Methoden zur nichtlinearen modellbasierten Spurführung benutzerdefinierter Punkte an der Fahrzeugfront

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Methoden zur Spurregelung benutzerdefinierter Punkte an der Fahrzeugfront, die über den Stand der Technik hinaus die gezielte Spurführung auch von lateral zur Fahrzeuglängsachse versetzten Punkten ermöglichen.

Für die Realisierung der Spurregelung wird ein neues, nichtlineares Regelstreckenmodell hergeleitet, das die Kinematik und Dynamik eines frei definierbaren Punktes am Fahrzeug auch im querdynamischen Grenzbereich abbildet. Auf Basis dieses Modells erfolgt die Auslegung zweier nichtlinearer Spurregler. Zum einen wird die Methode der exakten Ein-/Ausgangslinearisierung auf die vorliegende Systemklasse adaptiert. Zum anderen wird eine neue, nichtlineare Zwei-Freiheitsgrade-Regelungsstruktur entwickelt, die sich aus einem parameterveränderlichen PDT2-Regler und einer nichtlinearen, modellbasierten Störgrößenaufschaltung zusammensetzt. Im Unterschied zu klassischen nichtlinearen Regelungsverfahren erlaubt diese Methode die Regelung einer nichtlinearen Strecke auf Basis von nur wenigen Messgrößen - es wird keine vollständige Zustandsrückführung vorausgesetzt.

Den nichtlinearen Spurreglern werden zum Vergleich vier Gain-Scheduling-Regler gegenübergestellt. Der Entwurf von zwei der vier Vergleichsregler basiert hierbei auf dem linearisierten Regelstreckenmodell. Die weiteren zwei Regler repräsentieren den Stand der Technik, d.h. die Spurführung des Fahrzeugschwerpunktes sowie eines Vorausschaupunktes.

Wie die umfangreiche Erprobung anhand realer Fahrversuche belegt, gewährleisten die entwickelten Methoden zur nichtlinearen, modellbasierten Regelung die geforderte hochpräzise und reproduzierbare Spurführung eines lateral zur Fahrzeuglängsachse versetzten Punktes auch im querdynamischen Grenzbereich.

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Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Methoden zur Spurregelung benutzerdefinierter Punkte an der Fahrzeugfront, die über den Stand der Technik hinaus die gezielte Spurführung auch von lateral zur Fahrzeuglängsachse versetzten Punkten ermöglichen. Dies ist notwendig, um die hohen Anforderungen hinsichtlich der automatisierten Erprobung vorausschauender Sicherheitssysteme im Fahrversuch erfüllen zu können.

Für die Realisierung der Spurregelung wird ein neues, nichtlineares Regelstreckenmodell hergeleitet, das die Kinematik und Dynamik eines frei definierbaren Punktes am Fahrzeug auch im querdynamischen Grenzbereich abbildet.

Auf Basis dieses Modells erfolgt die Auslegung zweier nichtlinearer Spurregler. Zum einen wird die Methode der exakten Ein-/Ausgangslinearisierung auf die vorliegende Klasse eines nichtlinearen, eingangsaffinen SISO-Systems mit zeitlich veränderlichen Parametern und Störgrößeneingang adaptiert. Zum anderen wird eine neue, nichtlineare Zwei-Freiheitsgrade-Regelungsstruktur entwickelt, die sich aus einem parameterveränderlichen PDT2-Regler und einer nichtlinearen, modellbasierten Störgrößenaufschaltung zusammensetzt. Im Unterschied zu klassischen nichtlinearen Regelungsverfahren erlaubt diese Methode die Regelung einer nichtlinearen Strecke auf Basis von nur wenigen Messgrößen - es wird keine vollständige Zustandsrückführung vorausgesetzt.

Den nichtlinearen Spurreglern werden zum Vergleich vier Gain-Scheduling-Regler gegenübergestellt. Der Entwurf von zwei der vier Vergleichsregler basiert hierbei auf dem linearisierten Regelstreckenmodell. Entsprechend den Strukturen der nichtlinearen Regler werden eine lineare parameterveränderliche Zustands- und eine lineare parameterveränderliche Ausgangsrückführung, jeweils in Kombination mit einer linearen, modellbasierten Störgrößenaufschaltung, ausgelegt. Die weiteren zwei Regler repräsentieren den Stand der Technik, d.h. die Spurführung des Fahrzeugschwerpunktes sowie eines Vorausschaupunktes (hier: Fahrzeugfrontmitte).

Die experimentelle Validierung der Ergebnisse und der angesprochene Vergleich der vorgestellten Methoden erfolgt anhand realer Fahrversuche. Für die Erprobung werden drei Szenarien ausgearbeitet, die auf bekannten Testspezifikationen zur standardisierten Erprobung vorausschauender Sicherheitssysteme basieren.

Wie die umfangreiche Erprobung belegt, gewährleisten die entwickelten Methoden zur nichtlinearen, modellbasierten Regelung benutzerdefinierter Punkte an der Fahrzeugfront die geforderte hochpräzise und reproduzierbare Spurführung eines lateral zur Fahrzeuglängsachse versetzten Punktes auch im querdynamischen Grenzbereich. Es zeigt sich zudem, dass die am linearisierten Regelstreckenmodell ausgelegten Vergleichsregler sowie die aus der Literatur bekannten Regelungskonzepte nicht dazu in der Lage sind, die geforderten Anforderungen hinsichtlich der automatisierten Erprobung vorausschauender Sicherheitssysteme zu erfüllen.

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekte ConStanT (Förderkennzeichen 17033X11, Laufzeit 2011-2014) und AFUSS (Förderkennzeichen 03FH021I3, Laufzeit 2013-2016).