Fahrdynamik-Regelung (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Rolf Isermann leitet das Fachgebiet Regelungstechnik und Prozessautomatisierung im Institut für Automatisierungstechnik der TU Darmstadt. Seine Arbeit für die Mechatronik wurde mit dem Top Ten Award des renommierten MIT (Massachusetts Institute of Technology ) ausgezeichnet. Unterstützt wird er durch ein hochkarätiges Autorenteam von über 20 Experten aus der Fahrzeug- und Zulieferindustrie sowie von Universitäten.

Vorwort 6
Autorenverzeichnis 8
Inhaltsverzeichnis 10
1 Das mechatronische Kraftfahrzeug 17
1.1 Zur Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen und Fahrdynamik-Regelungen 17
1.2 Mechatronische Systeme 19
1.2.1 Integrierte mechatronische Systeme 21
1.2.2 Funktionen mechatronischer Systeme 23
1.2.3 Integrationsformen von Prozess und Elektronik 26
1.2.4 Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme 29
1.2.5 Rechnergestützter Entwurf von mechatronischen Systemen 31
1.3 Mechatronische Komponenten im Kraftfahrzeug – eine kurze Übersicht 33
1.3.1 Mechatronische Radaufhängungen 34
1.3.2 Mechatronische Bremssysteme 36
1.3.3 Mechatronische Lenksysteme 38
2 Modelle zur Beschreibung des Fahrzeugverhaltens 43
2.1 Modellierung technischer Systeme 43
2.3 Ausprägungen von Fahrzeugmodellen 47
2.4 Gesamtfahrzeugmodelle 49
2.5 Modellierung von Antriebsstrang und Bremse 50
2.6 Reifenmodelle 51
2.6.1 Reifenmodell nach Burckhardt 53
2.6.2 Reifenmodell nach Pacejka 56
2.6.4 Dynamik des Kraftaufbaus 57
2.7 Dynamikgleichungen des Zweispurmodells 58
2.8 Zusammenfassung 61
3 Modellierung, Analyse und Simulation der Fahrzeugquerdynamik 63
3.1 Modellbildung des lineares Einspurmodelles 63
3.1.1 Kinetik 64
3.1.2 Kinematik 67
3.1.3 Querschlupf und Querkräfte 70
3.1.4 Bewegungsgleichungen 74
3.2 Analyse des linearen Einspurmodells 79
3.2.1 Übertragungsfunktionen 79
Literatur 86
4 Objektorientierte Modellbildung des fahrdynamischen Verhaltens mit MODELICA 87
4.1 Modular-hierarchische Strukturierung 88
4.1.1 Verknüpfungen 89
4.1.2 Modellaggregation 89
4.1.3 Objektdiagramme 89
4.2 Grundzüge objektorientierter Modellierung physikalischer Systeme mit MODELICA 90
4.2.1 Objekte und Klassen 91
4.2.2 Schnittstellen und Verknüpfungen 92
4.2.3 Kapselung 93
4.2.4 Hierarchie 93
4.3 Physikalische Modellbildung am Beispiel des Kraftfahrzeugs 94
4.3.1 Fahrwerk 96
4.3.2 Reifen/Räder 98
4.3.3 Antrieb und Bremssystem 100
4.3.4 Bewertung der Modellierung mit MODELICA 101
4.4 Modellparametrierung und -validierung 102
4.5 Zusammenfassung und Ausblick 104
5 Anwendungsorientierte Übersicht kommerzieller Fahrzeug-Simulations-Systeme 109
5.1 Mehrkörper-Simulation (MKS) 109
5.1.1 Übergang vom MKS-Modell zum systemdynamischen Modell 112
5.2 Systemdynamische Fahrzeugmodelle 113
5.3 Modellbasierter Entwicklungsprozess 118
5.4 Software-in-the-Loop-Simulation 120
5.4.1 Anwendungsbeispiel: IDSPlus Fahrwerk im Opel Astra 121
5.4.2 SiL-Simulation des ICC-Systems 122
5.5 Hardware-in-the-Loop-Simulation 124
5.6 Testautomatisierung 128
Literatur 131
6 Domänenübergreifende Modellbildung eines aktiv gefederten Nutzfahrzeugs (CAMel-View TestRig) 133
6.1 Versuchsträger: Ein passiv gefedertes Nutzfahrzeug auf UNIMOG-Basis 133
6.2 Entwurfsziel: Aktives Fahrwerk für ein geländegängiges Nutzfahrzeug 134
6.2.1 Prinzip der aktiven Federung 135
6.2.2 Flügelzellenaktorik 135
6.2.3 Informationsverarbeitung und Sensorik 136
6.3 Entwurfsprozess: Modellbasierter Entwurf mechatronischer Systeme 137
6.3.1 Modellphase 137
6.3.2 Prüfstandsphase 138
6.3.3 Prototypenphase 139
6.4 Entwurfsumgebung: CAMeL-View TestRig – ein durchgängiges Werkzeug für den Entwurf mechatronischer Systeme 139
6.4.1 Objektorientierte Modellbildung mechatronischer Systeme mit CAMeL-View 140
6.4.2 Vom physikalisch-topologischen zum mathematischen Modell 143
6.4.3 CAMeL-View TestRig-Prüfstands- und -Prototypenhardware 145
6.5 Entwurfsprozess: Modell-, Prüfstands- und Prototypenphase 147
6.5.1 Modellphase: Modellbildung des aktiv gefederten Nutzfahrzeugs 147
6.5.2 Validierung des Fahrzeugmodells 148
6.5.4 Simulationsuntersuchungen am virtuellen Prototypen 149
6.5.5 Prüfstandsphase: Komponententest 150
6.5.6 Prototypenphase: Einsatz im Fahrversuch 151
6.6 Zusammenfassung und Ausblick 152
7 Bremsregelungen für mechatronische Bremsen 153
7.1 Konventionelles Antiblockiersystem 155
7.2 Grundzüge des Antiblockiersystems mit neuem Ansatz 157
7.2.1 Aufbau des Regelsystems 157
7.2.2 Versuchsfahrzeug 159
7.2.3 Elektrohydraulische Bremse (EHB) 160
7.3 Funktionen des Antiblockiersystems mit neuem Ansatz 162
7.3.1 Radschlupfregelung 162
7.3.2 Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit 171
7.3.3 Ermittlung des optimalen Bremsschlupfs und Bremsschlupfvorgabe 175
7.4 Vergleich von ABS mit konventionellem bzw. neuem Ansatz 179
7.4.1 Konventionelles Antiblockiersystem 180
7.4.2 Antiblockiersystem mit neuem Ansatz 181
7.5 Zusammenfassung 183
8 Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) 185
8.1 Regelkonzept des ESP 187
8.2 Komponenten des ESP 190
8.3 Anforderungen an das ESP 190
8.4 Struktur des ESP-Reglers 192
8.4.1 Fahrdynamikregler 193
8.4.2 Bremsschlupfregler 208
8.4.3 Antriebsschlupfregler 213
8.5 Überwachung des ESP-Systems 218
8.5.1 Anforderungen an die Sicherheit 219
8.5.2 Auswirkungen von Komponentenausfällen 220
8.5.3 Basiselemente des ESP-Sicherheitskonzepts 221
8.5.4 Wiedergutprüfung nach Systemabschaltung 227
Literatur 227
9 Mechatronische Lenksysteme: Modellbildung und Funktionalität des Active Front Steering 229
9.1 Systemüberblick des Active Front Steering 229
9.2 Lenkassistenzfunktionen des Active Front Steering 230
9.3 Systemkomponenten des Active Front Steering 234
9.4 Mathematische Modellbildung, Parameterschätzung und Validierung 237
9.5 Grundzüge des technischen Sicherheitskonzeptes 247
9.6 Modellbasierte Überwachungsmaßnahmen 248
9.7 Zusammenfassung 251
Literatur 252
10 Integrierte Querdynamikregelung mit ESP, AFS und aktiven Fahrwerksystemen 253
10.1 Überblick über aktive Systeme zur Beeinflussung der Fahrzeugquerbewegung 254
10.1.1 ESP 254
10.1.2 Aktive Vorderachslenkung AFS 256
10.1.3 Aktive Fahrwerksysteme 258
10.1.4 Der Reifen als Übertragungsglied 259
10.2 Bewertung von Querdynamikeingriffen anhand des Giermoments 260
10.3 Funktions- und Regelungsstruktur von VDM 262
10.4 Anwendung im Fahrversuch 264
10.5 Schlussfolgerung 266
11 Semiaktive Stoßdämpfer und aktive Radaufhängungen 269
11.1 Übersicht aktiver Stoßdämpfer und aktiver Radaufhängungen 269
11.2 CDC-System und Weiterentwicklung zur Mechatronik 270
11.3 Funktionsvernetzung am Beispiel CDC und ARS 275
11.4 Zusammenfassung 280
12 Elektronisch geregelte Luftfedersysteme 281
12.1 Luftfedersysteme 281
12.2 Einsatzfelder von Luftfedersystemen 284
12.3 Bauformen der Luftfedern und Luftfederdämpfereinheiten 284
12.4 Luftversorgung 288
12.5 Luftfederdämpfungssystem 292
12.6 Steuergerät und Regelung 296
12.7 Zusammenfassung 298
13 Automatisches Spurfahren auf Autobahnen 301
13.1 Systemüberblick 302
13.1.1 Systemfunktion 302
13.1.2 Funktionaler Systemaufbau und Verarbeitungsablauf 302
13.1.3 Systemkomponenten 304
13.1.4 Fahrzeugintegration und Mensch-Maschine-Schnittstelle 306
13.2 Fahrzeugquerführung 307
13.2.1 Reglerstruktur 307
13.2.2 Stabilitätsuntersuchungen 312
13.2.3 Kennlinien und Sprungantworten 314
13.2.4 Praktisches Reglerverhalten 317
13.3 Leistungsbewertung des ALD-Systems 317
Zusammenfassung 321
14 Parkassistent 323
14.1 Systemkonzept 324
14.2 Positionsbestimmung 326
14.3 Bahnplanung 328
14.4 Bahnregelung 330
14.5 Mensch-Maschine-Schnittstelle 333
14.6 Experimentelle Ergebnisse 335
14.7 Zusammenfassung 337
Literatur 338
15 Systemvernetzung und Funktionseigenentwicklung im Fahrwerk – Neue Herausforderung für Hersteller und Zulieferer 339
15.1 Fahrwerksysteme – Ein Überblick 340
15.2 Funktionale Architekturen der Fahrwerksvernetzung 351
15.3 Geschäftsmodelle für Funktionseigenentwicklung beim OEM 355
15.4 Zusammenfassung 359
Literatur 360
16 Vernetzung von Längs-, Quer- und Vertikaldynamik-Regelung 361
16.1 Querregelkreis und Fahrer 363
16.2 Wechselwirkung Längs- und Querdynamik 366
16.3 Wechselwirkung Quer- und Wankdynamik 368
16.4 Fahrdynamischer Systemverbund 371
16.5 Entwicklungsmethodik für einen fahrdynamischen Systemverbund 376
16.6 Zusammenfassung und Ausblick 378
17 Entwicklungsumgebung mit echtzeitfähigen Gesamtfahrzeugmodellen für sicherheitsrelevante Fahrerassistenzsysteme 381
17.1 Besondere Betrachtung des Fahrers im Regelkreis 381
17.2 Laboraufbau und HIL-Simulationsmodell 383
17.3 Stabilisierung des Fahrzeugs durch Gierraten- Regelung mit aktivem Lenkeingriff 386
17.4 Beispiel Ausweichassistent 389
17.5 Zusammenfassung und Ausblick 390
18 Modellgestützte Überwachung und Fehlerdiagnose für Kraftfahrzeuge 393
18.1 Wissensbasierte Fehlererkennung und Fehlerdiagnose 395
18.2 Modellgestützte Methoden zur Fehlererkennung 396
18.2.1 Mathematische Prozessmodelle und Fehlermodellierung 398
18.2.2 Fehlererkennung mit Parameterschätzmethoden 401
18.2.3 Fehlererkennung mit Paritätsgleichungen 402
18.2.4 Fehlererkennung mit Beobachtern 403
18.2.5 Fehlererkennung mit Signalmodellen 404
18.2.6 Vergleich der verschiedenen Methoden 405
18.2.7 Kombination verschiedener Methoden zur Fehlererkennung 406
18.2.8 Symptomerkennung 407
18.3 Methoden zur Fehlerdiagnose 410
18.3.1 Arten der Merkmale und Symptome 410
18.3.2 Einheitliche Darstellung der Symptome 411
18.3.3 Klassifikationsverfahren 411
18.3.4 Inferenzverfahren 412
18.4 Elektromechanische Aktoren 415
18.4.1 Elektrische Drosselklappe 415
18.4.2 Elektromagnet (Magnetventil) 416
18.5 Modellgestützte Fehlerdiagnose am Fahrwerk 417
18.5.1 Fehlerdiagnose an Radaufhängungen 417
18.5.2 Aktive Radaufhängung 419
18.6 Schlussfolgerungen 419
Literatur 420
19 Fehlererkennung und -diagnose für Fahrdynamiksensoren mit querdynamischen Modellen 423
19.1 Symptomgenerierung in der unteren Ebene 425
19.1.1 Geometrische Modelle 425
19.1.2 Geometrische Modelle mit Raddrehzahldifferenz 425
19.1.3 Geometrische Modelle mit Vorderradeinschlag 428
19.1.4 Paritätsgleichungen 429
19.1.5 Fehlererkennung der ABS Radgeschwindigkeitssignale 430
19.2 Diagnosesystem in der mittleren Ebene 432
19.2.1 Einsatz von Fuzzy-Logik zur Diagnose 432
19.3 Experimentelle Ergebnisse der Fehlererkennung und -diagnose 435
19.4 Rekonfiguration in der oberen Ebene 444
19.5 Zusammenfassung 445
20 Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz aktiver Fahrwerke 447
20.1 Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz für eine elektrohydraulische Radaufhängung 447
20.1.1 Modellbildung der elektrohydraulischen Radaufhängung 448
20.1.2 Parameterschätzung 450
20.1.3 Modellierung mit semi-physikalischen Modellen 451
20.1.4 System zur Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz 453
20.1.6 Prozessfehlererkennung 455
20.1.7 Sensorfehler-Toleranz 456
20.2 Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz für einen aktiven Stabilisator 457
20.2.1 Modellbildung des aktiven Stabilisators 459
20.2.2 Parameterschätzung 460
20.2.3 Modellierung mit semi-physikalischen Modellen 461
20.2.4 Erkennung und Diagnose von Sensorfehlern 464
20.3 Zusammenfassung 466
Literatur 467
Sachwortverzeichnis 469

4 Objektorientierte Modellbildung des fahrdynamischen Verhaltens mit MODELICA (S. 71-72)

Stefan Drogies

Der Entwurf mechatronischer Produkte verlangt die Berücksichtigung des Gesamtsystems, um Iterationen zu reduzieren und Produkteigenschaften nicht nur zu verbessern, sondern auch zu optimieren, [11]. Deswegen sollten Simulationsmodelle diese unterschiedlichen Disziplinen abdecken können. Herkömmliche leistungsfähige Ansätze haben mit dieser gewünschten Multidisziplinarität Probleme und sind meist auf eine bestimmte physikalische Domäne spezialisiert. Ebenso ist der Im- und Export von Modellen oft nur mit hohem Aufwand möglich. Die Idee der Co-Simulation will dieses Dilemma durch paralleles Simulieren mehrerer Simulationswerkzeuge, die über eine Art Datenbus Simulationsdaten austauschen, lösen. Hier hat man für zwei Simulatoren gute Erfahrungen gemacht, mit steigender Anzahl an gekoppelten Simulatoren explodieren aber auch die Probleme in Bezug auf Stabilität und Geschwindigkeit [34].

Deswegen ist es sinnvoll, auf einer einheitlichen, interdisziplinären Modellierungsebene zu arbeiten, in der allerdings jeder Spezialist mit dem Formalismus und der Notation (z.B. elektrische Schaltpläne, Blockschaltbilder, Petrinetze etc.) arbeiten kann, die er gewöhnt ist. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Wiederverwendbarkeit bereits bestehender Modell-Komponenten. Sie ist entscheidend für die Effizienz eines Modellbildungsprozesses. Wenn es gelingt, Wissen und Modell-Komponenten in geeigneter wiederverwendbarer Form in einer fachübergreifenden Bibliothek zu speichern, wird der Entwicklungsprozess deutlich effizienter.

Ein Ansatz, der die beiden Punkte berücksichtigt, ist die objektorientierte Modellierung technischer Systeme. Auf der Grundlage einer einheitlichen Modellierungssprache, die analytische und numerische Modellierungsverfahren aufnehmen kann und Verfahren zur symbolischen Weiterverarbeitung enthält, können recheneffiziente Modelle generiert werden. Die Herangehensweise bietet eine hohe Flexibilität, bessere Wartbarkeit, bessere Standardisierung und vor allem eine große topologische Ähnlichkeit mit dem realen System. Es können komplexe Systeme unter Zuhilfenahme von Abstraktion, Hierarchisierung und Modularisierung in Modellkomponenten zerlegt werden, die sich ähnlich wie technische Komponenten flexibel zu neuen Systemen verschalten lassen.

Zusätzlich können durch die Darstellung der Komponenten als Objektdiagramme die jeweils dem Anwender vertrauten fachspezifischen Notationen verwendet werden. In den letzten Jahren gab es Bemühungen, eine Standardsprache für die objektorientierte Modellierung physikalischer Systeme zu schaffen. Dabei hat man versucht, die bereits bestehenden Ansätze objektorientierter Simulationssprachen zu berücksichtigen und entsprechend mit einfließen zu lassen. Das Ergebnis ist MODELICA [6]. Basierend auf den physikalischen und softwaretechnischen Grundlagen wird in diesem Kapitel am Beispiel eines Kraftfahrzeugs gezeigt, wie der Modellierer ein Fahrzeug strukturieren, modellieren und simulieren kann.

Für eine ausführlichere Auseinandersetzung mit der Thematik sei auf [5] verwiesen. Für eine Vertiefung in MODELICA siehe [8], [37], [38]. Im Folgenden wird zunächst als Modellierungsmethodik die modular-hierarchische Strukturierung vorgeschlagen, die sich bei der objektorientierten Modellierung bewährt hat, die aber auch von vielen Autoren für die Modellierung heterogener Systeme empfohlen wird. Andere Verfahren werden z.B. in [4] beschrieben. Im nächsten Abschnitt wird ein Einblick in die objektorientierte Modellierung heterogener Systeme mit Beispielen in MODELICA gegeben.

Danach werden die zuvor besprochenen Methoden auf die Modellierung eines Kraftfahrzeuges angewendet und über die dabei gemachten Erfahrungen berichtet. Nach der Validierung des Modells folgt dann im letzten Abschnitt die Zusammenfassung und Diskussion der wichtigsten Ergebnisse. 4.1 Modular-hierarchische Strukturierung Zu Beginn der Modellbildung komplexer, heterogener Systeme ist es sinnvoll, die im System vorhandenen Energie-, Stoff- und Informationsströme zu ermitteln und festzulegen [19]. Dadurch wird bei der Dekomposition die Definition von Subsystemen und Schnittstellen erleichtert. Danach folgt üblicherweise ein wichtiges Element in der Modellierung, die modular-hierarchische Strukturierung ([23], [30], [28]), die sich an drei zentralen Begriffen orientiert: der Dekomposition, der Topologie und der Hierarchie eines Systems.