Hochschule Bochum, Fachbereich fr Mechatronik und Maschinenbau,

Institut fr Automatisierung, Labor fr Steuerungs- und Regelungstechnik,

Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl, Dipl.-Ing. Ilona Moritz

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Echtzeitregelung mit dSpace-Box

Praktikumsversuch FahrerassistenzsystemeWS2008/09

0 Aufgabenstellung 2

1 Beschreibung der Komponenten 2

1.1 Das Joystick-System 2

1.2 Das Fahrzeugmodell 3

1.3 Das Echtzeithardwaresystem, dSpace-Box 5

1.4 Signalverbindung zwischen Fahrzeugmodell, Joysticksystem und dSpace-Box 6

2 Praktikumdurchfhrung 7

2.1 Aufruf des Programms MATLAB 7

2.2. Simulation mit MATLAB SIMULINK und Hardware dSpace-Box mit Software ControlDesk 7

2.3 Programmierung der Simulink-Struktur zur Ansteuerung der Joystickachsen 8

2.3.1 Eingelesene Analogsignale anpassen 8

2.3.2 Ausgegebene Analogsignale anpassen 8

2.3.3 Simulinkstruktur fr Signaleinausgabe 9

2.3.4 Kompilierung fr die Hardware 9

2.4 Programmierung der dSPACE-ControlDesk-Benutzeroberflche 10

2.4.1 Aufruf des Programms "dSPACE-ControlDesk" 10

2.4.2 Anlegen eines neuen Projektes (sogenanntes "Experiment") 10

2.4.4 Verknpfen des Layouts mit den Regelkreis-Variablen 11

2.5 Programmierung des Regelkreises in MatLab/Simulink 13

2.5.1 Regelkreis mit Soll-Ist-Vergleich und Reglerstruktur 13

2.5.2 Erzeugung des Vibrationssignal bei Alarmfunktion 13

2.5.3 Gesamtstruktur unter Nutzung der SubStrukturen: 14

2.5.4 Controldesk des fertigen Reglers 14

3. Funktionstest am Fahrzeugmodell 15

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0 AufgabenstellungAufgabe ist die Realisierung einer Joystickansteuerung mit Fahrerassistenzfunktion. Dafr solleine DSpace-Box die Regelung der Mittelstellung des Joystick vornehmen. Auf den Joystick-Bewegungsachsen Vor/Rck und Seitwrts sind je ein Motor und ein Winkelpotentiometerangebracht.Die dSpace-Box soll nun mittels einer Simulink-Regelungsstruktur den Joystick gegen dieBedienerkrfte in Mittelstellung halten, jeweils fr die Vor/Rck Achse wie fr dieSeitwrtsachse. Dazu werden die Spannungen der Achsenpotentiometer auf dieAnalogeingnge der dSpace-Box gefhrt, in zwei Regelkreisen ein Soll-Ist-Vergleich ausgefhrtund letztendlich die errechneten Reglerausgangsspannungen an die Motorcontroller derJoystick-Achsmotoren weitergeleitet.Der Bediener des Joystick steuert ein angeschlossenes Fahrzeugmodell (siehe 1.2).

In Zusammenhang mit dem Fahrzeugmodell soll eine weitere Funktion die Auslsung je einerAlarmvibration der Motoren um die Nulllage sein, angesteuert von einer Drehzahl- oderGeschwindigkeitsberschreitung im Fahrzeugmodell.

1 Beschreibung der Komponenten

1.1 Das Joystick-System

Der Joystick soll zur Fhrung eines Fahrzeuges genutzt werden. Er wird rechtshndig gefasst;die Vorrckbewegung steuert Gas und Bremse an; die Seitwrtsfhrung steuert die gewnschteLenkbewegung. Die mit der linken Hand bettigten Taster fhren die Hoch- und Runterschalt-Operation des Getriebes durch. Diese Ansteuerung ist am Fahrzeugmodell bereits fertigausgefhrt (siehe 1.2)!

Joystickarbeitsplatz mit Bedienfunktionen

Bremsen0 100%

Gas0 100%

Linkslenken0 100%

Rechtslenken0 100%

HochschaltenRunterschalten

Motor EnableSchalter

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Zum Zweck der Kraftrckkopplung sind auf die Joystickachsen zwei DC-Motore angekuppelt.Diese knnen ber zwei Motorcontroller mit einer Steuerspannung drehmomentproportionalangesteuert werden. Dafr ist der Motor Enable Schalter zu bettigen.

Alle Bewegungen und Tastenbettigungen sind an der Schnittstellenbox als Spannungenverfgbar (fr das Fahrzeugmodell des angeschlossenen PC als Fhrungssignale)bzw. knnen als Ansteuersignale an der Schnittstellenbox eingespeist werden.

Schnittstellenbox mit Anschlussbeschreibung

1.2 Das Fahrzeugmodell

Auf dem zugeordneten PC luft als Anwendungsbeispiel ein in Echtzeit simuliertes Fahrzeug.Es handelt sich dabei um ein Lngsmodell, also um ein reines Antriebsverhalten; es wird keineLenk- und Federungsdynamik simuliert.

Animationsfenster Fahrzeugmodell

Visualisiert wird das Instrumentenpanel mit Tachometer, Drehzahlmesser, Ganganzeige sowieAnzeige fr Gas, Bremse und Motordrehmoment. Kupplung und Lenkradwinkel sind nichtanimiert.

Analoge AusgangsspannungJoystickstellung

Digital IO 12Vbinr, Taster

Analoge EingangsspannungMotordrehmoment

24VSpannungs-versorgung

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Instrumentenpanel

Daneben sind animierte Darstellungen von der Fahrzeugsituation- im Motorkennfeld: Drehmoment ber Drehzahl und Gaspedalstellung- im Hhenprofilkennfeld: Straenhhe ber Weg- im Kennfeld fr erlaubte Hchstgeschwindigkeit: Geschwindigkeit ber Weg

vorhanden, damit die Fahrzeugsituation direkt erfassbar ist.

Animierte Kennfelddarstellung fr Motorkennfeld, Hhen/Weg-Profil und erlaubtesHchstgeschwindigkeitsprofil ber dem Weg.

Im Hintergrund luft das Fahrzeugmodell in Echtzeit. Die Ansteuerung erfolgt ausschlielichber externe Signale (ber eine Messkarte), so dass das Joysticksystem als Steuereinheitfungieren kann. Die Anschlusskabel (SNA-System) werden ber eine Anschlussboxherausgefhrt.

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Die herausgefhrten Kabel sind bezeichnet:

- Eingang 1 Joysticksignal vor/rck 0V-5V: Gas 0-100% und Bremse 0 100%- Eingang 2 Joysticksignal seitlich: Lenkung, nicht verwendet- Ausgang 1 Alarmausgabe Drehzahlberschreitung aus: 0V, ein: 5V- Ausgang 2 Alarmausgabe Geschwindigkeitsberschreitung aus: 0V, ein: 5V- Digital ein 1 Digitaleingang 0V/12V: Hochschalten Getriebe- Digital ein 2 Digitaleingang 0V/12V: Runterschalten Getriebe- Digital Masse

1.3 Das Echtzeithardwaresystem, dSpace-Box

Zur Regelung der Gegenkrafteinstellung undAlarmvibration des Joystick soll die DSpace-Boxzusammen mit der Software Matlab/Simulink unddSpace ControlDesk eingesetzt werden undneben der DSpace-Box ist eineSignalkonditionierungsbox montiert, welche alleSchnittstellenbuchsen enthlt.

dSpace Anschlussbox DS1102 mit Anschlussbuchsen fr 4 analoge Schnittstellen

Anschlussbox mit je

4 analogen-Ein-

und Ausgngen

Die Anschlussbox ist bereinen Computer mit demdSpace-Systemverbunden. (Steckkarte)

Anschlussbox SCB-68 frMesskartenankopplung desPC zur Fahrzeugsimulation

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1.4 Signalverbindung zwischen Fahrzeugmodell, Joysticksystem und dSpace-Box

Die drei Systeme tauschen analoge und digitale Signale aus. Dabei kommen den Systemenfolgende Aufgaben zu:

Fahrzeugmodell:- Empfang der analogen Signale (0..5V) des Joystick Vor/Rck fr Gas/Bremse (und Seit fr

Lenkung)- Empfang der digitalen Tastersignale (0 /12V) des Joystick Hochschalten/Runterschalten fr

das Getriebe- Senden der analogen Signale (0 / 5V) Alarm Drehzahlberschreitung /Geschwindigkeits-

berschreitung fr die dSpace-Box zwecks Generierung einer Vibrationsfunktionzur Fahreralarmierung

Joysticksystem:- Empfang der analogen Signale (-10V..10V) der dSpace-Box zur Ansteuerung der beiden

Motorcontroller zur Mittelstellungsregelung des Joystick- Senden der analogen Winkelmesssignale (0..5V) der Joystickstellung Vor/Rck und Seit.- Senden der digitalen Tastersignale (0 /12V) des Joystick fr Hoch/Runter Schaltinformation

des Fahrzeugmodells

dSpace-Box:- Empfang der analogen Signale (0..5V) des Joystick Vor/Rck und Seit- Empfang der analogen Signale (0 / 5V) Alarm Drehzahlberschreitung /Geschwindigkeits-

berschreitung des Fahrzeugmodells zwecks Generierung einer Vibrationsfunktionzur Fahreralarmierung

- Senden der analogen Signale (-10V..10V) zur Ansteuerung der beiden Motorcontroller zurMittelstellungsregelung des Joystick

Signalkopplung der drei Systeme

dSpace-Box

Joystick

Fahrzeugmodell

Motorcontrollersignal vor/rck

Joystickwinkelsignal vor/rck

Motorcontrollersignal seit

Joystickwinkelsignal seit

Tastersignal hoch

Tastersignal runter

Alarmsignal Drehzahl

Alarmsignal Geschwindigkeit

Joystickwinkelsignal vor/rck

Joystickwinkelsignal seit

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2 Praktikumdurchfhrung

2.1 Aufruf des Programms MATLAB

Der Aufruf des Programms MATLAB erfolgt durch einen Doppelklick auf das Programm-Iconoder durch die Anwahl des Programms im Start-Men. Das MATLAB-Fenster ffnet sich. Eserscheinen einige Meldungen im Command Window. Whlen Sie im Fenster CurrentDirectory den Pfad D:\Studenten\GruppeXY aus (XY: Name ihrer Praktikumsgruppe).Dieses Verzeichnis mssen Sie vorher im Explorer erstellt haben!

a) B