architektur.tex

\documentclass[../mainDocument.tex]{subfiles}
\begin{document}
	\section{Architektur}
	
	\subsection{Systemarchitektur}
	Abbildung \ref{fig:hardware-sys} zeigt welche Systemkomponenten in welcher Umgebung laufen und welche Kommunikationswege es zwischen den einzelnen Komponenten gibt. Zur Verf\"ugung steht uns ein Fahrzeug, welches ausger\"ustet ist mit einer Kamera, einem Ultraschallsensor, ein Motor, vier R\"ader, ein STM-Board und ein Odroid-Board.\\
	Auf dem STM-Board laufen die Treiber f\"ur die direkte Steuerung des Motors und der R\"ader. Die gesamte Software des STM-Boards von Assystem geliefert und unser Team muss sich lediglich darum k\"ummern die entsprechenden Befehle vom Odroid-Board an das STM-Board zu schicken.\\
	Auf dem Odroid-Board laufen die Module zum berechnen des Fahrverhaltens, sowie der Kommunikation mit dem STM-Board und anderen Fahrzeugen. Die Kamera und der Ultraschallsensor sind mit dem Odroid verbunden.
	\\\\
	Bis auf die einzelnen Module im Odroid, ist die Architektur so von Assystem vorgegeben, da sie die Software f\"ur das STM liefern und auch den Bau der Fahrzeuge leiten.
	
	 
	\begin{landscape}
		\begin{figure}[h]
			\begin{center}
				\includegraphics[scale=0.5]{SystemArchitektur}
			\end{center}
			\caption{Systemarchitektur}
			\label{fig:hardware-sys}
		\end{figure}
	\end{landscape}
	
	\subsection{ODROID}
	Abbildung \ref{fig:ODROID-sys} zeigt welche Module auf dem Odroid laufen, welches Modul mit wem kommuniziert und welche Datenfl\"usse es gibt.

	\begin{enumerate}[align=left]
	\item[MAVLINK] -\\Die Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Odroid und dem STM. Schickt L\"angsgeschwindigkeit vom Cruise Control an das STM. Schickt Lenkwinkel vom Lanekeeping an das STM. Bekommt vom STM die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs.
	\item[Lanekeeping] -\\Berechnet die Lenkbefehle, damit das Fahrzeug die Spur beim fahren h\"alt. Braucht die Daten von der Kamera.
	\item[Cruise Control] -\\Berechnet die zu fahrende Geschwindigkeit, um den Kolonnenabstand bzw. den Sicherheitsabstand zu halten.
	\item[Platoon Controller] -\\K\"ummert sich um die Verwaltung des Kolonnenstatus. Braucht die Car2Car Nachrichten des Netzwerks. Braucht den Abstand nach vorne vom Egomotion-Model.
	\item[Egomotion-Model] -\\Speichert die Daten, die das Environment Modul berechnet.
	\item[Environment] -\\Berechnet den Abstand nach vorne. Braucht die Daten vom Ultraschallsensor und der Kamera.
	\item[Bildverarbeitung] -\\
	\item[Medianfilter] -\\
	\item[Logging] -\\Speichert alle aktuellen Daten des Sensors, der Kamera, die Eigengeschwindigkeit, die berechnete L\"angsgeschwindigkeit, den berechneten Lenkwinkel und die Daten des Platoon Controllers.
	\item[Netzwerk] -\\K\"ummert sich um den Empfang und das Versenden von Nachrichten \"uber ein WLAN.
	\end{enumerate}		
	
	\begin{landscape}
		\begin{figure}[h]
			\begin{center}
				\includegraphics[scale=0.45]{Odroid}
			\end{center}
			\caption{ODROID-System}
			\label{fig:ODROID-sys}
		\end{figure}
	\end{landscape}
	
	\subsection{Object Oriented Analysis}
	In Abbildung \ref{fig:ooa} ist das UML-Klassendiagramm f\"ur die Module des Odroids.
	
	\begin{figure}[H]
	\begin{tikzpicture}
		\begin{umlpackage}{Car}
			\begin{umlpackage}{ODROID}
				%classes
				\umlclass[scale = 0.5]
					{MAV-Link}
					{
						- $v_{new}$ : Integer\\
						- $\alpha_{new}$ : Integer\\
						- $v_O$ : Interger\\
						- $\alpha_O$ : Integer\\
						- RC-State : Integer
					}
					{
						+ set($v_{new}$, $\alpha_{new}$)\\
						+ RequestNewState(RC-State)\\
						+ updateOwn() : (Integer, Integer)
					}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -8cm]
					{Lane-Keeping}
					{
						- Image/Path : ?\\
						- $\alpha_{new}$ : Integer
					}
					{
						+ Lanekeeping() : ?
					}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 8cm, yshift = -4cm]
					{Cruise-Control}
					{
						- $d_O$ : Integer\\
						- $v_P$ : Integer\\
						- $IPD$ : Integer\\
						- $PS$ : Integer\\
						- PlatoonState : Integer\\
						- $v_s$ : Integer\\
						- $d_s$ : Integer\\
						+ $v_{new}$ Integer
					}
					{
						- CACC($d_O, v_P, IPD, PS$) : Integer\\
						- ACC($d_O, v_P, v_s, d_s$) : Integer\\
						- calcNewOptimalDistance($v_s$) : Integer\\
						+ setNewSpeed($v_{new}$)
					} (CruiseControl)
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -5.5cm, yshift = -9cm]
					{Egomotion}
					{
						- $d_O$ : Integer\\
						- $v_O$ : Integer\\
						- $v_R$ : Integer\\
						- $v_P$ : Integer\\
						- $\alpha_O$ : Integer\\
						- Path : ?\\
						+ $\alpha_{new}$ : Integer\\
						+ $v_{new}$ : Integer\\
					}
					{
						- calc\_$v_P$($v_R$) : Integer\\
						%- getEnvironment() : (Integer, Integer)\\
						%- getMavLink() : (Integer, Integer)\\
						%- getCurseControl : Integer
					} (EgoMotion)
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 6.7cm, yshift = -14cm]
					{PlatoonController}
					{
						- $IPD$ : Integer\\
						- $PS$ : Integer\\
						- PlatoonState : ENUM\\
						- $v_s$ : Integer\\
						- $CarID$ : Integer\\
						- PlatoonMemberList : ?\\
						- PlatoonPos : Integer\\
						- PlatoonPrevID : ?\\
						+ WantsPlatoon : Boolean
					}
					{
						- evaluate\_PlatoonState(PlatoonState : Integer) : ?\\
						- determine\_LV\_IPD-PS() : (Integer, Integer)\\
						- handle\_PBM() : ?\\
						- handle\_PCM() : ?\\
						- handle\_PHM() : ?\\
						- send\_PBM() : ?\\
						- send\_PCM() : ?\\
						- send\_PHM() : ?
					}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -9cm, yshift = -20cm]
					{Environment}
					{
						- USS-Data : Integer\\
						+ $d_O$ : Integer\\
						+ $v_R$ : Integer\\
						+ PlatoonPrevID : ?
					}
					{
						- calc\_$v_R$
					}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -4cm, yshift = -23cm]
					{Logging}
					{
						+ $d_O$ : Integer\\
						+ $v_O$ : Integer\\
						+ $\alpha_O$ : Integer\\
						+ $v_R$ : Integer\\
						+ $v_P$ : Integer\\
						+ Path : ?\\
						+ $\alpha_{new}$ : Integer\\
						+ $v_{new}$ : Integer\\
						+ WantsPlatoon : Boolean\\
						+ UpdateReady : Boolean\\
						+ $IPD$ : Integer\\
						+ $PS$ : Integer\\
						+ PlatoonState : ENUM\\
						+ $v_s$ : Integer\\
						+ $CarID$ : Integer\\
						+ PlatoonMemberList : ?\\
						+ PlatoonPos : Integer\\
						+ PlatoonPrevID : Integer
					}
					{
						- cacheDate() : ?\\
						+ sendToPC(ALL)
					}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -11.5cm, yshift = -25cm]
					{Camera}
					{}
					{}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -11.2cm, yshift = -28cm]
					{Ultrasonic}
					{}
					{}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 9.5cm, yshift = -25cm]
					{Network}
					{
						+ $IPD$ : Integer\\
						+ $PS$ : Integer
					}
					{
						+ send\_PBM()\\
						+ send\_PCM()\\
						+ send\_PHM()\\
						+ send\_PLM()\\
						+ handle\_PBM()\\
						+ handle\_PCM()\\
						+ handle\_PHM()\\
						+ handle\_PLM()\\
						+ Car2PC-MSGs.
					}
				
				%arrows
				\umlinherit	[geometry=-|,  anchors =   0 and 250]	{Camera}{Environment}
				\umlinherit	[geometry=|-,  anchors =  90 and 180]	{Camera}{Lane-Keeping}
				\umlinherit	[geometry=|-,  anchors =  90 and  25]	{Cruise-Control}{MAV-Link}
				\umlinherit	[geometry=|-,  anchors = 217 and  50]	{Cruise-Control}{Egomotion}
				\umlinherit	[geometry=|-,  anchors =  50 and 217]	{Egomotion}{Cruise-Control}
				\umlinherit	[geometry=|-,  anchors = -35 and 152]	{Egomotion}{PlatoonController}
				\umlinherit	[geometry=-|,  anchors = 115 and 300]	{Egomotion}{Lane-Keeping}
				\umlinherit	[geometry=-|]							{Egomotion}{Logging}
				\umlinherit	[geometry=|-|, anchors = 90 and 245]	{Environment}{Egomotion}
				\umlinherit	[geometry=--]							{Lane-Keeping}{MAV-Link}
				\umlinherit	[geometry=-|,  anchors = 300 and 115]	{Lane-Keeping}{Egomotion}
				\umlinherit	[geometry=|- , anchors = -55 and 222]	{Logging}{Network}
				\umlinherit	[geometry=|-|, anchors = 235 and  70]	{MAV-Link}{Egomotion}
				\umlinherit	[geometry=-|,  anchors = 180 and 270]	{Network}{MAV-Link}
				\umlinherit	[geometry=-|]							{PlatoonController}{Cruise-Control}
				\umlinherit	[geometry=|-,  anchors = 240 and  25]	{PlatoonController}{Logging}
				\umlinherit	[geometry=-|,  anchors = 300 and  85]	{PlatoonController}{Network}
				\umlinherit	[geometry=-|,  anchors =  85 and 300]	{Network}{PlatoonController}
				\umlinherit	[geometry=-|,  anchors =   0 and 290]	{Ultrasonic}{Environment}
			\end{umlpackage}
		\end{umlpackage}
	\end{tikzpicture}
	\caption{Object Oriented Analysis}
	\label{fig:ooa}
	\end{figure}
	
	\subsection{Softwarearchitektur}
	Zur Unterst\"utzung in der Entwicklung des Systems benutzen wir die Tools des Robot Operating System (ROS). ROS ist ein beliebtes Framework im Robotik-Bereich und ist durch das Messaging-System zwischen einzelnen ROS-Modulen auf Verteilbarkeit und Modularit\"at ausgerichtet. Weiterhin sind die Module, die Assystem uns liefert bereits als ROS-Nodes implementiert, wodurch es Sinn macht, dass wir selbst ROS benutzen, um so die Kompatibilit\"at mit Assystem zu gew\"ahren. Da ROS die Programmiersprachen Python und C++ unterst\"utzt, und unser System sehr zeitkritisch ist, haben wir uns entschieden das gesamte System in C++ zu implementieren.\\
	
	Das Lanekeeping wird bereits als ROS-Node von Assystem geliefert. Die Kamera und der Ultraschallsensor werden jeweils eigene ROS-Nodes, da sie nur damit besch\"aftigt sein werden, ihre Daten aufzunehmen und an ihr rostopic zu pushen. Das Environment Modul ist ein eigener ROS-Node, da es die hochfrequent kommenden Daten der Kamera und des Ultraschallsensors lesen und verarbeiten muss. Das MAVLINK Modul ist ein eigener ROS-Node, da dessen Aufgabe das Versenden und Empfangen von Nachrichten \"uber das MAVLINK Protokoll ist.
	
	\begin{landscape}
	\begin{figure}[h]
			\begin{center}
				%\includegraphics[width=\textwidth]{SoftwareArchitektur} %photo
				\includegraphics[scale=0.45]{sw_architektur} % some elements missing/ not recognizable
			\end{center}
			\caption{Softwarearchitektur}
			\label{fig:sw-arch}
		\end{figure}
		\end{landscape}
	
	%uml-tikz stub TODO
	\begin{comment}
	\begin{tikzpicture}
		\begin{umlpackage}{Softwarearchitektur}
				%classes
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 8cm]
					{MAV-Link}
					{}
					{}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 8cm, yshift = -4cm]
					{Lane-Keeping}
					{}
					{}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 8cm, yshift = -8cm]
					{Kamera}
					{}
					{}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 8cm, yshift = -12cm]
					{USS}
					{USS-Daten}
					{}
				%network
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -8cm]
					{C2C}
					{
						IPD, PS
					}
					{
						nach PC\\
						nP, NULL\\
						nP(FV)\\
						nP(LV)\\
						FV\\
						LV
					}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -4cm]
					{PC2}
					{
					
					}
					{
						handle IPD aus
					}
				\umlclass[scale = 0.5]
					{Logging}
					{
					
					}
					{
					
					}
				\umlclass[scale = 0.5, yshift = -4cm]
					{Egomotion}
					{
						$v_p = v_0 + v_p$\\
						$d_0$
					}
					{
					
					} (EgoMotion)
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = -6cm, yshift = -8cm]
					{PlatoonController}
					{
						IPD, PS, $d_0$, PlatSt, $v_s$
					}
					{
						noPlatoon:\\
						-wantsPlatoon\\
						- FV/LV\\
						- C2C initialisieren\\
						- IPD, PS bestimmen\\
						- $v_s$ weiterreichen\\
						- ACC fahren\\
						FV:\\
						- CACC fahren\\
						- leaveMsg\\
						LV:\\
						- ACC fahren\\
						- leaveMsg\\
						- IPD/PS update ($v_{new}$ vs. $v_{PC}$)
					}
				%Stuff: Pub $v_{new}$, Notify, für CC: PlatoonStat, IPD, PS, $v_s$
				\umlclass[scale = 0.5, yshift = -8cm]
					{CruiseControl}
					{
					
					}
					{
					
					}
				\umlclass[scale = 0.5, xshift = 4cm, yshift = -12cm]
					{Environment}
					{
						$d_0, v_r$
					}
					{
					
					}
				
				%arrows
				%\umlinherit	[geometry=-| ,anchors=   0 and 250]	{src}{dest}
			\end{umlpackage}
		\end{tikzpicture}
	\end{comment}
	
\end{document}