NXP Cup EMEA 2019 – Teil 2 Autonome Flitzer im Finale

Boxenstopp: Einige Rennautos des NXP Cups.
Boxenstopp: Einige Rennautos des NXP Cups.

Um die Konkurrenz abzuhängen, müssen Teams in der kommenden Qualifikationsrunde des NXP Cups ihren Erfindergeist beweisen und das Basisdesign modifizieren. Mittels Sensoren und Hochleistungsprozessoren können die autonom fahrenden Modellautos auf der kniffligen Rennstrecke noch besser manövrieren.

Schauplatz des sechsten Qualifikationsevents im Rahmen des NXP Cups war das Gymnasium Kirchheim bei München. 24 Studententeams hatten sich versammelt und konnten erste Blicke auf die Modellautos (Maßstab 1:18) der Konkurrenz erhaschen – sowie auf Modifikationen die anderen Teams an ihren Starterkits vorgenommen haben, um die bevorstehenden Prüfungen zu meistern. Die Veranstaltung war international geprägt – die Teams kamen aus Italien, Deutschland, Großbritannien, Nordafrika und Osteuropa. Im Beitrag »Wettkampf der Miniflitzer« findet Ihr mehr Informationen über die Vorbereitung für den Wettkampf des Teams der Technische Universität Deggendorf.

Nur für vier Teams führte der Weg in die Endrunde, die von 20 Teams am 29. und 30. April am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen – seit fünf Jahren Schauplatz des Finales – ausgetragen wird. Den Hauptpreis für die Champions der EMEA-Serie stellt NXP Semiconductors: eine Reise nach Santa Clara (USA) inklusive Teilnahme an NXP Connects (12. und 13. Juni), der  Fachkonferenz des Halbleiterherstellers.

Programmierte Miniautos

Insgesamt nehmen mehr als 150 Schüler- und Studententeams aus der EMEA-Region am NXP Cup 2019 teil. Das Programm rückt den Fokus auf die präzise Programmierung kleiner, autonom fahrender Rennwagen. In dieser Saison hat NXP die Regeln verändert: Teilnehmer dürfen nun die eingesetzten Technologien erweitern und sich an die Anforderungen der neuen optionalen Prüfungen anpassen – darunter Hindernisvermeidung, Fahrpräzision und Drehzahlregelung. Den größten Nervenkitzel verspricht jedoch immer noch das traditionelle Hauptrennen.

Das Fahrzeug eines jeden Teams beruht auf einem Basiskit. Es beinhaltet ein Paar DC-Bürstenmotoren als Antrieb, einen digitalen Servomotor für die Lenkung, eine Leistungsmanagement-Schnittstelle und das FRDM-KL25Z-Board von NXP (dessen Herzstück ein Kinetis L ARM Cortex-M0+ Mikrocontroller bildet) zur Motorsteuerung und Lenkung. Ebenfalls enthalten ist eine einfache 128-Bit-CMOS-Zeilenkamera zur Erkennung von Beschilderung und Kursmarkierungen auf der schwarz-weißen Rennstrecke. Der standardmäßig eingebaute 7,2-V-Nickel-Cadmium (NiCd)-Akku mit 2500 mAh versorgt die Fahrzeuge mit der nötigen Power für viele Runden.

Den Support übernimmt Mouser Electronics – das Unternehmen fungiert als Distributor des Kits sowie weiterer nützlicher Techniken, die die Studierenden in ihre Rennwagen integrieren können, wie z. B. Ultraschallsensoren von OSEPP oder höherwertige CMOS-Kameras wie die Pixy 2-Geräte, die mit den LPC4330-Mikrocontrollern von NXP ausgestattet sind. Zur Vorbereitung ihrer Fahrzeuge auf die verschiedenen Wettbewerbsaufgaben können die Teams zudem auf etablierte Programmier- und Debugging-Plattformen wie Mbed, Mathworks‘ MATLAB/Simulink oder die integrierte Entwicklungsumgebung MCUXpresso (IDE) zurückgreifen.

Einige der Teams im Überblick

Die Lokalmatadoren vom Team Hoibnbeschleuniger 2000 der TU München setzten in technischer Hinsicht neue Maßstäbe, indem sie die Bildverarbeitungsfunktionen des NXP-Mikroprozessors ARM iMX6Q 1GB mit einer seriellen OV5640-Kamera für maschinelles Sehen sowie der Effizienz der FRDM-KL25Z-basierten Motorsteuerung kombinierten. Ein Nebeneffekt: Vor Rennbeginn musste das Team einige Sekunden warten, bis das Embedded-Linux-Betriebssystem geladen und das Auto startklar war – Autos, die nur mit dem Standard-MCU-Board betrieben wurden, waren sofort betriebsbereit. Das Team hatte jedoch Schwierigkeiten, die Treiber korrekt mit allen Komponenten im Auto zu verbinden. Aufgrund der kurzen Entwicklungszeit gelang es nicht, die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Aufgeben war jedoch keine Option – geplant ist der Wechsel auf eine Yocto Project Plattform; mithilfe eines besseren Paketmanagers und besserer Treiber soll nächste Saison ein weiterer Anlauf auf den EMEA-Titel gestartet werden.

Eines der Siegerteams reiste eigens aus Prishtina, der Hauptstadt Kosovos, an. Die Studierenden der dortigen Universität hatten sich im vergangenen November am NXP-Stand auf der Electronica kennengelernt und anschließend zur Teilnahme unter dem Namen BRKTeam entschieden. In den vergangenen Monaten bastelte das Team an seinem Auto und validierte das technische Anforderungsprofil für die vier wichtigsten Prüfungen. Das Team konzentrierte sich vor allem darauf, so viel Kontrolle wie möglich über jedes Element des Fahrzeugs zu erlangen, indem es High-End-Algorithmen für eine erhöhte Fahrpräzision entwickelte.

Zu den implementierten Modifikationen gehörte eine H-Brücke von NXP zur Steuerung der Servolenkung, um sich nicht allein auf die Elektronik des Servos verlassen zu müssen. So erhielt das Team äußerst genaue Messwerte zur Positionierung des Servos, was die Fahrzeughandhabung wesentlich erleichterte. Die Arbeit wurde im Hinblick auf die Hindernisvermeidung geleistet. Hierbei musste das Auto einen 20 cm großen weißen Polystyrol-Würfel umfahren, ohne die Strecke zu verlassen. Hierfür wurden mehrere Sensortypen getestet, unter anderem auch Ultraschall.

Am Ende fiel die Wahl auf ein Slamtec A2 RPLIDAR, das über den UART-Port mit dem Freedom Board verbunden wurde. Das Gerät liefert genaue Informationen über die Fahrzeugumgebung. Die LIDAR-Vorrichtung konnte abgenommen werden, da sie für die anderen Prüfungen und das Geschwindigkeitsrennen nicht benötigt wurde. Auf diese Weise wurde das Schadensrisiko bei einer unkontrollierten Kollision verringert und das Fahrzeug leichter (und damit schneller) gemacht, da nur die normale CMOS-Zeilenkamera für die Zeilendetektion verwendet wurde. Mit Blick auf das EMEA-Finale möchte das Team den Code noch robuster gestalten, insbesondere im Hinblick auf den Algorithmus zur Erkennung der Streckenmarkierung.

Die Qualifikationsrunde in Kirchheim war hart umkämpft. Am Ende sicherte sich das BRKTeam den Spitzenplatz, während das K-Team der Technischen Hochschule Deggendorf auf dem zweiten Rang einlief. Ebenfalls aufs Siegertreppchen schaffte es das Team Koala-Race der Hochschule Landshut, gefolgt vom italienischen Team MIDI-Unimi der Università degli Studi di Milano. Mehr Informationen über den Qualifikationsverlauf und zum großen Finale Ende April gibt es unter dem Twitter-Account von Mouser Electronics.