetfeldes durch Gebäude mit Stahlträgern und Stahlbeton muss experimentell ermittelt werden. Als Alternative können die Beschleunigungssensoren verwendet werden. Für den Zielanflug muss ein Konzept überlegt werden, was auch hier wieder die geringe Rechenleistung und Speicherplatz des Arduinos berücksichtigt. Falls diese Aufgabe die Rechenkapazität des Arduinos überschreitet, muss ein Teil der Berechnungen auf die Bodenstation ausgelagert werden.


5. Aktivitäten und Zeitplan:


Der Zeitplan nach Abschluss des Projektpraktikums:

 

 

6. Material- und Kostenplanung:

Für das Arbeitspaket Gondel und Stromversorgung werden Propeller und die Bauteile für die Spannungswandler benötigt. Für die Restlichen Arbeitspakete findet sich bisher alles im Daedalus-Projektraum. Eventuelle Probleme mit den bisher geplanten Baugruppen können durch andere Bauteile eventuell umgangen werden, was allerdings weitere Kosten für das Team verursacht. Änderungen werden wöchentlich im Team besprochen. Sammelbestellung Lipoly am 30.04.2013, Reicheltbestellung der benötigten Bauteile bis spätestens 01.05.2013.

7. Riskoanalyse:

Abbruchkriterien und Risiken: Der Zeitplan eines jeweiligen Arbeitspaketes wird nicht erfüllt. In diesem Falle muss sich das gesamte Team zusätzlich auf dieses Arbeitspaket konzentrieren und muss sich bei Bedarf nach einer  alternativen Lösung des Problems umsehen um das Projekt nicht zu gefährden.

Lieferschwierigkeiten werden durch Bauteilbestellung im Inland, und direktem Kauf in Fachgeschäften zu umgehen versucht. Ein weiteres Problem stellen die Ressourcenknappheit in Form von eventuell nicht funktionierenden Bodenstationen, der Verfügbarkeit von Sensorboards und des einzig verwendbaren Ballons für Testflüge dar. Dies soll durch gute Terminplanung und Absprache der einzelnen Teams umgangen werden. Falschdimensionierung und dadurch bedingte Beschädigung der Bauteile soll durch die sorgfältige Einarbeitung der jeweilig Zuständigen in die Dokumentation und Datenblätter verhindert werden. Verantwortungsvolle Dokumentation soll eine redundante Bearbeitung der Aufgaben umgehen. Teamkonflikte sollen direkt angesprochen und geklärt werden um ein gutes Arbeitsklima für alle zu gewährleisten. \\Durch beständige Kontrolle der Meilensteine im Projektplan und regelmäßige Teammeetings soll der Fortschritt im Projekt im Rahmen der vorgegebenen Zeit gewährleistet werden.

8. Dokumentation:

Dokumentieren wird jeder Projektteilnehmer seine Arbeit einzeln. Eine Zusammenfassung wird im Daedalus-Wiki veröffentlicht. Absprachen finden in der Projekt-Facebookgruppe statt. Für den Austausch von Dokumenten haben wir einen Dropboxordner angelegt. 

9. Änderungen des Projektablaufes:

Einmal pro Woche findet ein Treffen des Teams statt, bei dem alle Ergebnisse, neue Aufgaben und Probleme besprochen werden. Eine Kontrolle des Zeitplans findet zudem ebenfalls statt. Alle Änderungen werden schriftlich und in einer Excel-Tabelle in der Dropbox des Teams festgehalten.

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