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.

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 im aktuellen Stand zeigt sich wie folgt:

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.

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.

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

---

→ zurück zum Hauptartikel: Praktikum SDE