Tragbares Indoor Navigationssystem

Gliederung

1. Motivation

2. Bestandteile

2.1 Empfängerstationen

2.2 Sendemodul

2.3 Mobiler Navigationsrechner

2.3.1 Stromversorgung

2.3.2 Raspberry Pi

2.3.3 Verschaltung der Bauteile

3. Design und Realisierung

 

1. Motivation

Üblicherweise wird für die Positionsbestimmung von Robotern GPS verwendet. In Gebäuden stellt dies jedoch ein Problem dar. Aufgrund von Signaldämpfung durch Decken und Wänden ist keine zuverlässige Positionsbestimmung mehr möglich. Hier kommen die Indoor Positioning Systems zum Einsatz. Im wesentlichen gibt es drei Techniken, die sich für die Positionsbestimmung in Gebäuden eignen. Infarotbasiert optische Verfahren, Laufzeitmessung von Radiowellen und Laufzeitmessung von Ultraschallwellen. Die erstgenannten sind jedoch aufwändig zu implementieren und kostenintensiv. Die Laufzeitmessung von Ultraschallwellen bietet hier eine kostengünstige Möglichkeit, die aufgrund der langen Signallaufzeiten mit einfacher Hardware realisiert werden kann.
Ziel dieser Ingenieurpraxis ist es, das in einer vorangegangenen Praxis entwickelte System, welches eine Positionsbestimmung der Mini-Luftschiffe des deadalus-Projektes erlaubt, zu vervollständigen und in einen Koffer zu integrieren. Dieser soll dann das tragbare Navigationssystem darstellen.

Schematik

 

2. Bestandteile

2.1 Empfängerstationen

Die Empfängerstationen untergliedern sich in mehrere Teile: ein Ultraschallsensor, ein Infarotdetektor, die Stromversorgung, ein Funkmodul, welche alle um einen ATMega 8 angeordnet sind.
Trilateration (Distanzmessung) erfolgt dabei über die Laufzeit der Ultraschallwelle. Um dies zu berechnen wird eine Infrarotwelle zur Zeitsynchronisation genutzt.
Das Signal des Ultraschallwandlers wird durch drei hintereinander geschaltete Bandpassfilter mit einem Verstärkungsfaktor von je 20 verstärkt. Ein Komparator wandelt das sinusförmige Signal in ein Rechtecksignal, welches dann vom Mikrocontroller ausgewertet wird. Als Infrarot-Empfängermodul wird das TSOP 31240 von VISHAY eingesetzt. Es filtert Infrarotsignale mit einer aufmodulierten Frequenz von 40 kHz heraus und gibt ein logisch-0 Signal an den Prozessor weiter. Das Funkmodul basiert auf dem nRF24L01+ transceiver IC von Nordic Semiconductor für das 2.4 GHz Band. Im Vergleich zu anderen Modulen ist es sehr stromsparend, was eine längere Akkulaufzeit erlaubt. Versorgt wird die Station von einem einzelligen Lipo Akku. Ein Spannungsregler wandelt die Spannung in 5 Volt für den Mikrocontroller und den Analogteil. Ein weiterer Regler stellt 3,3 Volt für Funkmodul zur Verfügung.
Um die Empfängerstationen möglichst schnell zu vervielfachen wurde ein Layout entworfen. Dieses wird gefräst und anschließend wird die Platine bestückt. Zum sicheren Transport wurde mit Hilfe des 3D-Druckers ein Gehäuse gedruckt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Sendemodul

Das Sendemodul ist recht einfach aufgebaut. Es besteht aus sechs Piezo Ultraschallwandlern, die parallel verschaltet sind und sechs Infrarot LEDs. Die Module werden mit einem Rechtecksignal angesteuert, wobei es sich empfiehlt die Ultraschallsender an einer H-Brücke zu betreiben, wie sie z.B. in Motortreibern zu finden ist. Die Ultraschallwandler können mit einer Spannung von bis zu 20 Volt betrieben werden. Je höher die Spannung, desto höher auch die Ausgangsleistung und die Reichweite. Die Infrarot-LEDs sind für eine Spannung von 5 Volt ausgelegt und sollten nicht direkt an einem Mikrocontrollerpin betrieben werden, da kurzzeitig Ströme von 100 mA fließen. Hier ist eine einfache Transistorschaltung zweckmäßig.    

 

2.3 Mobiler Navigationsrechner

In einem Koffer mit integriertem Raspberry Pi sollen alle Informationen zusammenlaufen. Dazu wird in einem einfachen Aluminiumkoffer aus dem Baumarkt, neben dem handlichen Einplatinen-Computer Raspberry Pi, ein Monitor, eine Tastatur und die Stromversorgung integriert. Mithilfe eines Arduinos inklusive Funkempfänger gelangen die von den Bodenstationen erhaltenen Informationen zum Raspberry Pi. Da die Positionen der Empfängerstationen im Raum bekannt sind, kann das Python-Programm die Position der mobilen Station im Raum berechnen. Man benötigt mindestens 3 Bodenstationen, um eine eindeutige Lösung des Gleichungssystems (Koordinaten im Raum) zu erhalten. Durch Störungen, z.B. Ecken im Raum oder laute Geräusche, können Fehler in der Distanzmessung entstehen, weil das Infrarot- bzw. das Ultraschallsignal verändert wird. Daher ist es wünschenswert nicht nur mit der Mindestanzahl von 3 Empfängerstationen zu arbeiten sondern mit einem überbestimmten Gleichungssystem von 5 Empfängern. Die gewünschte Anzahl (5 Stück) wurde angefertigt.

 

2.3.1 Stromversorgung

Prinzipiell soll die Elektronik im Inneren des Koffers über Netz betrieben werden, da es sich um ein Indoor-Navigationsgerät handelt und somit immer eine Steckdose vorhanden sein sollte. Jedoch soll eine gewisse Mobilität der Rechner-Station gewährleistet werden. Daher wird für das Herzstück des Navi-Koffers, dem Raspberry Pi, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (kurz: USV) integriert. Bei Ausfall der Netzspannung schaltet der Mini-Computer nicht ab, sondern wird notfalls über einen 12V Akku betrieben und kann dadurch weiter arbeiten, bis die Netzspannung wieder anliegt. Das Ladegrät mit 12V dient dabei als Netzteil für den Raspberry Pi und lädt gleichzeitig den Akku, wenn dieser nicht im Einsatz ist. Jedoch ist der PC nur für 5V ausgelegt, weswegen die Eingangsspannung von 12V auf 5V gedrosselt werden muss. Dies  wurde mit einem DC/DC-Wandler realisiert. Der TSR 1-2450 regelt eine Eingangsspannung von 6,5-36 VDC auf 5VDC mit einem Wirkungsgrad von bis zu 94% und benötigt daher keine Kühlung. Am Eingang wird der Wandler mit einer  Spule von 8.2µH und 2 Kondensatoren mit jeweils 4.7µF beschaltet. Als Eingangsspannung dient hierbei das Netzteil oder der Akku von je 12V.
Da das Netzteil bereits Dioden besitzt, welche einen Rückstrom verhindern, musste keine zusätzliche Diode mehr eingesetzt werden, um einen Stromfluss vom Akku in Richtung Netz während des Akkubetriebs zu unterbinden.

Achtung: Betrieb über Netzteil funktioniert nur wenn gleichzeitig der geladene Akku angeschlossen ist, damit der Rasperry Pi mit genügend Strom versorgt ist. Der Ladestrom des hier verwendeten Netzteils beträgt nur 300mA. Dieser ist nicht ausreichend um einen reibungslosen Betrieb zu garantieren. Der Akku liefert jedoch 660mA, sodass eine Versorgung allein über den Akku problemlos funktioniert.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.2 Raspberry Pi

Der scheckkartengroße Einplatinencomputer ist das Herzstück des Koffers. Auf diesem ist das Linuxsystem „Wheezy“ installiert.
Dieser startet mit dem Bootvorgang, indem man den Stromkreis schließt. Im Anschluss wird ein Benutzername und Passwort verlangt. Der Benutzername lautet „pi“, das Passwort „raspberry“. Mit dem Befehl „startx“ gelangt man danach auf die GUI.
Während des Startvorgangs benötigt der Raspberry Pi vom Typ A ca. 500mA bei 5V, im späteren Leerlauf sind es ca. 350mA.
Auf dem Computer befindet sich ein Python Programm mit dessen Hilfe die Position des sich im Raum befindenden Mini-Zeppelins bestimmt wird.
Um den Computer wieder herunter zu fahren muss man als Erstes auf die Konsole gelangen. Dazu betätigt man die Tastenkombination „Alt+F2“.  Im geöffneten Terminal gibt man den Befehl „sudo shutdown -h now“ ein. Falls man den Computer neustarten möchte verwendet man „sudo shutdown -r now“.

 

2.3.3 Verschaltung der Bauteile

Es befinden sich folgende Bauteile im Koffer: eine Steckerleiste mit 3 verschiedenen Netzteilen (Stromversorgung, Monitor und Hub), deren Anschluss über eine Kaltgerätebuchse nach Aussen geführt wird, sowie ein 12V Bleiakku. Die Spannung für den Raspberry Pi wird durch die oben genannte Schaltung auf 5V runtergeregelt.
Der Monitor wird aussschließlich durch das Netz betrieben, da der Akku eine Belastung mit diesem nicht nennenswert standhalten würde. Auch der Hub, an dem sowohl die Tastatur mit Trackpad und ein Wlan-Stick angeschlossen ist, wird über Netz versorgt (bei Ausfall des Netzbetriebes kann der Hub jedoch weiterhin genutzt werden, da er sich den benötigten Strom über den Raspberry Pi holt). Auf dem Wlan-Stick wird eduroam genutzt.
(SSID:eduroam, Authentication: WPA2-Enterprise (EAP), Encryption: CCMP, EAP method: PEAP, Identity: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, Password: Lrzkennungspasswort)
Die Verschaltung der einzelnen Bauteile wird durch folgendes Blockschaltbild anschaulich dargestellt:

 

 

 

 

 

 

3.  Design und Realisierung

Der Koffer soll als Vorführmodell verwendet werden, daher muss neben der Funktionalität auch auf die Optik geachtet werden. Mit dem 3D-Drucker wurden Hüllen für die Bodenstationen und für den Raspberry Pi hergestellt.
Die Tastatur soll zur Verwendung aus dem Koffer herausklappbar sein, weshalb eine bewegliche Halterung an Koffer und Tastatur angebracht wurde. Somit ist es bei geschlossenem Zustand kein Problem alle Bestandteile darin unterzubringen.
Die Verkabelung aller Einzelteile soll natürlich nicht sichtbar sein. Daher wurde der Koffer mit Schaumstoff verkleidet.