AF: Laengsgeschwindigkeit (SenVx)
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Autoren: Louis Holtapel & Can Nen
Im autonomen Fahrzeug ist der Hall-Sensor ein unverzichtbarer Bestandteil der Sensorik. Er ist dafür zuständig, die Fahrzeuggeschwindigkeit zu ermitteln und somit auch die zurückgelegte Strecke zu berechnen. Der Sensor befindet sich am Antriebsmotor und ermöglicht es zusätzlich, die Fahrtrichtung zu bestimmen. Diese Informationen sind wesentliche Komponenten des Regelkreises für die Bahnplanung und Spurführung. Die Messung der zurückgelegten Strecke ist auch für den Einparkalgorithmus von Bedeutung, da sie zur Bestimmung der Parklückengröße benötigt wird.
Primärsensor
Als Primärsensor wird ein Hall-Sensor verwerndet. Die Hall-Sensorik ist in dem Motor LRP Vector X12 StockSpec 17.5T (siehe Abb. 1) integriert.
Über den Motor mit intergrierter Hall-Sensorik ist bereits ein Artikel vorhanden, wo dieser genau erläutert wird: Hall-Sensor
Messkette
Systementwurf
Wie bereits erläutert ist die Hall-Sensorik im Antriebsmotor integriert.
Der Sensoranschlussplan, die Signalverarbeitung udn die Hardwareanbindung, sprich die Schnittstelle zur DS1104 wird bereits ausführlich in einem anderen Artikel erläutert.
Link zum passenden Kapitel: Hall-Sensor
Sensorblock - SenVx-Laengsgeschwindigkeit
In dem Modell für die Geschwindigkeitsermittlung wird zuallererst überprüft, ob die Geschwindigkeit bei vx=0 ist. Dies erfolgt in dem ersten grauen Block auf der linken Seite. Hierfür wird der aktuelle Geschwindigkeitsrohwert mit den letzten 5 Werten verglichen. Über den Vergleich dieser Werte kann man bestimmen, ob das Auto aktuell steht oder sich in Bewegung befindet. Nur wenn das Auto sich bewegt wird das Signal weitergeleitet. Dieses Signal läuft anschließend über die min/max-Begrenzung, damit das Auto nicht schneller als die zugelassene Geschwindigkeit fährt. Wenn der Geschwindigkeitsrohwert über der min/max-Begrenzung liegt, wird dieser auf die Begrenzung reduziert. Im selben Zug wird die Änderungsrate (Beschleunigung) auf 1m/ss reduziert. Über die Variable "WAY_DIRECTION" wird im zweiten grauen Block die Fahrtrichtung festgelegt. Wenn die Fahrtrichtung rückwärts ist, bekommt die Geschwindigkeit ein negatives Vorzeichen.
In Abbildung 2 wird das Simulink Modell für die Längsgeschwindigkeit dargestellt.
Praktische Aufgabe
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Für die praktische Aufgabe müssen alle Messwerte der Messkette, beginnend am Primärsensor gemessen werden. Hierfür wird eine Teststrecke abgefahren. Der Gliedermaßstab (siehe Abb. 3) visualisiert eine Strecke von 2 Metern. Das Fahrzeug ist mit einem kleinen Abstand zu diesem aufgestellt, damit beschleunigt werden kann und auf der Höhe des Gliedermaßstabs bereits die Sollgeschwindigkeit erreicht ist. Sobald das Fahrzeug losfährt und die Höhe des Gliedermaßstabs erreicht hat, wird die Zeit bis zum Ende der 2 Meter mit einer Stoppuhr gemessen.
Zuerst wurde diese Fahrt mit der Fernbedienung gesteuert. Dabei ist man auf das Problem gestoßen, dass es nahezu unmöglich ist, mit der Fernbedienung eine konstante Geschwindigkeit zu fahren. Aus diesem Grund entschied man sich, das ControlDesk zur Steuerung des Autos zu nutzen. Hierfür wird über das ControlDesk in einem Layout eine konstante Geschwindigkeit angegeben (siehe Abb. 4) Unter dem Slider erkennt man anhand des hellblauen Graphen, dass die Fahrgeschwindigkeit nahezu konstant ist.
Diese Messung wurde mehrmals wiederholt und den Mittelwert der gemessenen Zeit genommen, um einen möglichst genauen Wert zu erhalten. Während der Messungen wurden parallel die Variablen der Messkette vom Primärsensor bis zur Geschwindigkeit mit den ControlDesk aufgezeichnet und in einer Datei für die weitere Auswertung abgespeichert. Als Referenz werden die 2 Meter des Gliedermaßstabs genommen. Für die Zeit wurden im Schnitt 2,5 Sekunden gestoppt. Daraus ergibt sich eine Referenzgeschwindigkeit von 0,8 m/s.
Signalanalyse
Signalanalyse mit Controldesk
Für die Signalanalyse wird der mit Controldesk festgelegten Geschwindigkeit wird die im vorangegangen Abschnitt verwendete Referenzgeschwindigkeit von 0,8 m/s verwendet. Es wurden alle Geschwindigkeitswerte gegen den Referenzwert geplottet, sowie die zurückgelegte Strecke SenVx_Sx_K_f64 und die Hallsensorpegel für die Sensoren A,B und C.
Geschwindigkeitsmessung mit Referenzwert
Die Geschwindigkeitsmessung in Abbildung 5 zeigt, dass die Geschwindigkeitswerte bei gleichbleibender Geschwindigkeit stark verrauscht sind bis die Begrenzung der Rate auf 1m/s² einsetzt (SenVx_Vx_RateBegrenzt_f64). Desweiteren liegen die Geschwindigkeitswerte im Konstanten Geschwindigkeitsbereich leicht über dem Referenzwert. Erst nach dem Tiefpassfilter (SenVx_vx_K_f64) wird ein Geschwindigkeitswert im Bereich des Referenzwertes erfasst. Der Spitze Verlauf des letzten Graphen entspricht jedoch nicht dem tatsächlichen Geschwindigkeitsverlauf. Dies könnte an einem falsch Parametrierten Tiefpassfilter (PT1) liegen. Des Weiteren sind die Werte nachdem vx = 0 überprüft wurde (ab SenVx_vx_KorrNull_f64) stark verrauscht.
Streckenmessung
Die Streckenmessung in Abbildung 6 ergibt eine gefahrene Strecke von ca. 3m und entspricht somit, wenn die Beschleunigungs- und Abbremsstrecke berücksichtigt wird der tatsächlichen Messstrecke. Auffällig ist,dass die Strecke bei Vorwärtsfahrt negativ gezählt wird.
Hallsensormessung
Abbildung 7 zeigt die Pegel der drei Hallsensoren. Der Verlauf der Hallpegel ist erwartungsgemäß.
Signalanalyse mit Fernbedienung (dynamisch)
Die dynamische Signalanalyse zeigt die Geschwindigkeitswerte, sowie die gefahrene Strecke und den Verlauf des Fahrtrichtungsbits (Sen_Vx_Fahrtrichtung_bit). Hierzu wurde mit der Fernbedienung einmal vorwärts und einmal rückwärts gefahren.
Geschwindigkeitsmessung
Beim Messen von inkonstanten Geschwindigkeiten kommt es wie Abbildung 8 zeigt zu einer Fehlerhaften Filterung von Messwerten. Ab der Vierten Aufzeichnung (SenVx_vxRateBegrenzt_f64) sind fast alle Geschwindigkeitswerte herausgefiltert, sodass auch alle Folgemessungen bis auf kleine Ausreißer keine Geschwindigkeit mehr anzeigen. Damit wird deutlich, dass bei Fahrt mit inkonstanter Geschwindigkeit das Rauschen der Messung so groß ist, dass die Geschwindigkeitswerte vollständig durch die Ratenbegrenzung herausgefiltert werden. Die Rückwärtsfahrt wird nach der Richtungsbestimmung als negativer Wert im Graph angezeigt, der Geschwindigkeitswert ist jedoch zu klein, was auf den Vorangegangen Punkt zurückzuführen ist.
Streckenmessung
Die Streckenmessung in Abbildung 9 zeigt die gleiche Auffälligkeit wie bei der Messung mit ControlDesk. Ebenso zeigt diese Messung, dass bei einer Rückwärtsfahrt vorwärts gemessen wird. Die Streckenmessung muss also invertiert werden.
Fahrtrichtungsbit
Das Fahrtrichtungsbit steht bei Rückwärtsfahrt auf 1 und bei Vorwärtsfahrt auf 0.
Liste offener Punkte (LOP)
| # | Problem | Analyse | Maßnahme | Freigabe | Wirksamkeit | Dokumentation |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Wert zurückgelegter Strecke wird negativ gezählt | Vorzeichen bei Streckenberechnung falsch | Invertieren von SenVx_sx_K_f64 | |||
| 2 | Geschwindigkeitswerte werden herausgefiltert | Ratenbegrenzung filtert Werte weg | Ratenbegrenzung durch Median-Filter ersetzen | |||
| 3 | Gerichtete Geschwindigkeit bei Rückwärtsfahrt wird nicht angezeigt | Ratenbegrenzung filtert vorher zu stark | Siehe Punkt 2 | |||
| 4 | Falscher Geschwindigkeitsverlauf bei SenVx_vx_K_f64 | PT1 filtert zu stark | Frequenz des PT1 anders Parametrieren oder gegen Median-Filter ersetzen | |||
| 5 | Geschwindigkeitswerte oberhalb des Referenzwertes | Berechnung der Geschwindigkeit weicht von Realwert ab (Schlupf?) | Geschwindigkeitsrohwert neu berechnen | |||
| 6 | Geschwindigkeitswerte ab SenVx_vxKorrNull_f64 stark verrauscht | Block zur Überprüfung von vx = 0 Fehlerhaft | Block überarbeiten |
Zusammenfassung
Der Hall-Sensor ist funktionsfähig. Sämtliche Werte lassen sich plotten und stimmen im groben mit dem Referenzwert überein. Die einzige Ausnahme ist die Messung der gefahrenen Strecke, welche aufsummiert wird und in den negativen Bereich läuft
Dokumentation in SVN
- Link zu Messdaten: Messdaten
- Link zur MATLAB®-Auswertung: Matlab Auswertung
- Datenblatt LRP Vector X12 StockSpec: LPR Vector X12 StockSpec
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