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

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

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

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

Regelung der Horizontalbewegung eines überaktuierten Fahrzeugs unter Berücksichtigung von Realisierungsanforderungen

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 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.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