AF: Abstandssensorik (SenAbs)

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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[1] oder im SVN[2] 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 ein Lookup Table. Dieser wird anhand der Kennlinie im Datenblatt aufgestellt oder selbst eingemessen 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


Analoge Singalverarbeitung

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 [3]

    Abb.: 05 SenAbs - Abstandssensorik [3]

  • Abb.: 06 Inhalt von SenAbs - Abstandssensorik [4]

    Abb.: 06 Inhalt von SenAbs - Abstandssensorik [4]

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

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.: 07 Messaufbau für den Funktionstest und die Darstellung der Messkette </ref>

    Abb.: 07 Messaufbau für den Funktionstest und die Darstellung der Messkette </ref>

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.: 07 Funktionstest aller vier Sensoren [5]

    Abb.: 07 Funktionstest aller vier Sensoren [5]

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 [6]

    Abb. 5: Einheitssprung und Sprungantwort [6]

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[2] als auch im Web[1] 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

  1. ↑ 1,0 1,1 Datenblatt Sharp GD2D120:Web
  2. ↑ 2,0 2,1 Datenblatt Sharp GD2D120:SVN
  3. ↑ Eigenes Dokument
  4. ↑ Eigenes Dokument
  5. ↑ Eigenes Dokument
  6. ↑ Eigenes Dokument

Dokumentation in SVN

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

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