MechGL 2023 - Versuch 02

Inhalt: Berechnung von Kursinformationen aus CAN-Daten

HTW-Dresden
Fakultät Maschinenbau
Professur Kraftfahrzeug-Mechatronik
Vorlesung Mechatronische Grundlagen (MechGL)

Contents

1. Einleitung

Die zurückgelegte Wegstrecke und die Richtung in die sich ein Fahrzeug bewegt sind essentielle Informationen für Fahrer-Assistenzsysteme. Angefangen bei Stabilitätsprogrammen zur Verhinderung des "Rutschens aus der Kurve" bis hin zu automatisierten Fahrfunktionen. Diese können beispielsweise mittels Umfeldsensorik ergänzt werden, um Fahrsituationen besser erkennen zu können. Sofern keine Fahrspurinformation -beispielsweise einer Kamera- vorliegt, ist der Kurs nur auf Basis der Eigenbewegungssensorik ermittelbar. Die elementare Kenngröße ist dabei die Kurskrümmung . Diese kann aus mehreren Messgrößen mit unterschiedlicher Qualität berechnet werden.

Abbildung 1: Berechnungsmöglichkeiten der Kurskrümmung

Im Versuch sollen diese Werte während einer Kreisfahrt für verschiedene Geschwindigkeiten aufgenommen und bewertet werden. Eine wichtige fahrdynamische Größe ist dabei die Fahrzeuggeschwindigkeit vFz. Diese wird ebenfalls fahrzeugintern aus den für die Kursberechnung genutzten Sensorinformationen abgeleitet (Raddrehzahlen). Hierdurch und durch Änderungen am Fahrzeug (z.B. Reifen-Luftdruck) kann es zu Abweichungen zur tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit kommen. Außerdem werden während dem Versuch weitere für die Berechnung der Kurskrümmung notwendige Parameter (Lenkwinkel, Gierrate ...) mit aufgezeichnet.

2. Versuchsdurchführung

2.1 Allgemeine Informationen

Zur Messwertaufnahme steht ein BMW i3 als Versuchsfahrzeug zur Verfügung. Alle relevanten Messdaten werden über den CAN-Bus übertragen und im einem Simulink-Modell verarbeitet. Die Messwertaufnahme erfolgt durch einen Studierenden (ST1), die Fahrzeugführung durch den Versuchsleiter. Es ist bereits eine Tempomat-Funktionalität implementiert, so dass die Längsführung durch den Studierenden aus dem Simulink-Modell heraus erfolgen kann (Start/Stopp).

Abbildung 2: Simulation einer Kreisfahrt

Die Messwertaufnahme der Referenzsensorik (Lichtschranke) erfolgt unabhängig im Leitstand durch eine weiteren Studierenden (ST2). Zur Synchronisation der Messwerte ist eine Absprache des jeweiligen Messungsstarts zwischen ST1 und ST2 notwendig. Dies kann durch Handzeichen oder Sprechfunk erfolgen. Die genaue Protokollierung der Messungen ist daher entscheidend!

2.2 Vorbereitung im Leitstand (ST2):

Im Leitstand ist ein Rechner mit Simulink-Modell aufgebaut. Hiermit können die CAN-Daten von 2 Lichtschranken und einer GPS-Einheit (Zeitstempel zur Synchronisation) aufgenommen werden. Zur Inbetriebnahme sind die folgenden Schritte auszuführen: * Kontrollieren Sie ob die Spannungsversorgung der Prüfstands-Elektrik eingeschalten ist bzw. schalten Sie diese bei Bedarf ein. Der Spannungspegel sollte zwischen 12-13V liegen. * Öffnen Sie Matlab und navigieren Sie zum Reiter "Apps". Suchen Sie darin den CANExplorer und öffnen Sie ihn. (Alternativ: Tippen Sie im Command Window folgenden Befehl (ohne Ausführungszeichen) ein: "canExplorer")

Abbildung 3: canExplorer mit zu wählendem CAN-Controller

Abbildung 4: canExplorer mit gültigem Signal

Abbildung 5: Simulink-Modell "Photoelectric_Barrier_CAN_Log" im Leitstand

2.3 Vorbereitung im Fahrzeug (ST1):

Im Fahrzeug ist ein Simulink-Modell zur Fahrzeugsteuerung und -datenaufzeichnung vorhanden. Die Vorbereitung der Messtechnik erfolgt durch den Versuchsleiter. Einer der Versuchsteilnehmenden muss aber den Computer bedienen, um die Geschwindigkeit auszuwählen und den Tempomaten zu starten und zu stoppen. Der Ablauf ist im nachfolgenden Video festgehalten:

Versuchvideo

Die Bedienung erfolgt über das Dashboard. Verschieben Sie dazu das Fenster des Dashboards auf den Bildschirm im Fahrzeug zur Darstellung der wichtigen Parameter für den Fahrer. Wählen Sie die passende Geschwindigkeit für den Versuch aus. Melden Sie Bereitschaft an den Leitstand und warten Sie auf deren abgeschlossene Vorbereitung bis Sie das Simulink-Modell starten.

Abbildung 6: Dashboard zur Bedienung

2.4 Nach abgeschlossener Vorbereitung im Leitstand und Fahrzeug:

3. Versuchsauswertung

3.1 Allgemeine Informationen

Die Auswertungen erfolgen in Form eines oder mehrerer Matlab-Skripte. Die Messdaten sind automatisiert anhand einer Variable auszuwählen. Aus dem Skript muss automatisiert ein Protokoll mit der Funktion publish() im html-Format erzeugt werden.

Hinweis: Beachten Sie das beide Simulink-Modelle die Variable "in" im Workspace als Ergebnis in eine .mat Datei abspeichern und Sie beim Laden von beiden Dateien hintereinander diese Variable immer wieder überschreiben im Workspace.

Um beide Datensätze (Leitstand und Fahrzeug) gleichzeitig zu laden, müssen Sie die Variablen dementsprechend umbenennen (auf einer anderen Variable speichern), bevor sie den nächsten Datensatz laden.

3.2 Ermittlung und Vergleich der Geschwindigkeiten

Ermitteln sie die gefahrene Geschwindigkeit durch die Lichtschranken. Berechnen Sie die Zeitdifferenz zwischen Durchfahren der 1. Lichtschranke bis zum Durchfahren der 2. Lichtschranke. Der Abstand zwischen ihnen beträgt 9.03m. Nutzen Sie dafür die Auswertung der fallenden/steigenden Flanken des Signals der Lichtschranken. Ein Zeitstempel für jedes Signal ist in den aufgezeichneten Messdaten vorhanden. Die Geschwindigkeit kann anschließend als $v = ds/dt$ berechnet werden. Stellen sie die Informationen in einer Grafik dar und ergänzen sie in der Grafik ein Textfeld mit der berechneten Geschwindigkeit. Beachten Sie, dass in der Regel zuerst Lichtschranke 2 durchfahren wird, bevor es anschließend erst zu einer regulären Durchfahrt zwischen den Lichtschranken kommt, bei der eine Geschwindigkeitsauswertung möglich ist.

Abbildung 7: Beispielhafte Auswertung der Lichtschranken

Vergleichen sie die mittels Lichtschranke gemessenen Geschwindigkeiten mit den Messungen im Fahrzeug. Hierzu ist es notwendig, die Zeitstempel der Messdaten über die GPS-Zeit zu synchronisieren. Nutzen sie hierzu die in der Vorlesung und der Übung besprochenen Algorithmen. Wählen sie selbst eine geeignete grafische Darstellungsform für den Vergleich aus.

3.3 Ermittlung der Kurskrümmung

Ermitteln sie die Krümmungen anhand der Sensorinformationen mit Hilfe der Gleichungen (siehe Abbildung 1) aus:

Abbildung 8: Beispiel der Auswertung der Kurskrümmung aus dem Datensatz des Fahrzeugs

3.4 Ermittlung des Winkels

Im Versuch 3 soll das Fahrzeug automatisch nach 4 durchfahrenen Runden an der Ausgangsposition stoppen. Hierzu kann der aus der Gierrate ermittelte Wert des Gierwinkels genutzt werden. Berechnen sie für die Messfahrten den Gierwinkel und bestimmen sie die Winkel-Abweichung zur Ausgangsposition nach Stillstand des Fahrzeugs. Schätzen sie ab, bei welchem Winkel je nach Geschwindigkeit die automatische Abschaltung erfolgen müsste. Die automatische Abschaltung erfolgt durch das Umstellen des Signals "Drive" im Berechnungsblock von '1' auf '0'.

Abbildung 9: Modell zur automatischen Steuerung


Published with MATLAB® R2023a