AF: Abstandssensorik (SenAbs)

Autoren: Niklas Reeker & Oliver Scholze

Primärsensor

In dem Fahrzeug sind vier Infrarotsensoren verbaut um beim Einparken des Fahrzeugs den Abstand zu verschiedenen Objekten zu messen. In diesem Fall ist der Sensor Sharp GP2D120 verbaut. Weitere Informationen zu diesem Sensor sind in dem Artikel Infrarotsensoren und im Datenblatt im Web^[1] oder im SVN^[2] zu finden.

Messkette

Die Messkette erfolgt wie in Abb. 02. Das elektrische Signal von IR-Sensor wird vom ADC in ein digitales Signal gewandelt. Darauf folgt die Signalverarbeitung, die durch einen Filter für Signalspitzen und einen PT1 Tiefpassfilter realisiert wird. Nachdem das Signal bearbeitet ist, folgt ein Lookup Table. Dieser wird anhand der Kennlinie im Datenblatt aufgestellt oder selbst eingemessen und dient zur Umwandlung digitaler Messwerte, welche eine Spannung repräsentieren, in ein Abstandsmaß, in diesem Fall Meter. Die genaue Messkatte kann in der Abbildung 2 nachverfolgt werden.

Systementwurf

Einbauposition

Die genaue Position der Infrarotsensoren wird in der folgenden Tabelle (Positionsbestimmung durchgeführt am 25.04.2023) dargestellt und lässt sich durch das Fahrzeugkoordinatensystem in Abb. 04 nachverfolgen:

Tabelle 1: Einbauposition der IR-Sensoren
IR_Sensor	x-Position	y-Position
xVR (rechts vorne)	-2.5 cm	-10 cm
xHR (rechts hinten)	-31 cm	-10 cm
yHR (hinten links)	-36 cm	-9 cm
yHL (hinten rechts)	-36 cm	9 cm

Sensoranschlussplan

Der Sensoranschlussplan, welcher der Tabelle zu entnehmen ist, beschreibt die Pinbelegung des Sensors anhand der Farbe des Kabels. Des Weiteren werden die Anschlusspins der DSpace Karte aufgeführt die im nächsten Unterpunkt spezifiziert werden.

Tabelle 2: Sensoranschlussplan
PIN	Farbe des Kabels	Pin am Sensor	DS1104-Pin
1	Gelb	Sensor_IR_V0	ADCH5 … 8
2	Orange	Sensor_IR_GND	GND
3	Rot	Sensor_IR_VCC	'-0,3 V ... +7 V

Analoge Signalverarbeitung

Um das analoge Signal digital zu verarbeiten, wird ein Analog-Digital-Umsetzer verwendet. Durch den ADU werden Spannungen in bestimmten diskreten Stufen wahrgenommen. Diese Spannungsstufen werden im Fall der DSPACE Karte, in dem ein 12-Bit Wandler verbaut ist, in $2^{12}= 4096$ Spannungsstufen unterteilt. Dabei hat eine Spannungsstufe, durch den maximalen Ausgang von 3,1 V und minimalen Ausgang von 0,25 V des IR-Sensor, eine Breite/Auflösung von: $U_{LSB}=\frac{3,1\,V - 0,25\,V}{4096}\approx 0,6958\,mV$ .

Schnittstelle zur DS1104

Pinbelegung/Anschlussplan

Tabelle 3: Pinbelegung/Anschlussplan
Sensor Pin	Belegung	Farbe	Sensorposition	Anschluss auf der Adapterplatine	Anschluss auf DS1104 (Eingangssignal)	Ausgangssignal
1	Ausgang	Gelb	rechts vorne	J21_IR_V	P1A-46_ADCH5	`SenAbs_xVR_K_f64`
1	Ausgang	Gelb	rechts hinten	J22_IR_H	P1B-46_ADCH6	`SenAbs_xHR_K_f64`
1	Ausgang	Gelb	hinten links	J20_IR_HL	P1B-44 ADCH8	`SenAbs_yHL_K_f64`
1	Ausgang	Gelb	hinten rechts	J19_IR_HR	P1A-44_ADCH7	`SenAbs_yHR_K_f64`
2	Masse (GND)	Schwarz
3	Versorgungsspannung VCC	Rot

Sensorblock - SenAbs

Abb. 4: SenAbs - Abstandssensorik ^[3]
Abb. 5: Inhalt von SenAbs - Abstandssensorik ^[4]

Die Signalverarbeitung erfolgt ausschließlich im Block SEN.

In der Abbildung 05 zeigt Lage der SenAbs - Abstandssensorik (in blau markiert) abgebildet.
Die Ausgangssignale haben die Bezeichnungen SenAbs_LookUpxVR_f64, SenAbs_LookUypxHR_f64, SenAbs_LookUpyHR_f64 und SenAbs_LookUpxHL_f64. Diese werden nach dem Filter für Signalspitzen abgegriffen.
Die anderen Ausgangssignale sind die Messwerte umgewandelt in Meter und haben die Bezeichnungen SenAbs_xVR_K_f64 , SenAbs_xHR_K_f64, SenAbs_yHL_K_f64 und SenAbs_yHR_K_f64.

Die darauffolgende Abbildung 06 zeigt die Signalverarbeitung im Block SenAbs - Abstandssensorik. Die Beschreibung findet sich in der nachfolgenden Tabelle:

Tabelle 4: Beschreibung der Simulink Blöcke
Simulink Block	Funktion
DS1104ADC_C5 ... C8	Ist der Ausgang gewandelter analoger Signale in digitale Signale.
Infrarotsensor	Vorfilterung des Messsignals zur Reduzierung von Signalspitzen.
PT1 (Ohne Beschriftung)	Erneute Filterung des Messignals mithilfe eines Tiefpassfilters.
Lookup Table	Digitale Signale, welche eine Spannung repräsentieren, in ein Abstandsmaß (Meter) umwandeln.

Tabelle 5: Signalbezeichnungen vom Eingang bis Ausgang für Messung mit ControlDesk (anhand der Abb. 5)
IR_Sensor	Signalnamen in der Messkette
xVR	`ADCSenAbs_LookUpxVR_f64In1SenAbs_xVR_K_f64`
xHR	`ADCSenAbs_LookUypxHR_f64In1SenAbs_xHR_K_f64`
yHR	`ADCSenAbs_LookUpyHR_f64In1SenAbs_yHL_K_f64`
yHL	`ADCSenAbs_LookUpxHL_f64` `In1` `SenAbs_yHR_K_f64`

Die Tabelle zeigt die Signale, die man in ControlDesk auswählen muss um alle Daten aus der Messkette mitzuschneiden. Dieser Teil wird noch bearbeitet um die Signale besser zuordnen zu können (vgl. Tab.7).

Signalanalyse

Die Signalanalyse umfasst einen Funktionstest aller vier Sensoren auf eine bestimmte Referenzentfernung und anhand eines Sensors werden sämtliche Ein- und Ausgangsignale der Signalverarbeitungsblöcke dargestellt (vgl. Messkette).

Vorgehensweise bei der Messung

Abb. 6: Messaufbau für den Funktionstest und die Darstellung der Messkette ^[5]

Hilfsmittel:

Zollstock
Rollwagen
Karton (Messobjekt)

Für den Funktionstest aller vier Sensoren wird ein Messobjektauf eine Entfernung von 15 cm vom jeweiligen Sensor aufgestellt. Daraufhin erfolgt die Messung mit ControlDesk und der Konvertierung der Messdaten in Matlab. Die Auswertung der Messdaten ist in Abbildung 8 dargestellt.
Für die Darstellung der Messkette, werden Messobjekte auf verschieden Entfernungen zum Sensor gemessen. Verwendet wurde dabei der IR-Sensor yHL. Es wurde ein Messobjekt auf einem Rollwagen montiert, welches leicht in die passende Entfernung bewegt werden konnte. Die Messung erfolgte somit kontinuierlich, von der geringsten Entfernung bis zur maximalen messbaren und logischen Entfernung (siehe Artikel des Primärsensors) des Infrarotsensors. An den in der Tabelle 6 angegebenen Messentfernungen wurde jeweils kurz die Entfernung gleich gelassen bevor man zur nächsten Entfernung weitergegangen ist. Alle weiteren Informationen zur Messung befinden sich in der Tabelle 6 Messdatenbeschreibung.

Tabelle 6: Messdatenbeschreibung
Beschreibung	Referenzentfernungen	Dateiname	Signalnamen
Funktionstest der x-IR-Sensoren	15 cm	2023_04_18_IR_Test002.mat	`SenAbs_xVR_K_f64` `SenAbs_xHR_K_f64`
Funktionstest der y-IR-Sensoren	15 cm	2023_04_18_IR_Test003.mat	`SenAbs_yHL_K_f64` `SenAbs_yHR_K_f64`
Messkette des Sensors yHL	4, 10, 20, 25, 30 cm	2023_04_18_IR_Test006.mat	`ADCSenAbs_LookUpxHL_f64In1SenAbs_yHR_K_f64`

Funktionstest aller 4 Sensoren auf Referenzentfernung 15 cm

Abb. 7: Funktionstest aller vier Sensoren ^[6]

Der Funktionstest der vier Sensoren in einem Abstand von 15cm ist in Abbildung 8 dargestellt. Als Referenz würden die Abstände gemessen und die einzelnen Tests schriftlich festgehalten. Die Abbildung zeigt die gemessene Entfernung jedes einzelnen Sensors. Die eingezeichnete Referenzlinie zeigt die wirkliche Entfernung zum Sensor an.

Kennlinientest eines Sensors auf die Referenzentfernungen 4 cm ... max. 30 cm Reichweite

Abb. 8: Kennlinientest eines Sensors auf die Referenzentfernungen 4 cm ... max. 30 cm Reichweite ^[7]

Der Kennlinientest ist in Abbildung 9 dargestellt. Dabei wurden die Entfernungen von 4cm, 10cm, 20cm, 25cm und 30cm eingemessen. Als Referenz würden die Abstände gemessen und die einzelnen Tests schriftlich festgehalten. Die Grafik zeigt die einzelnen Messwerte des in Abbildung 6 gezeigten Modells zu den oben genannten Entfernungen.

Liste offener Punkte (LOP)

Tabelle 7: Liste offener Punkte (LOP)
#	Problem	Analyse	Maßnahme	Freigabe
1	SenAbs-Block ist schlecht kommentiert	Kommentare wurden bei Erstellung vergessen	Signale benennen, Kommentare einfügen	x
2	IR Abstand berechnen wird nicht verwendet	Toter Code	löschen	x
3	FilterIRSpikes komplexer m-Code	Code zu komplex	Ersetzen durch Simulink-Median-Block	x
4	PT1	Doppelte Filterung sorgt nicht für verbessertes Signal	PT1 löschen und lediglich Medianfilterung verwenden	x
5	Knicks in Lookup-Table	Nicht genügend Messwerte in Lookup tabel aufgenommen	Unkritisch da Knick kaum Einfluss auf das Einparken des Fahrzeugs hat
6	Namensgebung yHR und xHR sind vertauscht	Fehler bei Erstellung des Skripts	Signale korrekt umbenennen	x
7	Sensor xHR ist nicht immer funktionstüchtig	Unbekannt evtl. Wackelkontakt	Elektrisches Signal nachmessen wenn Sensor nicht funktioniert um Hardwarefehler auszuschließen	x
8	Alle Sensoren messen laut Abb. 7 falsch	Analyse notwendig!	Anpassung der Lookup Tabels
9	Ultraschall Sensorik ist am Fahrzeug nicht installiert	Toter Code	Simulink Modell bereinigen (Ultraschallsensorik löschen)	x

Legende

Problem: Was genau ist das Problem? Wo tritt das Problem auf? Wie zeigt sich das Problem? Wann tritt das Problem auf? Warum ist es ein Problem?
Analyse: Was ist die Ursache des Problems?
Maßnahme: Maßnahme zur Beseitigung der identifizierten Ursache
Freigabe: Abstimmung der Maßnahme mit Prof. Schneider
Wirksamkeit: Beschreibung Nachweis Wirksamkeit (Dummy-Prüfung, Versuche, Kurzzeitfähigkeit, Kennzahlen, Audit, etc.)
Dokumentation: Doku der Lösung im HSHL-Wiki

Wirksamkeit der Änderungen

Abb. 8: Inhalt von SenAbs - Abstandssensorik nach der Bearbeitung der LOP ^[8]

Am Anfang der Umsetzung erfolgte die Umsetzung der Punktes zwei und neun (siehe Tabelle 7), dadurch ist die Übersichtlichkeit des Modells deutlich gestiegen.

Darauf folgte das Ersetzen des Simulink Blocks FilterIRSpikes, durch einen Median Filter mit einer Länge von 100 Werten. Dieser Wert wurde Aufgrund des hervorragenden Messignales ausgewählt. Die Reaktion durch den Median Filter ist, wie in Abbildung 9 zu sehen, deutlich gestiegen und eignet sich somit besser für das autonome Einparken. Ein Nachteil ist jedoch, dass das Messignal kleine Spikes aufweist und das Ausgangssignal eine dauerhafte minimale Messungenauigkeit bekommt. In Verbindung mit dem PT1 Filter konnten die Spikes reduziert werden ohne die Reaktionszeit zu beeinträchtigen, weshalb dieser nach dem Median Filter zum Einsatz kommt und nicht wie im Punkt 4 der Tabelle 7 gelöscht wird.

Abb. 9: Kennlinientest (Vergleich von vorher zu Nacher) ^[9]
Abb. 10: Funktionstest (Vergleich von vorher zu Nacher) ^[10]

Danach erfolgte die Bearbeitung der Lookup Tabels, da dass Messignal zu beginn nicht immer den Referenzabständen entsprach und zudem die Messkette mit einem Gain von 10 erweitert wurde. Der Gain wird aufgrund des ADC eingesetzt, da dieser das Signal durch 10 teilt und die umgewandelten Werte nicht der Einheit Volt entsprachen.

Für die Übersichtlichkeit und Nachverfolgbarkeit von Signalen erfolgte eine eindeutige Namensgebung. Zudem wurden die Blöcke in der Messkette benannt und die Funktion beschrieben.

Nachdem die Liste der offenen Punkte (siehe Tabelle 7) bearbeitet wurde, ist das Simulink Modell der Abstandssensorik komplett beschrieben (siehe Abbildung 8) und das Ausgangssignal entspricht der Referenzmessung (siehe Abbildung 9 und 10).

Zusammenfassung

Alle Sensoren sind teilweise funktionsfähig und die Genauigkeit der Messwerte ist ausreichend für die Abstandsbestimmung zum autonomen Einparken. Der IR-Sensor xHR ist nicht immer funktionsfähig, nach einem Neustart des Fahrzeugs und ControlDesk kann dieser wieder verwendet werden. Außerdem müssen ein paar Änderungen vorgenommen werden um den Code zu optimieren und ihn mit Kommentaren verständlicher zu gestalten.

Datenblätter

Der Hersteller Sharp stellt Datenblätter zu dem Sensor bereit. Diese sind sowohl in SVN^[2] als auch im Web^[1] abrufbar.

Literatur

Stefan Hesse, Gerhard Schnell: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Wiesbaden 2018, ISBN 978-3-658-21173-8, S. 78–80, 371f.

Einzelnachweis

↑ ^1,0 ^1,1 Datenblatt Sharp GD2D120:Web
↑ ^2,0 ^2,1 Datenblatt Sharp GD2D120:SVN
↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument
↑ Eigenes Dokument

Dokumentation in SVN

Die Messdaten, sowie die für die Auswertung verwendeten Matlabskripte können hier in SVN aufgerufen werden.

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[Datenblatt_Web-1] 1,0 ^1,1 Datenblatt Sharp GD2D120:Web

[Datenblatt_SVN-2] 2,0 ^2,1 Datenblatt Sharp GD2D120:SVN

[3] Eigenes Dokument

[4] Eigenes Dokument

[5] Eigenes Dokument

[6] Eigenes Dokument

[7] Eigenes Dokument

[8] Eigenes Dokument

[9] Eigenes Dokument

[10] Eigenes Dokument

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