AF: Abstandssensorik (SenAbs)

Autoren: Niklas Reeker & Oliver Scholze

Abb. 1: Darstellung der Primärsensors

Primärsensor

In dem Fahrzeug sind vier Infrarotsensoren verbaut um beim Einparken des Fahrzeugs den Abstand zu verschiedenen Objekten zu messen. In diesem Fall ist der Sensor Sharp GP2D120 verbaut. Weitere Informationen zu diesem Sensor sind in dem Artikel Infrarotsensoren und im Datenblatt im Web oder im SVN zu finden.

Messkette

Abb. 2: Darstellung der kompletten Messkette

Die Messkette erfolgt wie in Abb. 02. Das elektrische Signal von IR-Sensor wird vom ADC in ein digitales Signal gewandelt. Darauf folgt die Signalverarbeitung, die durch einen Filter für Signalspitzen und einen PT1 Tiefpassfilter realisiert wird. Nachdem das Signal bearbeitet ist, folgt eine Lookup Table. Diese wird anhand der Kennlinie im Datenblatt aufgestellt und dient zur Umwandlung digitaler Messwerte, welche eine Spannung repräsentieren, in ein Abstandsmaß, in diesem Fall Meter. Die genaue Messkatte kann in der Abbildung 2 nachverfolgt werden.

Systementwurf

Beschreiben Sie den technischer Systementwurf.

Einbauposition

Die genaue Position der Infrarotsensoren wird in der folgenden Tabelle (Positionsbestimmung durchgeführt am 25.04.2023) dargestellt und lässt sich durch das Fahrzeugkoordinatensystem in Abb. 04 nachverfolgen:

Tabelle 1: Einbauposition der IR-Sensoren

IR_Sensor	x-Position	y-Position
xVR (rechts vorne)	-2.5 cm	-10 cm
xHR (rechts hinten)	-31 cm	-10 cm
yHR (hinten links)	-36 cm	-9 cm
yHL (hinten rechts)	-36 cm	9 cm

Abb. 4: Lage und Bezeichnung der IR-Sensoren

Sensoranschlussplan (vgl. Abb. 3)

Der Sensoranschlussplan, welcher der Tabelle zu entnehmen ist, beschreibt die Pinbelegung des Sensors anhand der Farbe des Kabels. Des Weiteren werden die Anschlusspins der DSpace Karte aufgeführt die im nächsten Unterpunkt spezifiziert werden.

Tabelle 2: Sensoranschlussplan

PIN	Farbe des Kabels	Pin am Sensor	DS1104-Pin
1	Gelb	Sensor_IR_V0	ADCH5 … 8
2	Orange	Sensor_IR_GND	GND
3	Rot	Sensor_IR_VCC	'-0,3 V ... +7 V

Schnittstelle zur DS1104

• Pinbelegung/Anschlussplan
• ADU

Tabelle 3: Pinbelegung/Anschlussplan

Sensor Pin	Belegung	Farbe	DS1104 ADC	Sensorposition	x/cm	y/cm	Signal
1	Ausgang	Gelb	ADC Channel 5	rechts vorne	-2.5	-10	SenAbs_xVR_K_f64
1	Ausgang	Gelb	ADC Channel 6	rechts hinten	-31	-10	SenAbs_xHR_K_f64
1	Ausgang	Gelb	ADC Channel 8	hinten links	-36	9	SenAbs_yHL_K_f64
1	Ausgang	Gelb	ADC Channel 7	hinten rechts	-36	-9	SenAbs_yHR_K_f64
2	Masse (GND)	Schwarz
3	Versorgungsspannung VCC	Rot

Sensorblock - SenAbs

Abb.: 05 SenAbs - Abstandssensorik

Abb.: 06 Inhalt von SenAbs - Abstandssensorik

Die Signalverarbeitung erfolgt ausschließlich im Block SEN.

In der Abbildung 05 zeigt Lage der SenAbs - Abstandssensorik (in grün markiert) abgebildet. Die ausgehenden Signale sind bis auf ein Signal, welches nicht markiert ist, von den Infrarotsensoren.
Die unteren Ausgangssignale haben die Bezeichnung SenAbs_LookUpxVR_f64, SenAbs_LookUypxHR_f64, SenAbs_LookUpyHR_f64 und SenAbs_LookUpxHL_f64. Diese werden nach dem Filter für Signalspitzen abgegriffen.
Die oberen Ausgangssignale sind die Messwerte umgewandelt in Meter und haben die Bezeichnungen SenAbs_xVR_K_f64 , SenAbs_xHR_K_f64, SenAbs_yHL_K_f64 und SenAbs_yHR_K_f64.

Die darauffolgende Abbildung 06 zeigt die Signalverarbeitung im Block SenAbs - Abstandssensorik. Die Beschreibung findet sich in der nachfolgenden Tabelle:

Tabelle 4: Beschreibung der Simulink Blöcke

Simulink Block	Farbmarkierung in Abb. 05	Funktion
DS1104ADC_C5 ... C8	rot	Ist der Ausgang gewandelter analoger Signale in digitale Signale.
Infrarotsensor	blau	Vorfilterung des Messsignals zur Reduzierung von Signalspitzen.
PT1	grün	Erneute Filterung des Messignals mithilfe eines Tiefpassfilters.
Lookup Table	gelb	Digitale Signale, welche eine Spannung repräsentieren, in ein Abstandsmaß (Meter) umwandeln.

Tabelle 5: Signalbezeichnungen vom Eingang bis Ausgang (anhand der Abb. 06)

IR_Sensor	Signalfarbe ROT	Signalfarbe BLAU	Signalfarbe GRÜN	Signalfarbe GELB
xVR	ADC	SenAbs_LookUpxVR_f64	In1	SenAbs_xVR_K_f64
xHR	ADC	SenAbs_LookUypxHR_f64	In1	SenAbs_xHR_K_f64
yHR	ADC	SenAbs_LookUpyHR_f64	In1	SenAbs_yHL_K_f64
yHL	ADC	SenAbs_LookUpxHL_f64	In1	SenAbs_yHR_K_f64

Signalanalyse

Abb.: 07 Messaufbau für den Funktionstest und die Darstellung der Messkette

Abb.: 07 Funktionstest aller vier Sensoren

Abb.: 08 Messkette des Sensors yHL

Die Signalanalyse umfasst einen Funktionstest aller vier Sensoren auf eine bestimmte Referenzentfernung und anhand eines Sensors werden sämtliche Ein- und Ausgangsignale der Signalverarbeitungsblöcke dargestellt (vgl. Messkette).

Vorgehensweise der Messung

• 

  Abb. 5: Einheitssprung und Sprungantwort

Werkzeuge:

• Zollstock
• Rollwagen
• Karton (Messobjekt)

Für den Funktionstest aller vier Sensoren wird ein Messobjektauf eine Entfernung von 15 cm vom jeweiligen Sensor aufgestellt. Daraufhin erfolgt die Messung mit ControlDesk und der Konvertierung der Messdaten in Matlap.
Für die Darstellung der Messkette, werden Messobjekte auf verschieden Entfernungen zum Sensor gemessen. Dazu wurde ein Messobjekt auf einem Rollwagen montiert, welches passend zur Entfernung bewegt werden konnte. Die Messung erfolgte somit kontinuierlich, von der geringsten Entfernung bis zur maximalen messbaren und logischen Entfernung (siehe Artikel des Primärsensors) des Infrarotsensors. Alle weiteren Informationen zur Messung befinden sich in der Tabelle 6 Messdatenbeschreibung.

Tabelle 6: Messdatenbeschreibung

Beschreibung	Referenzentfernungen	Dateiname	Signalnamen
Funktionstest der x-IR-Sensoren	15 cm	2023_04_18_IR_Test002.mat	SenAbs_xVR_K_f64 SenAbs_xHR_K_f64
Funktionstest der y-IR-Sensoren	15 cm	2023_04_18_IR_Test003.mat	SenAbs_yHL_K_f64 SenAbs_yHR_K_f64
Messkette des Sensors yHL	4, 10, 20, 25, 30 cm	2023_04_18_IR_Test006.mat	ADCSenAbs_LookUpxHL_f64In1SenAbs_yHR_K_f64

Funktionstest aller 4 Sensoren auf Referenzentfernung 15 cm

• 

  Abb. 5: Einheitssprung und Sprungantwort

Der Funktionstest der vier Sensoren in einem abstand von 15cm ist in Abbildung sieben dargestellt. Als Referenz würden die Abstände gemessen und die einzelnen Tests schriftlich festgehalten.

Kennlinientest eines Sensors auf die Referenzentfernungen 4 cm .. max. Reichweite

• 

  Abb. 5: Einheitssprung und Sprungantwort

Der Kennlinientest ist in Abbildung acht dargestellt. Dabei wurden die Entfernungen von 4cm, 10cm, 20cm, 25cm und 30cm eingemessen. Als Referenz würden die Abstände gemessen und die einzelnen Tests schriftlich festgehalten.

Liste offener Punkte (LOP)

Tabelle 7: Liste offener Punkte (LOP)

#	Problem	Analyse	Maßnahme	Freigabe	Wirksamkeit	Dokumentation
1	SenAbs-Block ist schlecht kommentiert		Signale benennen, Kommentare einfügen	x
2	IR Abstand berechnen wird nicht verwendet	Toter Code	löschen	x
3	FilterIRSpikes komplexer m-Code	zu komplex	Ersetzen durch Simulink-Median-Block	x
4	PT1	Wozu dient der?	löschen	x
5	Knicks in Lookup-Table
6	Namensgebung yHR und xHR sind vertauscht		Signale korrekt umbennen	x

Legende

• Problem: Was genau ist das Problem? Wo tritt das Problem auf? Wie zeigt sich das Problem? Wann tritt das Problem auf? Warum ist es ein Problem?
• Analyse: Was ist die Ursache des Problems?
• Maßnahme: Maßnahme zur Beseitigung der identifizierten Ursache
• Freigabe: Abstimmung der Maßnahme mit Prof. Schneider
• Wirksamkeit: Beschreibung Nachweis Wirksamkeit (Dummy-Prüfung, Versuche, Kurzzeitfähigkeit, Kennzahlen, Audit, etc.)
• Dokumentation: Doku der Lösung im HSHL-Wiki

Zusammenfassung

Alle Sensoren sind funktionsfähig und die Genauigkeit der Messwerte ist ausreichend für die Abstandsbestimmung zum autonomen Einparken. Es müssen lediglich ein paar Änderungen vorgenommen werden um den Code zu optimieren und ihn mit Kommentaren verständlicher zu gestalten.

Datenblätter

Der Hersteller Sharp stellt Datenblätter zu dem Sensor bereit. Diese sind sowohl in SVN<ref name="Datenblatt SVN"> als auch im Web<ref name="Datenblatt Web"> abrufbar.

Literatur

• Stefan Hesse, Gerhard Schnell: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Wiesbaden 2018, ISBN 978-3-658-21173-8, S. 78–80, 371f.

Dokumentation in SVN

Die Messdaten, sowie die für die Auswertung verwendeten Matlabskripte können hier aufgerufen werden.

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