AF: Abstandssensorik (SenAbs)
Autoren: Niklas Reeker & Oliver Scholze
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[1] oder im SVN[2] zu finden.
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:
| 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 |
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.
| 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 |
Analoge Singalverarbeitung
Schnittstelle zur DS1104
- Pinbelegung/Anschlussplan
- ADU
| 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
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:
| 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. |
| 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
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
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.
| 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
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
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)
| # | 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 SVNReferenzfehler: Für ein <ref>-Tag fehlt ein schließendes </ref>-Tag. abrufbar.
Literatur
- Stefan Hesse, Gerhard Schnell: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Wiesbaden 2018, ISBN 978-3-658-21173-8, S. 78–80, 371f.
Einzelnachweis
Dokumentation in SVN
Die Messdaten, sowie die für die Auswertung verwendeten Matlabskripte können hier aufgerufen werden.
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