SDE SoSe26: AP 1.4 Querregelung
| 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/
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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 () die Gierrate () als Messgröße eingefügt. Diese soll den Winkelfehler bei dem Fahrzeug minimieren.
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
| 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.
Tests
| 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 (siehe Abbildung unten)
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 Verbesesserung 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.
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