Kraftfahrzeugführung: Modelle - Simulation - Regelung

von: Ulrich Kramer

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2008

ISBN: 9783446417090 , 360 Seiten

Format: PDF, OL

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Preis: 39,99 EUR

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Kraftfahrzeugführung: Modelle - Simulation - Regelung


 

Vorwort

6

Inhaltsverzeichnis

8

1 Einführung

12

1.1 Übersicht

12

1.2 Regler-Mensch-Modelle

12

1.2.1 Manuelle Regelung

12

1.2.2 Menschen als Regler

14

1.2.3 Beschreibungsfunktionen

15

1.2.4 Schnittfrequenzmodelle

17

1.2.5 Optimaltheoretische Modelle

18

1.2.6 Regler-Mensch-Modellefür die Fahrermodellierung

19

1.2.7 Kritik des Ansatzes der Regler-Mensch-Modelle

20

1.3 Dimensionender Kraftfahrzeugführung

22

2 Modellbildungsmethoden

24

2.1 ModellbasierterSystementwurf

24

2.2 Modellbildung: BeispielQuerdynamik

25

2.2.1 Einführung

25

2.2.2 Diskretisierung

26

2.2.3 Programmierung

28

2.2.3.1 Textuelle Programmeingabe

28

2.2.3.2 Graphische Programmeingabe

32

2.2.4 Simulationsexperimenteund Ergebnisdarstellung

39

2.2.4.1 Zeitkontinuierliches Modellder Fahrzeug-Querdynamik

39

2.2.4.2 Zeitdiskretes Modell der Fahrzeug-Querdynamik

41

2.2.5 Analyse und Interpretation

43

2.2.5.1 Stationäres Verhalten

43

2.2.5.2 Instationäres Verhalten

45

2.2.5.3 Interpretation in Bezug auf dieFahrzeugführung

48

2.3 Graphische Modellentwicklung

49

2.3.1 Ikonische Modellierung

50

2.3.2 Signalflussmodellierung

53

2.3.3 Energieflussmodellierung

56

2.3.4 Graphische Analysevon Energieflussmodellen

57

2.3.5 Möglichkeiten und Grenzengraphischer Modelle

58

2.3.5.1 Ablauf der graphischen Modellbildung

58

2.3.5.2 Vor- und Nachteile der graphischenModellbildung

59

2.3.5.3 Modellbildung mit Bondgraphen

61

3 Längsführung

64

3.1 Modell der Längsdynamik

64

3.1.1 Komponenten des Antriebsstrangs

64

3.1.2 Längsdynamikanforderungen

66

3.1.3 Strategien bei derGeschwindigkeitswahl

71

3.2 Geschwindigkeitsanpassung

72

3.2.1 Konstanthaltender Geschwindigkeit

72

3.2.2 Anpassung an die Straßenneigung

74

3.2.3 Anpassung an den Straßenverlauf

76

3.3 Abstandshaltung

77

3.3.1 Kinematik desFahrzeugfolgeproblems

78

3.3.2 Abstandshaltung durch lineareZustandsregelung

78

3.3.3 Luenberger-Beobachterfür die Abstandshaltung

80

3.3.4 Kolonnenfahrt bei linearerZustandsregelung

82

3.3.5 Mikroskopisches Fahrzeugfolgemodellder Verkehrstheorie

83

3.3.6 Abstandshaltung mit unscharfemRegler (Fuzzy Control)

85

3.4 Bremsen

88

3.4.1 Kontinuierliches linearesBremsmodell

90

3.4.2 Diskontinuierliches nichtlinearesBremsmodell

90

3.4.3 Messstörungen

92

4 Querführung

94

4.1 Fahrkinematik

95

4.1.1 FahrkinematischesFundamentalsystem

95

4.1.2 Fahrkinematik als Regelstrecke

97

4.1.3 Proportionalregelung

98

4.1.4 Linearisierte Fahrkinematik

100

4.1.5 Dynamische Eigenschaftender Proportionalregelung

102

4.2 Fahrdynamik

103

4.2.1 FahrdynamischesFundamentalsystem

103

4.2.2 Linearisierte Fahrdynamik

104

4.2.2.1 Lineare Fahrdynamikohne Vorausschau

104

4.2.2.2 Interpretation der Fahrdynamikohne Vorausschau

105

4.2.2.3 Lineare Fahrdynamik mit Vorausschau

106

4.3 Nichtmodellbasierte lineareRegelung

108

4.3.1 Einfacher PID-Regler

108

4.3.2 PID-Regler mit Störgrößenaufschaltung

109

4.3.3 Parameterempfindlichkeit

109

4.4 Modellbasierte lineareRegelung ohne Vorausschau

111

4.4.1 Zustandsgeregelte Spurhaltungmit Polvorgab

111

4.4.2 Polvorgabe für Regelungs-Normalform

113

4.4.3 Festwertregelungmit Zustandsregler

114

4.4.4 Erweiterter Zustandsregler

115

4.4.5 Optimaler Zustandsregler

117

4.4.6 Krümmungsschätzungdurch Zustandsbeobachter

118

4.4.7 Optimaler Zustandsreglermit erweitertem optimalemBeobachter

120

4.5 Modellbasierte lineareRegelung mit Vorausschau

125

4.5.1 Erweiterung des Fahrdynamik-Modells für Störbeobachter

127

4.5.2 Simulationsexperimente

128

4.6 Modellbasierte nichtlineareRegelung

132

4.6.1 Folgeregelung mit reduziertemFahrkinematik-Modell

132

4.6.2 Kompensationsregelungmit fahrkinematischemFundamentalsystem

135

4.6.3 Fahrkinematische Regelungbeim doppelten Spurwechsel

137

4.6.4 Regler für Fahrkinematikin Polarkoordinaten

138

5 Vektation

141

5.1 Einführung

141

5.2 Geschwindigkeits-Vektorfelder

141

5.2.1 Bildung von Bewegungsinvarianten

144

5.2.2 Bewegungsinvariantenim Geschwindigkeitsvektorfeld

146

5.2.3 Analyse vorgegebenerAuswertungsfenster

148

5.3 Visuelle OrientierungbeimAutofahren

150

5.3.1 Augenbewegungen und visuelleWahrnehmung

150

5.3.2 Kraftfahrzeugführungund Augenbewegungen

152

5.3.3 Lands Tangentenpunkt

154

5.3.4 Ergebnisse aus Simulatorexperimenten

156

5.4 Dynamik derBewegungswahrnehmung

159

5.4.1 Bewegungsempfinden

159

5.4.2 Sensordynamik bei rotatorischenBewegungen

161

5.4.2.1 Aufbau des semizirkulären Kanals

161

5.4.2.2 Dynamische Modelledes semizirkulären Kanals

161

5.4.2.3 Frequenzgänge und Sprungantworten

163

5.4.3 Sensordynamik beitranslatorischen Bewegungen

164

5.4.3.1 Aufbau des otolithischen Systems

164

5.4.3.2 Dynamische Modelledes otolithischen Systems

166

5.4.3.3 Frequenzgänge und Sprungantworten

166

5.4.4 Verarbeitung der Sensorsignale

167

5.4.4.1 Bestimmung der Vertikalen

169

5.4.4.2 Bestimmung von Verschiebungund Geschwindigkeit

169

5.4.4.3 Beobachterkonzeptezur Raumorientierung

170

5.5 Modellierungdes Bewegungsempfindens

171

5.5.1 Fahrzeug-Referenzbewegung

171

5.5.1.1 Verlauf der Teststrecke

173

5.5.1.2 Sensorische Erfassungder Referenzbewegung

173

5.5.1.3 Zeitverläufe derBewegungswahrnehmung

174

5.5.2 Bewegungsempfindenbei ausgewählten Fahrmanövern

175

5.5.3 Auswirkungen vonWahrnehmungsdissoziationen

178

5.5.3.1 Beobachtermodell für erweiterteQuerdynamik

178

5.5.3.2 Nachbildung unerfüllter Erwartungen

179

6 Fahrerassistenzsysteme

182

6.1 Hintergrund

182

6.2 Grundlagen

185

6.2.1 Aktive Sicherheit

185

6.2.2 Fahrerassistenzsystemefür die aktive Sicherheit

188

6.2.3 ZuverlässigkeitstechnischeAnalyse

190

6.2.3.1 Analyse mit Petri-Netzen

190

6.2.3.2 Klassifizierung von Fahrerunterstützungssystemen

191

6.2.3.3 Analyse von Warnsystemen

193

6.3 Stabilisierungsassistenz

194

6.3.1 Vorbemerkungenzur Stabilisierung

194

6.3.2 Längsführungsassistenz

196

6.3.2.1 Antiblockiersystem

196

6.3.2.2 Antriebsschlupfregelung

201

6.3.3 Querführungsassistenz

205

6.3.3.1 Fahrdynamikregelung

205

6.3.3.2 Spurhaltungsregelung

208

6.4 Lenkungsassistenz

212

6.4.1 Notbremsassistent

212

6.4.2 Stop-and-Go-Assistent

214

6.4.3 Fahrgeschwindigkeitsassistent

215

6.4.4 Spurwechselassistent

217

6.4.5 Kollisionsvermeidungsassistent

220

6.4.6 Parkmanöverassistent

221

6.5 Organisationsassistenz

224

6.6 Anmerkungen zurAutomatisierung

226

7 Zusammenfassung und Ausblick

230

7.1 Anwendungen der Kraftfahrzeugführungsmodelle

230

7.1.1 Design-Driver-Modelle

230

7.1.2 Grobmodellierung

232

7.1.3 Präzisionsmodelle

233

7.2 Kraftfahrzeugführungund Kybernetik

236

7.2.1 Visionen

236

7.2.2 Ursprünge der Kybernetik

236

7.2.3 Kybernetische Systemtheorie

238

7.2.4 Kraftfahrzeugführungals komplexes System

239

7.2.5 Modellierung komplexer Systeme

240

7.2.6 Skizzierung einer Theorieder Kraftfahrzeugführung

242

7.2.7 Schlussfolgerungen

244

Anhang A: Mathematische Hilfsmittel

246

A.1 Rechenoperationenmit Vektoren und Matrizen

246

A.1.1 Vektoren

246

A.1.2 Matrizen

247

A.1.3 Eigenwerte quadratischerMatrizen

249

A.2 GewöhnlicheDifferentialgleichungen

250

A.2.1 Lineare Differentialgleichungen

250

A.2.1.1 Lösung linearer Differentialgleichungen

251

A.2.1.2 Anregung mit speziellenEingangsfunktionen

252

A.2.1.3 Eingangs-Ausgangs-Darstellunglinearer Systeme

253

A.2.1.4 Reguläre Zustandstransformationen

253

A.2.1.5 Funktionaltransformationen

254

A.2.2 Nichtlineare Differentialgleichungen

256

A.3 Partielle Differentialgleichungen

256

A.3.1 Lösung partieller Differentialgleichungen1. Ordnung

257

A.3.2 Eigenschaften von Kurvenintegralen

257

A.3.3 Interpretation der Lösungen

258

Anhang B: Modellbildung

259

B.1 Skriptbefehle

259

B.1.1 Matlab

259

B.1.2 Scilab

263

B.1.3 Sidops+ (20-sim)

263

B.2 Strukturbilder

264

B.2.1 Lineare Elemente

264

B.2.2 Umformungsregeln

266

B.3 Bondgraphen

268

B.3.1 Eigenschaften von Bondgraphen

268

B.3.1.1 Definitionen

268

B.3.1.2 Kausalität von Bondgraphen

269

B.3.1.3 Knotensätze

271

B.3.1.4 Vereinfachungsregeln

272

B.3.2 Zusammenhang zwischen Energie-und Signalflussdiagrammen

273

B.3.2.1 Signalflussdarstellung derBondgraphenelemente

273

B.3.2.2 Beispiele

275

B.3.3 Bondgraphen der ebenenBewegungen starrer Körper

277

B.3.3.1 Geometrischer Ansatz

277

B.3.3.2 Modellierung mit Vektorbonds

278

Anhang C: Fahrkinematische Grundlagen

283

C.1 Räumliche Kinematik

283

C.1.1 Lage und Orientierung

283

C.1.2 Geschwindigkeitund Beschleunigung

284

C.2 Fahrzeug-Referenzbewegungen

285

C.2.1 Erzeugendensystem

285

C.2.2 Geschwindigkeitund Beschleunigungin bewegten Koordinaten

285

C.3 Ebene Fahrkinematik

286

C.3.1 Erzeugendensystemebener Bahnen

286

C.3.2 Ebene Koordinatentransformationen

287

C.3.2.1 Translation

287

C.3.2.2 Rotation

287

C.3.3 Differentielle Transformationvorgegebener Konturen

289

C.3.3.1 Partielle Ableitungnach dem Kurvenparameter r

290

C.3.3.2 Partielle Ableitung nach demKurvenparameter s

290

C.3.4 Fundamentalsystemder ebenen Fahrkinematik

291

C.3.5 Integrationdes Fundamentalsystems

292

Anhang D: Horizontaldynamik des Kraftfahrzeugs

294

D.1 Ackermann-Modell

294

D.2 Modellierungder ebenen Fahrdynamik

295

D.2.1 Bewegungsgleichungen

295

D.2.2 Nichtlineares Einspurmodell

296

D.2.3 Lineares Einspurmodell

297

D.3 Einfaches Modellbeispiel

299

D.3.1 Modelle der Raddynamik

299

D.3.1.1 Längsdynamik des Reifens

299

D.3.1.2 Querdynamik des Reifens

302

D.3.1.3 Gesamtmodell der Reifendynamik

303

D.3.2 Dynamik des Fahrzeugaufbaus

303

D.3.3 Gesamtmodell des Fahrzeugs

304

D.3.3.1 Bondgraphenmodell

304

D.3.3.2 Modifiziertes Gesamtmodell

305

D.3.4 Simulationsexperimente

306

D.4 Modellbildungmit Vektorbondgraphen

309

D.4.1 Einspurmodell

309

D.4.2 Zweispurmodell

313

Anhang E: Regelungssysteme

315

E.1 Darstellungen im ZeitundFrequenzbereich

315

E.1.1 Signale

315

E.1.1.1 Definitionen

315

E.1.1.2 Laplace- und Fourier-Transformation

316

E.1.1.3 Signaloperationen

316

E.1.2 Lineare Übertragungssysteme

317

E.1.2.1 Linearität

317

E.1.2.2 Übertragungsverhalten im Zeitbereich

318

E.1.2.3 Übertragungsverhaltenim Frequenzbereich

318

E.1.2.4 Zustandsdarstellungen

320

E.1.2.5 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit

322

E.2 Stabilität dynamischerSysteme

323

E.2.1 Erste Methode von Ljapunov

323

E.2.1.1 Konzept der Stabilität linearer Systeme

323

E.2.1.2 Konzept der Stabilitätnichtlinearer Systeme

323

E.2.1.3 Methode der lokalen Linearisierung

324

E.2.1.4 Erste Methode für Ruhelagen

324

E.2.2 Zweite Methode von Ljapunov

325

E.2.2.1 Ljapunov-Funktion

325

E.2.2.2 Stabilitäts-Sätze

325

E.2.2.3 Stabilität im Großen

325

E.2.2.4 Beziehungen zwischen Ersterund Zweiter Methode von Ljapunov

326

E.2.3 Stabilitätssätzefür lineare Regelungssysteme

326

E.2.3.1 Hurwitz-Polynome

326

E.2.3.2 Stabilitätssätze von Cremer-Leonhard-Michailov

327

E.2.3.3 Nyquist-Kriterium

327

E.3 Lineare Regler

328

E.3.1 Nichtmodellbasierte Regler

328

E.3.1.1 PID-Regler

328

E.3.1.2 Einstellregeln

329

E.3.2 Modellbasierte Regler

329

E.3.2.1 Entwurf für nichtparametrischeStreckenmodelle

330

E.3.2.2 Entwurf für parametrischeStreckenmodelle

330

E.4 Zustandsreglerund Zustandsbeobachter

331

E.4.1 Zustandsregler

331

E.4.1.1 Einfacher Zustandsreglermit Polvorgabe

331

E.4.1.2 Zustandsregler für Festwertregelung

333

E.4.1.3 Erweiterter Zustandsregler

333

E.4.2 Zustandsbeobachter

335

E.4.2.1 Luenberger-Beobachter

335

E.4.2.2 Störbeobachter

337

E.4.2.3 Zustandsregler mit Beobachter

337

E.4.3 Weiterführende Konzepteder Zustandsregelung

338

E.4.3.1 Riccati-Zustandsregler

339

E.4.3.2 Kalman-Beobachter

339

E.4.3.3 Butterworth-Konfiguration

340

E.5 Nichtlineare Regler

340

E.5.1 Nichtmodellbasierte Regler:Fuzzy-Regler

340

E.5.2 Modellbasierte Regler

342

E.5.2.1 Eingangs-Zustands-Linearisierung

342

E.5.2.2 Eingangs-Ausgangs-Linearisierung

343

Literatur

345

Sachwortverzeichnis

354