AF: Gierrate (SenGier, SabGier)

Autoren: Benjamin Dilly & Kevin Mudczinski

Abbildung 1: Gierratensensor LPR510AL

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SDE Praktikum
SDE-Team 2023/24
Lernzielkontrolle 1

Primärsensor

Der LPY510AL ist ein 2-Achsen Sensor (X-Z), welcher die Gierrate (Z) und das Nicken (X) misst. Dieser ist auf der Hauptplatine verlötet. Je nach Ausführung kann der Sensor ±100°/s und ±400°/s messen. Das Modul verfügt über einen 3.3V Spannungsregler, sodass dieser auch mit 5V betrieben werden kann. Die Drehgeschwindigkeit kann pro Drehachse an 2 Sensorpins abgelesen werden, wobei jeweils einer der Pins immer eine 4-Fach so hohe Geschwindigkeit messen kann, jedoch mit einer geringeren Genauigkeit (8-Bit AD-Wandler). Genauere informationen sind zu finden unter: https://a.pololu-files.com/product/1267

Messkette

In Abbildung 2 ist die Messkette des Gyrosensors im Online Simulink-Modell dargestellt.

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  Abbildung 2: Messkette Gyro-Sensor im Online Simulink Modell.

Aufbau Sensor

In Abbildung 3 wird die Platine des Gyrosensors dargestellt. Hierbei ist zu beachten, dass der im Fahrzeug verbaute Sensor die X/Z-Achsen Variante ist.

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  Abbildung 3: Gyrosensor mit Anschlussplatine.

In Abbildung 4 zeigt den elektronischen Schaltplan des Gyrosensors inklusive Außenbeschaltung.

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  Abbildung 4: Elektrische Beschaltung des Gyrosensors

Systementwurf

Zentrale Parameter

Messgröße: Zentrifugalkraft [N]
Messbereich: +/-100°/s und +/-400°/s
Messgenauigkeit: Abhängig von AD-Wandler Auflösung. Ausgabespannung (0V - 3.3V): -100/-400°/s (0V), 0°/s (1,23V), 100/400°/s (3.3V) (mit Uref 3.3V)
Stromversorgung: 3.3V bis 5V

Einbauposition

Der Gierratensensor ist im gelben Rechteck auf der Hauptplatine verbaut.

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  Abbildung 5: Plott der PT1 gefilterten integrierten Offsetkompression.

Analoge Singalverarbeitung

Nr	Name	Funktion	dSPACE Anschluss
1	VIN	Spannungseingang des Boards
2	GND	Masse
3	Vref	Referenzspannung
4	4Z	Drehung um die Z-Achse (Gieren)
5	Z	Drehung um die Z-Achse (Gieren)	DS1104MUX ADC1 CH3

Sensorblock - SEN - Sensoren - online

Abbildung 6:
PFAD: CCF_online > SEN - Sensoren - online
Darstellung relevanter Block für den Eingang des Gierraten-Sensors

Abbildung 7:
PFAD: CCF_online > SEN - Sensoren - online > SenGier - Gierrate
Umwandlung des Gierraten Eingangs in Rohwert

SenGier - Gierrate

Abbildung 6 zeigt das SEN - Sensoren - online Subsystem. Das grüne Quadrat markiert die relevanten Blöcke für den Gyro-Sensor. Hier wird der gewandelte AD-Wert aufgenommen und in Radiant umgewandelt.

Eingang / Ausgang

Block: SenGier - Gierrate (Abbildung 6, Abbildung 7)
Eingang: ADC_eing
Ausgang: SenGier_psip_roh_K_f64

Funktion

1. Einlesen des Drehwinkels, als normalisierte Gleitkommazahl in Gradmaß von BLOCK DS1104MUX_ADC
2. Umwandlung in Rohwert BLOCK SenGier - Gierrate
   1. Umwandlung ADC-Eingang in Degree BLOCK ADC_2_deg (Abbildung 3)
      Multiplikation mit 1000 (Bsp. 0.1203 * 1000 = 120.3°)
   2. Umwandlung Grad- in Bogenmaß BLOCK D2R (Abbildung 3)

Sensorblock - SAB - Signalaufbereitung

Abbildung 8:
PFAD: CCF_online > SAB - Signalaufbereitung
Darstellung der Signalaufbereitungsblocks

Abbildung 9:
PFAD: CCF_online > SAB - Signalaufbereitung - SabGier - Gierrate
Darstellung der Signalaufbereitung der Gierrate

SabGier - Gierrate

Eingang / Ausgang

Block: SabGier - Gierrate
Eingang: SenGier_psip_roh_K_64, SenTast_AEP_bit, SenGier_psi_reset_bit, SenTast_BSF_Grundk_bit, SenTast_BSF_GrundkHindernis_bit
Ausgang: SenGier_psi_filt_K_f64, SenGier_psip_filt_K_f64, SenGier_psi_unfilt_K_f64, SenGier_psip_unfilt_K_f64, SabGier_Reset_bit

Funktion Offsetberechnung & Offsetkompensation

Berechnet einmalig den Offset des Sensors. Hierfür werden beim Start des Systems oder nach einer Rücksetzung einmalig 1000 Werte gemessen und gemittelt, um den Offset zu berechnen.
Dies dient der Elimination von Rauschen oder fehlerhaftem Einbau des Sensors (bspw. schiefes Einbauen), um einen Nullwert zu ermitteln.
Die Offsetkompensation zieht dann den Offset von dem ungefilterten Rohwert ab (vgl. Abb. 5).

1. Eingang SenGier_psip_roh_K_64
2. Ausgang SabGier_Offset

Funktion PT_1_Eing_f

Glätten den offsetkompensierten Messwert.

Funktion Integrator

Addiert die aktuelle Winkelgeschwindigkeit auf (Merkt den letzten Wert), bzw. den aktuell zurückgelegten Winkel.

Signalanalyse

Beschreibung

In der folgenden Plots wurde der Gierraten Sensor gemessen. Hierbei wurde das Fahrzeug auf dem Tisch hochgebockt auf einem Karton immer um 90° pro 3s bewegt und dazwischen für einen kurzen Moment gestoppt.

Messwertanalyse

Block 1: Rohwertberechnung

Subplot 1
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: ADC
Subplot 2
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psip_roh_K_64

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  Abbildung 10: Plott des ADC-Eingangs zum SenGier_psip_roh_k_f64 Ausgang in SEN

Block 2: Offsetkompession

Subplot 1
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psip_roh_K_64, Offset
Subplot 2
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psip_unfilt_K_f64, Offset

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  Abbildung 11: Plott der Offsetkompression

Block 3: Rohwert nach Offsetkompression & Integrierter Rohwert nach Offsetkompression

Subplot 1
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psip_unfilt_K_f64
Subplot 2
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psi_unfilt_K_f64

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  Abbildung 12: Plott der ungefilterten offsetkomprimierten Integration.

Block 4: Tiefpassfilterung nach Offsetkompression

Subplot 1
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psip_unfilt_K_f64
Subplot 2
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psip_filt_K_f64

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  Abbildung 13: Plott der PT1 gefilterten Offsetkompression.

Block 5: Integrierte Tiefpassfilterung

Subplot 1
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psip_filt_K_f64
Subplot 2
- X-Achse: Zeit
- Y-Achse: SenGier_psi_filt_K_f64
Integrierte Tiefpassfilterkurve FALSCH

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  Abbildung 14: Plott der PT1 gefilterten integrierten Offsetkompression.

Liste offener Punkte (LOP)

Nr	Name	Funktion	dSPACE Anschluss
1	VIN	Spannungseingang des Boards
2	GND	Masse
3	Vref	Referenzspannung
4	4Z	Drehung um die Z-Achse (Gieren)
5	Z	Drehung um die Z-Achse (Gieren)	DS1104MUX ADC1 CH3

Tabelle 3: Liste offener Punkte (LOP)

#	Problem	Analyse	Maßnahme	Freigabe	Wirksamkeit	Dokumentation
1	SenGier_psi_filt_K_f64 gibt falschen Wert aus

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.

Dokumentation in SVN

• Link zu Messdaten
• Link zur MATLAB^®-Auswertung

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