Methoden und Implementierung einer vorausschauenden Fahrwerksregelung für aktive und semi-aktive Federungssysteme

Die Automobilindustrie ist für den Wirtschaftsstandort Deutschland und auch innerhalb der Europäischen Union ein wichtiger Arbeitgeber und mitverantwortlich für wirtschaftliche Stärke und Wohlstand in Deutschland und Europa. Vor allem die deutschen Hersteller sind international anerkannt für hochwertige und innovative Fahrzeuge im Oberklasse-Segment. Um diesen Vorsprung zu erhalten, ist es notwendig, durch ständige Innovationen das Fahrerlebnis für den Kunden immer weiter zu verbessern. Schon seit Anbeginn der Automobilentwicklung ist die Steigerung des Fahrkomforts und der Fahrdynamik ein großes Ziel der Automobilfirmen. Gleichzeitig werden moderne Fahrzeuge mit immer fortschrittlicheren Umfeldsensoren ausgerüstet, um durch Assistenzfunktionen den Fahrer zu unterstützen und zu entlasten.
In dieser Arbeit werden neue Methoden entwickelt, um mithilfe im Fahrzeug verbauter Sensoren das Straßenhöhenprofil vor dem Fahrzeug zu ermitteln und eine verbesserte Ansteuerung von semi-aktiven und aktiven Fahrwerkselementen durchzuführen. Diese Fahrwerkselemente können an jedem Rad vertikale Kräfte zwischen dem Rad und dem Fahrzeugaufbau erzeugen und somit den Fahrkomfort über Bodenunebenheiten, durch Beruhigung des Fahrzeugaufbaus, erhöhen. Durch die Vorausschau ist es möglich, nicht nur auf Bodenunebenheiten zu reagieren, sondern das Fahrwerk proaktiv, unter Beachtung der Aktordynamik, im gewünschten Frequenzbereich und für das erkannte Straßenhöhenprofil in einer geeigneten Weise anzusteuern.
Hierfür werden Regelungsverfahren für ein Fahrwerk mit Federfußpunktverstellung, ein Fahrwerk mit Verstelldämpfern und ein Fahrwerk mit einer Kombination aus beiden Aktoren entworfen. Dies sind zum einen zwei Varianten einer modellprädiktiven Regelung, wobei bei der ersten Variante die Aktorstellgrößen und bei der zweiten Variante Trajektorien für den Fahrzeugaufbau über einen Vorausschauhorizont optimiert werden. Die Beschränkungen der Aktorik sind jeweils explizit berücksichtigt. Zum anderen wird ein invertiertes Fahrzeugmodell hergeleitet und mit diesem eine Vorsteuerung aus den vorausschauend bekannten Straßenhöhenwerten berechnet. Diese Vorsteuerung wird mit einem Regler ohne Vorausschau kombiniert.
Nachdem ein gewünschtes Höhenprofil als Eingangssignal für die entworfenen Regelungsverfahren definiert wurde, werden Verfahren entwickelt, um aus den Messwerten eines karosseriefest montierten Sensors das gewünschte Höhenprofil zu erzeugen. Hierzu werden ein sensorfestes, ein profilbezogenes und ein inertiales Koordinatensystem zur Erstellung des Straßenhöhenprofils vorgeschlagen und Verfahren weiterentwickelt, um die aufgrund der Fahrzeugeigenbewegung notwendige Transformation der Sensordaten zwischen zwei Zeitschritten durchzuführen. Des Weiteren werden Filterverfahren entwickelt, um das Straßenhöhenprofil im gewünschten Frequenzbereich zu erhalten. Es wird vorgeschlagen, definierte Unebenheiten im Höhenprofil zu erkennen und nur an diesen Stellen die vorausschauende Fahrwerksansteuerung durchzuführen. Zum Testen der entwickelten Algorithmen wird eine Simulationsumgebung entworfen, womit bei Überfahrt einer gegebenen Straße Messdaten des fahrzeugfesten Sensors berechnet und der gesamte Ablauf, bestehend aus Aufbereitung der Sensorrohdaten und der Fahrwerksansteuerung, simuliert wird. Die Effektivität der entwickelten Verfahren für die unterschiedlichen Fahrwerksaktoren wird somit dargestellt und die Sensitivität hinsichtlich eines nicht exakt mes-senden Sensors analysiert.
Darauf aufbauend werden die entwickelten Verfahren in einem Testfahrzeug mit einer Federfußpunktverstellung implementiert. In einem ersten Schritt wird das Höhenprofil der Straße, durch Lokalisierung mithilfe eines GPS-basierten Systems, aus einer Höhenkarte ausgelesen und mit den entwickelten Konzepten zur Fahrwerksregelung eine Potentialabschätzung im Fahrzeug dargestellt. In einem zweiten Schritt wird eine seriennahe Umfeldsensorik verwendet, womit die vorgeschlagenen Konzepte zur Erstellung des Straßenhöhenprofils und der Fahrwerksansteuerung im Fahrzeug umgesetzt werden. Zudem wird ein Beobachter entwickelt, um das Straßenhöhenprofil unter den Rädern anhand der Fahrzeugreaktion zu ermitteln und um somit das Signal der Umfeldsensorik zu plausibilisieren.
Zum Abschluss werden die entworfenen Ansätze zur Ansteuerung des Fahrwerks und zur Erstellung des Straßenhöhenprofils unter Berücksichtigung des Stands der Technik bewertet und eine Empfehlung für eine serienmäßige Umsetzung gegeben.
Mit diesem entwickelten Gesamtkonzept wird eine deutlich spürbare Verbesserung des Fahrkomforts über Bodenunebenheiten in der Fahrzeugimplementierung dargestellt.