Workshop 2 - SenGier/SabGier - Gruppe 1 - SoSe2024

Autoren: Paul Janzen & Daniel Block
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SDE Praktikum
Termine SoSe-24
Lernzielkontrolle 1

Abstandssensorik (SenAbs)

Beschreibung

Aufgabe 1.3 Vergleich Softwarearchitektur Online/Offline-Modell
In diesem Artikel wird die Messkette vom Infrarotsensor (Sharp GP2D120) aufgezeigt. Außerdem werden die unterschiede der Messkette in einer Vergleichstabelle dargestellt.
Genauere Informationen zum Sensor finden Sie unter: [1]

Messketten

Offline Modell:

Abbildung 1: Offline Messkette

Online Modell:

Abbildung 2: Online Messkette

Vergleich I/O

Offline

Eingänge	Ausgänge
SEN_eing	SenAbs_xVR_K_f64
	SenAbs_xHR_K_f64
	SenAbs_yHR_K_f64
	SenAbs_yHL_K_f64

Online

Eingänge	Ausgänge
SenAbs_ADC_xVR_f64	SenAbs_xVR_K_f64
SenAbs_ADC_xHR_f64	SenAbs_xHR_K_f64
SenAbs_ADC_yHR_f64	SenAbs_yHR_K_f64
SenAbs_ADC_yHL_f64	SenAbs_yHL_K_f64

Offline

Blöcke
Matlab Funktion

Online

Blöcke
ADC
Gain
Lookup Table
Median Filter

Gyro LPR510AL

Abbildung 3: Gierratensensor LPR510AL

Lernzielkontrollfragen 1 

In dem Wagen 1 ist der LPR510AL Gierratensensor verbaut.

Einbauposition

Der Gierratensensor ist im gelben Rechteck auf der Hauptplatine verbaut.

Abbildung 4: Position des Gierratensensor auf der Hauptplatine

Primärsensor

Der LPY510AL ist ein 2-Achsen Sensor (X-Z), welcher die Gierrate (Z) und das Nicken (X) misst. Dieser ist auf der Hauptplatine verlötet. Je nach Ausführung kann der Sensor ±100°/s und ±400°/s messen. Das Modul verfügt über einen 3.3V Spannungsregler, sodass dieser auch mit 5V betrieben werden kann. Die Drehgeschwindigkeit kann pro Drehachse an 2 Sensorpins abgelesen werden, wobei jeweils einer der Pins immer eine 4-Fach so hohe Geschwindigkeit messen kann, jedoch mit einer geringeren Genauigkeit (8-Bit AD-Wandler). Genauere informationen sind zu finden unter: https://a.pololu-files.com/product/1267

Technische Funktionsweise des LPY510AL

Der LPY510AL ist ein MEMS-Gyrosensor (MEMS = Mikroelektromechanische Systeme), der für die Messung von Drehraten oder Drehgeschwindigkeiten in einem bestimmten Bereich entwickelt wurde. Bei der MEMS-Technologie werden winzige mechanische Strukturen auf einem Siliziumchip hergestellt werden. Diese Strukturen können sich bewegen oder verformen und werden verwendet, um physikalische Größen wie Beschleunigung oder Drehgeschwindigkeit zu messen. Mithilfe von kapazitiven Sensoren können die Bewegungen der Schwingungsmasse erfasst und in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese Signale können anschließend interpretiert werden.

Literatur

Datenblatt SVN Checkout URL: https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Literatur/Datenblätter/Gyro/

Sensordaten Verarbeitung

Abbildung 5: Verarbeitung der Daten vom Gyrosensor

Sensoreigenschaften

Messgröße: Zentrifugalkraft [N]
Messbereich: +/-100°/s und +/-400°/s
Messgenauigkeit: Abhängig von AD-Wandler Auflösung. Ausgabespannung (0V - 3.3V): -100/-400°/s (0V), 0°/s (1,23V), 100/400°/s (3.3V) (mit Uref 3.3V)
Stromversorgung: 3.3V bis 5V
Offset: 1.23V
Drift:0.02°/s/°C
Rauschen:0.017°/s

Sensoranschlussplan

Nr	Name	Funktion	dSPACE Anschluss
1	VIN	Spannungseingang des Boards
2	GND	Masse
3	Vref	Referenzspannung
4	4Z	Drehung um die Z-Achse (Gieren)
5	Z	Drehung um die Z-Achse (Gieren)	DS1104MUX ADC1 CH3

Messungsaufbau

Versuche:

1. 3 min im Stillstand
2. 5 Runden im Uhrzeigersinn
3. 5 Runden im Gegenuhrzeigersinn

Messungsablauf:

1. Video Aufnahmestart (Für die Zeitenmessung)
2. Messung start im ControlDesk
3. Resetbetätigung am Fahrzeug (Zum Kalibrieren)
4. Fahren. (Die erste und letze Runde zählt nicht)
5. Aufnahme beenden

Aufgenommene Daten:

Nr	Variablen
1	Zeit
2	SabGier_Reset_bit
3	SabGier_psi_filt_K_f64
4	SabGier_psip_filt_K_f64
5	SabGier_psip_offset_K_f64
6	SabGier_psip_unfilt_K_f64
7	SenGier_psi_reset_bit
8	SenGier_psip_OffsetSensorrohwert_f64
9	SenGier_psip_roh_ADC_f64
10	SenGier_psip_roh_K_f64
11	SabGier_psi_filt_K_deg_f64

Messtabelle

Nr.	Lenkwinkel	Gas	Zeit in s
1	+5° (links)	0,9	17:01 17:00 16:88 16:00 16:02 16:04
2	-5° (rechts)	0,9	14:90 14:14 14:86 14:14 13:95 13:88

Signalanalyse

Stillstand

Abbildung 6: Gierrate und Gierwinkel im Stillstand

Direkt nach der Kalibrierung ist der Offset bei 0°/s
Der Drift der Gierrate beträgt im Stillstand: -0.2986°/s
Der Drift des Gierwinkels beträgt im Stillstand: -0.2983°/s
Gierwinkel Offset: -0.3687° nach Kalibrierung: -0.0030° Gierrate Offset: -0.0309°/s nach Kalibrierung: -0.0444°/s

Rauschen für den Stillstand

Abbildung 7: Rauschen im Stillstand

Kreisfahrt im Uhrzeigersinn

Abbildung 8: Gierwinkel und Gierrate in der Kreisfahrt rechts

Gierwinkel Offset: -1760° nach Kalibrierung: -0.5261°
Gierrate Offset: -25.3498°/s nach Kalibrierung: 0.0327°/s nach 5 Sekunden

Rauschen für die Kreisfahrt Rechts

Abbildung 9: Rauschen bei der Kreisfahrt Rechts

Kreisfahrt im Gegenuhrzeigersinn

Abbildung 10: Gierwinkel und Gierrate in der Kreisfahrt links

Gierwinkel Offset: -2554° nach Kalibrierung: -0.00027°
Gierrate Offset: -0.1102°/s nach Kalibrierung: -0.0393°/s

Rauschen für die Kreisfahrt Links

Abbildung 11: Rauschen bei der Kreisfahrt Links

Open Loop Simulation

Mit einer Open Loop Simulation wurde die Eckfrequenz des PT1-Filters angepasst, um dessen Auswirkung auf die Gierrate zu überprüfen. Für die Open Loop Simulation wurden die Messdaten der Kreisfahrt links verwendet. Die benötigten Messdaten wurden mit dem "From Workspace" Block in die Simulink Bilbliothek SabGier eingefügt. Die folgende Abbildung zeigt das Simulink Modell:

Abbildung 12: Open Loop Main Simulink Modell

Damit die gefilterte Gierrate in Matlab dargestellt werden kann, wurde diese mit dem "To Workspace" Block nach der Simulation in das Matlab Workspace geladen. Um die Auswirkung der Frequenz des PT1 Filters darzustellen, wurden mehrere Simulationen durchgeführt. Für jede Simulation wurde die Variable "PAR_SabGier_f_K_f64" angepasst, welche sich in der "param_Sab.m" Datei befindet. Nach jeder Simulation wurde die gefilterte Gierrate in einer .mat Datei abgespeichert. Die einzelnen Gierraten wurden in einem weiteren Skript einzelnt geöffnet und in einem Plot dargestellt. Die folgende Abbildung zeigt einen Teil der Messung für die Kreisfahrt Links.

Abbildung 13: Open Loop Simulation für die Eckfrequenz des PT1-Filters

Die Abbildung 11 zeigt das ungefilterte Gierraten Signal und das gefilterte Signal mit unterschiedlichen Eckfrequenz des PT1-Filters. Die Frequenzen gehen dabei von 0,2Hz bis 1Hz in 0,2Hz Schritten. Bei den vorherigen Abbildung wurde eine Frequenz von 0,2Hz verwendet. Diese filtert das Signal relativ gut, jedoch entsteht dabei ein Delay. Die schnelleren Frequenzen filtern das Signal schlechter, dafür reagieren diese schneller.

Wir sind zu dem Ergebnis gekommen, dass eine Frequenz von 0,4Hz einen gutem Kompromiss von Schnelligkeit und Glättung bietet. Diese Frequenz sollte übernommen werden