AEP - Autonomes Einparken

Allgemeines

Anforderungen an die Disziplin

Die Anforderungen an das autonome Einparken in diesem Projekt wurden mit den Dozenten abgesprochen und richten sich teilweise an den Carolo Cup.

1. Das Fahrzeug muss auf einer geraden Straße - fahrend auf der rechten Straßenseite - eine passende Parklücke finden und in diese mit eventueller Berührung der Hindernisse parallel zur Straße einparken.
2. Das Einparkmanöver muss durch einen Taster am Fahrzeug gestartet werden können
3. Das Fahrzeug fährt an den rechts stehenden Hindernissen, auf der Suche nach einer ausreichend großen Parklücke, vorbei.
4. Sobald die erstmögliche Parklücke gefunden ist, muss das Einparken mit dem rechten Blinker signalisiert werden.
5. Nach Beendigung des Manövers, muss das Fahrzeug zwischen zwei Hindernissen mit einer maximalen Winkelabweichung von 10° zum Stehen kommen.

Während des Einparkvorgangs sind eventuelle Kollisionen mit den Hindernissen erlaubt und es ist kein Zeitfenster vorgegeben (so schnell wie möglich).

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 18:23, 3. Feb. 2014 (CET)

Auswahl der Sensoren

Die Sensoren wurden in Anlehnung an die Literaturrecherche der Lösungen anderer Carolo Cup Teilnehmer bereits vom Vorjahr ausgewählt. Für den Einparkvorgang werden zwei Infrarotsensoren (nachfolgend: IR) vom Typ Sharp GP2D120 verwendet.

Einer davon ist seitlich vorne am Fahrzeug montiert und wird dafür verwendet, die Parklücke zu finden und den Abstand zum seitlich parkenden Hindernis zu messen. Der zweite IR ist hinten-rechts angebrachte und misst den Abstand zum hinteren Hindernis, sobald sich das Fahrzeug zwischen den beiden Hindernissen befindet. Anhand des Abstandes wird entschieden, ob es noch ein Stück vorfahren muss oder nicht, um dem hinteren Fahrzeug noch Platz zum Ausparken zu lassen und aus Platzgründen so nah wie möglich am vorderen Hindernis vorbei zu fahren.

Um die Winkellage des Fahrzeugs vermessen zu können, wird ein Gyro Sensor verwendet. Die Änderung von Rechts- auf Linkseinschlag während des Einparkens wird damit durch eine vorher berechnete Winkellage β (siehe Berechnung nötiger Größen) gesteuert. Außerdem wird der Sensor dafür eingesetzt, das Anhalten des Fahrzeugs zu erreichen, wenn der Winkel des Gyroskops um 0 rad (0°) liegt. Die zurückgelegte Strecke wird mit einem Hallsensor ermittelt. Diese Streckenmessung dient dem Zweck, die Parklücke zu vermessen und bestimmte Kurzstrecken, wie z.B. das Weiterfahren nach Lückenfindung, definiert zurückzulegen.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 18:23, 3. Feb. 2014 (CET)

Der Einparkalgorithmus

Auswahl der geeigneten Geschwindigkeit

Der vorangegangenen Abbildung aus dem Datenblatt "Sharp-GP2D120.pdf" (siehe Infrarot Sensor) ist zu entnehmen, dass maximal eine Zeit für eine Messung benötigt wird von:

$t= 38,3\,ms + 9,6\,ms + 5\,ms = 52,9\,ms$.

Sicherheitshalber wird davon ausgegangen, dass sich in der größten Lücke ein weiteres Hindernis mit den Maßen 10cm x 10cm befindet. Um diese erkennen zu können, sollten mindestens drei Messungen im Bereich des Hindernisses stattfinden. Die benötigte Zeit für diese drei Messungen beträgt demnach

$t=3\cdot 52,9\,ms = 158,7\,ms.$

Da sich die Geschwindigkeit aus dem Weg (s) geteilt durch die Zeit (t) berechnet und der Weg in diesem Fall der Länge des Hindernisses entspricht, resultiert daraus eine maximale Geschwindigkeit von

$v= \frac{0,1\,m}{158,7\cdot10^{-3}\,s} =0,63\,\frac{m}{s}.$

Wird die größte verfügbare Parklücke von 0,7m für das Einparken verwendet, so findet das Fahrzeug diese Parklücke bei oben genannter Geschwindigkeit in 1,1s (mit der Annahme, es wird vor dieser Lücke gestartet). Die Geschwindigkeit beim Einparken wurde vorerst mit -0,1m/s angenommen.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 18:24, 3. Feb. 2014 (CET)

Berechnung nötiger Größen

Das Fahrzeug besitzt einen maximalen Lenkeinschlag in eine Richtung von alpha = 25°. Kombiniert mit dem Radstand L = 0,265m ergibt dies einen Wendekreisradius um die Mitte der Hinterachse von

$r= \frac{L}{tan(\alpha)} = \frac{0,265\,m}{tan(25^\circ)} = 0,5683\,m.$

Die folgende Abbildung zeigt eine Skizze zur Herleitung der Wendekreisradiusberechnung.

Für die Berechnung der notwendigen Parklücke spielt der Wendekreisradius (r), die Breite des Fahrzeuges (w), die Länge des Fahrzeugs von der Mitte der hineren Achse bis zum Heck (b) und der seitliche Abstand zum Hindernis (p) eine wichtige Rolle. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Skizze des Fahrzeugs und dessen Einparkmanövers.

Notwendige Größen für den Vorgang des Einparkens sind:

Die allgemeinen Maße des Fahrzeugs

Breite w = 0,290m

Radstand L = 0,265m

Abstand Mitte Vorderachse nach Vorne v = 0,065m

Abstand Mitte Hinterachse zum Heck b = 0,100m

Wendekreisradius r = 0,568m

Der seitliche Abstand zum Hindernis p = variabel

Wird der Einparkvorgang gestartet, sobald die Mitte der Hinterachse des Fahrzeugs auf Höhe der Heckkante des vorderen Hindernisses liegt, müsste die Parklücke, wie der vorangegangenen Abbildung zu entnehmen ist, die Summe aus b, g1 und g2 sein. Die Abstände g1 und g2 sind dabei gleich groß und berechnen sich nach dem Satz des Pythagoras wie folgt:

$g1 = \sqrt[]{r^2-(r-\frac{w}{2}-\frac{p}{2})^2}$

Dies würde aber zu einer größeren Lücke führen, als eigentlich nötig, da die Möglichkeit vorhanden ist, nach Findung des vorderen Hindernisses eine weitere Strecke k nach vorne zu fahren. Dadurch wird gewährleistet, das kein Platz verschenkt und während des Einparkvorgangs so nah wie möglich am Hindernis vorbeigefahren wird. Demnach wird für die Größe der nötigen Parklücke (g) folgende Formel verwendet:

$g = 2\cdot \sqrt[]{r^2-(r-\frac{w}{2}-\frac{p}{2})^2}+b-\sqrt[]{(r-\frac{w}{2})^2-(r-\frac{w}{2}-p)^2}$

Anhand dieser Formel wird deutlich, dass sich die nötige Parklücke danach richtet, wie groß der Abstand zum Hindernis ist. In der Regel ist der Abstand p nicht gleich 0. Dies würde bedeuten, dass das einparkende Fahrzeug bereits am schon stehenden Fahrzeug klebt. Der Punkt, dass das Fahrzeug mittig der Straße fahren soll und die Tatsache, dass der Infrarotsensor erst ab einem Abstand von 4cm zuverlässige Werte zurückgibt (siehe GP2D120), setzt einen angenommenen Mindestabstand zur Berechnung vorraus. In unserem Fall wird ein Abstand p = 8cm vorausgesetzt. Diese Annahme führt zu einer Mindestgröße der Parklücke von g = 0,69m, was bedeutet, dass die größte zur Verfügung stehende Lücke von 0,7m reichen müsste. Durch geringer Vergrößerung des Abstandes p, Kürzung des Fahrzeugs oder Erhöhung des Einschlagwinkels würde auch eine kleinere Parklücke ausreichen. Der seitliche Abstand zum Hindernis darf allerdings nicht größer als die Hälfte des Wendekreisradius sein. Bei diesem Fall werden sämtliche oben genannten Berechnungen außer Kraft gesetzt.

Die Berechnung des Umschlagwinkels $\beta$ ist ebenfalls vom Abstand p abhängig und wird erst berechnet, wenn die Lücke gefunden und das Fahrzeug neben dem vorderen Hindernis steht.

$\beta = \arccos(\frac{r-\frac{w}{2}-\frac{p}{2}}{r})$

Ebenso wird an dieser Stelle der Weg berechnet, den das Fahrzeug noch vorwärts fahren soll, um den vorhandenen Platz so effizient wie möglich zu nutzen. Je näher beim Einparken an dem vorderen Hindernis vorbeigefahren wird, desto weniger Platz wird während des gesamten Einparkvorgangs benötigt. Da sich beim Finden des vorderen Hindernisses die Vorderachse des RC Fahrzeuges auf höhe dessen Hecks befindet, und der Einparkvorgang so kalkuliert wird, dass sich erstmal die Mitte der Hinterachse des RC Fahrzeuges auf Höhe des Hecks des vorderen Fahrzeugs befindet, muss auf jeden Fall die Strecke der Summe aus Radstand (L) und Mitte der Hinterachse zur Front (v) gefahren werden. Auf diesen Wert wird dann noch der Parameter k addiert, welcher sich wie folgt berechnet und bereits Teil der Parklückenberechnung ist:

$k = \sqrt[]{(r-\frac{w}{2})^2-(r-\frac{w}{2}-p)^2}$

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 18:24, 3. Feb. 2014 (CET)

Einbindung des Einparkalgorithmus in die Simulink Umgebung

Das Hauptmodell für die Offline Simulation ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Das Einparken wurde im Block AEP - Autonomes Einparken implementiert (orange hinterlegt dargestellt) und besitzt in der Online-Umgebung auf der Dspace Box den selben Aufbau, mit dem Unterschied, dass dort die Sensorwerte und Fahrbahn nicht simuliert werden müssen. Der gesamte Bus steht ihm zur Verfügung. Der Aufbau des Blocks und dessen internen Funktionen zur Umsetzung des Einparkalgorithmus findet sich in diesem Link wieder.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 18:24, 3. Feb. 2014 (CET)

Auswahl des Einparkmodus

Zu Beginn der Arbeit mit dem Simulink-Modell muss die start.m Datei in MATLAB geöffnet werden. Für den Einparkmodus bestehen die Möglichkeiten, nach der Lückenfindung direkt einzuparken (Simulinkmodus = 3) oder einfach stehen zu bleiben (Simulinkmodus = 2). Für den Einparvorgang ist es dringend notwendig, die Geschwindigkeit und den Solllenkwinkel automatische ermitteln zu lassen! Alle weiteren Einstellungen sind optional und werden in diesem Link erläutert.

Autor: Sascha Dienwiebel (Diskussion) 18:24, 3. Feb. 2014 (CET)