Prädiktive Fahrermodelle zur Simulation und Teilautomatisierung eines Hydraulikbaggers

Von:

Frank Alexander Bender

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Die vorliegende Arbeit behandelt zunächst die ganzheitliche physikalische Modellierung eines 40-Tonnen-Raupenbaggers der aktuellen Generation mit seinen mechatronischen Komponenten. Beruhend auf der Analyse realer Messschriebe wird für den virtuellen Bagger dann im Hauptteil der Arbeit ein systemtheoretisch motiviertes Fahrermodell entwickelt. Das Fahrermodell ist modular aufgebaut und enthält neben einem Zustandsautomaten zur Vorgabe von synthetischen oder aus Messungen abgeleiteten Zyklen eine modellprädiktive Folgeregelung für jede Bewegungsrichtung. Zur Lösung des der modellprädiktiven Regelung unterlagerten beschränkten Optimierungsproblems wird das schnelle Gradientenverfahren in der dualen Formulierung genutzt. Die Simulation von virtuellem Fahrer und virtuellem Bagger im Verbund führt zu einem realistischen Maschinenverhalten. Das entwickelte Fahrermodell wird zudem bei der realen Erprobung genutzt. Dazu wird ein hydraulisches Funktionalmodell im Maßstab 1:12 mit Ansteuerhardware und Sensorik nachgerüstet. Am Fahrermodell werden Anpassungen zur Herstellung der Echtzeitfähigkeit und zur Erhöhung von dessen Robustheit bezüglich Modellfehlern und Störungen mit Hilfe der offset-freien modellprädiktiven Regelung durchgeführt. Nach simulativen Tests an einem vereinfachten Streckenmodell in Hammerstein-Struktur erfolgt der experimentelle Funktionsnachweis am Mini-Bagger im Sinne des Rapid Control Prototypings. Dazu werden Algorithmen zur Lageschätzung sowie das Fahrermodell auf ein Prototypensteuergerät portiert. Neben seiner Verwendung zum automatisierten Abfahren vorgegebener Zyklen wird das Fahrermodell abschließend in Kombination mit einem optimierungsbasierten Trajektorienplaner zur Realisierung einer vereinfachten Baggersteuerung genutzt.