Störgrößenkompensation und Trajektorienfolgeregelung eines vollautomatisierten, einspurigen Fahrdynamikerprobers

Von:

Stefan Hans

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Um die Zahl der Verkehrsunfälle und besonders auch die der Verkehrstoten zu reduzieren, wird der Fahrer eines modernen Personenkraftwagens von einer Vielzahl an Fahrerassistenzsystemen bei seiner Fahraufgabe unterstützt. Diese können je nach Funktion entweder mit dem Fahrer interagieren oder direkt auf die Fahrdynamik einwirken. Aufgrund der fehlenden Fahrgastzelle bietet ein Motorrad konzeptbedingt einen geringeren passiven Schutz, weshalb das Potential aktiver Sicherheitssysteme besonders hoch ist. Aktuell sind in Serie nur reaktive Assistenzsysteme verfügbar, die einen Bewegungszustand entweder beibehalten oder auf die Fahrereingaben abschwächend reagieren können, wenn diese sonst zu einem blockierenden oder durchdrehenden Rad führen würden. Aktiv oder automatisiert eingreifende Unterstützungssysteme tragen heutzutage noch nicht zur Motorradsicherheit bei. In dieser Arbeit wird ein Regelungskonzept für ein automatisiertes Motorrad vorgestellt, welches auf der hierarchischen Signalverarbeitung des Menschen basiert. Besonderer Fokus liegt dabei auf den zur Erhöhung der Motorradsicherheit wichtigen Ebenen der Stabilisierung und Bahnführung. Durch zeitvariante Linearisierung der nichtlinearen Systemdynamik wird ein modellprädiktiver Regler entworfen, welcher zuvor vorgegebene Trajektorien abfahren und wie ein Mensch Kurven schneiden oder ausweichen kann. Ein aktuelles Serienmotorrad wird um Sensoren zur Erfassung des aktuellen Fahrzustands und Aktoren zur Beeinflussung der vom Menschen verwendeten Stellgrößen auf das Fahrzeug erweitert. Motor, Bremse, Lenkung, Schaltung, Kupplung und Seitenstütze werden so automatisiert, dass sie sowohl durch den Fahrer als auch elektronisch angesteuert werden können. Auf Gyroskope oder Änderungen an der Fahrgeometrie wird explizit verzichtet, sodass die gewonnenen Erkenntnisse auf beliebige Serienmotorräder übertragen werden können. Abschließend werden die Regler simulativ mit verschiedenen Parametrierungen getestet und deren Auswirkungen auf die sich ergebende Ortstrajektorie verglichen. Die betrachteten Situationen umfassen sowohl das Abfahren einer zuvor vorgegebenen Strecke ohne andere Objekte als auch die exemplarische Anwendung des Regelungskonzeptes auf die Kollisionsvermeidung eines liegengebliebenen Fahrzeugs auf der Referenztrajektorie. In einer realen Testfahrt werden die Simulationsergebnisse validiert und der Beweis erbracht, dass das gewählte Konzept bei niederdynamischer Fahrt in der Lage ist, selbst die komplette Fahraufgabe zu übernehmen, sodass im Ausblick die Anwendung des Ansatzes für überwachende, warnende oder sogar intervenierende Assistenzsystemen motiviert wird.