SDE SoSe26: AP 1.4 Querregelung

Abb. 1: Das Bild-Koordinatensystem der Spurerkennung

Autor:	Jonas von Döllen
Modul	Mechatronik, Systementwicklung (Wahlpflichtprofil „Systems Design Engineering“), Sommersemester
Lehrveranstaltung:	Praktikum Systementwicklung
Sprint:	Bildbasierte Spurführung für autonomes Fahren
SVN-URL	https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Software/AlphaBot/

Sprint 1

Einleitung

Im Zuge des Systementwicklungspraktikums in dem Schwerpunkt System Design Engineering muss ein Fahrzeug durch eine künstlich erzeugte Fahrstrecke autonohm auf der rechten Fahrspur fahren. Genutzt wird in diesem zweiten Teil des Praktikums ein AlphaBot mit einer Pixy2.1 Kamera oben drauf. Hierfür soll nach dem aktuellen Sprint eine Querregelung optimiert werden. In diesem Artikel wird die Dokumentation dazu aufgeführt.

Planung

Ist Zustand

Bei der Gruppe aus dem vorherigen Jahrgang SoSe2025 wurde die Querregelung ausschließlich über die Kamera realisiert. Die Kamera sendet den Startpunktes des Vektors der Kamera immer aus und regelt nach der Y Koordinate. Der Spartpunkt ist dabei immer der Wert mit der höchsten Y-Koordinate, da bei der Pixi Kamera immer der Vektor auch "flippen" kann. Der Startpunkt und der Endpunkt sind dann vertauscht. Ist der Alphabot zu nah an der rechten Außenlinie, dann ist der Y-Wert des Startpunktes klein und ist der Alphabot etwas weiter weg, dann wird der Y-Wert des Startpunktes größer. Geregelt wird um den Wert 32.

Daraus resultiert jedoch, dass der Alphabot in den Kurven etwas näher zu der Außenlinie bewegt, als er eigentlich auf der geraden Strecke tut.

Soll Zustand

Die Querregelung soll auf der aktuellen aufbauen. Der Abstand wird ebenfalls über die Y-Wert der Kamera gemessen werden. Je nach Krümmung soll der Abstand zur Linie sich ändern, da die Kamera bei einer Kurve den Y-Wert geregelten Wert bei falschen Abstand schon bekommt. Für eine schnellere und kontrollierte Regelung soll auch noch die Gierrate mitberücksichtigt werden und so die Position des Fahrzeugs mit in die Regelung integrieren.

Umsetzungsidee

In Simulink wird der alte Block für die Querregelung übernommen. Jedoch wird am D-Anteil anstelle des Regelabweichung aus der Kamera aus der Spurerkennung Subsystem für den Abstand und dem Sollwert ($e_y$) die Gierrate ($r$) als Messgröße eingefügt. Diese soll den Winkelfehler bei dem Fahrzeug minimieren.
$u=K_P{e}_y+K_I\int e_{y}dt-K_{D}r$
Ist das Fahrzeug mit dem alten Regler etwas weiter weg von der Linie parallel platziert worden, dann würde das Fahrzeug wegen des Abstandsfehlers anfangen zu lenken. Bis der Abstandswert bis die Regelabweichung verschwunden ist. Jetzt ist der Querfehler, der Abstand aus der Sicht der Kamera, zwar aufgehoben, doch das Fahrzeug würde nicht parallel ausgerichtet. Da kommt nun die Gierrate im Spiel. Diese soll den P-Anteil dämpfen und so die gerade Linie besser anfahren.

Hierfür soll der PID-Regler die Krümmung als weitern Parameter bekommen und den D-Anteil von der Regelabweichung trennen. Die Ableitung hinter dem D-Anteil Gain wird gelöscht und geht direkt auf den Summenblock. Dort ist jedoch das Vorzeichen für den D-Anteil von einem + zu einem - gewechselt.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderung an die Längsregelung

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Fahrzeug muss bei seiner Fahrtschwingfrei sein. (Schwingung in der Messdaten erkennbar, wenn periodisch der selbe Wert etwa in +/-50% der vorheringen Amplituden entspricht)	1
2	Fahrzeug muss bei seiner Bahnführung mittig fahren (+/- 5cm)	1

Umsetzung

Die Formel aus der Umsetzungsidee wurde hier erfolgreich implementiert. Zu sehen ist einmal der Regler von innen und einmal von außen. Die Bilder wurden in Revision 11195 gemacht.

Abb. 2: PID Regler von außen

Abb. 3: PID Regler von Innen

Tests

Tabelle 2: Testprotokoll

Req.	Beschreibung	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Fahrzeug muss bei seiner Fahrtschwingfrei sein. (Schwingung in der Messdaten erkennbar, wenn periodisch der selbe Wert etwa in +/-50% der vorheringen Amplituden entspricht)	n.i.O.	Jonas von Döllen	07.07.2026
2	Fahrzeug muss bei seiner Bahnführung mittig fahren (+/- 5cm)	n.i.O.	Jonas von Döllen	07.07.2026

Bei der Fahrt konnte man erkennen, dass das Fahrzeug nicht mittig fuhr. Es sind mehrere Schwingungen zu erkennen wesen. Das Fahrzeug überquerte auch die äußere Linie, wodurch das Messen der Bahnführung mittig nicht von Nöten war, da die Toleranze für Req. 2 definitv damit gebrochen ist.

Das Schwingen konnte man mit dem Auge auch wahrnehmen. Die Messerergebnisse würden dies auch wiederspiegeln. Leider ist beim Testen die USB-C Buchse von dem Arduino Wifi R4 ein Wackelkontakt entstanden, wodurch keine wirklichen Messergebnisse erzielt werden konnte. Dies ist erkennbar an den geraden Sprüngen in den Graphen.(siehe Abbildung unten)

Abb. 4: Messung mit kaputter Buchse

Das Auslegen des Parameters hat auch nicht geholfen, die Schwingungen zu reduzieren. Hierfür wurden verschiedenste Parameterwerte herausgesucht und getestet. Kein Ergebnis war dabei befriedigend und hat geholfen. Besonders bemerkbar war dies in der Rechtskurve.

Fehlerbehebung und Verbesserung

Die Gierrate in dem D-Anteil alleine zu regeln hat zu einer nicht wirklichen Verbesserung bis jetzt gebracht. Eine bessere Möglichkeit wäre es mit der Perspektiventransformation zu arbeiten und dann die Kurvenradius und einer passenden Parabel auszulegen. Die Gierrate kann dann mit der Krümmung und dem Abstand zu der Solllinie zu einer passenderen Regelabweichung führen.

Sprint 2

Rückblick auf Sprint 1

Nachdem die Gierrate nicht in dem D-Anteil alleine reicht zum Regeln und die Theorie nicht wirklich konsistent war, wurde die Erarbeitung von Sprint 1 verworfen und wird in diesem Sprint 2 wird die Querregelung auf die ermittelte Krümmung der Gierrate aus AP 1.2 Messung und Verarbeitung der Gierrate mit der Krümmung aus den Kamerawerten aus AP 1.1 Spurerkennung mit der Pixy2.1 geregelt.

Einleitung

Im Zuge des Systementwicklungspraktikums in dem Schwerpunkt System Design Engineering muss ein Fahrzeug durch eine künstlich erzeugte Fahrstrecke autonohm auf der rechten Fahrspur fahren. Genutzt wird in diesem zweiten Teil des Praktikums ein AlphaBot mit einer Pixy2.1 Kamera oben drauf. Hierfür soll nach dem aktuellen Sprint eine Querregelung optimiert werden. In diesem Artikel wird die Dokumentation dazu aufgeführt.

Planung

Ist Zustand

Bei der Gruppe aus dem vorherigen Jahrgang SoSe2025 wurde die Querregelung ausschließlich über die Kamera realisiert. Die Kamera sendet den Startpunkt des Vektors der Kamera immer aus und regelt nach der Y‑Koordinate. Der Startpunkt ist dabei immer der Wert mit der höchsten Y-Koordinate, da bei der Pixi Kamera immer der Vektor auch „flippen“ kann. Der Startpunkt und der Endpunkt sind dann vertauscht. Ist der Alphabot zu nah an der rechten Außenlinie, dann ist der Y-Wert des Startpunktes klein und der Alphabot etwas weiter weg, dann wird der Y-Wert des Startpunktes größer. Geregelt wird um den Wert 32.

Daraus resultiert jedoch, dass der Alphabot in den Kurven etwas näher zu der Außenlinie bewegt, als er eigentlich auf der geraden Strecke tut.

Soll Zustand

Die Querregelung soll nun nicht mehr die Y-Koordinate des Startpunktes des Vektors der Kamera als Regelbasis nehmen. Stattdessen soll die Kamera die gewünschte Krümmung (Sollwert) herausgeben, welche der Alphabot fahren soll, um in der mittleren Spur zu fahren. Diese Krümmung wird mit der Krümmung von der Verarbeitung des Gierratensensors (Istwert) verglichen. Die Differenz daraus soll als Grundlage für die Lenkung des Alphabots dienen.

Umsetzungsidee

Der Sollwert (Krümmung aus der Spurerkennung ${\kappa }_{soll}$) bildet mit dem Istwert (Krümmung aus der Verarbeitung der Gierrate ${\kappa }_{ist}$) die Regelabweichung $e$, welche in einen PID‑Regler hineinführt.
$e={\kappa }_{soll}-{\kappa }_{ist}$

$u=K_{P}e+K_I\int edt-\frac{Kd}{dt}e$

Daraus ergibt sich die Stellgröße $u$, welche als die Differenz der Motorpower vom rechten und linken Rad angibt, wodurch das Auto die Fahrtrichtung in Richtung der gewünschten Fahrtkrümmung annähert.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderung an die Längsregelung

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Die Kamera (Pixi2.1) muss für Fahrspurverfolgung verwendet werden.	1
2	Der durschnittliche, minimale Abstand zwischen Fahrzeug und Ideallinie(Mitte zwischen Mittellinie und Außenseite der rechten Fahrspur muss unter 4,5 cm liegen und damit eine Verbesserung zu der Messung vorherigen Gruppe bilden. Referenzdatei der vorherigen Gruppe ([| Messung_20251216_141230.mat])).	1

Tests

Tabelle 2: Testprotokoll

Req.	Beschreibung	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Die Kamera (Pixi2.1) muss für Fahrspurverfolgung verwendet werden.	n.i.O.	Jonas von Döllen
2	Der durschnittliche, minimale Abstand zwischen Fahrzeug und Ideallinie(Mitte zwischen Mittellinie und Außenseite der rechten Fahrspur muss unter 4,5 cm liegen und damit eine Verbesserung zu der Messung vorherigen Gruppe bilden. Referenzdatei der vorherigen Gruppe ([| Messung_20251216_141230.mat])).	n.i.O.	Jonas von Döllen

Fehlerbehebung und Verbesserung

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