Fahrdynamik-Regelung - IMK Engineering – Ingenieurbüro für Mechatronik und Kybernetik Dr. Bruns

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Referenzen Fahrdynamik-Regelung
Das am IMK vorhandene Wissen im Bereich der Fahrdynamik-Regelung geht auf die Projekt- und Forschungstätigkeit von Dr. Bruns zurück, die er am Lehrstuhl für Automatisierungstechnik (Prof. Dr.-Ing. Joachim LÜCKEL) bzw. am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn ausübte. Hervorzuheben sind hier vor allem die Projekte „Entwicklung eines aktiven Fahrwerks für ein geländegängiges Nutzfahrzeug“ (2003-2006) sowie das Teilprojekt C1 (Vernetzung von autonomen mechatronischen Systemen zu selbstorganisierenden Gesamtsystemen am Beispiel des autonomen Kreuzungsmanagements für Kraftfahrzeuge, 2003-2008) des Sonderforschungsbereichs „Massive Parallelität“ der DFG (SFB 376). Die Arbeiten im Rahmen des „Kreuzungsmanagements“ dauerten nach dem Ende des SFB im Dezember 2006 noch an bis Dezember 2008 und bildeten die Basis für die Dissertation von Dr. Bruns. Details zu den Projekten erfahren Sie über die folgenden Links. Unter dem Link „Historisches“ wird ein kurzer Überblick über die wichtigsten Forschungsaktivitäten im Bereich der Fahrdynamik-Regelung bzw. aktiver Fahrwerksysteme gegeben, die seinerzeit am Lehrstuhl von Prof. LÜCKEL stattgefunden haben.



Video: Fahrzeugmodell, nichtlineares Zweispurmodell
Das im Video gezeigte Fahrzeugmodell ist ein nichtlineares Zweispurmodell (12 Freiheitsgrade, Systemordnung 83), das zusammen mit einem nichtlinearen und einem linearen Einspurmodell innerhalb des Sonderforschungsbereichs "Massive Parallelität" (SFB 376) im Rahmen des "Kreuzungsmanagements" (Teilprojekt C1) über mehrere Jahre hinweg entwickelt und modifiziert wurde. Die letzten Modifikationen erfolgten durch Dr. Bruns für eine Optimierung der Fahrdynamik [3] und eine Verwendung innerhalb eines Kolonnenreglers [4].
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Fahrdynamik-Regelung im Rahmen des Kreuzungsmanagements
Der Sonderforschungsbereich „Massive Parallelität“ (SFB 376) wurde von 1995 bis Ende 2006 durch die DFG gefördert. Im Rahmen des Teilprojekts C1 („Kreuzungsmanagement“) wurden während dieser Phase insgesamt 5 Methoden bzw. Verfahren für die autonome Kreuzungsüberquerung von „Drive-by-Wire“-Fahrzeugen entwickelt [1]. In dem (modifizierten) Phasen-/Zonen-Verfahren, das seinerzeit von Norbert NEUENDORF vorgeschlagen wurde [2], hatten detaillierte Fahrzeug- und auch Fahrermodelle einen hohen Stellenwert, da die Verkehrssituation an einer Kreuzung möglichst realistisch abgebildet werden sollte. Neben den 3 zuvor kurz genannten Fahrzeugmodellen sind auch Fahrermodelle (Verhaltensmodelle und Handlungsmodelle) entstanden, die mit Umgebungs- und Fahrzeugmodellen kombiniert wurden und auch in den unter [3] und [4] beschriebenen Umgebungen zum Einsatz gekommen sind. Die beiden unten stehenden Videos zeigen exemplarisch das fahrdynamische Verhalten bei der Kopplung von Fahrzeugmodell und Fahrermodell, links für eine instabile Konfiguration, rechts für eine stabile Konfiguration des Fahrermodells.
[1]Bruns, Torsten: Trajektorienplanung mittels Diskretisierung und kombinatorischer Optimierung am Beispiel des autonomen Kreuzungsmanagements für Kraftfahrzeuge. Dissertation, Universität Paderborn, 2011
[2]
Neuendorf, Norbert; Deppe, Markus: Vernetzung mechatronischer Systeme am Beispiel des dezentralen Kreuzungsmanagements für Kfz. In: 5. VDI-Mechatroniktagung 2003, Fulda, 2003
[3]
Neuendorf, Norbert; Bruns, Torsten: The Multi-Objective Optimiser MOPO in the Decentralised, Autonomous Intersection Management of Vehicles. In: 12th Mediterranean Conference on Control and Automation (Med 2004). Kusadasi, 2004
[4]
Neuendorf, Norbert ; Bruns, Torsten: The Vehicle Platoon Controller in the Decentralised, Autonomous Intersection Management of Vehicles. In: IEEE International Conference on Mechatronics (ICM 2004). Istanbul, 2004
Video (1/2): Fahrermodell mit instabiler Konfiguration
Video (2/2): Fahrermodell mit stabiler Konfiguration
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Regelung aktiver Fahrwerke
Vorteile aktiver Fahrwerksysteme
Generell gibt es bei der Abstimmung von Fahrwerken einen Zielkonflikt zwischen den Zielgrößen „Sicherheit“ und „Komfort“. Ein Maß für die Fahrsicherheit sind die Radlastschwankungen; je geringer sie sind, desto höher die Fahrsicherheit. Ein Maß für den Fahrkomfort sind die Aufbaubeschleunigungen, denn hohe Beschleunigungen reduzieren den Fahrkomfort. Das nebenstehende Konfliktdiagramm zeigt den Zusammenhang zwischen den genannten Zielgrößen sowie deren Abhängigkeit von der Fahrzeugfederung (Federsteifigkeit und Dämpfung). Durch geschickte Abstimmung von Steifigkeit und Dämpfung liegen passive Federungen heutiger Fahrzeuge auf oder zumindest nahe der Grenzkurve. Darüber hinaus lässt sich jedoch nur noch durch den Einsatz aktiver Komponenten eine Verbesserung von Fahrkomfort und/oder Fahrsicherheit erreichen.
Das Dingo-Projekt (2004 - 2005)
Seit Gründung des Lehrstuhls für Automatisierungstechnik von Prof. Joachim LÜCKEL im Jahre 1978 wurde dort an der Entwicklung aktiver Federungssysteme gearbeitet. Grundlegende Arbeiten wurden unter anderem von Dr. Dieter ZETSCHE [8] und Dr. Frank FRÜHAUF [9] durchgeführt. In den Jahren 1985 bis 1987 wurde primär an einer aktiven Federung für einen Unimog gearbeitet. Das nebenstehende Video zeigt einen Vergleich zwischen passiv und aktiv gefederten Unimog bei der Erprobung im Jahre 1987.
Das in den 1980er Jahren aufgebaute Wissen, insbesondere im Hinblick auf den Unimog, führte dazu, dass im Jahr 2003 eine „Wiederauflage“ des Unimog-Projekts initiiert wurde. Zielfahrzeug war nun das Allschutz-Transport-Fahrzeug (ATF) „Dingo II“, das als Plattform ein „Unimog U5000 4x4“-Fahrgestell besaß. Dieses Fahrgestell zeichnet sich durch einen extrem verwindungsfähigen Leiterrahmen (Bild unten), Schubrohrtechnik und Portalachsen aus, so dass eine sehr hohe Geländegängigkeit erreicht wird. In dem Projekt sollten durch die Entwicklung und die prototypische Realisierung einer aktiven Federung die folgenden Ziele erreicht werden [7]:
  • Verringerte Belastung der Insassen durch Reduktion der Aufbaubeschleunigungen
  • Geringere Belastung des Materials und damit höhere Lebensdauer
  • Erhöhte Geschwindigkeit in schwierigem Gelände bei höherer Sicherheit
  • Schnellerer Transport von Verletzten, Nachschub und sensiblen Gütern

Konfliktdiagramm konventioneller Federungssysteme


Video: Aktiv gefederter „UNIMOG“ (1987) (Disclaimer)


ATF Dingo II auf der Verwindungsbahn

Aufgrund des hohen Gewichts des Fahrzeugs (12 t) wurde die aktive Federung nicht als volltragende Federung realisiert. Die Stahlfeder des konventionellen, passiven Fahrzeugs wurde beibehalten, um die statische Last zu tragen. Das passive Dämpferelement des ursprünglichen Fahrwerks wurde durch einen Hydraulikzylinder ersetzt, der mit einer am Lehrstuhl entwickelten, reversierbaren Flügelzellenpumpe betrieben wurde (Bild oben rechts).
Im Rahmen des Projekts hat sich Dr. Bruns primär mit der Modellierung und der Identifikation des Fahrzeugs sowie mit entsprechenden Anregungsmodellen beschäftigt. Dabei sind verschiedene Modelle mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad entstanden. Ein Mehrkörper-Modell des Fahrzeugs (5-Massen-Modell) ist im nebenstehenden Bild skizziert (Feder-Dämpfer-Elemente nicht dargestellt). Für die Identifikation der Modellparameter wurden Optimierungsverfahren aus dem Bereich der nichtlinearen beschränkten Optimierung verwendet (s. a. Optimierung). Diese wurden sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich (Amplitudenspektren) verwendet. Details hierzu wurden gemäß [5] veröffentlicht. Weiterhin wurde auch an neuen Regelstrategien und im Bereich der Störgrößenaufschaltung gearbeitet. Auch hier wurden Konzepte und Ergebnisse veröffentlicht [6].


Vergleich von passiver mit aktiver Federung


5-Massen-Modell des ATF Dingo II

Die folgenden beiden Videos zeigen entstandene Modelle mit unterschiedlichen Bodenanregungen. Im rechten Video wird die „Schweizer Bahn“ überfahren. Dabei handelt es sich um eine reale Teststrecke mit einem stochastischen Anregungsprofil, das mit „weißem Rauschen“ verglichen werden kann.
Video: Passives Fahrzeugmodell (Einzelhindernisse)
Video: Passives Fahrzeugmodell ("Schweizer Bahn")
Lehre und Ausbildung
Am Lehrstuhl von Prof. LÜCKEL war es üblich, dass die Tätigkeiten im Rahmen von Industrie- oder Forschungsprojekten auch in die Lehre bzw. in die Ausbildung von Studenten einflossen, nicht zuletzt, um die Studenten mit interessanten, praxisorientierten und industrierelevanten Themen zu motivieren.
Aus diesem Grund wurde von Dr. Bruns das "CAE-Seminar Mehrgrößenregelung" neu konzipiert und auf den Entwurf einer aktiven Federung für ein „Halbfahrzeug“ zugeschnitten. Das Seminar wurde in den Jahren 2004 bis 2006 an der Universität Paderborn von Dr. Bruns durchgeführt. Die passiven und die aktiven Fahrzeugmodelle des Seminars sind in den folgenden Videos dargestellt. (Details zum Seminar erfahren Sie hier)
[5]
Bruns, Torsten; Schäfer, Erika: Modelling and Identification of an All-Terrain Vehicle. International Journal of Vehicle Systems Modelling and Testing, Vol. 2, No. 3, 2007
[6]
Schäfer, Erika; Bruns, Torsten: Potential einer Störgrößenaufschaltung bei der Regelung aktiver Fahrwerke am Beispiel eines geländegängigen Nutzfahrzeugs. Paderborner Workshop Entwurf Mechatronischer Systeme (EMS), 2006
[7]
Isermann, Rolf (Hrsg.): Fahrdynamik-Regelung Modellbildung, Fahrerassistenzsysteme, Mechatronik (ATZ/MTZ-Fachbuch), Kapitel 6. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2006
Video: Passives „Halbfahrzeug“
Video: Aktives „Halbfahrzeug“
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Historisches (Lehrstuhl Prof. Dr.-Ing Joachim Lückel)
Neben der Lehrtätigkeit, der Feinwerktechnik und der Robotik bildete die Fahrzeugtechnik ein wesentliches Tätigkeitsfeld am Lehrstuhl für Automatisierungstechnik von Prof. LÜCKEL. Seit der Gründung des Lehrstuhls im Jahre 1978 wurde im Bereich der Fahrzeugtechnik intensiv geforscht an den Themen aktive Fahrwerke, Hybridantrieb, Kreuzungsmanagement und Bahntechnik. Im Bereich aktiver Fahrwerke sind wichtige Meilensteine der erste aktiv gefederte Unimog, der unter anderem durch die Arbeiten von ZETSCHE [8] und FRÜHAUF [9, 11] ermöglicht wurde, sowie der erste aktiv gefederte Reisebus „Innovisia“ (Video nebenstehend). Weitere wichtige Arbeiten in diesem Bereich stammen von BECKER, GAEDTKE, JÄKER und RUTZ [10, 11], um stellvertretend nur einige Mitarbeiter zu nennen. Eine kurze Übersicht über die Entwicklungen im Bereich aktiver Fahrwerksysteme liefert das folgende Schaubild.

Video: Aktiv gefederter Reisebus „INNOVISIA“ (1996) (Disclaimer)
[8]Zetsche, Dieter: Die Anwendung moderner regelungstechnischer Verfahren zur Synthese einer aktiven Federung, Universität Paderborn, 1982
[9]
Frühauf, Frank: Entwurf einer aktiven Fahrzeugfederung für zeitverschobene Anregungsprozesse, Universität Paderborn, 1985
[10]
Hohensee, H.-J.; Jäker, Karl-Peter; Rutz, Rüdiger; Gaedtke, Thomas: Aktive Fahrzeugfederung. VDI Berichte Nr. 778, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1989
[11]
Becker, Michael; Frühauf, Frank; Jäker, Karl-Peter; Rutz, Rüdiger: Development of an Active Suspension System for a Mercedes-Benz Coach (O404). In: IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design, Dearborn, MI, September 15-18, 1996
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