Workshop 2 - SenGier/SabGier - Gruppe 2 - SoSe2024

Autoren: Philipp Sander & Dennis Fleer
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SDE Praktikum
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Lernzielkontrolle 1

Beschreibung des Lego Mindstorms Gyro-Sensors

Der Gierratensensor misst eine Drehrate diese wird durch die Signalverarbeitung in einen Winkel in Grad° umgewandelt. Genauere Informationen sind nicht angegeben. Kein Datenblatt vorhanden. Das Ausgangssignal des Sensors ist ein Analoges Signal. Dieses Wird von einem A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Dieses Signal wird weiterhin von der Signalaufbereitung verarbeitet, sodass wir am Ende eine gefilterte Gierrate und einen gefilterten Gierwinkel erhalten.

Signalverarbeitung und Messkette

Offline

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  Abbildung 1: Messkette Gyro-Sensor im Offline Simulink Modell.

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  Abbildung 2: Messkette Gyro-Sensor im Offline Simulink Modell als Auszug aus dem Gesamtmodell.

Im offline Modell werden die Daten der simulierten Gierrate direkt auf den Bus gelegt und dann in dem Funktionsblock Sensoraufbereitung weiterverarbeitet, in diesem finden dann dieselben Schritte wie im Online Modell statt, dass im Folgenden erläutert wird.

Online

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  Abbildung 3: Messkette Gyro-Sensor im Online Simulink Modell.

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  Abbildung 4: Messkette Gyro-Sensor im Online Simulink Modell als Auszug aus dem Gesamtmodell.

Die Spannungen werden zuerst mit dem AD Wandler der DSpace 1104 Karte eingelesen und digitalisiert. Anschließend wird das Signal mithilfe eines weiteren Blocks von Grad in rad umgerechnet. In der weiteren Signalaufbereitung wird das Signal der Gierrate in eine Offsetberechnung eingeleitet sowie durch einen PT1-Filter geglättet und mithilfe einer Integration erhalten wir den Gierwinkel.

Anschließend werden die Signale in den Sensorbus gelegt, von dem aus die Signale zur Weiterverarbeitung und für die Ansteuerung der Aktoren oder Regelung verwendet werden.

Vergleich I/O

Eingänge

Online	Offline
SenGier_psip_OffsetSensorrohwert_f64	EMS_psip_f64
SenGier_psip_roh_ADC_f64	ESM_psi_f64

Ausgänge

Online	Offline
SabGier_psip_offset_K_f64	SabGier_psip_offset_K_f64
SabGier_psip_unfilt_K_f64	SabGier_psip_unfilt_K_f64
SabGier_psi_filt_K_f64	SabGier_psi_filt_K_f64
SabGier_Reset_bit	SabGier_Reset_bit
SabGier_psip_filt_K_f64	SabGier_psip_filt_K_f64
	SenGier_psi_KM_K_f64

Versuchsbeschreibung

Versuchsbeschreibung

In diesem versuch soll der Lego Mindstorms Gyro-Sensor analysiert werden. Dieser ist oberhalb der Lenkachse des zweiten Autos verbaut. Es werden 3 messungen getätigt.

• 1. Messung: Der Sensor wird im Stillstand über 180 Sekunden vermessen und die Messdaten aufgezeichnet. Ein paar Sekunden nach dem Start wird der Sensor kalibriert.
• 2. Messung: Das Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit von 0.6 und einem Konstanten Lenkwinkel von -5, 5 Runden. Ein paar Sekunden nach dem Start wird der Sensor kalibriert. Die Zeit wird für jede Runde separat aufgenommen.
• 3. Messung: Das Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit von 0.6 und einem Konstanten Lenkwinkel von 20, 5 Runden. Ein paar Sekunden nach dem Start wird der Sensor kalibriert. Die Zeit wird für jede Runde separat aufgenommen.

Die Messdaten, sowie Referenzdaten werden in \Daten\Gierrate\240502_Links_Rechtskurve gespeichert.

Aufgenommene Signale:

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

Messdatenanalyse

Stillstand

Gierrate Stillstand

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  Abbildung 6: Gierrate im Stillstand.

Der Gierraten-Offset beträgt vor Kalibrierung: 0.8 Grad/s aus Graph abgelese
Der Gierraten-Offset beträgt nach Kalibrierung: 0Grad/s aus Graph abgelesens Die Offsetkalibrierung war erfolgreich.
Der Drift beträgt -2.078 Grad/s

Rauschen Stillstand

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  Abbildung 7: Rauschen im Stillstand.

Der Graph Streueung über die Zeit stellt die Abweichung der Gierrate über die Zeit vom Mittelwert dar. Genau genommen haben wir den Mittelwert aller Werte gebildet und die Abweichung von diesem Wert Über die Zeit dargestellt. Anschließend haben wir die Absoluten häufigkeiten dieser Peaks in einem Säulendiagramm, Häufigkeit der Streuung, dargestellt.

Das Rauschen der Gierrate ungefilter (SabGier_psip_unfilt_K_f64) beträgt 3.5Grad/s. aus Graph Häufigkeit der Streuung abgelesen

Gierwinkel Stillstand

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  Abbildung 8: Gierwinkel im Stillstand.

Hier kann man Erkennen, dass die Offsetkalibrierung funktioniert. Vor der Kalibrierung wird ein Winkel erkannt. Nach der Kalibrierung ist der Gierwinkel bei 0 Grad.
In dieser Abbildung kann man sehr gut den bleibenden Drift erkennen. Der Drift liegt bei -2.078 Grad/s. Dies ist die annähernde Steigung des dargestellten Signals(SabGier_psi_filt_K_deg_f64).

Linksfahrt

Zur Linksfahrt lässt sich sagen, dass sich die Gierrate und der Gierwinkel sehr nah zur Referenz befindet.

Gierrate Linksfahrt

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  Abbildung 9: Gierrate bei der Linksfahrt.

Die Gierrate bei der Linksfahrt beträgt beträgt 25Grad/s.

Rauschen Linksfahrt

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  Abbildung 10: Rauschen bei der Linksfahrt.

Der Graph Streueung über die Zeit stellt die Abweichung der Gierrate über die Zeit vom Mittelwert dar. Genau genommen haben wir den Mittelwert aller Werte gebildet und die Abweichung von diesem Wert Über die Zeit dargestellt. Anschließend haben wir die Absoluten häufigkeiten dieser Peaks in einem Säulendiagramm, Häufigkeit der Streuung, dargestellt.

Das Rauschen der Gierrate ungefiltert (SabGier_psip_unfilt_K_f64) beträgt 5Grad/s. aus Graph Häufigkeit der Streuung abgelesen

Gierwinkel Linksfahrt

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  Abbildung 11: Gierwinkel bei der Linksfahrt.

Der Offset vor der Kalibrierung beträgt 455 Grad. Danach beträgt er 0.

Rechtsfahrt

Bei der Rechtsfahrt haben wir vergessen den Sensor zu kalibrieren. Dadurch haben wir einen bleibenden Offset des Gierwinkels. Im Vergleich zur Linksfahrt haben wir zudem eine stärkere Drift von dem Referenzwert, was auch mit der fehlenden Kalibrierung zusammen hängen kann.

Gierrate Rechtsfahrt

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  Abbildung 12: Gierrate bei der Rechtsfahrt.

Die Gierrate bei der Rechtsfahrt beträgt -35Grad/s.

Rauschen Rechtsfahrt

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  Abbildung 13: Rauschen bei der Rechtsfahrt.

Der Graph Streueung über die Zeit stellt die Abweichung der Gierrate über die Zeit vom Mittelwert dar. Genau genommen haben wir den Mittelwert aller Werte gebildet und die Abweichung von diesem Wert Über die Zeit dargestellt. Anschließend haben wir die Absoluten häufigkeiten dieser Peaks in einem Säulendiagramm, Häufigkeit der Streuung, dargestellt.

Das Rauschen der Gierrate ungefiltert (SabGier_psip_unfilt_K_f64) beträgt -5Grad/s. aus Graph Häufigkeit der Streuung abgelesen

Gierwinkel Rechtsfahrt

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  Abbildung 14: Gierwinkel bei der Rechtsfahrt.

Der Offset beträgt -365 Grad.

Maßnahmen

Drift

Der Drift ist ein Problem von dem Lego Gyro. Dafür wäre eine Idee die Berechnung eines Gierratenoffset, zum Beispiel könnte man dafür den Mittelwert aus den letzten Messungen bilden und diesen von der aktuellen Gierrate abziehen. Dadurch würde die Gierrate im Stillstand gegen 0 laufen und der Drift verhindert werden.

Rauschen

Das Rauschen ist bei dem Lego Gyro relativ gut eingestellt und es ist sehr konstant über die Zeit gesehen. Durch die schon vorhandene Filterung wird das Rauschen gut entfernt. Man kann den Filter aber für den Lego Gyro ein wenig verändern, sodass er nicht so langsam auf Änderungen reagiert wie man es bei der Kreisfahrt gesehen hat.