Hall-Sensor

ACHTUNG: Zurzeit befindet sich der Artikel im Aufbau.

Autoren: Julin Horstkötter, Levin Baumeister

Der Hall-Sensor des Autonomen Fahrzeugs stellt einen entscheidenden Teil der gesamten Sensorik dar, denn dieser dient der Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit und somit auch der zurückgelegten Strecke. Der Hall-Sensor befindet sich am Antriebsmotor, es sollen zusätzlich zu der aktuellen Geschwindigkeit, die Fahrtrichtung bestimmt werden. Diese zu erfassenden sind wesentliche Bestandteile des Regelkreises der Bahnplanung und Spurführung. Die Messung der zurückgelegten Strecke wird für die Bestimmung der Parklückengröße benötigt und somit im Einparkalgorithmus.

Kurzinformation

Hall-Signal-Pegel des eingesetzten Motors LRP Vector X12 StockSpec 17.5T

Wie bereits erläutert ist der Hall-Sensor ein Bestandteil des Antriebsmotors des Fahrzeugs. ACHTUNG: An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die in diesem Artikel enthaltenen Informationen lediglich aus der Dokumentation im SVN und im HSHL-Wiki stammen. Im Sommersemester 2020 konnte aufgrund der COVID-19-Pandemie nicht auf das Fahrzeug und seine Hardware zurückgegriffen werden. Somit konnten die Informationen nicht verifiziert werden. Es sind die Hinweise im alten Artikel Hardware zu beachten. Wenn ein Zugriff auf das Fahrzeug erfolgen kann, müssen die in diesem Artikel enthaltenen Informationen überprüft werden.

Der eingesetzte Motor LRP Vector X12 StockSpec 17.5T besitzt insgesamt drei Hall-Sensoren, die in einer Kombination verschaltet sind. Die Hallsensorik des Motors besteht aus drei um jeweils 120° (2/3 π) phasenverschobene Hallsensoren, die Rechtecksignale erzeugen, die jeweils für eine halbe Motorumdrehung anliegen. Pro Motorumdrehung gibt es also insgesamt sechs Flankenwechsel und anhand der Zustandsänderung ist die Drehrichtung bestimmbar. Zwischen zwei Flankenwechsel dreht sich der Motor um den Winkel λ = 60° = 1/3 π. In der Abbildung rechts wird dieser Zusammenhang visualisiert. Dabei wird deutlich, dass es insgesamt sechs gültige Signal–Pegel–Kombinationen, also sechs Zustände gibt. Bevor die spezifische Sensorik im Detail erläutert wird, erfolgt die Beschreibung des Sensorprinzips.

Funktionsweise

Der Hall-Sensor gehört zu den magnetostatischen Sensoren und basiert auf einem Galvanomagnetischen Effekt. Diese Gruppe von Sensoren messen ein magnetisches Gleichfeld innerhalb eines stromdurchflossenden Halbleiterplättchens. Das Feld der magnetischen Induktion $B$ des Magneten durchsetzt das Plättchen senkrecht, sodass die Ladungsträger durch die Lorenzkraft senkrecht zum Feld und zum Strom $I$ um den Winkel $\varphi$ aus ihrer sonst geraden Bahn abgelenkt werden. Die Messgröße entwickelt sich schließlich, wenn quer zur Stromrichtung, zwischen zwei sich gegenüber liegenden Randpunkten des Plättchens, eine zum Feld $B$ und Strom $I$ proportionale Hall-Spannung $U_H$ abgegriffen wird:

$U_H=R_H\cdot I \cdot \frac{B}{d}$ .

$R_H$ beschreibt die Materialkonstante, den sogenannten Hallkoeffizient, $d$ stellt wiederum die Dicke des Plättchens dar. In der Abbildung rechts ist das grundsätzliche Sensorprinzip nochmals gezeigt. Im Folgenden wird die Beschriftung erklärt:

a: Schaltung, b: Verlauf der Hallspannung $U_H$ , c: Zunahme des Plättchenwiderstands $R$ , $B$ : magnetische Induktion, $I$ : Plättchenstrom, $I_H$ : Hallstrom, $I_V$ : Versorgungsstrom, $U_R$ : Längsspannung, $\alpha$ : Ablenkung der Elektronen durch Magnetfeld. ^[1]

Interner Aufbau

In diesem Abschnitt werden die Besonderheiten des eingesetzten Motors detaillierter beschrieben. Die Getriebeübersetzung sorgt dafür, dass sich der Elektromotor viermal drehen muss um eine vollständige Radumdrehung zu erzeugen (Ü=0.25). Die möglichen Signal–Kombinationen der Hall–Sensorik sind in der Abbildung Hall-Signal-Pegel dargestellt. Dabei ist T_F-F die vergangene Zeit zwischen zwei Flankenwechsel, in der sich der Motor um den Winkel λ dreht. In der aktuellen Implementierung werden ADC–Eingänge der dSPACE–Karte verwendet um die Zustände zu erkennen. Dabei ist es bei digitalen Signalen (die Hall–Sensorik gibt wie aus der Abbildung Hall-Signal-Pegel ersichtlich V_CC–kompatible Pegel aus: Physisch 5 V entspricht einer logischen eins, 0 V einer logischen Null) eigentlich sehr unüblich und in der Regel unpraktisch ADCs zu verwenden. Nicht nur weil es dann nötig ist, via Software die Pegelzustände zu erkennen. Dies wird aktuell mit Relational Operators mit einem derzeit eher kritischen Schwellwert von 5 V durchgeführt. Typische Grenzen für solche Pegel sind ≥ 0, 7 V_CC für logisch eins und ≤ 0, 2 V_CC für logisch null, damit mögliche Spannungsoffsets nicht zu einer Fehl–Erkennung führen können. Würden hier GPIOs als digitale Eingänge genutzt, lässt sich die Software seitige Erkennung sparen. Mithilfe der Combinatorial Logic werden die Zustände der drei Hall–Signale in Dezimalzahlen umgewandelt. Die insgesamt sechs möglichen Zustände sind in Abbildung 1 ebenfalls dargestellt. Daraus ergeben sich in einer uint8 Darstellung die Dezimalzahlen eins bis fünf.

Laufzeitmessung

Mithilfe der Laufzeitmessung einer physikalischen Welle ergibt sich die Distanz d aus:

$d=\frac{v_w \cdot \Delta t}{2 \cdot n}$

Dabei entspricht vw der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Bei Verwendung des Mediums Luft, wie dies hier der Fall ist, entspricht die Lichtgeschwindigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit, also:

$v_w = c \approx 2,99\cdot10^8\,m/s$ .

$\Delta\,t$ beschreibt die gemessene Laufzeit der Photonen. $n$ beschreibt die Brechzahl des Mediums. Da die Formel nicht nur bei der Verwendung in Licht gilt, ist der Brechungsindex n ebenfalls mit angegeben. Für das Übertragungsmedium Luft liegt dieser Wert bei 1.

Der zeitliche Ablauf der Auswertung während des Betriebs ist in der Abbildung „Zeitdiagramm des Infrarotsensors“ dargestellt. Der Sensor wird eingeschaltet, indem die Versorgungsspannung $V_{CC}$ angelegt wird. Eine Messung benötigt 38.3 ms ± 9.6 ms. Während der ersten Messung wird am Ausgang $V_0$ ein unsicheres, bzw. ungültiges Ergebnis ausgegeben. Nach der ersten Messung wird der analoge Ausgabewert mit einer maximalen Verzögerung von 5 ms an den Ausgang übergeben. Darauffolgend sind kontinuierlich gültige Messwerte am Ausgang vorhanden.

Tiefergehende Informationen zu der verwendeten Sensortechnik sind in der Literatur „Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation“ (siehe Literatur) und im Datenblatt zu finden.

Triangulation

Das PSD-Element (PSD = position sensitive device) des Sensors ermittelt anhand positionsempfindlicher Fotodioden die Position des Lichtflecks. Dabei fällt ein Lichtpunkt auf die Oberfläche einer ansonsten hochohmigen p-Schicht. Die dabei entstehenden Ströme sind umgekehrt proportional zur Entfernung des zugehörigen Lichtpunktes. Für eine eindimensionale Lateraleffekt-Fotodiode ergibt sich dazu folgender Zusammenhang zwischen dem zu detektierenden Abstand und dem daraus resultierenden Ausgangsstrom:

$I_1=\frac{a_2}{R} \cdot I$ und $I_2=\frac{a_1}{R} \cdot I$ oder $\frac{I_1}{I_2} = \frac{a_2}{a_1}$

Dabei ist:

Gesamtstrom $\,d$

Gesamtwiderstand der Elektrode $\,R$

Abstand $\,a_i$

Der Gesamtwiderstand ist als linear anzunehmen. Für ein tiefergehendes Verständnis wird auf die angegebene Literatur verwiesen.

Einbauposition und Hardwareanbindung

Wie bereits erläutert sind an dem autonomen Fahrzeug vier Infrarotsensoren verbaut, zwei auf der rechten Seite des Fahrzeugs und zwei am Heck. Eine qualitative Position lässt sich der nebenstehenden Abbildung „Skizze der Sensorpositionen der Infrarotsensoren“ entnehmen.

Skizze der Sensorpositionen der Infrarotsensoren

Die genaue Position der Sensoren im Fahrzeugkoordinatensystem lässt sich aus folgender Tabelle entnehmen, es ist jedoch zu beachten, dass die Werte nicht verifiziert sind, da im SS2020 nicht auf das Fahrzeug zurückgegriffen werden kann. Die Position der einzelnen Sensoren im Fahrzeugkoordinatensystem (K):

IR_Sensor	x-Position	y-Position
rechts vorne	-7 cm	-12 cm
rechts hinten	-36 cm	-12 cm
hinten links	-42 cm	10 cm
hinten rechts	-42 cm	-10 cm

Der Anschluss der Sensoren an die dSPACE DS1104 erfolgt über die analogen Eingänge und ist der folgenden Tabellen zu entnehmen. Zu beachten ist, dass diese Werte nicht verifiziert werden können, da im Sommersemester 2020 ein physischer Zugriff auf das Fahrzeug aufgrund von COVID-19 nicht möglich ist. Diese Tabelle repräsentiert die Anschlüsse an den einzelnen Sensoren:

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) ..+7 V

Die weitere folgende Tabelle enthält die Zuordnung der einzelnen Sensoren zu den analogen Eingängen der dSPACE DS1104 und den in dem Matlab/Simulink-Projekt enthaltenen jeweiligen Variablen, auch hier können die Werte nicht verifiziert werden:

IR-Sensor	DS1104-Eingang	Simulink-Signalname
rechts vorne	ADC Channel 5	SenAbs_xVR_K_f64
rechts hinten	ADC Channel 6	SenAbs_xHR_K_f64
hinten links	ADC Channel 7	SenAbs_yHR_K_f64
hinten rechts	ADC Channel 8	SenAbs_yHL_K_f64

Modi für Simulation und Fahrzeug

Die Programmierung des Fahrzeugs erfolgt über die Software MATLAB/Simulink. Zur einfacheren Handhabung existieren in der Software zwei Modi, die sowohl das Online- wie auch das Offline-Modell bedienen, dieses Vorgehen entspricht dem Rapid Control Prototyping. Im Online Modus greift die Software auf die verbundenen Sensoren und Aktoren direkt über die dSPACE DS1104 zu, das Fahrzeug bewegt sich schließlich in der realen Teststrecke. In der Offline Situation werden ein Großteil der Sensoren und Aktoren simuliert, so bewegt sich das Fahrzeug auf einer virtuellen Teststrecke, die der in der Realität nachempfunden ist. Ein Ziel ist Schnittstellen so zu entwickeln, dass einzelne Programmteile sowohl online als auch offline verwendet werden. So kann zunächst die Software in der Offline-Umgebung getestet und schließlich Online eingesetzt werden.

Offline-Modell

Die Infrarotsensoren gehören zu der Gruppe der Sensoren, für die eine Simulation erfolgt. Die Beschreibung dieser Simulation ist im Artikel Simulation der Einparksensorik. In diesem Artikel wird die Ermittlung der virtuellen Messwerte der vier Sensoren beschrieben, dies erfolgt in Abhängigkeit der in der Simulation vorhandenen Parameter.

Zusätzlich ist eine eigene GUI vorhanden, die die Implementierung der Simulation auf ihre Funktion überprüft, deren Funktion und Umfang bis jetzt noch nicht validiert ist. Bei einer ersten Sichtprüfung zeigt sich allerdings, dass sich die Form der Fahrzeuge willkürlich ändert. Die GUI befindet sich im SVN.

Online-Modell

Die Software in der Online-Umgebung des Matlab/Simulink Projekts kann im Sommersemester 2020 nur augenscheinlich, ohne eine Prüfung der Lauffähigkeit, erfolgen. Im Generellen sind wie im Offline-Modell ebenfalls die vier Sensoren eingebunden, die hier als Signal der DS1104 auftreten. Die Übersichtlichkeit ist verbesserungsfähig, ebenfalls sollten die enthaltenden lookup tabels mit den Sensorkennlienen überprüft werden. Die Details der Implementierung sind in der Softwarearchitektur beschrieben.

Datenblätter

Der Hersteller Sharp stellt Datenblätter zu dem Sensor bereit. Diese sind sowohl in SVN^[2] als auch im Web^[3] 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

↑ vgl. die Informationen zu Hall-Sensor mit: Reif, Konrad: Sensoren im Kraftfahrzeug. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2016. ISBN: 9783658112110. S. 34f.
↑ Datenblatt Sharp GD2D120:SVN
↑ Datenblatt Sharp GD2D120:Web

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[1] vgl. die Informationen zu Hall-Sensor mit: Reif, Konrad: Sensoren im Kraftfahrzeug. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2016. ISBN: 9783658112110. S. 34f.

[2] Datenblatt Sharp GD2D120:SVN

[3] Datenblatt Sharp GD2D120:Web

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