Trajektorienplanung zur Kollisionsvermeidung im Straßenverkehr

In kritischen Situationen sind viele Fahrer von PKWs mit der Fahrzeugführungsaufgabe überfordert. Die Unfallzahlen konnten bis 2013 auch durch die Einführung von aktiven Fahrerassistenzsystemen wie ABS, ASR und ESC gesenkt werden. In den folgenden Jahren ist ein leichter Anstieg zu verzeichnen. Um die Unfallzahlen wieder zu senken, werden neue Fahrerassistenzsysteme benötigt, die neben fahrdynamischen Größen auch Informationen über das Fahrzeugumfeld miteinbeziehen. Dies kann durch assistierende Funktionen, welche der Fahrer im Fehlerfall übersteuern kann, und/oder durch automatisierte Fahrfunktionen realisiert werden. Die Arbeit beschreibt und vergleicht vier verschiedene Verfahren zur Fahrzeugführung, die zur Kollisionsvermeidung im Straßenverkehr eingesetzt werden können. Das Bahnfolgeverfahren verwendet eine analytische Funktion zur Beschreibung der Ausweichbahn und eine Folgeregelung zur Führung des Fahrzeugs entlang der Bahn. Es ist ein einfaches Konzept, welches mit wenig Rechenleistung auskommt, sich aber nicht an viele verschiedene Situationen anpassen lässt. Deshalb wird das Online-Trajektorienoptimierungsverfahren entwickelt. Zur Berechnung der Ausweichtrajektorien wird ein Gütemaß minimiert, welches Anteile zur Kollisionsvermeidung und zur Minimierung fahrdynamischer Reaktionen enthält. Die Realisierung der fortlaufend neu geplanten Trajektorie wird mit einer unterlagerten Geschwindigkeits- und Kurswinkelregelung durchgeführt. Das modellprädiktive Planungs- und Regelungsverfahren löst analog zum Online-Trajektorienoptimierungsverfahrens in jedem Abtastschritt ein Optimierungsproblem. Die kollisionsfreie Trajektorie wird zusätzlich an die Dynamikgleichungen eines Einspurmodells angepasst. Das Optimierungsproblem ist daher ein Optimalsteuerungsproblem, dessen Lösung neben der optimalen Trajektorie auch die zugehörigen Stellgrößen enthält. Die bisher getrennt behandelten Probleme, Trajektorienplanung und Folgeregelung, werden also in einem Schritt gelöst. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der nochmals höhere Rechenaufwand im Vergleich zum Online-Trajektorienoptimierungsverfahren. Durch die Beschränkung auf konstante Stellgrößen während der Prädiktion und eine grobe Stellgrößendiskretisierung weist das modellprädiktive Trajektorienscharverfahren eine deutlich niedrigere Rechenlast auf. Die Vorteile der modellprädiktiven simultanen Planung und Regelung bleiben erhalten, jedoch können auf Grund des kurzen Prädiktionshorizontes weiter entfernte Hindernisse nicht in der Planung berücksichtigt werden. Durch die adaptive Wahl der Diskretisierung wird auch im stationären Zustand eine hohe Regelungsgüte erreicht. Der abschließende Vergleich durch eine Nutzwertanalyse zeigt, dass die vier Verfahren, in Abhängigkeit des Anwendungsfalles, unterschiedlich gut geeignet sind

Gekapselte Trajektorienfolgeregelung für autonomes Fahren

Die Bewegungsregelung als Teil der autonomen Fahrzeugführung besteht aus den beiden Teilfunktionen der Bewegungsplanung und Bewegungsausführung. Beide wurden im Kontext von Fahrerassistenzsystemen und Anwendungen aus der Robotik bereits intensiv untersucht, jedoch haben bestehende Ansätze gemein, dass sie häufig auf einen spezifischen Anwendungsfall zugeschnitten sind sowie die beiden Teilfunktionen als Einheit betrachten und daher integriert entwickeln. Als Gegenentwurf zu integrierten Systemarchitekturen haben modulare, serviceorientierte Architekturen für Kraftfahrzeuge zunehmend an Bedeutung gewonnen, mit den Zielen, die resultierende Systemkomplexität zu senken, die Wiederverwertbarkeit von entwickelten Modulen in verschiedenen Anwendungen zu fördern sowie die Wart- und Updatebarkeit der Fahrzeuge zu verbessern. Die Modularisierung kann dabei auch auf die Bewegungsregelung angewendet werden und ermöglicht durch funktionale Trennung der Bewegungsplanung und –ausführung die konsequente Kapselung der ausführenden Fahrdynamik- und Trajektorienregelung (FTR), mit dem Ziel der Minimierung von Abhängigkeiten innerhalb des konsistenten Gesamtsystems. Dies legt die Grundlage für eine dynamische Rekonfiguration der Dienste im Fahrzeug, basierend auf dem derzeitigen Betriebsmodus. Neben den genannten Vorteilen führt die Entkopplung der beiden Teilfunktionen der Bewegungsregelung zu neuartigen Herausforderungen wie inkonsistenten Lokalisierungsinformationen, einer grundlegenden Asynchronität der Funktionen und der Notwendigkeit, die Bewegungsplanung möglichst ohne fahrzeugspezifische Adaptionen zu gestalten. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen einer gekapselten FTR auf die autonome Fahrzeugführung und präsentiert Lösungen, um die resultierenden Herausforderungen zu beherrschen. Aufbauend auf einer Anforderungsdefinition an die betrachtete FTR liegt als Ergebnis der Arbeit zunächst eine Analyse der Herausforderungen für die Bewegungsregelung innerhalb der definierten Systemarchitektur vor. Durch die Trennung der planenden und ausführenden Ebene führen inkonsistente Lokalisierungsinformationen zu unerwünschtem Verhalten wie einer systematischen Regelabweichung. Die Arbeit stellt den Lösungsraum dar, um solche Effekte zu vermeiden. So wird u. a. gezeigt, dass eine zusätzliche Lokalisierungsangleichung in Form einer Posen-Offsetkorrektur erforderlich ist, um den Einfluss abweichender Lokalisierungsinformationen auf die Regelgüte zu minimieren. Die Planung kinematisch und dynamisch nicht umsetzbarer Trajektorien hat einen negativen Einfluss auf die Fahrzeugführung und muss daher verhindert werden. Es wird dargelegt, dass über eine Rückmeldung von kinematischen und dynamischen Grenzen an die Bewegungsplanung sichergestellt werden kann, dass die Planungsebene nur erfüllbare Aufgaben an die FTR stellt und dass der Planungsalgorithmus darüber hinaus nicht an das betrachtete Fahrzeug adaptiert werden muss. Anforderungen hinsichtlich der Unabhängigkeit von einer konkreten Planungsinstanz sowie der Robustheit ggü. Planungslatenzen und Asynchronitäten werden durch die Definition einer geeigneten Trajektorienschnittstelle erfüllt. Die Schnittstelle ermöglicht darüber hinaus die Ausnutzung der Kenntnis zukünftiger Systemzustände im Rahmen einer prädiktiven Vorsteuerung, wodurch eine Umsetzung des transienten Fahrzeugverhaltens im offenen Regelkreis ermöglicht und somit eine Anpassung der Bewegungsplanung auf die nachgelagerte Aktorik verhindert wird. Auf Basis der zuvor identifizierten Handlungsbedarfe wird eine Referenzarchitektur und -implementierung für die FTR entwickelt sowie in Versuchen mit Simulationen und Realfahrzeugen nachgewiesen, dass die zuvor identifizierten Herausforderungen mit den aufgezeigten Lösungen beherrscht werden können. Mit der Arbeit wird somit die Grundlage für informierte Entscheidungen über die Fahrzeug-Systemarchitektur gelegt, da die mit einer funktionalen Trennung der planenden und ausführenden Ebene verbundenen Vor- bzw. Nachteile transparent ersichtlich sind

Untersuchung und Entwicklung verschiedener Spurführungsansätze für Offroad-Fahrzeuge mit Deichselverbindung

In dieser Arbeit wird zuerst die Dynamik eines über Deichsel mit einem Zugfahrzeug gekoppelten Nachläufers modelliert. Auf dieser Grundlage werden verschiedene Regelansätze zur Spurfühurng des Nachläufers entwickelt. Danach werden die Konzepte erweitert, damit ein über virtuelle Deichsel mit einem vorausfahrenden Fahrzeug gekoppeltes Fahrzeug automatisch geführt werden kann

Topologie-Optimierung eines radselektiv angesteuerten Fahrzeugs basierend auf einer optimalen Fahrzeugführungsregelung

Die Elektrifizierung und Automatisierung von Fahrzeugen fördern Innovationen der gesamten Fahrzeugarchitektur. Werden radselektiv gelenkte und angetriebene Fahrzeuge betrachtet, können Herausforderungen urbaner Regionen begegnet werden. Um diese Entwicklungen mit dem alternativen Fahrzeugkonzept zu kombinieren, wird ein optimales Fahrwerk gestaltet. Die Topologie-Optimierung einer virtuellen Radaufhängung erfolgt im Zusammenspiel mit einer durchgängigen, optimalen Fahrzeugführungsregelung

Topologie-Optimierung eines radselektiv angesteuerten Fahrzeugs basierend auf einer optimalen Fahrzeugführungsregelung

The electrification and automation of passenger vehicles promote innovations of the entire vehicle architecture. If wheel-selective steered and driven vehicles are considered, challenges of urban regions can be met. In order to combine these development priorities with the alternative vehicle concept, an optimal suspension is designed for the vehicle concept. The topology optimization of a virtual wheel suspension takes place in interaction with a continuous, optimal dynamics vehicle control

Topologie-Optimierung eines radselektiv angesteuerten Fahrzeugs basierend auf einer optimalen Fahrzeugführungsregelung

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und zunehmende Automatisierung personenbefördernder Fahrzeuge fördern Innovationen der gesamten Fahrzeugarchitektur. Im Automobilbereich werden zwei relevante Entwicklungsrichtungen angestrebt. Zum einen steht die Reduzierung der durch den Straßenverkehr hervorgerufenen CO₂-Emissionen im Fokus. Zusätzlich führt der zunehmende Automatisierungsgrad aktueller Serienfahrzeuge zur Erhöhung der Fahrsicherheit und des Fahrkomforts. Werden weiterhin radselektiv gelenkte und angetriebene Fahrzeuge betrachtet können Herausforderungen dicht besiedelter urbaner Regionen, durch die erhöhte Manövrierbarkeit solcher Fahrzeuge, begegnet werden. Um diese Entwicklungschwerpunkte sowie das alternative Fahrzeugkonzept zusammenzuführen, wird in dieser Arbeit die Frage beantwortet, wie ein optimales Fahrwerk, basierend auf der Betrachtung der aktorischen Freiheitsgrade eines radselektiv angesteuerten Fahrzeugs, zu gestalten ist. Dabei wird die Auslegung des Arbeitsbereichs der Radmodule sowie deren Anbcindung an die Karosserie durch Definition der kinematischen Kennwerte mit einem vorgestellten Auslegungserfahren durchgeführt und anschließend analysiert. Die Topologie-Optimierung einer virtuellen Radaufhängung erfolgt im Zusammenspiel mit einer durchgängigen, optimalen Fahrzeugführungsregelung, wodurch die Freiheitsgrade des Fahrzeugkonzepts auch Einfluss auf den Entwurf des Fahrwerks haben. Dabei wird das radselektiv gelenkte und angetriebene, automatisiert geführte Fahrzeug energieoptimal angesteuert sowie die erhöhte Manövrierfähigkeit des Konzeptes ausgenutzt. Die Arbeit ist in zwei grundlegende Beiträge unterteilt. Zunächst ist dies der Entwurf einer durchgängigen Fahrzeugführungsregelung für das radselektiv angesteuerte Fahrzeug. Zwischen den Schnittstellen zum Trajektorien-Planer sowie den Elektromotoren der Antriebe erfolgt eine kaskadierte, prädiktive und lokal optimale Regelung des Fahrzeugs. Hierbei wird der Soll-Arbeitsbereich durch die optimale Ausnutzung der Fahrzeugführungsfreiheitsgrade durch die Regelungsarchitektur und -strategie zur Laufzeit und ohne Geschwindigkeitsbeschränkungen festgelegt. Im zweiten Teil der Arbeit wird diese Regelung zusammen mit einem detaillierten Fahrzeugmodell als Black-Box-Simulation innerhalb einer Topologie-Optimierung basierend auf evolutionären Algorithmen eingebettet. Kinematische Zusammenhänge des Fahrwerks, abgebildet über virtuelle Lenker und Drehpole der Radaufhängung, werden bei dem vorgestellten Auslegungsverfahren als Optimierungsparameter zur globalen Optimierung des Fahrzeugverhaltens hinsichtlich des Energieverbrauchs sowie der Fahrkomfortsteigerung ausgelegt

Haptic Signals in the Steering System: Controllability of Additional Steering Torque Inputs

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen zusätzlicher Lenkmomenten auf das Fahrer-Fahrzeug-System untersucht. Solche Lenkmomentsignale zeigen großes Potential z.B. bei Spurführungssystemen. So kann der Fahrer sehr schnell auf diese Signale reagieren und gegenüber anderen Signalen sind bessere Leistungen in der Spurführung erreichbar. Allerdings zeigen sich in Einzelfällen falsche Interpretationen dieser Signale. Dies unterstreicht die Wichtigkeit eines angemessenen Designs der Zusatzlenkmomente. Einerseits leistet diese Arbeit eine Umsetzung der im RESPONSE Code of Practice geforderten Untersuchungsmethodik zur Bewertung der Controllability solcher Eingriffe. Dazu werden unterschiedliche Fahrmanöver untersucht und eine pylonenbegrenzte Engstelle als sensitivstes Manöver identifiziert. Ergänzend werden verschiedene Fahrergruppen betrachtet. Im Fokus stehen ältere Fahrer und Fahranfänger als potentielle Risikogruppen. Hinsichtlich der Auswirkungen von Zusatzlenkmomenten ist jedoch kein Unterschied gegenüber normalen Fahrern feststellbar. Weiter setzt sich diese Arbeit zum Ziel, die Auswirkungen zusätzlicher Lenkmomente auf das Fahrer-Fahrzeug-System zu analysieren. Hierfür wird ein experimenteller Ansatz in Realfahrzeug und Fahrsimulator mit Normalfahrern gewählt. Als wesentlich wird in dieser Arbeit der wechselseitige Einfluss von Amplitude und Anstiegssteilheit eines Lenkmoments identifiziert. So zeigt sich, dass durch die Begrenzung der Anstiegssteilheit eines Zusatzmoments auch höhere Amplituden für den Fahrer zumutbar bleiben. Von besonderem Interesse ist die Variation des Fahrzeugübertragungsverhaltens und den Auswirkungen auf die Fahrerwahrnehmung und -reaktion. So ergibt sich, dass das Lenkmoment nicht wesentlich für die Bewertung der Kontrollierbarkeit durch den Fahrer ist. Vielmehr scheint die resultierende Querdynamik die Führungsgröße des Fahrers besser zu beschreiben und fahrzeugübergreifende Grenzwerte für zumutbare Zusatzlenkmomente abzuleiten.This work describes the assessment of the driver’s perception and reaction to additional steering torque signals. These additional torque signals represent haptic signals to the driver. By applying these signals it is possible to support the driver in the lateral control task of lanekeeping. Numerous studies have shown advantages of those signals compared to acoustical or visual cues in specific contexts. However, there are singular cases reported in literature where participants misinterpreted the signals and responded incorrectly. Therefore, a careful design of the torque signals is vitally important. This work provides a methodological approach for investigating the controllability of torque signals according to demands of the RESPONSE Code of Practice. Therefore, the signals are investigated in different driving tasks and a bottleneck maneuver is identified as most sensitive in this context. Furthermore, younger and older drivers are examined as potentially weaker driver groups. The results do not indicate any effect from age on reaction times or perceptions of the signals. To provide design recommendations, the effects of steering torque signals on the driver-vehicle-system are investigated on a test track and in a driving simulator. The gradient and amplitude of the torque signal show a clear influence, while below a certain gradient the effect of the amplitude disappears. Therefore, it is recommended to limit the gradient of steering torque signals for use in the vehicle to ensure controllability. With the goal to identify the underlying perception processes, the drivers’ subjective assessment of the applied torque correlated to objective measures of vehicle motion. This approach allows identification of the main command variables of the drivers’ perception and evaluation. The analyses in this work show vehicle motion parameters as more adequate for estimating the drivers’ subjective evaluation than the applied torque or movement in the steering system

Steuerung und Regelung des Lenkradmoments durch Nutzung radselektiver Frontantriebe

Der Energiebedarf von Fahrzeugen ist neben dem Antriebssystem auch durch zahlreiche Unterstützungssysteme beeinflusst. Um den Energiebedarf zu senken, bietet sich daher eine funktionale Integration verschiedener Systemkomponenten an. So ermöglicht der Einsatz radselektiver Antriebe an der gelenkten Achse neben dem Vortrieb gleichzeitig die Umsetzung einer Lenkkraftunterstützung. Die vorliegende Arbeit stellt hierfür eine an Steuerungsverfahren konventioneller Lenkkraftunterstützungssysteme angelehnte Methode zur Steuerung radselektiver Antriebe mit dem Ziel einer Reduktion des Lenkradmoments vor. Des Weiteren wird ein geregeltes Verfahren zur Lenkkraftunterstützung mittels radselektiver Antriebe unter Berücksichtigung der Fahrdynamik und des Energiebedarfs dargelegt. Der entwickelte optimale linear-quadratisch-integrale Regler erreicht eine hohe Regelgüte für das Lenkradmoment bei gleichzeitiger Gewährleistung der Fahrsicherheit. Darüber hinaus kann der Energiebedarf des Fahrzeugs auch im Vergleich zu einem Fahrzeug ohne Lenkkraftunterstützung gesenkt werden. Die Validierung erfolgt hierbei sowohl simulationsbasiert als auch in der Praxis mit einem Demonstratorfahrzeug im Maßstab 1:1,5

Steuerung und Regelung des Lenkradmoments durch Nutzung radselektiver Frontantriebe

The use of wheel-individual drives on the steered axle simultaneously enables propulsion and implementation of steering assistance. This work presents a closed-loop and open-loop method for controlling wheel-selective drives with the aim of reducing the steering wheel torque. The proposed optimal linear-quadratic-integral controller achieves a high control quality while ensuring driving safety and reducing energy consumption