Neben den steigenden Anforderungen an Energieverbrauch und gesetzlich geregelten Emissionen von Straßenfahrzeugen muss sieh die Automobilentwicklung durch die fortschreitende Automatisierung der Fahrfunktionen und der Unterstützung des Fahrers bei der Fahrzeugführung gleich mehreren Herausforderungen zur gleichen Zeit stellen. Die Forderungen führen zu einer immer komplexer werdenden Komposition von Systemen im Fahrzeug, da aus Sicht des Kunden eine hohe Variabilität bei der Konfiguration des Fahrzeugs gefordert wird und zusätzlich eine große Modellvielfalt, garantiert werden soll. Um den Anforderungen an das Fahrerlebnis und die Fahrqualität zu genügen, wurde in den letzten Jahren die integrierte Fahrdynamikregelung sowohl in der Forschung als auch in der Entwicklung bei den Automobilherstellern und Zulieferern vorangetrieben. Im Rahmen dieser Arbeit steht der Entwurf eines modularen, zentralen Regelkonzepts für die Regelung der ebenen Fahrzeugbewegung und dessen Analyse in verschiedenen kritischen Fahrmanövern im Mittelpunkt. Als Hauptziele werden neben einer vereinfachten Applikation in unterschiedlichen Fahrzeugen und einer hohen Sicherheit und Entlastung des Fahrers in kritischen Situationen, auch eine hohe Variabilität bei der Gestaltung der Fahrzeugcharakteristik und der Kombination mit Funktionen zum (teil) automatisierten Fahren definiert. Um diese Ziele zu erreichen, wird zunächst anhand der Fahrphysik und eines daraus hergeleiteten, nichtlinearen Fahrzeugmodells das Potenzial verschiedener Aktuatorik in unterschiedlichen Betriebspunkten des Fahrzeugs betrachtet. Es zeigt sich, dass die Lenksysteme der Vorder- und Hinterachse gegenüber der Querverteilung von Radlängskräften einen deutlichen Vorteil bei der Fahrzeugregelung haben, solange der Grenzbereich des Fahrzeugs nicht erreicht ist. Bei hoher Querdynamik steigt, das Potenzial zur Beeinflussung durch die Längskräfte jedoch an. Daher empfiehlt es sich, zum Erreichen der definierten Ziele sowohl beide Achsen lenken als auch einzelne Radlängskräfte manipulieren zu können, wobei das Ergebnis der Fahrdynamikregelung nicht unwesentlich von der Kombination der Stelleingriffe abhängt.. Dies liegt, darin begründet, dass einzelne Systeme Zugriff auf die gleichen Reifenkräfte haben und daher gegeneinander arbeiten können. Ausgehend von dieser Analyse wird ein modularer, zentraler Fahrdynamikregler für die ebene Fahrzeugbewegung entworfen. Durch die modulare Gestaltung der Fahrdynamikregelstruktur ist es möglich, einzelne Module auszutauschen, wodurch unterschiedliche Methoden und Lösungen eingesetzt werden können. Die Einführung der global im Fahrzeugschwerpunkt angreifenden Kräfte und Momente als Stellgrößen führt zum Entwurf einer Trajektorienfolgeregelung mit dem nichtlinearen, ebenen Fahrzeugmodell als Kernstück der Regelstruktur. Eine überlagerte Ebene, welche als Interface zum Regelsystem definiert wird, ermittelt die Referenztrajektorie für die Regelung. Das Interface wird in dieser Arbeit für den Fall eines menschlichen Fahrers ausgelegt und setzt die Eingaben aus der Lenk- und Pedalsensorik in eine ebene Fahrzeugbewegung um. Alternativ können ein beliebiges Assistenzsystem oder ein numerischer Fahrer zur Führung des Fahrzeugs eingesetzt werden, solange die Schnittstellen kompatibel sind. Als unterste Ebene wird ein Modul mit Schnittstelle zur verbauten Aktuatorik eingeführt, welches dafür sorgt, dass die aus dem Trajektorienfolgeregler stammenden, globalen Steilgrößen durch die Aktuatorik umgesetzt werden. Entgegen heuristischer Methoden wird eine Optimierung auf Basis eines Gütefunktionals und eines Active-Set-Algorithmus zur Lösung der Optimierungsaufgabe eingesetzt. Die gewählte Formulierung bietet den Vorteil, dass nicht nur die Fahrzeugbewegung berücksichtigt werden, sondern auch Einfluss auf die eingesetzte Aktuatorik genommen und somit der Energieverbrauch beeinflusst werden kann. Bei der Wahl des Optimierungsansatzes wird zugleich darauf geachtet, dass ein Einsatz unter realen Bedingungen möglich ist und die erforderliche Rechenleistung gering bleibt. Hierzu ist es notwendig, die Stellgrößengrenzen, welche in der Optimierung berücksichtigt werden, unabhängig voneinander zu definieren und somit eine deutlich komplexere Optimierungsaufgabe zu vermeiden.
Modulare, zentrale Fahrdynamikregelung mit nichtlinearer Fahrzustandsschätzung
Ingenieurwissenschaften ; 1-215
2013
215 Seiten, Bilder, Tabellen, 156 Quellen
Theses
German
Energieverbrauch , Fahrerunterstützung , Fahrzeugführung , ebene Bewegung , Fahrmanöver , Entlastung , Zustandsschätzung , Straßenfahrzeug , Fahrdynamik , Zulieferer , Automobilhersteller , Regelkonzept , Längskraft , Betriebspunkt , Vorderachse , Hinterachse , Reifenkraft , Folgeregelung , Rechenleistung
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