Stopplinien-Verhalten

Autoren: Hagen Heuer, Tim Kruse
Bearbeitet: Daniel Gosedopp, Ran Wei
Betreuer: Prof. Schneider, Prof. Göbel

Einleitung

Ziel ist es, das Verhalten des Fahrzeugs an Stopplinien entsprechend den Anforderungen im Lastenheft zu implementieren. Das Fahrzeug muss nach dem Lastenheft im Falle der Erkennung einer Haltelinie immer langsamer fahren. Befindet sich es an der Stopplinie, so muss es dort stoppen und zwei Sekunden halten. Anschließend überquert es Kreuzung und setzt die Weiterfahrt fort.

Anforderungen

Im Lastenheft des Projekts Carolo Cup wird die Anforderung an das Verhalten des Fahrzeugs an einer Stopplinie in REQ10.2340 festgehalten (s. Abbildung 1).

Abb. 1: Lastenheftauszug Stopplinien-Verhalten.

Die Umsetzung der Anforderung ist im Pflichtenheft wie folgt festgehalten:

Abb. 2: Pflichtenheftauszug zu REQ10.2340.

Folgende Anforderungen können festgelegt werden und im späteren Projekt berücksichtigt werden.

Trifft das Fahrzeug bei seiner Rundfahrt an eine Stopp-Kreuzung, so muss es 15 cm vor der Stopplinie anhalten.
Während das Fahrzeug auf die Stopplinie zufährt, muss die Geschwindigkeit des Fahrzeugs gedrosselt werden.
Das Fahrzeug muss vor der Stoppline halten und 2 Sekunden warten.
Nach der Wartezeit muss das Fahrzeug die Kreuzung passieren, ohne das die Stopplinie ein weiteres Mal erkannt wird.
Die Implementierung erfolgt in Matlab-Simulink.

Konzept

Als Basis für die Implementierung diente die vorhandene MATLAB-Funktion für das Verhalten an Stopplinien. Beim Testen dieser Funktion viel unter anderem auf, dass diese nicht lauffähig ist. Außerdem war die Implementierung der Weiterfahrt nach einer Stopplinie fehlerhaft, da das Fahrzeug die vorherige Stopplinie erneut erkennen würde. Daher wurde ein neues Konzept erstellt, in dem Teile der ursprünglichen Idee berücksichtigt wurden. Zunächst werden die externen Ein- und Ausgänge des Moduls definiert:

Grundidee

Das Modul BSF ermittelt unter anderem die Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Dies geschieht entweder auf Basis der Kurvenkrümmung oder wird bei Vorhandensein eines Hindernisses als konstant angenommen. Die Grundidee ist es, die Sollgeschwindigkeit bei Erkennung einer Stopplinie mit einem Faktor (Werte von 0 - 1) zu multiplizieren, also immer weiter zu verringern, bis das Fahrzeug 15cm vor der Linie stillsteht. Der Stillstand soll für zwei Sekunden beibehalten werden. Danach soll das Fahrzeug mit unveränderter Sollgeschwindigkeit weiterfahren (Faktor = 1). Den Verlauf des Faktorwertes zeigt Abb. 1.

Abbildung 1: Verlauf des Geschwindigkeitsbegrenzungsfaktors

Am Anfang ist der Faktor 1, bis eine Stopplinie erkannt wird. Dann verringert er sich kontinuierlich, bis zum Wert 0, sodass das Auto immer langsamer wird und schließlich 15cm vor der Stopplinie zum Stillstand kommt. Hier wird für zwei Sekunden gewartet. Danach wird der Faktor wieder auf 1 gesetzt, sodass wieder auf errechnete Sollgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Festlegung von Ein- und Ausgängen

Zur Umsetzung der Funktion werden zunächst die Ein- und Ausgänge festgelegt. Diese zeigt Tab. 1.

Tabelle 1: Ein- und Ausgangsvariablen
Art	Variablenname	Beschreibung	Einheit
Eingang	SenKam_StoplinienAbst_f64	Abstand von Fahrzeugfront zur Stopplinie	m
Eingang	SenKam_StoplinienFlag_bit	Gesetzt, wenn eine Stopplinie erkannt wird	-
Eingang	BsfVx_VxSoll_f64	Aktuelle Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs	m/s
Ausgang	BsfVx_Faktor_f64	Geschwindigkeitsbegrenzungsfaktor, falls Stopplinie erkannt wurde	-

Die Funktion ist als Zustandsautomat implementiert, mit einigen internen Variablen arbeitet. Diese sind:

Tabelle 2: Interne Variablen des Zustandsautomaten
Variable	Variablenname (Ausgang/Eingang)	Beschreibung	Einheit
Zustand	zustand/zustandIN	Aktueller Zustand des Automaten	-
Vorheriger Stopplinienabstand	stopplinienabstandAlt/stopplinienabstandAltIN	Abstand zur Stopplinie im vorherigen Zyklus	m
Haltezyklus	halteZyklus/halteZyklusIN	Wenn die Zykluszeit 0.01s beträgt, dann müssen für eine Anhaltezeit von 2s 2s/0.01s = 200 Zyklen gewartet werden. Diese Variable dient als Laufvariable zum hochzählen der Anzahl der verstrichenen Zyklen.	-
Faktor	faktor/faktorIN	Muss noch ermittelt werden.	-

Programmablauf

Das Programm wird als Zustandsautomat realisiert und arbeitet nach folgendem Ablauf:

Abb. 3: Progammablaufplan des Stopplinien-Verhaltens.

Zu Beginn werden Variablen eingelesen und initialisiert. Anschließend erfolgt die Abfrage des Zustands. Das Programm wird hierbei in vier Zustände unterteilt.

Zustand 1 - Auf Stopplinie warten
Im ersten Zustand werden zunächst Variablen an den Ausgang übergeben. Anschließend wird abgefragt, ob das Stopplinienflag 1 ist. Trifft dies zu wird der Zustand auf 2 gesetzt und der Stopplinienabstand in der Variable Faktor gespeichert. Wurde keine Stopplinie gefunden, so wird der Zustand nicht gewechselt.

Zustand 2 - Abbremsen nach Stopplinienerkennung
Ist der zweite Zustand aktiv, werden zunächst Variablen mit dem vorherigen Wert überschrieben. Ist der Stopplinienabstand Null, so wurde die Stopplinie verloren und der Stopplinienabstand wird mit Hilfe der Geschwindigkeit und dem Faktor sowie der Simulationszeit interpoliert. Dies geschieht durch die Rechnung "Neuer Stopplinienabstand = Alter Stopplinienabstand - Geschwindigkeit * Zykluszeit". Zuletzt wird die neue Sollgeschwindigkeit errechnet. Falls die errechnete Geschwindigkeit größer Eins sein sollte, wird der Faktor auf Eins begrenzt. Ist der Stopplinienabstand kleiner als 15 cm, werden die Motoren abgeschaltet und der Zustand auf Drei gesetzt. Zuletzt wird noch der Stopplinienabstand an den Ausgang übergeben.

Zustand 3 - Wartezeit verstreichen lassen
In Zustand 3 wird der aktuelle Haltezyklus mit dem vorgegebenen Haltezyklus verglichen. Mit Hilfe dieser Haltezyklen kann die Haltezeit erfasst werden, da die Simulationszeit konstant 0,005 Sekunden beträgt. Solange die Haltezyklen geringer sind, als die vorgegebene Zahl, werden diese inkrementiert und der Zustand nicht verlassen. Wird die vorgegebene Anzahl der Haltezyklen erreicht, die Wartezeit ist also abgelaufen, wird das Fahrzeug wieder beschleunigt und es wird in den vierten Zustand gewechselt.

Zustand 4 - Kreuzung überfahren Im vierten Case wird der Abstand zur Stopplinie abgefragt. Falls dieser größer Null ist, soll das Fahrzeug weiter fahren und den Zustand nicht verlassen. Falls der Abstand zur Stopplinie Null ist, soll wieder den ersten Zustand gewechselt werden, um auf eine neue Stopplinie reagieren zu können.

Funktionstests ergaben, dass das Einspurmodell für diese Anwendung nicht verwendet werden kann, da es Probleme mit einem stehenden Fahrzeug gibt. Daher wurde auf das Kinematikmodell zurückgegriffen und die Regelparameter angepasst, da dieses Modell auch für eine Geschwindigkeit kleiner 0,2 m/s² ausgelegt ist.

Umsetzung und Ergebnis der Simulationsumgebung

Autoren: Hagen Heuer, Tim Kruse

Die Umsetzung der Implementierung erfolgt wie bereits erwähnt im Offline-Modell mit Hilfe von Simulink und Matlab c-Code. Hierfür wurde eine Matlab-Funktion eingefügt und anhand des Programmablaufplans programmiert. Da die Funktion in jedem Zyklus neu aufgerufen wird, gehen die vorherigen Werte der Variablen verloren. Dies musst allerdings für zwei Werte verhindert werden, da diese im nächsten Zyklen von Bedeutung sind. Somit wurde das Ausgangssignal über einen Memory-Baustein an den Eingang zurück gegeben. Außerdem wurden im Memory-Baustein passende initialwerte hinterlegt, da im ersten Aufruf der Funktion noch keine Werte errechnet wurden.
Die Matlab-Funktion ist zudem in Abbildung 5 zu sehen.

Abb. 5: Matlab-Funktion

Das Ergebnis des Stopplinienverhalten wird in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Im ersten Diagramm ist das Stopplinienflag zu sehen, welches bei Detektion einer Stopplinie auf Eins wechselt.

Im zweiten Diagramm ist der dazugehörige Stopplinienabstand zu sehen. Diese ist solange Null bis eine Stopplinie erkannt wurde. Die Stopplinie kann ab einem Abstand von 1 Meter oder weniger erfasst werden. In der Kurve ist zudem gut zu erkennen, dass das Fahrzeug beginnt zu verzögern, da der Abstand nicht Linear abnimmt.
Funktionstest ergaben, dass es zu einem Verlust der Stopplinie kommen kann. Für diesen Fall wurde eine Interpolation des Stopplinienabstands implementiert. Hierdurch kann auf Basis der Geschwindigkeit der Stopplinienabstand errechnet werden.

Im letzten Diagramm wird die errechnete Geschwindigkeit ausgegeben. Auf diese wird der Faktor aus der Matlab-Funktion addiert. Auch in dieser Kurve ist gut zu sehen, dass das Fahrzeug verzögert. Wenn der Abstand 15 cm oder weniger beträgt, werden die Motoren abgeschaltet, da der Faktor auf Null abfällt.

Nach der zweisekündigen Wartezeit beschleunigt das Fahrzeug wieder und der Abstand zur Stopplinie nimmt linear weiter ab. Erreicht dieser Null, so wird die Stopplinie überfahren und das Stopplinienflag wird wieder Null.

Abb. 6: Ergebnis

Das Verhalten wird zudem im folgenden Video ersichtlich.

Unit-Test & Integrations-Test

Autoren: Hagen Heuer, Tim Kruse
Im Folgenden sind die einzelnen Testfälle für den Unit- und Integrations-Test zu sehen. Durch die Eingabe von Parametern konnten folgende Testfälle geprüft werden. Die fehlerfreie Funktionsweise ist zudem im eingefügten Video zu sehen.

ID	Testfallbeschreibung	Eingänge(`SenKam_StoplinieAbst_f64`, `SenKam_StoplinieFlag_bit`)	Ausgang(`BSFVx_Faktor_i8`)	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	Das Fahrzeug fährt mit der vorgegebenen Geschwindigkeit, wenn keine Stopplinie erkannt wurde.	SenKam_StoplinienFlag_bit = 0, SenKam_StoplinienAbst_f64 = 0	1	Vollgas	1	Heuer, Kruse	15.06.2020
2	Trifft das Fahrzeug bei seiner Rundfahrt an eine Stopp-Kreuzung so muss es 15cm vor der Stopplinie anhalten	SenKam_StoplinienFlag_bit = 1, SenKam_StoplinienAbst_f64 <= 15 Max_Abstand	0	Fahrzeug Stoppt	0	Heuer, Kruse	15.06.2020
3	Das Fahrzeug muss im Bereich zwischen 0.15m und 1m vor der Stopplinie immer langsamer fahren.	SenKam_StoplinienFlag_bit = 1, 15<SenKam_StoplinienAbst_f64<=100	0<`BSFVx_Faktor_i8`<1	Bremsen	0<`BSFVx_Faktor_i8`<1	Heuer, Kruse	15.06.2020
4	Das Fahrzeug bremst bei eingeleiteter Bremsung weiter ab, auch wenn das Stopplinienflag verloren geht.	SenKam_StoplinienFlag_bit = 0, SenKam_StoplinienAbst_f64 = 0	0<`BSFVx_Faktor_i8`<1	Bremsen	0<`BSFVx_Faktor_i8`<1	Heuer, Kruse	15.06.2020
5	Das Fahrzeug muss bei Stopplinienerkennung im Bereich weiter als 1m weiter normal fahren.	SenKam_StoplinienFlag_bit = 1, SenKam_StoplinienAbst_f64>100	`BSFVx_Faktor_i8` = 1	Nicht unterbrochene Fahrt	`BSFVx_Faktor_i8` = 1	Heuer, Kruse	15.06.2020

Diskussion

Design-Review des Konzept

In Abbildung 4 fehlt die Beschriftung der Achsen.

Gelöst am 06.06.2020

Warum woher kommt die 0.8, durch die der Abstand zur Stopplinie geteilt wird?

Behoben am 07.06.2020

Wie soll mit dem "Verlust" einer Stopplinie Umgegangen werden? (Stopplinie wird erkannt und als zu-überquerend klassifiziert, wird dann aber aus nicht näher bekannten Gründen nicht mehr erkannt)

Konzept dahingehend überarbeitet am 10.06.2020

Hier und da finden sich Rechtschreibfehler.

Rechtschreibfehler korrigiert am 27.06.2020

Review: Marius Köhler, 02.06.2020

Review des überarbeiteten Konzepts ergab keine Beanstandung.

Review II: Marius Köhler, 15.06.2020

→ zurück zur Übersicht: SDE-Team_2020/21