Simulation der IR-Einparksensorik

Abbildung 1: IR-Einparksensorik

Autor: Yanick Christian Tchenko
Betreuer: Prof. Schneider

Stand der Bearbeitung zum Ende des WS19/20

1. Übertragen der Testsoftware aus dem Branch in den Trunk (erledigt)
2. Vereinfachung von Abstandssensorik.m. Für einen beliebigen IR-Sensor soll eine Funktion erstellt werden. Diese Funktion wird für alle 4 Sensoren aufgerufen. (erledigt)
3. Code Review durch Prof. Schneider (erledigt)
4. Test der neuen Unterfunktion (erledigt)
5. Zeitmessung: Darstellung der Verbesserung, Optimierung durch mex-Compiler (offen)
6. Anschauliche Dokumentation der Funktion von Abstandssensorik.m I(erledigt)
7. Nach erfolgreichem Test: Übertragung in Offline-Simulation (in Arbeit)

Allgemeine Einleitung

ACHTUNG: An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hin gewiesen, dass die im folgenden Artikel beschriebenen Verbesserungen der Funktionalität der Simulation der Infrarotsensoren zum Ende des WS19/20 nicht in den Trunk übertragen wurden. Im Trunk des SVN befindet sich der Zustand der Implementierung, wie sie als Ausgang in diesem Artikel beschrieben wird. Eine Überprüfung der Funktionalität der Software im Trunk wurde im SS2020 durch das Team AEP vorgenommen, die Beschreibung der Tests ist im Artikel AEP - Einparkalgorithmus beschrieben. Für die Zukunft muss entschieden werden, wie mit der im Folgenden beschriebenen Implementierung von Verbesserungen, die im SS2020 nicht auf ihre Funktion überprüft wurden, verfahren wird. Die Software ist im SVN hinterlegt.

Zur richtigen Durchführung des Einparkmanövers müssen die Sensorpositionen sowie die Messberechnungen der Abstände zu bestehen Hindernissen richtig durchgeführt werden. Für die verschiedenen Berechnungen und Positionsfestlegungen wird im Rahmen dieses Praktikums die Funktion abstandsensorik.m (ähnlich wie die Funktion fcn.m) angewendet.

Beschreibung der ursprünglichen Funktion Abstandssensorik.m bzw. fcn.m

Abbildung 2: Programmablauf bei der ursprünglichen Funktion Abstandssensorik.m

Die ursprüngliche Funktion zur Abstand-Sensorik lässt sich wie auf der rechts stehenden Abbildung strukturell darstellen.

Allgemeine Aufgaben bei der Funktion

• Generieren der Objekte
• Berechnung der Positionen (Montagepunkte, Richtung,...) der vier Sensoren (Linke und rechte Vorder- und Hecksensoren)
• Abbildung der Strahlungsgraden für die Sensoren
• Bestimmung der Abstände zu den Objekten
• Bestimmung der Koordinaten für die Schnittpunkte
• Eintragen und Rückmelden der Schnittpunkte

Zur Initialisierung der Funktion werden neben den Eingabeparametern auch globale Variablen vordefiniert.

Globale Variablen

Diese Variablen werden an unterschiedlichen Stellen im ganzen Programmablauf angewendet. Dazu zählen hauptsächlich die Variablen zur Fahrzeugparameterdarstellung, die der Quellcode im unteren Bereich veranschaulicht.

global Geraden Geraden2 Ergebnis      % Debug
global x_fahrzeug y_fahrzeug          % Debug
global PAR_CAR_Fahrzeugbreite_f64
global PAR_CAR_Fahrzeuglaenge_f64
breite = PAR_CAR_Fahrzeugbreite_f64;
laenge = PAR_CAR_Fahrzeuglaenge_f64;

Fahrzeuglänge, -breite, sowie Fahrzeugkoordinaten und entsprechende Granden lassen sich hiermit deklarieren

Inputgrößen

x, y, psi, ObjektListe, stIRPosition, Schalter

Ermittlung der Abstände zu den Hindernissen als Ausgang

if Schalter == 1 % PAR_SenAbs_Schalter_EIN_bit Rechnung durchführen, sonst nicht
    
    % Fahrt im unteren Bereich
    Winkeloffset = 180;
    ...
    
%% Bearbeitung der Objekt- und Sensorpositionen

   ...

%% Sensorpositionen (in m)
    
    % IR_Sensor 	x-Position 	y-Position
    % rechts vorne 	- 7 cm 	-12 cm
    % rechts hinten -37 cm 	-12 cm
    % hinten links 	-42 cm 	 10 cm
    % hinten rechts -42 cm 	-10 cm
    
    % Beifahrerseite
    PAR_IR_xVR_x = stIRPosition(1,1);               % Pos x - IR rechts vorne  im Fahrzeug K-System
    PAR_IR_xVR_y = stIRPosition(1,2);               % Pos y
    PAR_IR_xHR_x = stIRPosition(2,1);               % Pos x - IR rechts hinten im Fahrzeug K-System
    PAR_IR_xHR_y = stIRPosition(2,2);               % Pos y
    
    % Hecksensoren
    PAR_IR_yHR_x = stIRPosition(3,1);               % Pos x - IR hinter rechts im Fahrzeug K-System
    PAR_IR_yHR_y = stIRPosition(3,2);               % Pos y
    PAR_IR_yHL_x = stIRPosition(4,1);               % Pos x - IR hinter links im Fahrzeug K-System
    PAR_IR_yHL_y = stIRPosition(4,2);               % Pos y
    
    ESM_psi_f64 = psi;                  % Fahrzeugwinkel in rad
    ESM_x_I_f64 = x;                    % Fahrzeugposition x
    ESM_y_I_f64 = y;                    % Fahrzeugposition y 
    ...
    ...

%% Geraden des Objektes
    r1  = [ObjektKante_1(1,1);ObjektKante_1(2,1)]; % Punkt auf Gerade g1
    u1  = ObjektKante_2-ObjektKante_1; % Richtung
    n1  = [u1(2);-u1(1)]/norm(u1); % Normal der Richtung
        
    r2  = [ObjektKante_2(1,1);ObjektKante_2(2,1)]; % Punkt auf Gerade g2
    u2  = ObjektKante_3-ObjektKante_2;             % Richtung
    n2  = [u2(2);-u2(1)]/norm(u2);                          % Normal der Richtung
        
    r3  = [ObjektKante_3(1,1);ObjektKante_3(2,1)]; % Punkt auf Gerade g3
    u3  = ObjektKante_4-ObjektKante_3;             % Richtung
    n3  = [u3(2);-u3(1)]/norm(u3);                          % Normal der Richtung
        
    r4  = [ObjektKante_4(1,1);ObjektKante_4(2,1)]; % Punkt auf Gerade g4
    u4  = ObjektKante_1-ObjektKante_4;             % Richtung
    n4  = [u4(2);-u4(1)]/norm(u4);                          % Normal der Richtung
    ...
    ...

%% Geraden der Sensoren
   ...
   ...
   N1      = [n1' ; n_IR_VR']; % Normalvektor g1
   N3      = [n3' ; n_IR_VR']; % Normalvektor g3
   N4      = [n4' ; n_IR_VR']; % Normalvektor g4
   b       = [dot(n1,r1) ; dot(n2,r2) ; dot(n3,r3) ; dot(n4,r4) ; dot(nF,[rF(1,1);rF(2,1)])]; % Skalarprodukt ,Konstanten der Geraden
   ...
   %% Berechnung der Schnittstelle
   % Berechnung Ortsvektor Schnittpunkt IR_VR auf g3
   ...
   ...
   
        

%% Berechnungen der Schnittpunkte  zwischen Sensorstrahlungen und  Hindernissen
    ...
    ...

%% Rückmelden der Werte
    
    % Seitliche Sensoren
    SenAbs_xVR_K_f64 = min(alle_Abstaende_VR);
    SenAbs_xHR_K_f64 = min(alle_Abstaende_HR);
    
    % Hecksensoren
    SenAbs_yHR_K_f64 = min(alle_Abstaende_yHR);
    SenAbs_yHL_K_f64 = min(alle_Abstaende_yHL);

else
    SenAbs_xVR_K_f64 = 0;
    SenAbs_xHR_K_f64 = 0;
    SenAbs_yHR_K_f64 = 0;
    SenAbs_yHL_K_f64 = 0;
end

Bei diesem Code wiederholen sich die Berechnungen für die 4 Sensoren in jedem Durchgang (Positionsbestimmung, Bestimmung des Normalvektors, Bestimmung der Abstände, Schnittpunkte ...). Dies führt zu einer Erweiterung der Funktion Abstandssensorik.m (ca. 500 Programmlinien), welche weiterhin immer unübersichtlicher und somit schwieriger zu verstehen ist. Diese Problematik lässt sich jedoch teilweise beheben, wenn man Gebracht von modularer Programmgestaltung macht, wie im unteren Abschnitt mit der gleichen Funktion durchgeführt wurde.

Implementierte Vereinfachungen

Abbildung 3: Programmablauf bei der vereinfachten Funktion Abstandssensorik.m

Allgemeine Aufgaben bei der vereinfachten Funktion

• Generieren der Objekte
• Abbildung der Strahlungsgraden für die Sensoren
• Eintragen und Rückmelden der Schnittpunkte

Zur Übersichtlichkeit des Programmcodes wurden Vereinfachungen hauptsächlich an drei Stellen durchgeführt, wo sich die Berechnungsformeln ähneln. Man kann demnach auf die drei unteren Funktionen, deren Funktionsweisen und Aufrufsorte im Gesamtprogramm im Folgenden detailliert beschrieben stehen.

(Hinweis: Die verschiedenen Variablen hier sind zwar teilweise den im Programm angewendeten Variablen - rIR_VR und u_IR_yHR, ...- ähnlich, verbleiben jedoch durch unterschiedliche Variablendefinition und Funktionsinputs beliebig ersetzbar)

Funktion NVektoren.m

Übernommene Aufgabe bei der Funktion

• Bestimmung der Koordinaten für die Schnittpunkte

In dieser Funktion werden die Berechnungen der Normal- und der Ortsvektoren der Objektgraden durchgeführt.

function [N1, N2, N3, N4, b, r_HR_1, r_HR_2, r_HR_3, r_HR_4, r_yHL_3, bs_1, bs_2, bs_3, bs_4, bs_5]= NVektoren(n1,r1, n2,r2,...
                                                                                                     n3, r3, n4, r4,nF, rF,rIR_HR, n_IR_yHL)

        N1      = [n1' ; n_IR_yHL']; % Normalvektor g1
        N2      = [n2' ; n_IR_yHL']; % Normalvektor g2
        N3      = [n3' ; n_IR_yHL']; % Normalvektor g3
        N4      = [n4' ; n_IR_yHL']; % Normalvektor g4
        b       = [dot(n1,r1) ; dot(n2,r2) ; dot(n3,r3);dot(n4,r4);dot(nF,[rF(1,1);rF(2,1)])]; % Skalarprodukt ,Konstanten der Geraden

        
        %% Vergleich der Eingangsnamen zur  Auswahl der durchzuführenden Aktion
        s = inputname(12);
        A = 'n_IR_yHL';
        B = 'n_IR_yHR'
        
        %% HR und HL-Sensoren 
        %% Hecksensoren besitzen gleiche Berechnungsformeln, werden dementsprechend unter der gleichen Voraussetzung in der Funktion bearbeitet
        
        if ((strcmp(s,A)== 1)|(strcmp(s,B)== 1))
                if (abs(n3'*n_IR_yHL) == 1) % Parallele Vektoren
                    r_yHL_3  = [Inf; Inf]; % Warning: Matrix is singular to working precision.
                    bs_5 = 0;
                else
                    bs_5    = [dot(n3,r3) ; dot(n_IR_yHL,[rIR_yHL(1,1);rIR_yHL(2,1)])];
                    r_yHL_3  = N3 \ bs_5; % Gleichung N*r=b r*n=c Berechnung Ortsvektor Schnittpunkt IR_yHR auf g1
                end
                 r_HR_1= 0;
                 r_HR_2 = 0;
                 r_HR_3 = 0;
                 r_HR_4 = 0;
                 bs_1 = 0; 
                 bs_2 = 0; 
                 bs_3 = 0;
                 bs_4 = 0; 
        end
        

Beide vordere Sensoren besitzen gleiche Berechnungsformeln, werden dementsprechend unter der gleichen Voraussetzung in der Funktion bearbeitet

        %% VR und HR-Sensoren
        C = 'n_IR_VR';
        D = 'n_IR_HR';
        if ((strcmp(s,C)== 1)|(strcmp(s,D)== 1))
            if (abs(n1'*n_IR_yHL) == 1) % Parallele Vektoren
             r_HR_1  = [Inf; Inf]; % Warning: Matrix is singular to working precision.
             bs_1 =0;
            else
                bs_1    = [dot(n1,r1) ; dot(n_IR_yHL,[rIR_HR(1,1);rIR_HR(2,1)])];
                r_HR_1  = N1 \ bs_1; % Gleichung N*r=b r*n=c Berechnung Ortsvektor Schnittpunkt IR_HR auf g1
            end
            if (abs(n2'*n_IR_yHL) == 1) % Parallele Vektoren
                r_HR_2  = [Inf; Inf]; % Warning: Matrix is singular to working precision.
                bs_2 = 0;
            else
                bs_2    = [dot(n2,r2) ; dot(n_IR_yHL,[rIR_HR(1,1);rIR_HR(2,1)])];
                r_HR_2  = N2 \ bs_2; % Gleichung N*r=b r*n=c Berechnung Ortsvektor Schnittpunkt IR_HR auf g1
            end        
            if (abs(n3'*n_IR_yHL) == 1) % Parallele Vektoren
                r_HR_3  = [Inf; Inf]; % Warning: Matrix is singular to working precision.
                bs_3 = 0;
            else
                bs_3    = [dot(n3,r3) ; dot(n_IR_yHL,[rIR_HR(1,1);rIR_HR(2,1)])];
                r_HR_3  = N3 \ bs_3; % Berechnung Ortsvektor Schnittpunkt IR_HR auf g3
            end
            if (abs(n4'*n_IR_yHL) == 1) % Parallele Vektoren
                r_HR_4  = [Inf; Inf]; % Warning: Matrix is singular to working precision.
                bs_4 = 0;
            else
                bs_4    = [dot(n4,r4) ; dot(n_IR_yHL,[rIR_HR(1,1);rIR_HR(2,1)])];
                r_HR_4  = N4 \ bs_4; % Berechnung Ortsvektor Schnittpunkt IR_HR auf g4
            end
            r_yHL_3 = 0
            bs_5 =0;
        end 
        
end

Funktion Objekt_Geraden.m

Übernommene Aufgabe bei der Funktion

• Berechnung der Positionen (Montagepunkte, Richtung,...) der vier Sensoren (Linke und rechte Vorder- und Hecksensoren)

Diese Funktion ist eine Verallgemeinerung zur Positionsbestimmung der verschiedenen Sensoren (Vorderlinks-, Vorderrechts- sowie linke und rechte Hecksensoren). Ferner ermöglicht die Funktion die Einstellungen der Strahlrichtungen.

%% In dieser Funktion werden die Positionen der verschiednen Sensoren behandelt
function [r, u, n, rIR_VR, u_IR_yHR, n_IR_VR, rIR_VR_1, u_IR_VR_1, n_IR_VR_1] = Objekt_Geraden(ObjektKante1, ObjektKante2,ESM_x_I_f64, ESM_y_I_f64,...
Fahrzeug_Rotation,PAR_IR_xVR_x,PAR_IR_xVR_y,ESM_psi_f64)

Einstellung der vorderen und hinteren Sensoren

   
         r = [ObjektKante1(1,1);ObjektKante1(2,1)];% Punkt auf Gerade
         u  = ObjektKante2-ObjektKante1; % Richtung
         n  = [u(2);-u(1)]/norm(u);   % Normal der Richtung

Einstellung der rechten Hecksensoren

        rIR_VR  = [[ESM_x_I_f64;ESM_y_I_f64;0]+Fahrzeug_Rotation*[PAR_IR_xVR_x;PAR_IR_xVR_y;0]]; % Montagepunkt Sensor
        u_IR_yHR = [-cos(ESM_psi_f64);-sin(ESM_psi_f64)]; % Richtung
        n_IR_VR = [u_IR_yHR(2);-u_IR_yHR(1)]; % Normal der Richtung

Einstellung der linken Hecksensoren

        rIR_VR_1  = [[ESM_x_I_f64;ESM_y_I_f64;0]+Fahrzeug_Rotation*[PAR_IR_xVR_x;PAR_IR_xVR_y;0]]; % Montagepunkt Sensor
        u_IR_VR_1 = [sin(ESM_psi_f64);-cos(ESM_psi_f64)]; % Richtung
        n_IR_VR_1 = [u_IR_VR_1(2);-u_IR_VR_1(1)]; % Normal der Richtung

Funktion KoordinatenNaechsten_Schnittpunkts.m

Übernommene Aufgabe bei der Funkion

• Bestimmung der Abstände zu den Objekten
• Bestimmung der Koordinaten des nächsten Schnittpunktes

Es werden in dieser Funktion de verschiedenen Schnittpunkte auf Sensorstrahlwegen berechnet, sowie die entsprechenden Abstände und Koordinaten. Darauf basiert wird die Entscheidung darüber getroffen, ob der Sensor ein Hindernis in seiner Reichweite erkannt hat oder nicht.

 

function [r_naechster_Schnittpunkt_VR, abstand, alle_Abstaende_VR] = KoordinatenNaechsten_Schnittpunkts(IR_Reichweite, rIR_VR,r_VR_1, r_VR_3, r_VR_4,r_naechster_Schnittpunkt_VR,ObjektNummer)

        s = inputname(6);
        RSNmae = 'r_naechster_Schnittpunkt_yHR'; % Bezeichnnug für den rechten Hecksensor
        LSNmae = 'r_naechster_Schnittpunkt_yHL'; % Bezeichnnug für den linken Hecksensor
        if strcmp(s,RSNmae)== 1 | strcmp(s,LSNmae)== 1
            if (norm(r_VR_3-rIR_VR') < norm(r_naechster_Schnittpunkt_VR-rIR_VR')) % Abstand zum Schnittpunkt kleiner als letzter kleinster Abstand
            r_naechster_Schnittpunkt_VR = r_VR_3; % Punkt wird als nächster Schnittpunkt übernommen
            end
            abstand = norm(r_VR_3-rIR_VR');
            if (abstand <= IR_Reichweite) % Reichweitenprüfung
                alle_Abstaende_VR(1,ObjektNummer) = abstand; % kleinster Abstand ist in Reichweite und wird Sensorwert
            else
                alle_Abstaende_VR(1,ObjektNummer) = 255; % Sensorwert liegt außerhalb der Reichweite
            end

Die Abstandberechnung bei den vorderen Sensoren erfolgt unterschiedlich als bei den Hecksensoren

               
            abstand = min(min(norm(r_VR_1-rIR_VR'),norm(r_VR_3-rIR_VR')),norm(r_VR_4-rIR_VR')); % kleinster Abstand für möglichen Sensorwert
            if (abstand <= IR_Reichweite) % Reichweitenprüfung
                alle_Abstaende_VR(1,ObjektNummer) = abstand; % kleinster Abstand ist in Reichweite und wird Sensorwert
            else
                alle_Abstaende_VR(1,ObjektNummer) = 255; % Sensorwert liegt außerhalb der Reichweite
            end
            
            if (norm(r_VR_1-rIR_VR') < norm(r_naechster_Schnittpunkt_VR-rIR_VR')) % Abstand zum Schnittpunkt kleiner als letzter kleinster Abstand
            r_naechster_Schnittpunkt_VR = r_VR_1; % Punkt wird als nächster Schnittpunkt übernommen
            end

            if (norm(r_VR_3-rIR_VR') < norm(r_naechster_Schnittpunkt_VR-rIR_VR')) % Abstand zum Schnittpunkt kleiner als letzter kleinster Abstand
                r_naechster_Schnittpunkt_VR = r_VR_3; % Punkt wird als nächster Schnittpunkt übernommen
            end

            if (norm(r_VR_4-rIR_VR') < norm(r_naechster_Schnittpunkt_VR-rIR_VR')) % Abstand zum Schnittpunkt kleiner als letzter kleinster Abstand
                r_naechster_Schnittpunkt_VR = r_VR_4; % Punkt wird als nächster Schnittpunkt übernommen
            end  
            

Verbesserung der Funktion

Optimierung der neuen Funktion durch Zusammenführen der Funktionen in Abstandssensorik.m

function [r_naechster_Schnittpunkt_VR, abstand, alle_Abstaende_VR] = KoordinatenNaechsten_Schnittpunkts(IR_Reichweite, rIR_VR,r_VR_1, r_VR_3, r_VR_4,r_naechster_Schnittpunkt_VR,ObjektNummer)

        function [SenAbs_xVR_K_f64, SenAbs_xHR_K_f64, SenAbs_yHR_K_f64, SenAbs_yHL_K_f64] = Abstandssensorik(x, y, psi, ObjektListe, stIRPosition ,Schalter)
        ...
        ...

        Geraden des Objektes
     
        [r1, u1, n1, ~, ~, ~, ~, ~, ~] = Objekt_Geraden(ObjektKante_1, ObjektKante_2, 0, 0, 0, 0, 0, 0);   
        [r2, u2, n2, ~, ~, ~, ~, ~, ~] = Objekt_Geraden(ObjektKante_2, ObjektKante_3, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
        [r3, u3, n3, ~, ~, ~, ~, ~, ~] = Objekt_Geraden(ObjektKante_3, ObjektKante_4, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
        [r4, u4, n4, ~, ~, ~, ~, ~, ~] = Objekt_Geraden(ObjektKante_4, ObjektKante_4, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
      

Schnittpunkte lassen sich dann durch Aufruf der Funktion NVektoren.m ausführen und deren Koordinaten durch die Funktion KoordinatenNaechsten_Schnittpunkts.m

 
        % rechts vorne
        [N1, N2, N3, N4, b, r_VR_1, r_VR_2, r_VR_3, r_VR_4, ~, bs_1, bs_2, bs_3, bs_4,~] = NVektoren(n1,r1, n2,r2, n3, r3, n4, r4,nF, rF,rIR_VR, n_IR_VR);%Normalvektoen,   
        % rechts hinten
        [N1, N2, N3,N4, b, r_HR_1, r_HR_2, r_HR_3, r_HR_4, ~, bs_1, bs_2, bs_3, bs_4,~]= NVektoren(n1,r1, n2,r2, n3, r3, n4, r4,nF, rF,rIR_HR, n_IR_HR);%Normalvektoen, 
        ...
        ...
        % Heck rechts
        [r_naechster_Schnittpunkt_yHR, ~, ~] = KoordinatenNaechsten_Schnittpunkts(IR_Reichweite, rIR_yHR, r_HR_1, r_yHR_3, r_HR_4, r_naechster_Schnittpunkt_yHR, ObjektNummer );
        
        % Heck links
        [r_naechster_Schnittpunkt_yHL, ~, ~] = KoordinatenNaechsten_Schnittpunkts(IR_Reichweite, rIR_yHL, r_HR_1, r_yHL_3, r_HR_4, r_naechster_Schnittpunkt_yHL, ObjektNummer );

Im Folge dieser Berechnungen lassen sich die Informationen über die aufgenommenen Hindernissen eintragen und über die Ausgangsvariablen

SenAbs_xVR_K_f64, SenAbs_xHR_K_f64, SenAbs_yHR_K_f64, SenAbs_yHL_K_f64

als Messrückmeldungen erkennen

Literatur

https://de.mathworks.com/help/matlab/matlab_external/introducing-mex-files.html

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