AEP - Einparksensorik

Autoren: Julin Horstkötter, Levin Baumeister

Das im SDE Praktikum verwendete autonome Fahrzeug ist mit diverser Sensorik ausgestattet. Dieser Artikel befasst sich insbesondere mit den für das autonome Einparken benötigten Sensoren. Der Einsatz der Sensoren leitet sich anhand von dem im Lastenheft definierten Anforderungen her.
In Kürze stellt dieser Artikel den aktuellen Stand der Einparksensorik dar. Außerdem werden zusammenhängende Funktions-Erklärungen gegeben, da die Sensoren für die Umsetzung des Einparkalgorithmus von essentieller Bedeutung sind.

Der Einparkalgorithmus greift auf die in diesem Artikel beschriebene Einparksensorik zurück.

Dafür werden zunächst die Anforderungen aufgezeigt, die in direkter Verbindung mit der Sensorik stehen. Im weiteren Verlauf werden die Sensoren im Detail beschrieben und erläutert. Schließlich wird auf die aktuelle Verwendung, offline sowie online, eingegangen.
Dieser Artikel wird dynamisch erweitert, so dass dieser den jeweils aktuellen Arbeitsstand berücksichtigt. Der Bearbeitungsstand des AEP-Softwarebereichs nach Meilenstein 1 ist jederzeit in einem teamspezifischen SVN-Branch erreichbar. Zum Meilenstein 2 wurde kein gesonderter SVN-Branch angelegt, da die vorgenommenen Bearbeitungen die anderen Teams nicht beeinflusst, diese Vorgehensweise gilt ebenfalls zum Meilenstein 3. Die Ausführungen zu Meilenstein 3 befinden sich unter den Abschnitten Anpassung der Wiki-Artikel und xxx.

Das systematische Vorgehen bei der Entwicklung des Modells orientiert sich am V-Prozessmodell.

Anforderungen

Im Lastenheft werden zur Einparksensorik folgende Anforderungen gestellt:

• Funktionale Anforderungen:

• Nicht-funktionale Anforderungen:

Das Pflichtenheft zu den Meilensteinen 1 und 2 zeigt sich wie folgt:

Zu Meilenstein 3 wurden folgende Pflichten bearbeitet:

Verbesserung und Aufarbeitung der themenrelevanten Wiki-Artikel

Vorgefundene Missstände

Hier sind Wiki-Artikel verlinkt, die den Stand der Einparksensorik bislang dokumentieren. Bei genauerer Betrachtung zeigen sich folgende Auffälligkeiten. Die Übersicht der bereits aktualisierten Artikel befindet sich unter Aktualisierte Artikel. Achtung: Die folgende Verlinkung führt jeweils zu den alten unbearbeiteten Artikeln aus dem Wintersemester 2019/20 (Stand 22.04.2020):

• Artikel beziehen sich auf einen veralteten Stand, z.B. Infrarot Sensor
• Artikel sind teilweise in sich wiedersprüchlich, z.B. Offset-Kompensation Gyro Sensor
• Artikel weisen Fehler in der Wiki-Syntax auf, z.B. Simulation der IR-Einparksensorik
• Artikel weisen orthografische Fehler auf, z.B. Simulation der IR-Einparksensorik
• Tote Links, insbesondere zu SVN, z.B. Test der Abstandssensorik

Vorhandene Artikel

Auflisten der vorhandenen Artikel, die sich mit der Einparksensorik des Fahrzeugs befassen. Konkret geht es um die IR-Sensoren, die Hall-Sensoren und den Gierratensensor. Die Artikel werden themenspezifisch aufgelistet. Zusätzlich wird der letzte Bearbeitungszeitpunk datiert. Die Verlinkung führt jeweils zu den alten unbearbeiteten Artikeln mit dem Stand des Wintersemesters 2019/20.

IR-Sensoren

• Test der IR-Sensoren in Simulation mithilfe einer GUI (Test der Abstandssensorik), letzter Stand: 19.12.2019
• Hardwarebeschreibung der Abstandssensorik, letzter Stand: 20.05.2016
• Beschreibung des physikalischen Prinzips der Infrarotsensoren sowie Hardware-Anbindung und Positionierung am Fahrzeug, Hardware, letzter Stand: 04.02.2014
• Simulation der IR-Einparksensorik mit detaillierter Beschreibung der Software und des Quelltextes, letzter Stand: 23.06.2019

Gyrosensor

• Beschreibung des Gyrosensors inkl. Inbetriebnahme und Einbau, Gyrosensor (LPR510AL), letzter Stand: 05.02.2015
• Rauschunterdrückung des Gierratensensors durch Offset-Kompensation, inkl. Testdurchführung und Gierratenkompensation, Offset-Kompensation Gyro Sensor, letzter Stand: 06.02.2014
• Offsetkalibrierung des Gyrosensors mit Auflistung der dafür notwendigen Anforderungen und PAP, Offsetkalibrierung des Gyrosensors, letzter Stand: 07.02.2020

Hall-Sensoren

• Beschreibung der im Antriebsmotor integrierten Hall-Sensoren, Hardware, letzter Stand: 01.02.2017
• Signalverarbeitung der Hall-Sensoren, Signalverarbeitung, letzter Stand: 17.02.2014
• Beschreibung der Geschwindigkeitsermittlung mit Hilfe der Hall-Sensoren, Geschwindigkeitsermittlung, letzter Stand: 01.02.2017
• Beschreibung der eingesetzten Hardware zur Geschwindigkeitsermittlung, Geschwindigkeit, letzter Stand: 22.12.2014

Sonstige Sensoren und erweiterte relevante Informationen

• Beschreibung des parallelen Einparkens mithilfe der IR-Sensoren in der Lageregelung beim Einparken, letzter Stand: 18.02.2019
• Literaturangaben zu den Sensoren, Hardware, letzter Stand: 14.02.2019

Aktualisierte Artikel

Schema zur Strukturierung der Wiki-Artikel des Bereichs AEP - Einparksensorik.

Die Verlinkung führt jeweils zu den aktuellen Artikeln.

• Infrarotsensoren enthält Informationen aus den alten Artikel, die im Zusammenhang mit den Infrarotsensoren stehen, weitere Informationen befinden sich in den enthaltenen verlinkten Artikeln.
• Gierratensensor beschreibt den Sensor LPR510AL des Herstellers ST und seinen Einsatz, auch hier wurden Informationen aus den alten Artikeln mit erweiterten Hintergründen kombiniert.
• Hall-Sensor beschreibt die Hall-Sensoren des Antriebsmotors des autonomen Fahrzeugs und ihren Einsatz, erneut wurden Informationen der alten Artikel mit erweiterten Hintergründen vervollständigt.
• Test der Abstandssensorik beschreibt den Einsatz der Benutzeroberfläche zum Test der Implementierung der Simulation der Infrarotsensoren, dieser Artikel wurde neu erstellt, dabei wurden Informationen aus SVN und alten Artikeln verwendet.

Fortlaufend wurden sowohl die Artikel selbst, als auch deren Grundstruktur neu angelegt bzw. überarbeitet und geprüft. Schlussendlich erfolgt die neue Verlinkung in den übergeordneten Artikeln. Auch zum Meilenstein 3 wurden die Artikel weiter überarbeitet, sowie um Informationen ergänzt, die lediglich durch den Zugriff auf das Fahrzeug selbst ermittelt werden können. Dazu zählten unter Anderem der Einbauort des Gierratensensors, das Modell des verwendeten Antriebmotors und die Positionierung der Infrarotsensoren.

Strukturierung der Software

Die Software rund um die Einparksensorik ist zu Beginn des Sommersemesters 2020 nur gering strukturiert. Dies ist jedoch essentiell, um eine schnelle Einarbeitung in komplexere Projekte wie dieses zu ermöglichen. Wie in der oberen Abbildung des Pflichtenheftes unter der Spezifikations-ID 2010 zu sehen, erfolgte die Umsetzung zu MS1.

Strukturierung des Simulink-Modells

Simulink-Modelle sind bei richtiger Anwendung sehr übersichtlich. Dazu gehört beispielsweise die symmetrische Anordnung ähnlicher Blöcke. Auch sollten sich Bus- und Datenleitungen, sofern möglich, nicht kreuzen. Nachfolgend wird anhand einiger Beispiele das aktuelle Layout der Modelle im Trunk gezeigt. Diese werden dem aktuellen Stand des Branches aus dem Team AEP Einparksensorik gegenübergestellt. Die Übersichtlichkeit hat sich deutlich verbessert. Die Verbesserung bezieht sich bis jetzt nur auf die Offline-Teil (Stand zu MS1-SS2020).

Ursprüngliche Ansicht		Neustrukturierte Ansicht	Pfad
			CCF_offline/SAB - Signalaufbereitung
			CCF_offline/SAB - Signalaufbereitung/SabGier - Gierrate
			CCF_offline/SEN - Sensoren - offline
			CCF_offline/SEN - Sensoren - offline/SenKam - Kamera

Strukturierung von MATLAB Functions

Die in den Simulink-Modellen verlinkten Matlab Functions weisen ebenfalls Misstände in Hinsicht der Strukturierung auf. Diese wurden ebenfalls zum ersten Meilenstein angepasst, werden jedoch aufgrund der Komplexität und des Umfangs nicht bildlich dargestellt.

Verlinkung des Wiki-Artikels in Simulink

Verlinkung von dem Wiki-Artikel in Simulink

Um die Einarbeitung in das Softwareprojekt für Folgesemester zu vereinfachen, wird der zu MS1 neu erstellte Wiki-Artikel der Infrarotsensorik in Simulink verlinkt. Arbeitet sich ein Studierender neu in das Projekt ein, so gelangt dieser über den in der nebenstehenden Abbildung dargestellten Link unmittelbar zur Dokumentation des Abschnitts. Der Studierende erhält so aufbereitete Informationen zur Funktionsweise der Sensorik noch bevor sich dieser selbst einen Überblick zu verschafft.

Absprache des Einparkkonzeptes

Bei der Absprache des Einparkkonzeptes werden Synergieeffekte der Gruppen AEP - Einparkalgorithmus und AEP - Einparksensorik genutzt. Um eine doppelte Dokumentation des Einparkkonzeptes zu vermeiden, ist dies lediglich in dem Artikel AEP - Einparkalgorithmus dokumentiert.

Optimierung der GUI zum Test der Simulation der Infrarotsensoren

Zur Verifizierung der Funktion der Simulation der Infrarotsensoren wurde im SS2019 eine GUI entwickelt, die den Unit-Test mit einzelen Testfällen der Implementierung darstellt. Die Dokumentation der damals entwickelten GUI ist unter folgendem Link zu finden: GUI. Bei einer Überprüfung der Funktion und der Verwendung sind folgende Missstände aufgefallen:

• Fehlerhafte Skalierung der Darstellung
• Vorschau des jeweiligen Test erfolgt lediglich über ein Bild mit schlechter Auflösung
• Definierte Testfälle werden nicht bestanden
• Linien, die den Abtastbereich der Sensoren darstellen ragen in Objekte hinein
• Kopierte Matlab Function der zu testenden Software, Function ist somit doppelt in SVN hinterlegt, keine automatische Aktualisierung des Codes, kein Hinzufügen des Pfades in Matlab

In der folgenden Tabelle wird das Problem der Skalierung verdeutlicht. Speziell triff dieses Problem in Erscheinung, wenn der User einen Bildschirm mit einer anderen Auflösung verwendet, als der ursprüngliche Entwickler oder, die Größe des Fensters des Plots verändert wird. Auf der rechten Seite ist die implementierte Verbesserung erkennbar.

Ursprüngliche Skalierung		Korrekte Skalierung

Bei Durchführung von Messungen stellte sich in einigen Fällen ein negatives Testergebnis heraus (siehe linke Spalte in nachfolgender Tabelle). Ursächlich ist eine fehlerhafte Implementierung der Testdaten in den .mat-Dateien gewesen. Unter Zuhilfenahme dieser Dateien und der Messergebnisse wird der Ausgang des Messergebnisses interpretiert. Die .mat-Dateien sind nun korrekt erstellt worden, welches das Problem, wie in nachfolgender Tabelle (rechte Spalte) gezeigt, gelöst hat.

Ursprüngliches Testresultat		Korrektes Testresultat

Die verbesserte Dokumentation ist in dem neuen Artikel Test der Abstandssensorik erkennbar.

Überprüfung der Funktion der Einparksensorik

Im Sommersemster 2020 konnte aufgrund der COVID-19-Pandemie konnte die Hochschule nicht aufgesucht werden und somit konnte nicht auf das autonome Fahrzeug zugegriffen werden. Im Wintersemester 2020/2021 ist der Zugriff auf das Fahrzeug wieder möglich, sodass das Team AEP-Einparksensorik im Rahmen der gesamten Hardwareüberprüfung des Fahrzeuges, die zu Beginn des Semesters mit allen Teilteams gestartet wurde, die Überprüfung der Infarotsensoren, des Gierratensensors und der Taster am Fahrzeug übernimmt. Diese gesamte Überprüfung wurde beschlossen, da das Fahrzeug nicht nachzuvollziehbare Fehler aufgewiesen hat.

Zu den einzelnen Hardwareüberprüfungen zählen die jeweils der Test der elektrischen Verbindung zwischen der Komponente und der DS1104, sowie die Überprüfung eines möglichen Kurzschlusses. Nachfolgend wurden die Sensoren mit einem einfachen Simulinkmodell und Controldesk-Dashboard auf ihre Funktion anhand des Datenblattes geprüft. Im Anschluss daran erfolgte der Test in dem Onlinemodell in Simulink und Controldesk. In den folgenden Abschnitten wird jede Sensoreinheit detailliert betrachtet.

Infrarotsensoren

Die gesamte Vorgehensweise zur Überprüfung der Infarotsensoren ist fortführend in dem Artikel Infrarotsensoren hinterlegt. Der erste Schritt der gesamten Analyse bestand aus der Prüfung der elektrischen Verbindung zwischen den vier Infrarotsensoren, der Adapterplatine und der DS1104, dazu wurde mittels einer Durchgangsprüfung zwischen den Komponenten die Verbindungen verifiziert. Es wurden alle Tests bestanden, es sind keine Fehler in den elektrischen Verbindungen der Sensoren, das Testprotokoll ist in SVN hinterlegt. Die folgenden Bilder zeigen beispielhaft die Struktur und das Testvorgehen, es wurde so ausgeschlossen, dass in der elementaren elektrischen Verbindung ein Fehler vorliegt, der eine Fehlfunktion des Fahrzeugs erzeugen könnte.

Ausschnitt des Testberichtes des Infrarotsensors rechts vorne vom 22.10.2020.

Ausschnitt des Testberichtes des Infrarotsensors hinten links vom 22.10.2020.

Den nächsten Schritt in der Funktionsanalyse bildete die aktive Prüfung der Sensorfunktion. Dazu wurde ein Simulinkmodell eingesetzt, das direkt einen unkomplizierten Einblick in die Signalverläufe ermöglicht, ebenso einfach gestaltet sich die Betrachtung der rohen unbehandelten Messdaten der vier Sensoren. Die Ergebnisse sind in SVN hinterlegt, sowie die Vorgehensweise in dem Artikel der Infrarotsensoren.

Den letzten Schritt der Überprüfung der vier Infrarotsensoren bildet die Verifizierung der hinterlegten Kennlinien. Die Hinterlegung erfolgt in Simulink, in der Software die für den Endeinsatz vorgesehen ist, für jeden Sensor. Die Kennlinien ermöglichen eine Umrechnung der rohen unbehandelten Messdaten in die Einheit Meter. Die Kennlinien wurden durch vorherige Jahrgänge erstellt und müssen zur Verifizierung der gesamten Funktionsfähigkeit des Fahrzeuges umfassend überprüft werden. Das Vorgehen dazu ist im Artikel der Infrarotsensoren hinterlegt. Die folgenden Bilder zeigen die letzten Testergebnisse, sowie die allgemeine Struktur.

Ausschnitt des Testberichtes des Infrarotsensors rechts vorne vom 06.11.2020.

Ausschnitt des Testberichtes des Infrarotsensors rechts hinten vom 06.11.2020.

Ausschnitt des Testberichtes des Infrarotsensors hinten links vom 06.11.2020.

Ausschnitt des Testberichtes des Infrarotsensors hinten rechts vom 06.11.2020.

Der gesamte Testbericht ist in SVN hinterlegt, die gesamte Überprüfung der Infrarotsensoren ist erfolgreich ausgefallen, weder die Kennlinien mussten nach den gezeigten Tests angepasst werden, noch die elektrische Verbindung repariert werden.

Gierratensensor

Für den Gierratensensor wurde das gleich Vorgehen angewendet, wie bei den Infrarotsensoren. Nachdem die konkrete Einbauposition des Sensors im Fahrzeug ermittelt wurde, erfolgte zunächst die Prüfung der elektrischen Verbindung des Gierratensensors im gesamten Fahrzeuges. Die Pinbelegung und der Anschluss des Sensors ist im Artikel des Gierratensensors hinterlegt. Dieser erste Schritt bestand aus der Prüfung der elektrischen Verbindung zwischen dem Gierratensensor, der auf der Adapterplatine befestigt ist, und der DS1104. Es wurde mittels einer Durchgangsprüfung zwischen den Komponenten die Verbindungen verifiziert. Es wurden alle Tests bestanden, das Testprotokoll ist in SVN hinterlegt. Die folgenden Bilder zeigen beispielhaft das Testvorgehen.

Erfolgreicher Durchgangstest am Stecker der DS1104.

Ausschnitt des Testberichtes des Gierratensensors vom 22.10.2020.

Den nächsten Schritt in der Funktionsanalyse bildete die aktive Prüfung der Sensorfunktion. Dazu wurde ein Simulinkmodell eingesetzt, das direkt einen unkomplizierten Einblick in die Signalverläufe ermöglicht, ebenso einfach gestaltet sich die Betrachtung der rohen unbehandelten Messdaten. Die Ergebnisse sind in SVN hinterlegt, sowie die Vorgehensweise in dem Artikel des Gierratensensors.

Den letzten Schritt der Überprüfung des Gierratensensors bildet die Verifizierung der Kalibrierung. Die Kalibrierung und die Offset-Kompensation mit Filterung erfolgen in Simulink, in der Software, die für den Endeinsatz vorgesehen ist. Die eingesetzten Simulinkblöcke ermöglichen eine Umrechnung der rohen unbehandelten Messdaten in die Einheit Grad und Radiant. Der Winkel in Radiant wird in dem gesamten weiteren Projekt eingesetzt. Das Vorgehen der Prüfung ist im Artikel der Gierratensensor hinterlegt. Die folgenden Bilder zeigen die letzten Testergebnisse, sowie die allgemeine Teststruktur.

Messwerte des Gierratensensors in Controldesk

Drehung des Fahrzeuges zur Prüfung des Gierratensensors.

Ausschnitt des Testberichtes des Gierratensensors vom 12.11.2020.

Der gesamte Testbericht ist in SVN hinterlegt, die gesamte Überprüfung des Gierratensensors ist erfolgreich ausgefallen, weder die Signalverarbeitung mussten nach den gezeigten Tests angepasst werden, noch die elektrische Verbindung repariert werden.

Zusammenfassung

Nach Abschluss der jeweiligen Meilensteine werden die Ergebnisse hier kurz resümiert.

Meilenstein 1

• Spezifikations-ID 2000:

  Absprache des Einparkkonzeptes unter Berücksichtigung der vorhandenen Algorithmen mit dem Team AEP - Einparkalgorithmus $\rightarrow$ erledigt

• Spezifikations-ID 2010:

  Analyse und Dokumentation der IR-Sensoren $\rightarrow$ erledigt

Meilenstein 2

• Spezifikations-ID 2015:

  Prüfung der Simulation der Einparksensorik, insbesondere der Simulationsgeschwindigkeit und -performanz, sowie Funktionsfähigkeit der GUI für den Test der Einparksensorik $\rightarrow$ erledigt

• Spezifikations-ID 2020:

  Erweitere Absprache der Schnittstelle zwischen Einparksensorik und Einparkalgorithmus mit dem Team AEP - Einparkalgorithmus, Benennungskonzept mit einheitlichen Funktions- und Variablennamen mit Orientierung an Programmierrichtlinien, Nachhaltige Kommunikation und Dokumentation in Wiki-Artikeln $\rightarrow$ erledigt

• Spezifikations-ID 2045:

  Erweiterte Analyse und Dokumentation der gesamten Einparksensorik, Analyse der Integration der Sensoren im Offline-Modell inkl. begleitender Neustrukturierung und Organisation, Dokumentation des Ist-Zustandes im Wiki-Artikel $\rightarrow$ erledigt

Meilenstein 3

Befindet sich in Bearbeitung:

• Spezifikations-ID:
• Spezifikations-ID:

Meilenstein 4

• Spezifikations-ID:
• Spezifikations-ID:

Ausblick

Im nächsten Schritt erfolgt die Umsetzung weiterer Arbeitspakete zum Meilenstein 3. Die Möglichkeit der Bearbeitung der folgenden Spezifikationen ist abhängig von der Situation der Hochschule und der COVID-19-Pandemie. Die Arbeitspakete untergliedern sich in folgende Spezifikations-IDs:

• Spezifikations-ID 2005:

  Einsatz IR-Sensoren im Online-Modell $\rightarrow$ offen

• Spezifikations-ID 2025:

  Charakterisierung der Sensorik $\rightarrow$ offen

• Spezifikations-ID 2030:

  Optimierung der Signale $\rightarrow$ offen

Offene Punkte

Hier werden nach MS4 offene Punkte eingetragen, an denen sich Folgesemester bei Erstellung des Pflichtenheftes orientieren können.

Link zum Quelltext in SVN

• Branch des Teams AEP Einparksensorik aus dem MS1
• Trunk des autonomen Fahrzeugs

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