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Optimale Aufbaubewegung für hochautomatisiertes Fahren

Jurisch, Matthias (2023)
Optimale Aufbaubewegung für hochautomatisiertes Fahren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022919
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Neben der Elektrifizierung der Antriebe wird die Fahrzeugentwicklung in den letzten Jahren maßgeblich von der Thematik automatisiertes Fahren beherrscht. Mit dem Übergang zu selbstfahrenden Fahrzeugen ändert sich auch das Nutzungsszenario: Durch die Möglichkeit für fahrfremde Tätigkeiten erhöht sich der Wert der im Auto verbrachten Zeit. Gleichzeitig bringen fahrfremde Tätigkeiten neue Herausforderungen für das Fahrwerk mit sich: Einerseits verliert die Rückmeldung des Fahrzustands an den Fahrer an Bedeutung, andererseits rücken Themen wie die Unterstützung von fahrfremden Tätigkeiten und die Vermeidung von Reiseübelkeit in den Fokus. Die zunehmende Verfügbarkeit mechatronischer Fahrwerksysteme wirft die Frage auf, inwiefern diese dazu beitragen können, automatisiertes Fahren zu unterstützen. Zur Klärung dieser Frage werden im ersten Schritt dieser Arbeit Anforderungen an den Fahrkomfort automatisierter Fahrzeuge formuliert und die Möglichkeiten von Fahrwerksystemen zur Beeinflussung des Fahrkomforts aufgezeigt. Es werden zwei Probandenstudien zur Untersuchung des fahrdynamischen Einflusses auf Reiseübelkeit und Komfortempfinden durchgeführt. Im zweiten Schritt folgt eine Potentialbewertung existierender Regelkonzepte für aktive Fahrwerksysteme hinsichtlich der Anforderungen. Darauf aufbauend wird ein neues Regelkonzept, die Vertikaltrajektorienplanung, abgeleitet. Dieses nutzt die Trajektorie (Bahnkurve) des Fahrzeugs und die Topologie der Fahrbahn als Vorausschauinformation. Damit ist es möglich langwellige Anregungen aktiv zu kompensieren und die Wank- und Nickbewegung in Abhängigkeit der Trajektorie zu optimieren. Letzteres bietet die Möglichkeit, einzelne Funktionen wie bspw. die aktive Neigung des Fahrzeugs zur Kurveninnenseite nur dann zu verwenden, wenn hieraus ein Komfortvorteil entsteht. Das entwickelte Regelkonzept basiert auf einem Optimierungsproblem, welches die optimale Reaktion des Fahrzeugs in Abhängigkeit der Trajektorie, des Straßenhöhenprofils sowie den Beschränkungen der Fahrwerkgeometrie und der Aktorik beschreibt. Hierfür wird ein reduziertes Fahrzeugmodell mit drei Freiheitsgraden (Wanken, Nicken, Heben) abgeleitet. Die Anforderungen an die Fahrzeugaufbaubewegung werden als nichtlineare Zielfunktion formuliert. Ausgang der Optimierung sind die Stellkraftverläufe für das aktive Fahrwerk an den vier Radaufhängungspunkten für die Referenztrajektorie. Zur Lösung des Optimierungsproblems wird auf den gradientenbasierten Open-Source Solver Ipopt zurückgegriffen. Um das Potential des Regelkonzepts zu bewerten, wird dieses in der Simulation und im Versuchsfahrzeug implementiert und mit existierenden Algorithmen verglichen. Die Simulationsergebnisse bestätigen das Potential des Ansatzes zur Reduktion der Schwingungsbelastung der Insassen. Um einerseits die Wechselwirkungen zwischen Regler und realem Fahrzeug zu untersuchen und andererseits eine subjektive Bewertung zu ermöglichen, wird die Vertikaltrajektorienplanung prototypisch in zwei Versuchsfahrzeugen umgesetzt. Die Simulationsergebnisse können im Fahrversuch mit dem ersten Versuchsfahrzeug validiert werden. Die Versuche mit einem weiteren Fahrzeug bestätigen die Übertragbarkeit des Ansatzes auf aktive Fahrwerke mit unterschiedlichem Wirkprinzip. Das entwickelte Regelkonzept zeigt das Potential aktiver Fahrwerksysteme für die Verbesserung des Fahrkomforts automatisierter Fahrzeuge auf.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Jurisch, Matthias
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Optimale Aufbaubewegung für hochautomatisiertes Fahren
Sprache: Deutsch
Referenten: Melz, Prof. Dr. Tobias ; Peters, Prof. Dr. Steven
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xix, 147 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 11 Oktober 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022919
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22919
Kurzbeschreibung (Abstract):

Neben der Elektrifizierung der Antriebe wird die Fahrzeugentwicklung in den letzten Jahren maßgeblich von der Thematik automatisiertes Fahren beherrscht. Mit dem Übergang zu selbstfahrenden Fahrzeugen ändert sich auch das Nutzungsszenario: Durch die Möglichkeit für fahrfremde Tätigkeiten erhöht sich der Wert der im Auto verbrachten Zeit. Gleichzeitig bringen fahrfremde Tätigkeiten neue Herausforderungen für das Fahrwerk mit sich: Einerseits verliert die Rückmeldung des Fahrzustands an den Fahrer an Bedeutung, andererseits rücken Themen wie die Unterstützung von fahrfremden Tätigkeiten und die Vermeidung von Reiseübelkeit in den Fokus. Die zunehmende Verfügbarkeit mechatronischer Fahrwerksysteme wirft die Frage auf, inwiefern diese dazu beitragen können, automatisiertes Fahren zu unterstützen. Zur Klärung dieser Frage werden im ersten Schritt dieser Arbeit Anforderungen an den Fahrkomfort automatisierter Fahrzeuge formuliert und die Möglichkeiten von Fahrwerksystemen zur Beeinflussung des Fahrkomforts aufgezeigt. Es werden zwei Probandenstudien zur Untersuchung des fahrdynamischen Einflusses auf Reiseübelkeit und Komfortempfinden durchgeführt. Im zweiten Schritt folgt eine Potentialbewertung existierender Regelkonzepte für aktive Fahrwerksysteme hinsichtlich der Anforderungen. Darauf aufbauend wird ein neues Regelkonzept, die Vertikaltrajektorienplanung, abgeleitet. Dieses nutzt die Trajektorie (Bahnkurve) des Fahrzeugs und die Topologie der Fahrbahn als Vorausschauinformation. Damit ist es möglich langwellige Anregungen aktiv zu kompensieren und die Wank- und Nickbewegung in Abhängigkeit der Trajektorie zu optimieren. Letzteres bietet die Möglichkeit, einzelne Funktionen wie bspw. die aktive Neigung des Fahrzeugs zur Kurveninnenseite nur dann zu verwenden, wenn hieraus ein Komfortvorteil entsteht. Das entwickelte Regelkonzept basiert auf einem Optimierungsproblem, welches die optimale Reaktion des Fahrzeugs in Abhängigkeit der Trajektorie, des Straßenhöhenprofils sowie den Beschränkungen der Fahrwerkgeometrie und der Aktorik beschreibt. Hierfür wird ein reduziertes Fahrzeugmodell mit drei Freiheitsgraden (Wanken, Nicken, Heben) abgeleitet. Die Anforderungen an die Fahrzeugaufbaubewegung werden als nichtlineare Zielfunktion formuliert. Ausgang der Optimierung sind die Stellkraftverläufe für das aktive Fahrwerk an den vier Radaufhängungspunkten für die Referenztrajektorie. Zur Lösung des Optimierungsproblems wird auf den gradientenbasierten Open-Source Solver Ipopt zurückgegriffen. Um das Potential des Regelkonzepts zu bewerten, wird dieses in der Simulation und im Versuchsfahrzeug implementiert und mit existierenden Algorithmen verglichen. Die Simulationsergebnisse bestätigen das Potential des Ansatzes zur Reduktion der Schwingungsbelastung der Insassen. Um einerseits die Wechselwirkungen zwischen Regler und realem Fahrzeug zu untersuchen und andererseits eine subjektive Bewertung zu ermöglichen, wird die Vertikaltrajektorienplanung prototypisch in zwei Versuchsfahrzeugen umgesetzt. Die Simulationsergebnisse können im Fahrversuch mit dem ersten Versuchsfahrzeug validiert werden. Die Versuche mit einem weiteren Fahrzeug bestätigen die Übertragbarkeit des Ansatzes auf aktive Fahrwerke mit unterschiedlichem Wirkprinzip. Das entwickelte Regelkonzept zeigt das Potential aktiver Fahrwerksysteme für die Verbesserung des Fahrkomforts automatisierter Fahrzeuge auf.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Alongside with the ongoing electrification, vehicle development has been dominated by the topic of automated driving in recent years. With the transition to self-driving vehicles, the typical use of a car is also changing: The possibility for non-driving activities increases the value of time spent in the car. At the same time, non-driving activities come with new challenges for the vehicles' suspension: on the one hand, feedback of the driving state to the driver looses importance, while on the other hand, support for secondary activities and the prevention of motion sickness become more important. The increasing availability of mechatronic chassis systems raises the question whether these can help supporting automated driving. To address this question, in the first step of this thesis requirements for ride comfort of automated vehicles are derived to identify the potential of chassis systems to influence ride comfort. Two subject studies are conducted to investigate the influence of driving dynamics on motion sickness and comfort perception. In the second step, an evaluation of the potential of existing control concepts for active vertical dynamic systems is performed with regard to the requirements. Based on this, a new control concept, called vertical trajectory planning, is derived. Latter uses the planned trajectory of the vehicle in combination with height information from a digital map as preview information. By this, it is possible to actively compensate for long-wave excitations and to optimize both roll- and pitch motion as a function of the trajectory. The controller offers the possibility of using individual functions such as a curve tilting only if this results in a comfort advantage. The control concept developed is based on an optimization problem in which the optimal response of the vehicle is described as a function of the trajectory, the road height profile and the constraints of the chassis geometry and actuator system. For this purpose, a reduced vehicle model with three degrees of freedom (roll, pitch, heave) is derived. Optimal vehicle body motion is formulated as a nonlinear objective function. The output of the optimization are the target actuator forces for the active chassis at the four vehicle corners for the reference trajectory. The gradient-based open-source solver Ipopt is used to solve the optimization problem. To evaluate the potential of the control concept, it is implemented in both simulation and test vehicle and compared with existing algorithms. The simulation results confirm the potential of the approach to reduce the vibration load on the occupants. In order to investigate the interactions between controller and real vehicle on the one hand and to enable a subjective evaluation on the other, the vertical trajectory planner is implemented in two test vehicles. The simulation results are validated in the tests with the first test vehicle. The tests with another vehicle confirm the transferability of the approach to active chassis systems with different operating principles. The control concept developed demonstrates the potential of active chassis systems for improving ride comfort of automated vehicles.

Englisch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-229195
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)
Hinterlegungsdatum: 01 Feb 2023 13:02
Letzte Änderung: 02 Feb 2023 06:09
PPN:
Referenten: Melz, Prof. Dr. Tobias ; Peters, Prof. Dr. Steven
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 11 Oktober 2022
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