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E-Book

Kraftfahrzeugführung

Modelle - Simulation - Regelung

AutorUlrich Kramer
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2008
Seitenanzahl360 Seiten
ISBN9783446417090
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis39,99 EUR

Viele neue Funktionen von Kraftfahrzeugen (z. B. Fahrerassistenz- und Antiblockiersysteme, Antischlupfregelung, Elektronisches Stabilitätsprogramm, Drive by Wire) beeinflussen das Zusammenwirken des komplexen Gesamtsystems Fahrer - Fahrzeug - Fahrzeugumgebung. Sinnvoll ist es, das Fahrerverhalten schon während der Entwicklung solcher Systeme mit einzubeziehen.

Das Buch beschreibt Ansätze und Methoden zur regelungstechnischen Modellierung des Fahrerverhaltens. Darauf aufbauend können Entwickler und Forscher der Kraftfahrzeugtechnik Fahrer- und Fahrzeugmodelle für ihre spezielle Fragestellung selbstständig anpassen und ausgestalten.

Die Anwendungsbereiche erstrecken sich von der Nachbildung von Standard-Fahrmanövern über die Simulation von Verkehrssituationen bis hin zur Einbeziehung von Design-Driver-Modellen in die Abläufe der modellbasierten Funktionsentwicklung.

Im Anhang: Übersicht über formale Verfahren der Kraftfahrzeugführung

Der Autor

Dr.-Ing. Ulrich Kramer ist Professor für Automatisierungs- und Regelungstechnik und Leiter des Labors für Automatisierung an der Fachhochschule Bielefeld im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik.

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Leseprobe

3 Längsführung (S. 63)

Die Beeinflussung der Kraftfahrzeugbewegung in Längsrichtung wird von Autofahrern gewöhnlich als die – im Vergleich zur Querführung – leichter zu bewältigende Aufgabe empfunden, obwohl Fahranfänger die größten Schwierigkeiten beim Einüben der Betätigung der verschiedenen Bedienelemente haben, auf welche die Längsführung verteilt ist, nämlich Gaspedal, Ganghebel, Kupplungs- und Bremspedal. Vor allem das Wechselspiel von Gas- und Kupplungspedal, beispielsweise beim Anfahren an einer Steigung oder bei schwierigem, weil rutschigem Fahrbahnbelag, bedarf einiger Übung.

Im folgenden Abschnitt 3.1 soll auf einige typische Längsführungsprobleme eingegangen werden. Danach richten wir das Augenmerk auf Fahrsituationen, die dem „normalen" Fahrbetrieb entnommen sind. In Abschnitt 3.2 wird untersucht, welche Voraussetzungen und Strategien bei der Anpassung der Geschwindigkeit angebracht sind, wobei Fremdverkehr ausgeschlossen sein soll.

Diese Einschränkung wird in Abschnitt 3.3 fallengelassen, weil hier in elementarer Weise das Problem der Abstandshaltung untersucht wird. Dieses Thema wird in den Abschnitten 6.3.3.1 und 6.4.2 nochmals aufgegriffen.

Um das Vorurteil, bei der Längsführung handele es sich um den trivialeren Teil der Fahraufgabe, etwas abbauen zu helfen, widmet sich Abschnitt 3.4 dem Thema des Bremsens, insbesondere der Zielbremsung, bei der es darauf ankommt, das Kraftfahrzeug innerhalb einer vorgegebenen Strecke an einem bestimmten Punkt zum Halten zu bringen.

3.1 Modell der Längsdynamik

Im Folgenden werden einige grundlegende Fakten zusammengestellt, die zu einem einfachen Modell der Längsdynamik eines Kraftfahrzeugs führen. Dieses soll benutzt werden, um zum einen die aus Fahrsituationen resultierenden Anforderungen, zum anderen die angemessenen Reaktionen hierauf zu diskutieren.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
1 Einführung12
1.1 Übersicht12
1.2 Regler-Mensch-Modelle12
1.2.1 Manuelle Regelung12
1.2.2 Menschen als Regler14
1.2.3 Beschreibungsfunktionen15
1.2.4 Schnittfrequenzmodelle17
1.2.5 Optimaltheoretische Modelle18
1.2.6 Regler-Mensch-Modellefür die Fahrermodellierung19
1.2.7 Kritik des Ansatzes der Regler-Mensch-Modelle20
1.3 Dimensionender Kraftfahrzeugführung22
2 Modellbildungsmethoden24
2.1 ModellbasierterSystementwurf24
2.2 Modellbildung: BeispielQuerdynamik25
2.2.1 Einführung25
2.2.2 Diskretisierung26
2.2.3 Programmierung28
2.2.3.1 Textuelle Programmeingabe28
2.2.3.2 Graphische Programmeingabe32
2.2.4 Simulationsexperimenteund Ergebnisdarstellung39
2.2.4.1 Zeitkontinuierliches Modellder Fahrzeug-Querdynamik39
2.2.4.2 Zeitdiskretes Modell der Fahrzeug-Querdynamik41
2.2.5 Analyse und Interpretation43
2.2.5.1 Stationäres Verhalten43
2.2.5.2 Instationäres Verhalten45
2.2.5.3 Interpretation in Bezug auf dieFahrzeugführung48
2.3 Graphische Modellentwicklung49
2.3.1 Ikonische Modellierung50
2.3.2 Signalflussmodellierung53
2.3.3 Energieflussmodellierung56
2.3.4 Graphische Analysevon Energieflussmodellen57
2.3.5 Möglichkeiten und Grenzengraphischer Modelle58
2.3.5.1 Ablauf der graphischen Modellbildung58
2.3.5.2 Vor- und Nachteile der graphischenModellbildung59
2.3.5.3 Modellbildung mit Bondgraphen61
3 Längsführung64
3.1 Modell der Längsdynamik64
3.1.1 Komponenten des Antriebsstrangs64
3.1.2 Längsdynamikanforderungen66
3.1.3 Strategien bei derGeschwindigkeitswahl71
3.2 Geschwindigkeitsanpassung72
3.2.1 Konstanthaltender Geschwindigkeit72
3.2.2 Anpassung an die Straßenneigung74
3.2.3 Anpassung an den Straßenverlauf76
3.3 Abstandshaltung77
3.3.1 Kinematik desFahrzeugfolgeproblems78
3.3.2 Abstandshaltung durch lineareZustandsregelung78
3.3.3 Luenberger-Beobachterfür die Abstandshaltung80
3.3.4 Kolonnenfahrt bei linearerZustandsregelung82
3.3.5 Mikroskopisches Fahrzeugfolgemodellder Verkehrstheorie83
3.3.6 Abstandshaltung mit unscharfemRegler (Fuzzy Control)85
3.4 Bremsen88
3.4.1 Kontinuierliches linearesBremsmodell90
3.4.2 Diskontinuierliches nichtlinearesBremsmodell90
3.4.3 Messstörungen92
4 Querführung94
4.1 Fahrkinematik95
4.1.1 FahrkinematischesFundamentalsystem95
4.1.2 Fahrkinematik als Regelstrecke97
4.1.3 Proportionalregelung98
4.1.4 Linearisierte Fahrkinematik100
4.1.5 Dynamische Eigenschaftender Proportionalregelung102
4.2 Fahrdynamik103
4.2.1 FahrdynamischesFundamentalsystem103
4.2.2 Linearisierte Fahrdynamik104
4.2.2.1 Lineare Fahrdynamikohne Vorausschau104
4.2.2.2 Interpretation der Fahrdynamikohne Vorausschau105
4.2.2.3 Lineare Fahrdynamik mit Vorausschau106
4.3 Nichtmodellbasierte lineareRegelung108
4.3.1 Einfacher PID-Regler108
4.3.2 PID-Regler mit Störgrößenaufschaltung109
4.3.3 Parameterempfindlichkeit109
4.4 Modellbasierte lineareRegelung ohne Vorausschau111
4.4.1 Zustandsgeregelte Spurhaltungmit Polvorgab111
4.4.2 Polvorgabe für Regelungs-Normalform113
4.4.3 Festwertregelungmit Zustandsregler114
4.4.4 Erweiterter Zustandsregler115
4.4.5 Optimaler Zustandsregler117
4.4.6 Krümmungsschätzungdurch Zustandsbeobachter118
4.4.7 Optimaler Zustandsreglermit erweitertem optimalemBeobachter120
4.5 Modellbasierte lineareRegelung mit Vorausschau125
4.5.1 Erweiterung des Fahrdynamik-Modells für Störbeobachter127
4.5.2 Simulationsexperimente128
4.6 Modellbasierte nichtlineareRegelung132
4.6.1 Folgeregelung mit reduziertemFahrkinematik-Modell132
4.6.2 Kompensationsregelungmit fahrkinematischemFundamentalsystem135
4.6.3 Fahrkinematische Regelungbeim doppelten Spurwechsel137
4.6.4 Regler für Fahrkinematikin Polarkoordinaten138
5 Vektation141
5.1 Einführung141
5.2 Geschwindigkeits-Vektorfelder141
5.2.1 Bildung von Bewegungsinvarianten144
5.2.2 Bewegungsinvariantenim Geschwindigkeitsvektorfeld146
5.2.3 Analyse vorgegebenerAuswertungsfenster148
5.3 Visuelle OrientierungbeimAutofahren150
5.3.1 Augenbewegungen und visuelleWahrnehmung150
5.3.2 Kraftfahrzeugführungund Augenbewegungen152
5.3.3 Lands Tangentenpunkt154
5.3.4 Ergebnisse aus Simulatorexperimenten156
5.4 Dynamik derBewegungswahrnehmung159
5.4.1 Bewegungsempfinden159
5.4.2 Sensordynamik bei rotatorischenBewegungen161
5.4.2.1 Aufbau des semizirkulären Kanals161
5.4.2.2 Dynamische Modelledes semizirkulären Kanals161
5.4.2.3 Frequenzgänge und Sprungantworten163
5.4.3 Sensordynamik beitranslatorischen Bewegungen164
5.4.3.1 Aufbau des otolithischen Systems164
5.4.3.2 Dynamische Modelledes otolithischen Systems166
5.4.3.3 Frequenzgänge und Sprungantworten166
5.4.4 Verarbeitung der Sensorsignale167
5.4.4.1 Bestimmung der Vertikalen169
5.4.4.2 Bestimmung von Verschiebungund Geschwindigkeit169
5.4.4.3 Beobachterkonzeptezur Raumorientierung170
5.5 Modellierungdes Bewegungsempfindens171
5.5.1 Fahrzeug-Referenzbewegung171
5.5.1.1 Verlauf der Teststrecke173
5.5.1.2 Sensorische Erfassungder Referenzbewegung173
5.5.1.3 Zeitverläufe derBewegungswahrnehmung174
5.5.2 Bewegungsempfindenbei ausgewählten Fahrmanövern175
5.5.3 Auswirkungen vonWahrnehmungsdissoziationen178
5.5.3.1 Beobachtermodell für erweiterteQuerdynamik178
5.5.3.2 Nachbildung unerfüllter Erwartungen179
6 Fahrerassistenzsysteme182
6.1 Hintergrund182
6.2 Grundlagen185
6.2.1 Aktive Sicherheit185
6.2.2 Fahrerassistenzsystemefür die aktive Sicherheit188
6.2.3 ZuverlässigkeitstechnischeAnalyse190
6.2.3.1 Analyse mit Petri-Netzen190
6.2.3.2 Klassifizierung von Fahrerunterstützungssystemen191
6.2.3.3 Analyse von Warnsystemen193
6.3 Stabilisierungsassistenz194
6.3.1 Vorbemerkungenzur Stabilisierung194
6.3.2 Längsführungsassistenz196
6.3.2.1 Antiblockiersystem196
6.3.2.2 Antriebsschlupfregelung201
6.3.3 Querführungsassistenz205
6.3.3.1 Fahrdynamikregelung205
6.3.3.2 Spurhaltungsregelung208
6.4 Lenkungsassistenz212
6.4.1 Notbremsassistent212
6.4.2 Stop-and-Go-Assistent214
6.4.3 Fahrgeschwindigkeitsassistent215
6.4.4 Spurwechselassistent217
6.4.5 Kollisionsvermeidungsassistent220
6.4.6 Parkmanöverassistent221
6.5 Organisationsassistenz224
6.6 Anmerkungen zurAutomatisierung226
7 Zusammenfassung und Ausblick230
7.1 Anwendungen der Kraftfahrzeugführungsmodelle230
7.1.1 Design-Driver-Modelle230
7.1.2 Grobmodellierung232
7.1.3 Präzisionsmodelle233
7.2 Kraftfahrzeugführungund Kybernetik236
7.2.1 Visionen236
7.2.2 Ursprünge der Kybernetik236
7.2.3 Kybernetische Systemtheorie238
7.2.4 Kraftfahrzeugführungals komplexes System239
7.2.5 Modellierung komplexer Systeme240
7.2.6 Skizzierung einer Theorieder Kraftfahrzeugführung242
7.2.7 Schlussfolgerungen244
Anhang A: Mathematische Hilfsmittel246
A.1 Rechenoperationenmit Vektoren und Matrizen246
A.1.1 Vektoren246
A.1.2 Matrizen247
A.1.3 Eigenwerte quadratischerMatrizen249
A.2 GewöhnlicheDifferentialgleichungen250
A.2.1 Lineare Differentialgleichungen250
A.2.1.1 Lösung linearer Differentialgleichungen251
A.2.1.2 Anregung mit speziellenEingangsfunktionen252
A.2.1.3 Eingangs-Ausgangs-Darstellunglinearer Systeme253
A.2.1.4 Reguläre Zustandstransformationen253
A.2.1.5 Funktionaltransformationen254
A.2.2 Nichtlineare Differentialgleichungen256
A.3 Partielle Differentialgleichungen256
A.3.1 Lösung partieller Differentialgleichungen1. Ordnung257
A.3.2 Eigenschaften von Kurvenintegralen257
A.3.3 Interpretation der Lösungen258
Anhang B: Modellbildung259
B.1 Skriptbefehle259
B.1.1 Matlab259
B.1.2 Scilab263
B.1.3 Sidops+ (20-sim)263
B.2 Strukturbilder264
B.2.1 Lineare Elemente264
B.2.2 Umformungsregeln266
B.3 Bondgraphen268
B.3.1 Eigenschaften von Bondgraphen268
B.3.1.1 Definitionen268
B.3.1.2 Kausalität von Bondgraphen269
B.3.1.3 Knotensätze271
B.3.1.4 Vereinfachungsregeln272
B.3.2 Zusammenhang zwischen Energie-und Signalflussdiagrammen273
B.3.2.1 Signalflussdarstellung derBondgraphenelemente273
B.3.2.2 Beispiele275
B.3.3 Bondgraphen der ebenenBewegungen starrer Körper277
B.3.3.1 Geometrischer Ansatz277
B.3.3.2 Modellierung mit Vektorbonds278
Anhang C: Fahrkinematische Grundlagen283
C.1 Räumliche Kinematik283
C.1.1 Lage und Orientierung283
C.1.2 Geschwindigkeitund Beschleunigung284
C.2 Fahrzeug-Referenzbewegungen285
C.2.1 Erzeugendensystem285
C.2.2 Geschwindigkeitund Beschleunigungin bewegten Koordinaten285
C.3 Ebene Fahrkinematik286
C.3.1 Erzeugendensystemebener Bahnen286
C.3.2 Ebene Koordinatentransformationen287
C.3.2.1 Translation287
C.3.2.2 Rotation287
C.3.3 Differentielle Transformationvorgegebener Konturen289
C.3.3.1 Partielle Ableitungnach dem Kurvenparameter r290
C.3.3.2 Partielle Ableitung nach demKurvenparameter s290
C.3.4 Fundamentalsystemder ebenen Fahrkinematik291
C.3.5 Integrationdes Fundamentalsystems292
Anhang D: Horizontaldynamik des Kraftfahrzeugs294
D.1 Ackermann-Modell294
D.2 Modellierungder ebenen Fahrdynamik295
D.2.1 Bewegungsgleichungen295
D.2.2 Nichtlineares Einspurmodell296
D.2.3 Lineares Einspurmodell297
D.3 Einfaches Modellbeispiel299
D.3.1 Modelle der Raddynamik299
D.3.1.1 Längsdynamik des Reifens299
D.3.1.2 Querdynamik des Reifens302
D.3.1.3 Gesamtmodell der Reifendynamik303
D.3.2 Dynamik des Fahrzeugaufbaus303
D.3.3 Gesamtmodell des Fahrzeugs304
D.3.3.1 Bondgraphenmodell304
D.3.3.2 Modifiziertes Gesamtmodell305
D.3.4 Simulationsexperimente306
D.4 Modellbildungmit Vektorbondgraphen309
D.4.1 Einspurmodell309
D.4.2 Zweispurmodell313
Anhang E: Regelungssysteme315
E.1 Darstellungen im ZeitundFrequenzbereich315
E.1.1 Signale315
E.1.1.1 Definitionen315
E.1.1.2 Laplace- und Fourier-Transformation316
E.1.1.3 Signaloperationen316
E.1.2 Lineare Übertragungssysteme317
E.1.2.1 Linearität317
E.1.2.2 Übertragungsverhalten im Zeitbereich318
E.1.2.3 Übertragungsverhaltenim Frequenzbereich318
E.1.2.4 Zustandsdarstellungen320
E.1.2.5 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit322
E.2 Stabilität dynamischerSysteme323
E.2.1 Erste Methode von Ljapunov323
E.2.1.1 Konzept der Stabilität linearer Systeme323
E.2.1.2 Konzept der Stabilitätnichtlinearer Systeme323
E.2.1.3 Methode der lokalen Linearisierung324
E.2.1.4 Erste Methode für Ruhelagen324
E.2.2 Zweite Methode von Ljapunov325
E.2.2.1 Ljapunov-Funktion325
E.2.2.2 Stabilitäts-Sätze325
E.2.2.3 Stabilität im Großen325
E.2.2.4 Beziehungen zwischen Ersterund Zweiter Methode von Ljapunov326
E.2.3 Stabilitätssätzefür lineare Regelungssysteme326
E.2.3.1 Hurwitz-Polynome326
E.2.3.2 Stabilitätssätze von Cremer-Leonhard-Michailov327
E.2.3.3 Nyquist-Kriterium327
E.3 Lineare Regler328
E.3.1 Nichtmodellbasierte Regler328
E.3.1.1 PID-Regler328
E.3.1.2 Einstellregeln329
E.3.2 Modellbasierte Regler329
E.3.2.1 Entwurf für nichtparametrischeStreckenmodelle330
E.3.2.2 Entwurf für parametrischeStreckenmodelle330
E.4 Zustandsreglerund Zustandsbeobachter331
E.4.1 Zustandsregler331
E.4.1.1 Einfacher Zustandsreglermit Polvorgabe331
E.4.1.2 Zustandsregler für Festwertregelung333
E.4.1.3 Erweiterter Zustandsregler333
E.4.2 Zustandsbeobachter335
E.4.2.1 Luenberger-Beobachter335
E.4.2.2 Störbeobachter337
E.4.2.3 Zustandsregler mit Beobachter337
E.4.3 Weiterführende Konzepteder Zustandsregelung338
E.4.3.1 Riccati-Zustandsregler339
E.4.3.2 Kalman-Beobachter339
E.4.3.3 Butterworth-Konfiguration340
E.5 Nichtlineare Regler340
E.5.1 Nichtmodellbasierte Regler:Fuzzy-Regler340
E.5.2 Modellbasierte Regler342
E.5.2.1 Eingangs-Zustands-Linearisierung342
E.5.2.2 Eingangs-Ausgangs-Linearisierung343
Literatur345
Sachwortverzeichnis354

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