BSF - Längsregelung und Querregelung

Autor: Alessio Cebeci, Daoyin Wang
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Einleitung

Es wird ein Fahrzeug entwickelt, welches sich an den Anforderungen und Bedingungen des CaroloCups orientiert. Hierbei handelt es sich um einen Wettbewerb, indem studentische Teams mit autonom fahrenden Modellfahrzeugen Parcoure und Einparksituationen meistern müssen. Es wird in diesem Artikel in erste Teil über Antrieb, Lenkung und Fernbedienung; in zweite Teil über Längsregelung und Querregelung vorgestellt.

Anforderungen

Abbildung1 der Anforderung

Abbildung2 der Anforderung

Abbildung3 der Anforderung

Pflichtenheft

MS3-MS4

Überprüfung der Hardware

In dem folgenden Abschnitt geht es um die Überprüfung des Antriebs, der Lenkung und der Fernbedienung des Carolo Cup Fahrzeugs. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf die Ansteuerung und das Empfangen von PWM Signale. Das Signal wird mit 50 Hz übertragen und hat demnach eine Periodendauer von 20 ms. Innerhalb jeder Periode befindet sich ein Impuls der zu Beginn eine steigende Flanke (5 V) sendet, die ca. bis 2,5 ms andauern kann und fällt dann ab auf 0 V. Die Pulsdauer ist variable und dient zur Steuerung von Antrieb und Lenkung. Wie in Abbildung 1 zusehen ist, lässt sich der Arm eines Servomotors für die Lenkung Grad genau steuern.

Abb 1: Prinzip der PWM-Ansteuerung (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Tastgrad)

Ein weiter wichtiger Parameter ist der Tastgrad D. Er gibt das Verhältnis zwischen der Pulsdauer und der Periodendauer an. In Abbildung 2 ist die Berechnungsformel zusehen. Multipliziert man das Ergebnis mit dem Faktor 100, so erhält man den prozentuellen Anteil der Pulsdauer im Verhältnis zu der Periodendauer. Dieser Parameter ist im weiteren Verlauf interessant, da das Programm Control Desk von dSpace, das PWM - Signal in den Tastgrad D umwandelt und anzeigt.

Abb 2: Berechnung des Tastgrads D (Quelle: https://kompendium.infotip.de/servos.html)

Darstellung des Testaufbaues

Abb : Testaufbauschaubild

Überprüfung des Antriebs

Die Überprüfung des Antriebs gliedert sich in zwei Phasen. In der ersten Phase wird eine Komponentenspezifikation erstellt, die alle Merkmale des Antriebs beinhaltet. In der zweiten Phase wird der aktuelle Zustand des Fahrzeugs in punkto Antrieb begutachtet. Dazu wird jeder Fall der Komponentenspezifikation am Fahrzeug getestet und ein Testbericht erstellt.

Komponentenspezifikation

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Aspekte, die im Bereich des Antriebs am Carolo Cup Fahrzeug überprüft werden sollen.

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Der Servo-Motor muss fest am Fahrzeug verbaut sein.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
2	Der Servo-Motor muss an die dSpace-Karte angeschlossen sein.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
3	Die Anschlussleitungen des Servo-Motors sollten unbeschädigt und fachgerächt angeschlossen sein.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
4	Der Motor sollte über die dSpace-Karte ansteuerbar sein.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
5	Der Motor soll entsprechend der gesetzten Parameter Leistung abgeben.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020

Testbericht der Überprüfung des Antriebs

Die Überprüfung des Antriebes, wurde mit Hilfe eines Windows-Rechner, einer dSpace-Karte und den Programmen Matlab Simulink und Control Desk durchgeführt. Der Motor des Carolo Cup Fahrzeugs ist an die dSpace-Karten angeschlossen. Des Weiteren ist diese mit dem Windows-Rechner auf dem Fahrzeug verbunden. Auf dem Rechner sind die Programme Matlab Simulink und Control Desk installiert. Mit den Programme wurde eine Verbindung von Control Desk zum Antrieb geschaffen. So könnte über eine Schieberegler (siehe Abb 3) der Antrieb angesteuert werden.

Abb 3: Steuerung des Antriebs über Control Desk

Bei der Durchführung, wurden die folgenden Testfälle überprüft.

ID	Testfallbeschreibung	Eingang ()	Ausgang ()	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Bewertung	Testperson	Datum
1	Das Rad des Fahrzeugs ist bei einer Pulsdauer von ca. 1,75 ms in Nullstellung (Stillstand).Abb 9	1,70 - 1,80 ms	Drehrichtung = 0	Drehrichtung = 0	Drehrichtung = 0	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020
2	Das Rad des Fahrzeugs dreht sich im Bereich einer Pulsdauer von 1,0 ms und 1,75 ms nach rechts (vorwärts).Abb 8	1,0 - 1,75 ms	Drehrichtung = Rechts	Drehrichtung = Rechts	Drehrichtung = Rechts	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020
3	Das Rad des Fahrzeugs dreht sich im Bereich einer Pulsdauer von 1,75 ms und 2,0 ms nach links (rückwärts).Abb 10	1,75 - 2,0 ms	Drehrichtung = Rechts	Drehrichtung = Rechts	Drehrichtung = Rechts	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020

Überprüfung der Lenkung

Die Überprüfung der Lenkung gliedert sich in zwei Phasen. In der ersten Phase wird eine Komponentenspezifikation erstellt, die alle Merkmale der Lenkung beinhaltet. In der zweiten Phase wird der aktuelle Zustand des Fahrzeugs in punkto Lenkung begutachtet. Dazu wird jeder Fall der Komponentenspezifikation am Fahrzeug getestet und ein Testbericht erstellt.
Zurück zur tatsächlichen Situation können wir sie in sechs Möglichkeiten einteilen. Es ist so wie folgende Bilders.

Diagramm der -	- theoretischen -	- Situation
Abb 4: Lenkung Nullstellung	Abb 5: Lenkung nach Links	Abb 6: Lenkung nach Rechts

Komponentenspezifikation

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Aspekte, die im Bereich der Lenkung am Carolo Cup Fahrzeug überprüft werden sollen.

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Die Mechanik der Lenkung muss in Bezug auf die Nullstellung kalibriert sein.	Daoyin Wang	28.10.2020	Alessio Cebeci	03.11.2020
2	Wenn der Lenkmotor in Nullstellung steht, dann soll das Rad senkrecht zu Achse steht.	Daoyin Wang	28.10.2020	Alessio Cebeci	03.11.2020
3	Bei Vorgabe eines (math.) negativen Lenkwinkels muss das Fzg um den Betrag dieses Winkels nach rechts Lenken	Daoyin Wang	28.10.2020	Alessio Cebeci	03.11.2020
4	Bei Vorgabe eines (math.) positiven Lenkwinkels muss das Fzu um den Betrag dieses Winkels nach links lenken	Daoyin Wang	28.10.2020	Alessio Cebeci	03.11.2020

Testergebnis der Überprüfung der Lenkung

Die Überprüfung der Lenkung, wurde mit Hilfe eines Windows-Rechner, einer dSpace-Karte und den Programmen Matlab Simulink und Control Desk durchgeführt. Die Lenkung des Carolo Cup Fahrzeugs ist an die dSpace-Karten angeschlossen. Des Weiteren ist diese mit dem Windows-Rechner auf dem Fahrzeug verbunden. Auf dem Rechner sind die Programme Matlab Simulink und Control Desk installiert. Mit den Programme wurde eine Verbindung von Control Desk zur Lenkung geschaffen. So könnte über eine Schieberegler die Lenkung angesteuert werden.

Abb 7: Steuerung der Lenkung über Control Desk

ID	Testfallbeschreibung	Eingang (Pulsdauer)	Ausgang (Lenkwinkel)	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Bewertung	Testperson	Datum
1	Der Lenkwinkel ist bei ca. einer Pulsdauer von 1.5 ms in Nullstellung.Abb 12	1.5 ms	Lenkwinkel = 0°	Lenkwinkel = 0°	Lenkwinkel = 0°	i.O.	Daoyin Wang	03.11.2020
2	Der Lenkwinkel ist bei einer Pulsdauer von ca. 1.0 - 1.5 ms zwischen - 24° und 0°. Abb 11	1.0 - 1.5 ms	Lenkwinkel ist zwischen - 24° und 0°.	Lenkwinkel ist zwischen - 24° und 0°.	Lenkwinkel ist zwischen - 24° und 0°.	i.O.	Daoyin Wang	03.11.2020
3	Der Lenkwinkel ist bei einer Pulsdauer von ca. 1.5 - 2.0 ms zwischen 0° und 24°.Abb 13	1.5 - 2.0 ms	Lenkwinkel ist zwischen 0° und 24°.	Lenkwinkel ist zwischen 0° und 24°.	Lenkwinkel ist zwischen 0° und 24°.	i.O.	Daoyin Wang	03.11.2020

Überprüfung der Fernbedienung

Bei der Überprüfung der PWM-Signale von Antrieb und Lenkung der Fernbedienung wurde ein Oszilloskope eingesetzt. Als erstes wurde an dem Empfänger eine externe Spannungsquelle angeschlossen. Im zweiten Schritt wurden die Prüfspitzen des Oszilloskops mit einem der beiden PWM-Anschlüssen und dem Ground verbunden. Durch die Betätigung der mechanischen Lenkung und des Antriebs, konnten unterschiedliche Pulsdauern erzeugt werden, die im Oszilloskope zusehen waren. Im zweiten Schritt, wurde der Empfänger an die dSpace-Karte angeschlossen. Dadurch könnten auch die Signale mittels Control Desk überprüft werden. Dabei ist aufgefallen, das die Werte des Tastgrads minimal abweichen.

Komponentenspezifikation

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Aspekte, die im Bereich des Antriebs am Carolo Cup Fahrzeug überprüft werden sollen.

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Der Empfänger der Fernbedienung muss fest am Fahrzeug verbaut sein.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
2	Der Empfänger der Fernbedienung muss an die dSpace-Karte angeschlossen sein.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
3	Die Anschlussleitungen des Empfängers der Fernbedienung sollten unbeschädigt und fachgerächt angeschlossen sein.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
4	Der Empfänger sollte an die dSpace-Karte , bei einer Betätigung der Lenkung an der Fernbedienung, korrekte Parameter übermitteln.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020
5	Der Empfänger sollte an die dSpace-Karte , bei einer Betätigung des Gaspedals an der Fernbedienung, korrekte Parameter übermitteln.	Cebeci	28.10.2020	Daoyin Wang	03.11.2020

Testbericht der Überprüfung der Fernbedienung und des Empfängers

PWM -	- Signal -	- Bilder
Abb 8: Antrieb gas geben	Abb 9: Antrieb Nullstellung	Abb 10: Antrieb rückwärts
Abb 11: Lenkung nach links	Abb 12: Lenkung Nullstellung	Abb 13: Lenkung nach rechts

ID	Testfallbeschreibung	Eingang ()	Ausgang ()	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Bewertung	Testperson	Datum
1	Wenn das Lenkrad der Fernbedienung in Nullstellung steht, dann beträgt die Pulsdauer ca. 1,5 ms.Abb 12	Drehrichtung = 0	1,5 ms	1,5 ms	1,5 ms	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020
2	Wenn das Lenkrad der Fernbedienung nach links gedreht wird, dann beträgt die Pulsdauer zwischen ca. 1,0 bis 1,5 ms.Abb 11	Drehrichtung = Links	1,0 - 1,5 ms	1,0 - 1,5 ms	1,0 - 1,5 ms	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020
3	Wenn das Lenkrad der Fernbedienung nach betätigt wird, dann beträgt die Pulsdauer zwischen ca. 1,5 bis 2,0 ms. Abb 13	Drehrichtung = Rechts	1,5 - 2,0 ms	1,5 - 2,0 ms	1,5 - 2,0 ms	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020
4	Wenn das Gaspedal der Fernbedienung nicht betätigt wird, dann beträgt die Pulsdauer der Nullstellung (Stillstand) ca. 1,75 ms.Abb 9	Pedalstellung = mittig	1,75 ms	1,75 ms	1,75 ms	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020
5	Wenn das Gaspedal der Fernbedienung nach hinten gedrückt wird, dann beträgt die Pulsdauer zwischen ca. 1,00 bis 1,75 ms.Abb 8	Pedalstellung = zwischen hinten und mittig	1,00 - 1,75 ms	1,00 - 1,75 ms	1,00 - 1,75 ms	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020
6	Wenn das Gaspedal der Fernbedienung nach vorne gedrückt wird, dann beträgt die Pulsdauer zwischen ca. 1,75 bis 2,0 ms.Abb 10	Pedalstellung = zwischen mittig und vorne	1,75 - 2,0 ms	1,75 - 2,0 ms	1,75 - 2,0 ms	i.O.	Alessio Cebeci	03.11.2020

Wartung und Instandhaltung des mechanischen Antriebs

In diesem Abschnitt soll es um die Wartung und Instandhaltung des mechanischen Antriebs des Fahrzeugs gehen. Im Vorfeld fiel auf dass die Laufgeräusche des mechanischen Antriebs ungewöhnlich laut waren als üblich. Darauf hin wurde die Mechanik zwischen dem Elektromotor und dem Rad kontrolliert. Es stellet sich heraus, dass das Getriebe und weitere Teile nicht beschädigt waren, jedoch die Schmierung des Getriebes, der Zahnräder und der Gelenkwellen kaum oder nicht vorhanden waren. Dem zu Grunde wurden folgende Maßnahmen durchgeführt:

- Schmierung des Getriebes
- Schmierung der Köpfe der Gelenkwelle
- Leichte Schmierung der Zahnräder vom Übergang des Getriebes zum Motor
- Einstellung des Abstandes der Zahnräder zwischen dem Übergang des Getriebes zum Motor

Nach der durchgeführten Wartung waren die Laufgeräusche des Antriebs deutlich leiser.

Wartung und Instandhaltung der Lenkung

In diesem Abschnitt soll es um die Wartung und Instandhaltung der mechanischen Lenkung des Fahrzeugs gehen.
Wenn sich die Fernbedienung in der Nullposition befindet, stellt das Fahrzeug seine Lenkung so ein, dass das Fahrzeug geradeaus fährt. Da dies zu Beginn der Arbeiten nicht der Fall war, wurde zunächst die Vorderachse eingestellt. Die Fernbedienung verfügt über ein sogenanntes Trimmrad zur Feinkalibrierung.
Die Anschluss und die mechanische Leistung des Fahrtrichtungsreglers und der Vorderräder werden überprüft . Es stellt sich heraus, dass die Lenkung und andere Teile nicht beschädigt sind, aber die Verbindung locker ist und ein gewisser Versatz vorliegt.
Folgende Maßnahmen wurden ergriffen.

• Lenkwinkel kalibreren
• Verbindung festziehen

Nach der durchgeführten Wartung waren die Lenkung genauer und präziser.

Überprüfung der Regelungen

Überprüfung der Längsregelung

Testspezifikation

ID	Testfallbeschreibung	Eingänge(SenKam_StoplinieAbst_f64, SenKam_StoplinieFlag_bit, SenKam_SpurA_f64)	Ausgang(BsfVx_VxSoll_f64)	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Das Fahrzeug fährt mit maximaler Geschwindigkeit, wenn keine Kurve erkannt wurde.	SenKam_StoplinieAbst_f64 = 0, SenKam_StoplinieFlag_bit = 0, SenKam_SpurA_f64 = 0	BsfVx_VxSoll_f64 = 0.75	Vollgas	BsfVx_VxSoll_f64 = 0.75
2	Das Fahrzeug fährt bei einer erkannten Linkskurve, mit angepasster reduzierter Geschwindigkeit.	SenKam_StoplinieAbst_f64 = 0, SenKam_StoplinieFlag_bit = 0, SenKam_SpurA_f64 > 0	0 < BsfVx_VxSoll_f64 < 0.75	Bremsen auf angepasste Geschwindigkeit	0 < BsfVx_VxSoll_f64 < 0.75
3	Das Fahrzeug fährt bei einer erkannten Rechtskurve, mit angepasster reduzierter Geschwindigkeit.	SenKam_StoplinieAbst_f64 = 0, SenKam_StoplinieFlag_bit = 0, SenKam_SpurA_f64 < 0	0 < BsfVx_VxSoll_f64 < 0.75	Bremsen auf angepasste Geschwindigkeit	0 < BsfVx_VxSoll_f64 < 0.75

ID	Testfallbeschreibung	Eingänge(Famo_VxSoll_f64, SenVx_vx_K_f64)	Ausgang(BsfLaengs_RegelDiff_f64, BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64)	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Das Fahrzeug fährt mit maximaler Geschwindigkeit wenn keine Kurve erkannt wurde.	Famo_VxSoll_f64 = 0.75, SenVx_vx_K_f64 = 0.75	BsfLaengs_RegelDiff_f64 = 0, BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64 = 0.55	Vollgas	BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64 = 0.55
2	Das Fahrzeug fährt bei einer erkannten Linkskurve, mit angepasster reduzierter Geschwindigkeit.	0.0 < Famo_VxSoll_f64 < 0.75, 0.0 < SenVx_vx_K_f64 < 0.75	BsfLaengs_RegelDiff_f64 < 0, 0 < BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64 < 0.55	Bremsen auf angepasste Geschwindigkeit	BsfLaengs_RegelDiff_f64 < 0, 0 < BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64 < 0.55
3	Das Fahrzeug fährt bei einer erkannten Rechtskurve, mit angepasster reduzierter Geschwindigkeit.	0.0 < Famo_VxSoll_f64 < 0.75, 0.0 < SenVx_vx_K_f64 < 0.75	BsfLaengs_RegelDiff_f64 < 0, 0 < BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64 < 0.55	Bremsen auf angepasste Geschwindigkeit	BsfLaengs_RegelDiff_f64 < 0, 0 < BsfLaengs_Gaspedal_Soll_f64 < 0.55

Überprüfung der Querregelung

Das Fahrzeug fährt auf dieser Fahrspur ohne Hindernisse.

ID	Testfallbeschreibung	Eingänge( SenKam_SpurA_f64, SenKam_SpurB_f64, SenKam_SpurC_f64, Regelentfernung)	Ausgang( BSFQuer_Querablage_Soll_o_H_f64)	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Wenn keine Kurve erkannt wird, fährt das Fahrzeug normale.	SenKam_SpurA_f64 = 0	BSFQuer_Querablage_Soll_o_H_f64 = 0	normale fahren	BSFQuer_Querablage_Soll_o_H_f64 = 0
2	Wenn eine Linkskurve erkannt wird, erhält das Fahrzeug ein Signal, nach links abzubiegen.	SenKam_SpurA_f64 > 0	0 < BSFQuer_Querablage_Soll_o_H_f64 < 0.13	nach links abbiegen	0 < BSFQuer_Querablage_Soll_o_H_f64 < 0.13
3	Wenn eine Rechtskurve erkannt wird, erhält das Fahrzeug ein Signal, nach Rechts abzubiegen.	SenKam_SpurA_f64 < 0	-0.13 < BSFQuer_Querablage_Soll_o_H_f64 < 0	nach Rechts abbiegen	-0.13 < BSFQuer_Querablage_Soll_o_H_f64 < 0

Das Fahrzeug fährt auf dieser Fahrspur mit statische Hindernisse.

ID	Testfallbeschreibung	Eingäng(Abstand, Strecke, Streckendifferenz)	Ausgang(HinderniBit, Offset)	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Wenn das Fahrzeug keine Hindernisse erkennt, fährt es normal.	Abstand > 1.2	HindernisBit = 0, Offset = 0	normale fahren	HindernisBit = 0, Offset = 0
2	Wenn das Fahrzeug ein Hindernis vor der aktuellen Straße erkennt. Erstens, wenn die beiden eine ausreichende Abstand erreichen, vermeidet das Fahrzeug Hindernisse : nach links abbiegen.	0.1 < Abstand < 1.2 , Streckendifferenz = Strecke	HindernisBit = 1, Offset = 0.2	nach links abbiegen	HindernisBit = 1, Offset = 0.2
3	Wenn das Fahrzeug ein Hindernis vor der aktuellen Straße erkennt. Dann, Wenn das Fahrzeug eine ausreichende Strecke zurücklegt, kehrt das Fahrzeug zur ursprünglichen Fahrspur zurück: nach rechts abbiegen.	(Strecke - Streckendifferenz) >= 1.4	HindernisBit = 0, Offset = 0	etwa fahren und dann nach Rechts abbiegen	HindernisBit = 0, Offset = 0

Literaturverzeichnis

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