5.1 Hur utför bilindustrin tester för att fånga upp effekter av körning?
Finns det något standardiserat arbetssätt?
Resultatet av sensorsystemet påminner mycket om olika system som används inom bilindustrin för att fånga upp effekter av körning. Trots att den specifika hårdvaran som används inom bilindustrin inte är känd skapar resultatet av detta arbete vissa slutsatser. I arbetets tidiga faser blev det känt att bilindustrin använder exempelvis accelerometrar, dock inte exakt vilken hårdvara. I och med att forskning har gjorts i arbetet har även kunskapen om sensorer ökat. Istället för att fråga sig exakt vilken komponent exempelvis Volvo använder sig av bör man istället fråga vad för data man är intresserad av samt vad för hårdvara man vill koppla sensorn till. Detta är en mycket bättre frågeställning.
Vilken hårdvara används?
Genom att veta vad för data man är intresserad av och vad för typ av system man vill använda kan man därifrån dra en slutsats kring vad för hårdvara som bör användas. Hårdvaran är med andra ord individuellt anpassad för situationen, plats och kostnad med mera. I detta arbete föll valet av huvudsystem på ett STM32 kort, därav är det inte rimligt att de sensorer som var mest lämpade i detta arbete är samma sensorer som Volvo anser vara optimala. En anledning till detta skulle exempelvis kunna vara att Volvo kopplar sitt sensorsystem till bilbatteriet medan systemet i detta arbete drivs av ett eget batteri. Denna fundamentala skillnad skapar olika förutsättningar och möjligheter för hur systemet kan vara uppbyggt.
Det standardiserade arbetssättet inom bilindustrin innebär inte att alla biltillverkare som mäter effekter från körning av bilar kommer komma fram till samma slutsats gällande hårdvara. Trots att funktionaliteten mellan olika system kan vara densamma kan det också vara annorlunda hårdvara som i slutändan används för att mäta samma sak.
5.2 Vilken hårdvara krävs för att möta kraven som har ställts i
kravspecifikationen?
Enkortsdator
Huvuddatorn till sensorsystemet behövde vara liten, strömsnål och kompatibel med sensorer samt och övriga kretskort. STM32 kortet blev efter resultatet i Pughs matris valet för vidareutveckling. En stor anledning till detta var den stora skillnaden i energiförbrukning mellan de tre enkortsdatorerna. En Raspberry Pi 4 eller Arduino Uno skulle leda till krav på större batterier för att möta kraven ställda i kravspecifikationen.
Skillnaden i fysisk storlek och vikt mellan Raspberry Pi 4, Arduino Uno och STM32 kortet var också en bidragande orsak till att den fick flest poäng i viktningen. Enligt kravspecifikationen var det ett krav att systemet inte skulle vara ett hinder för föraren med hänsyn till storlek och placering. Samtidigt som STM32 kortet var mindre och lättare hade den dock alla funktioner som krävdes för att möta kraven i kravspecifikationen. Inom vissa punkter var den till och med bättre. Exempelvis hade den dubbelt så många anslutningsstift jämfört med Arduino Uno vilket innebar att fler komponenter kunde kopplas ihop parallellt.
I och med att solbilen ska tävla i Australien ställer det krav på systemet gällande förmågan att utstå hög temperatur under långa perioder, vilket återigen gör STM32 kortet mer attraktivt som val. En sista fördel med STM32 Black Pill var att den inte krävde något operativsystem för att drivas. Windows 10 är ett exempel på operativsystem som används i många persondatorer. Fördelen med detta är att den går fortare att starta från kallstart.
professionella användare vilket gör kortet generellt svårare att arbeta med. Andra fördelar med Raspberry Pi 4 och Arduino Uno är bättre prestanda jämfört med STM32 kortet. Dessa egenskaper är dock något som inte är nödvändigt för detta arbete. En stark grafikdel är inget krav eftersom systemet inte kommer vara kopplat till någon skärm eller utföra grafiska beräkningar. Processorn var också starkare än nödvändigt eftersom systemets huvudsyfte endast var att läsa data från sensorer vilket inte är en för systemet speciellt krävande uppgift.
Accelerometer
Denna komponent uppfyllde alla kraven som var ställda i arbetet, kortet kördes på låg volt, var kompatibelt med STM32 kortet och hade möjlighet att mäta acceleration. Sensorn var gjord av företaget SparkFun vilket är ett företag som både skapar samt säljer elektroniska komponenter och kretskort. Företaget tillhandahåller även användarvänliga instruktioner samt kod för sina produkter, detta har utnyttjats under arbetet. Detta är extra betydelsefullt då mycket av kodning bygger på att modifiera kod redan existerande kod i en eller annan form.
En magnetometer var inget som var angivet som ett krav i kravspecifikationen, men i och med att kortet har den funktionen inbyggd så togs beslutet att inkludera funktionen som en del i systemet. I och med att magnetometern finns med skapas också möjligheten för framtida studenter att undersöka praktiska tillämpningar där den skulle kunna vara till nytta.
GPS kort
GPS kortet som köptes in visade sig vara en svårarbetad komponent med väldigt lite tillgänglig information kring hur den kopplas till STM32 kortet. GPS Kortet fungerade enskilt men när den väl sammankopplades med andra sensorer kraschade eller frös koret. Resultatet var att den endast kunde skriva ut nollor när den var sammankopplad med resten av systemet. Orsak till detta var okänd.
GPS kortet var dock trots problemen förmodligen det mest använda inom branschen och det fanns väldigt mycket dokumentation och guider kring det online, en stor fördel när man ska skriva kod. Majoriteten av informationen var tyvärr anpassad för Arduino Uno eller Raspberry Pi 4 och inte STM32 kortet.
Lastceller, lastcellsförstärkare och kombinatorkort
Lastcellerna fungerade med HX711 lastcellsförstärkaren, dock något ostabilt. Siffrorna som HX711 kortet skrev ut skiftade med tiden trots att ingen fysisk skillnad i vikt eller tryck skedde. Det var oklart exakt vad som orsakade detta problem. Det kan bero på att priset för HX711 kortet var väldigt lågt och därav kan en slutsats dras att kortet inte var byggt av tillräcklig kvalité. Lastcellerna var tänkta att användas tillsammans med ett kombinatorkort, detta för att möjliggöra läsning från flera sensorer parallellt utan att behöva använda flera HX711 kort. Tyvärr upptäcktes det under användning att lastcellerna som köpts in till projektet inte var kompatibla med det inköpta kombinatorkort. Lösningen som gjordes var att använda flera HX711 lastcellsförstärkarkort.
Batteri och batteriövervakare
Batteriet har valts utifrån kapacitet i form av milliamperetimmar och fysik formfaktor. Det fanns större batterier på marknaden men dessa vägde mer och skulle även ta längre tid att ladda från urladdat till fulladdat. Ett större batteri hade också inneburit mer vikt vilket är en essentiell del av systemet som bör hållas så låg som möjligt.
Lithium-polymer batterier eller LiPo batterier har många fördelar över andra batterityper på marknaden. Den låga vikten kombinerat med hög energidensitet och ett högt volttal gör att produkten passar väl in i sensorsystemet med hänsyn till systemets användningsområde.
Micro SD kort & Micro SD läsare
Utifrån kraven på att systemet ska klara långa körningar i Australien med tillräcklig lagringskapacitet föll valet av systemets lagringsmedia på ett Micro SD kort med 128 GB lagring. Micro SD kortet kan hantera stötar och vibrationer bättre än en HDD samtidigt som volymen samt vikten jämfört med en SSD var fördelaktigt [4]. Med 128 GB lagring fanns det gott om marginal för att möta kravspecifikationen samtidigt som systemet blev väldigt framtidssäkert och kan hantera tillägg av fler sensorer eller ökad uppdateringsfrekvens i framtiden. Denna typ av lagring innebär också enkel uppgradering efterhand ifall storleken på kortet i framtiden skulle behöva ökas, det går snabbt och enkelt att ta ut kortet och stoppa i ett annat.
Tanken var att kortet skulle kopplas ihop med Micro SD läsaren som beställdes vid samma tillfälle som Micro SD kortet. Denna komponent saknades tyvärr när resterande komponenter levererades och var även slut i lager hos samtliga återförsäljare. För att lösa problemet köptes en vanlig SD läsare in samt en SD till Micro SD adapter. Denna ändring medförde ingen skillnad i systemets prestanda.
Varningssystem via LED-dioder
Ett bra sensorsystem kräver bra feedback från systemet till föraren gällande driftstatus. Skulle en eller flera sensorer sluta fungera under körning är det viktigt att föraren blir medveten om detta på ett så tydligt sätt som möjligt. En enkel och informativ lösning som valts var att använda ett varningssystem med hjälp av LED-dioder.
Eftersom låg strömförbrukning är en prioritet för systemet har varningen utformats så att den endast uppstår vid fel och inte tvärtom. En annan logisk lösning hade varit att en grön lampa lös så länge systemet fungerar, och senare skiftar till röd färg så fort en eller flera sensorer inte längre kan nås av STM32 kortet. Problemet med detta var att strömförbrukningen, om än låg, trots allt blev en tillräckligt stor variabel i påverkandet av drifttid att en annan lösning valdes. En ur batterisynpunkt bättre lösning som valdes var istället att endast låta lampan lysa vid fel, och låta den vara släckt resterande tid. Detta resulterade i mindre strömförbrukning från LED- dioderna.
En negativ aspekt med detta val var exempelvis om huvuddatorn skulle sluta fungera, i den situationen kommer inte lampan lysa och föraren skulle först bli medveten om detta förrän senare. Trots detta anses risken att detta händer vara tillräckligt låg för att motivera denna lösning som resulterar i mindre strömförbrukning.
Röda dioder valdes eftersom de generellt körs på lägre volt än andra färger vilket innebär lägre energiförbrukning och längre drifttid för systemet.
Kopplingsdäck & experimentkort
Under arbetets gång har ett tiotal olika konfigurationer av sammankopplingar av komponenter skapats. Detta var nödvändigt för inlärning samt förståelse av systemets enskilda komponenter och hur de fungerade tillsammans. Detta hade inte kunnat göras utan de kopplingsdäck som köptes in. Eftersom det slutgiltiga systemet innefattar fyra olika sensorer och nästan tio komponenter krävdes ett av de större kopplingsdäcken. Det kunde köpts in ett ännu större kopplingsdäck, ett sådant kopplingsdäck skulle dock blivit aningen otympligt.
Det är dock möjligt att sammankoppla två kopplingsdäck, vilket gör det enkelt att själv bygga ihop ett större kopplingsdäck vid behov. På grund av detta valdes ett kopplingsdäck med storleken 840 anslutningar. Detta var stort nog för göra åtskilliga tester på. När systemet närmade sig sin slutgiltiga byggdes det ihop på två kopplingsdäck som blev grunden för det fullständiga systemet.
möjligt att fästa dem i exempelvis en platta eller en låda med hjälp av skruv eller dylikt. Detta var dock inget som utnyttjades i projektet. En annan lösning som utnyttjades var istället att placera hela systemet i en specialanpassad låda. Lådan gjordes i en 3D skrivare och skapade ett slags skyddshölje för systemet.
Voltregulator
MCP1700 voltregulatorn kopplades tillsammans med HX711 lastcellsförstärkaren som i sin tur var kopplad till lastcellerna. Voltregulatorn var inkluderad för att stabilisera spänningen som lastcellerna matas med. Detta sker genom att regulatorn ger ut en linjär och stabil spänning. Voltregulatorn förbättrar lastcellernas läsningar genom att minimera störningar i spänningen, detta bidrar till att i slutändan skapa mer korrekta resultat från lastcellerna.
Klocka
Detta var en komponent som inte var med i det uttänkta systemet vid projektets start, detta på grund av att GPS kortet redan innehåller en inbyggd klocka. GPS kortet var tänkt att hålla översikt på tiden och ge systemet ett klockslag vid varje läsning från sensorerna. I och med att GPS kortet exkluderades från det sensorsystemet skapades en nödlösning. En klockmodul köptes in och implementerades för att ersätta tidsfunktionen som fanns i GPS kortet. Klockmodulen DS1302 fungerade precis så som GPS kortets klocka var tänkt att fungera.
5.3 Vilket format av datan ger bäst lagringsmöjlighet med hänsyn till
prestanda och lagringskapacitet?
Formatet av datan som sparas till Micro SD kortet skulle kunna undersökas ytterligare. Det är inte säkert att formatet som valts behöver vara optimalt. Beroende på hur systemet i
framtiden kommer utnyttjas kan formatet på datan behöva justeras. Det skulle också kunna göras en studie som utvärderar effekten som olika format har på systemets prestanda. Om det skulle visa sig att ett annat format bidrar till bättre prestanda skapas det mer initiativ att ändra formatet.