Blödel, Alexander Paul (2022)
Entwicklung und Implementierung eines Verfahrens zur Generierung von Trajektorien für das modulare Testen automatisierter Fahrfunktionen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022538
Masterarbeit, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Unter dem Projekttitel UNICARagil arbeiten sieben deutsche Universitäten und sechs Industriepartner an der Entwicklung eines autonomen Fahrzeugs. Dabei wird ein disruptiver und modularer Ansatz verfolgt, um auf die kurzen Innovationszyklen auf dem Feld des automatisierten Fahrens zu reagieren. Das gesamte Fahrzeug und die Software sind modular gestaltet mit dem Ziel, die jeweiligen Module alleinstehend zu entwickeln, zu testen und abzusichern und ggf. auszutauschen oder zu erweitern. Die Software des Fahrzeugs ist als Architektur von Diensten aufgebaut. Zu diesen Diensten gehören Sensormodule für die Umfeldwahrnehmung, ein Trajektorienplaner, ein Fahrdynamik- und Trajektorienregler, der die Folgeregelung durchführt, eine Fahrdynamikzustandsschätzung, die den Ist-Zustand des Fahrzeugs erfasst, und vier Dynamikmodule, die jedes Rad unabhängig antreiben, bremsen und lenken. Hierdurch wird eine in Grenzen holonome Fahrzeugbewegung realisiert. Der Fahrdynamik- und Trajektorienregler wird am Fachgebiet Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Darmstadt entwickelt. Für das modulare Testen des Reglers soll ein Verfahren zu Generierung von herausfordernden Test-Trajektorien entwickelt und für ein Simulationsmodell eines UNICARagil-Fahrzeugs implementiert werden. Ziel ist es die Leistungsfähigkeit des Fahrdynamik- und Trajektorienreglers zu testen. Die Entwicklung dieses Verfahrens gliedert sich in eine Grundlagenrecherche zum Projekt UNICARagil, eine Methodenentwicklung zur Analyse herausfordernder Trajektorien und die Entwicklung eines Software-Tools in MATLAB und CarMaker zur Generierung, Simulation und Auswertung der entwickelten Trajektorien. Im ersten Schritt der Methode wird das Überschreiten der zulässigen Regelabweichung durch Positionsfehler, Winkelfehler oder zeitliche Fehler als Kriterium für eine kritische Trajektorie definiert. Anschließend wird der Begriff „Trigger“ für Ursachen solcher kritischer Trajektorien eingeführt. Mit der Systemtheoretischen Prozessanalyse (STPA) wird der geplante Anwendungsbereich des Fahrzeuges in den Bausteinen System, dynamisches Umfeld, statisches Umfeld und Umweltgrößen auf diese Trigger untersucht. Zur Umsetzung der Trigger werden neun Standardszenarien entwickelt: Diese Szenarien decken Längs- und Querdynamik, das Verhalten während Neuplanungen, Störeinflüsse auf das Fahrzeug und die speziellen Eigenschaften und Möglichkeiten der Dynamikmodule ab. In MATLAB wird ein Software-Tool implementiert, in dem die Trajektorien für die verschiedenen Standardszenarien generiert und in ihren Parametern variiert werden. So lassen sich Einzeltests und Testserien erstellen, um den Einfluss verschiedener Input-Parameter auf die oben beschriebenen Fehlermodi zu untersuchen. Das Tool erzeugt automatisiert alle benötigten Daten, um die Standardszenarien mit einem Modell des AUTOShuttle (Shuttlebus innerhalb UNICARagil) in IPG CarMaker zu simulieren. Die Simulation der Testserien in CarMaker erfolgt automatisiert. Die Auswertung von Einzeltests und Testserien erfolgt ebenfalls automatisiert in MATLAB. Die Berechnung der fahrdynamischen Größen in der Trajektoriengenerierung und die verwendeten Koordinatentransformationen für die Fahrzeugpositionen werden durch verschiedenen Konsistenzprüfungen verifiziert. Zur Validierung des Tools werden verschiedene beispielhafte Testserien aus dem implementierten Funktionsumfang des Tools durchgeführt und ausgewertet. Dabei werden über alle Standardszenarien innerhalb der Komfortgrenzen (Beschleunigungen bis 3 m/s²) Positionsfehler bis ca. 1,5 m und Winkelfehler bis ca. 1,5° beobachtet. Weiterhin wird durch die Auswertung mehrerer Standardszenarien eine Korrelation zwischen der max. Gierbeschleunigung und dem max. auftretendem Positionsfehler quer zur Bahn als wiederkehrendes Fehlerbild charakterisiert. Damit wird die Effektivität des Tools beim Testen des FTR bestätigt. Es wird erwartet, dass die implementierten Standardszenarien im Verlauf des Testens erweitert werden. Hierfür stehen zwei Generierungsverfahren für Trajektorien zur Verfügung, wodurch der Funktionsumfang des Tools in Zukunft erweitert werden kann. Zusammenfassend bieten das implementierte Software-Tool und die vorgelagerte Methode eine effektive Infrastruktur zur gezielten Generierung von Testfällen für den Fahrdynamik- und Trajektorienregler im UNICARagil-Projekt. Die Qualität des Tools liegt in der Effektivität der Standardszenarien, der flexiblen Parametervariation der Trajektorien, der Erweiterbarkeit und der Automatisierung, die eine effiziente Erstellung, Simulation und Auswertung einer großen Anzahl von Tests erlaubt.

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