Regelung der Horizontalbewegung eines überaktuierten Fahrzeugs unter Berücksichtigung von Realisierungsanforderungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-73077
  • Aktuelle Entwicklungen im Automobilbereich motivieren die Betrachtung von Kraftfahrzeugen, deren vier Räder separat angetrieben, gebremst und gelenkt werden können. In Bezug auf die Fahrzeugbewegung besitzen diese redundante Stelleingriffe, welche es der Steuerung und Regelung solch überaktuierter Fahrzeuge ermöglichen, sekundäre Optimierungsziele neben der Realisierung eines geforderten Bewegungsverhaltens zu verwirklichen. Aufgrund der Komplexität des resultierenden Gesamtsystems erweisen sich modellbasierte Methoden für den Entwurf einer geeigneten integrierten Fahrdynamikregelung als zweckmäßig, um die regelungstechnischen und fahrdynamischen Zielstellungen unter gleichzeitigerAktuelle Entwicklungen im Automobilbereich motivieren die Betrachtung von Kraftfahrzeugen, deren vier Räder separat angetrieben, gebremst und gelenkt werden können. In Bezug auf die Fahrzeugbewegung besitzen diese redundante Stelleingriffe, welche es der Steuerung und Regelung solch überaktuierter Fahrzeuge ermöglichen, sekundäre Optimierungsziele neben der Realisierung eines geforderten Bewegungsverhaltens zu verwirklichen. Aufgrund der Komplexität des resultierenden Gesamtsystems erweisen sich modellbasierte Methoden für den Entwurf einer geeigneten integrierten Fahrdynamikregelung als zweckmäßig, um die regelungstechnischen und fahrdynamischen Zielstellungen unter gleichzeitiger Berücksichtigung anwendungsrelevanter Randbedingungen zu realisieren. In diesem Kontext befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Entwurf und der Analyse einer ganzheitlichen Vorsteuerungs- und Regelungsstruktur für die Horizontalbewegung eines Fahrzeugs mit Einzelradaktorik. Sie basiert auf einem strukturierten, pragmatischen Fahrzeugmodell zur Beschreibung des Bewegungsverhaltens bis in den nichtlinearen Grenzbereich. Um Führungs- und Störverhalten der geregelten Horizontalbewegung unabhängig voneinander auslegen zu können und eine komponentenweise Problembetrachtung zu ermöglichen, ist eine modulare Zwei-Freiheitsgrade-Struktur gewählt. Die Auslegung der Vorsteuerung geschieht unter Berücksichtigung der durch die Einzelradaktorik vorhandenen Freiheiten der horizontalen Fahrzeugbewegung. Die Regelung besitzt Kaskadenstruktur, wobei die innere Regelschleife die Radbewegungen stabilisiert, während die äußere Kaskade den Fahrer beim Führen des Fahrzeugs unterstützt. Die Überaktuierung des Fahrzeugs dient der Erhöhung der Fahrsicherheit, indem die Kraftschlussausnutzungen zwischen den vier Reifen und der Fahrbahn verringert werden. Die Lösung des zugrunde liegenden Optimierungsproblems erfolgt auf analytischem Wege, sodass der Rechenaufwand verhältnismäßig gering ausfällt, was einen Echtzeitbetrieb ermöglicht. Darüber hinaus wird die Redundanz der Stelleingriffe dazu genutzt, die funktionale Sicherheit des Gesamtfahrzeugs bei Vorhandensein fehlerhafter Stellglieder zu gewährleisten. Die Funktionsfähigkeit des Steuerungs- und Regelungskonzepts und dessen Eignung zur Verbesserung der Fahrsicherheit werden analysiert und anhand von Simulationen verschiedener Fahrmanöver nachgewiesen. Die Tauglichkeit für den Einsatz in einem realen Versuchsträger zeigt sich in diesem Zusammenhang durch Verwendung eines realitätsnahen virtuellen Versuchsfahrzeugs.show moreshow less
  • Current developments in the automotive sector, i.e. the proceeding electrification and the foreseeable introduction of the X-by-wire technology in road vehicles, motivate the examination of vehicles with single-wheel actuators. Equipping every single wheel with its own driving, braking, and steering system results in an over-actuated vehicle. Thus, an individual adjustment of all eight tire forces becomes possible to influence the three degrees of freedom of the horizontal vehicle motion. Therefore, additional control objectives can be realized besides the desired motion trajectory, like the maximization of driving safety. Taking account of the complexity of the resulting overall system,Current developments in the automotive sector, i.e. the proceeding electrification and the foreseeable introduction of the X-by-wire technology in road vehicles, motivate the examination of vehicles with single-wheel actuators. Equipping every single wheel with its own driving, braking, and steering system results in an over-actuated vehicle. Thus, an individual adjustment of all eight tire forces becomes possible to influence the three degrees of freedom of the horizontal vehicle motion. Therefore, additional control objectives can be realized besides the desired motion trajectory, like the maximization of driving safety. Taking account of the complexity of the resulting overall system, model-based design methods are expedient and also allow for the consideration of application-relevant problems. In this context, the thesis at hand presents an integrated feedforward and feedback control concept for the horizontal motion of a vehicle with single-wheel actuators. Its main objective is the realization of a desired motion trajectory determined by the driver despite external disturbances and model uncertainties. The over-actuation of the system is utilized to increase the driving safety and to compensate the impact of defective wheel actuators by reallocating the tire forces. In order to facilitate the controller application in a real vehicle, the real-time capability of the control algorithm, the required measurements for control purposes, and the adhesion limits of the tires are taken into account. To achieve both good reference tracking and good disturbance rejection, a two-degree-of-freedom control structure is utilized. The performance of the control concept is demonstrated thoroughly by numerical simulations of a detailed and realistic full vehicle model. In doing so, it becomes apparent that the control concept robustly stabilizes the horizontal vehicle motion, even in critical situations.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jan-Erik Moseberg
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-73077
ISBN:978-3-944057-60-6
Series (Volume number):FAU Studien aus der Elektrotechnik (4)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Günter Roppenecker, Ansgar Trächtler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Embargo Date:2016/08/01
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/04/21
Release Date:2016/08/03
Tag:Control Allocation; Einzelradaktorik; Fahrzeughorizontaldynamik; Fahrzeugtechnik; Längs- und Querdynamikregelung; modellbasierte Regelung
4-wheel-drive; 4-wheel-steer; automotive engineering; chassis control systems; control allocation; control engineering; longitudinal and lateral vehicle dynamics; model-based control
SWD-Keyword:Regelungstechnik
Pagenumber:xx, 170 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-944057-59-0
Institutes:Technische Fakultät / Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0