Um die fahrdynamischen Eigenschaften eines in der Entwicklung befindlichen Personenkraftwagens zu dokumentieren und zu verbessern, werden Fahrversuche auf dazu geeigneten Prüfgeländen definiert und durchgeführt. Um die erforderliche Reproduzierbarkeit sicherzustellen, wird bei einem Teil der Versuche der Lenkwinkel in Form einer Steuerung durch eine elektrische Lenkmaschine vorgegeben. Ein weiterer Teil der Versuche erfordert darüber hinaus die Führung der Fahrzeugposition entlang einer Sollbahn. Aufgrund dieser Aufgaben ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Entwicklung einer Bahnfolgeregelung, die den Fahrzeugschwerpunkt über die Lenkung des Fahrzeugs entlang einer vorgegebenen Bahn führt. Die Folgeregelung verwendet eine Lenkmaschine als Stellglied und ein integriertes Navigationssystem für die Messung. Kupplung, Schaltung, Gas und Bremse werden weiter durch den Versuchsingenieur bedient. Somit kann die Folgeregelung keinen Einfluß auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nehmen und wird daher in Form einer Querregelung realisiert. Die Bahnfolgeregelung soll einerseits Manöver mit Querbeschleunigungen des Fahrzeugs an der Reifenhaftgrenze beherrschen und mit aggressiven Richtungsänderungen zurechtkommen, andererseits auch problemlos aus dem Stillstand heraus funktionieren. Die von dem Regler benötigte Sollbahnkrümmung wird in Form der Koeffizienten eines stückweise definierten Polynomvektors hinterlegt. Der Grad der Polynome ist so gewählt, daß bei Verfolgung dieser Sollbahn durch das Fahrzeug keine Sprünge in der Lenkwinkelgeschwindigkeit vorkommen. Wenn auch die kinematischen Grenzen und die Grenzen der Reifenhaftung beachtet werden, ist diese Sollbahn realisierbar. Der Polynomparameter, der die Sollposition des Fahrzeugs auf der Sollbahn kennzeichnet, wird während der Fahrt so nachgeführt, daß die Sollposition stets der Punkt auf der Sollbahn ist, welcher der Istposition des Fahrzeugschwerpunktes geometisch am nächsten ist. Zur Messung der tatsächlichen Position und Bewegung des Fahrzeugs dient ein integriertes Navigationssystem. Das Navigationssystem ist so aufgebaut, daß das Ergebnis in Echtzeit zur Verfügung steht und für die Bahnfolgeregelung verwendbar ist. Ferner werden die Messwerte des Navigationssystems während der Fahrt aufgezeichnet und ermöglichen eine spätere Auswertung des Fahrverhaltens zur Ermittlung der gewünschten objektiven Fahrzeugkenngrößen. Die Bahnfolgeregelung wird in Form einer Zwei-Freiheitsgrad-Struktur aus nichtlinearer Vorsteuerung und linearer Regelung realisiert, um einen unabhängigen Entwurf des Führungs-und Störverhaltens zu ermöglichen. Für den modellbasierten Entwurf der Bahnfolgeregelung wird das Einspurmodell verwendet. Dadurch wird das Modell sehr übersichtlich, verbunden mit dem Nachteil, daß die reale Radlastverschiebung in Richtung der kurvenäußeren Räder vernachlässigt wird. Diese Radlastverschiebung hat im oberen Querbeschleunigungsbereich großen Einfluß auf das Fahrverhalten. Um diesen Nachteil auszugleichen, werden für das Einspurmodell nicht die nominellen Reifenkennlinien verwendet, sondern sie werden aus dem simulierten Verhalten des Fahrzeugs bei stationärer Kreisfahrt extrahiert. Die Vorsteuerung basiert auf der Kräftebilanz des nichtlinearen Einspurmodells in der Ebene. Die für die gewünschte Bahnkrümmung an den Vorderrädern benötigte Seitenkraft wird durch die modellbasierte Vorsteuerung und die lineare Regelung bestimmt. In einem weiteren Schritt wird die ermittelte Seitenkraft anhand des messbaren Fahrzeugzustandes und der bekannten Reifenkennlinien in einen Lenkradwinkel transformiert und eingestellt. Die entworfene Bahnfolgeregelung wird mithilfe eines detaillierten und validierten Fahrzeugmodells unter Matlab-Simulink simuliert und überprüft. Als Testmanöver dient neben anderen Sollbahnen ein doppelter Fahrspurwechsel (Elchtest), welcher sich durch Querbeschleunigungen bis an die Reifenhaftgrenze und schnelle Richtungswechsel mit damit verbundenen Radlaständerungen auszeichnet. Nach erfolgreicher Simulation wurde die Bahnfolgeregelung als echtzeitfähiges System mit Bedienerschnittstelle an realen Fahrzeugen vom Typ Porsche Carrera und Porsche Cayenne appliziert. Das Verhalten der Bahnfolgeregelung beim doppelten Fahrspurwechsel in der Praxiserprobung entspricht den Ergebnissen der Simulationsuntersuchung. Durch die Bahnfolgeregelung wird eine Unabhängigkeit des Lenkwinkels vom Fahrer erreicht, die es beispielsweise erlaubt, verschiedene Fahrzeuge anhand des jeweiligen zur Verfolgung der Sollbahn notwendigen Lenkwinkelverlaufes untereinander zu vergleichen.

    Driving tests for passenger cars are defined and conducted on suitable test tracks to document and to improve the dynamic characteristics of a vehicle in the course of its development. The motivation for conducting driving tests is to obtain objective and comparable information uf the driving performance of the tested cars after the evaluation of the recorded measurement data. Apart of the test drives are performed by using desired time profiles of the steering wheel angle, which are realised by an electrical steering machine in order to assure the necessary reproducibility. A further important class of test drives concerns the lateral control of the vehicle position along a predefined path. Motivated by these problems, the topic of this thesis is to develop an automated path-following control in order to guide the vehicle's centre of gravity along a predefined path by solely manipulating the steering angle of the vehicle. The implementation of the path-following control uses a steering machine as actuator and an integrated navigation system as measurement device. Since the control scheme only manipulates the steering angle, the clutch, gearbox, throttle, and brakes have to be actuated by the test engineer. Therefore, the path-following control system has no direct effect on the vehicle's velocity and has to be realized as a lateral control concept. lf the vehicle is in standstill, e.g. at the beginning of a test drive, the path-following control system has to automatically guide the car to the predefined path if the driver accelerates the car. The curvature of the predefined path required by the controller is described in terms of the coefficients of a piecewise defined polynomial vector. The polynomial degree is chosen in order to avoid discontinuities in the steering wheel angle velocity when following the predefined path. The feasibility of the predefined path is ensured by additionally accounting for the kinematic constraints and the maximum available tire friction. The desired vehicle position on the predefined path is described by a polynomial parameter, which is dynamically updated such that the desired car position is the momentarily closest point on the path with respect to the actual position of the vehic1e's centre of gravity. An integrated navigation system measures the actual position and movement of the vehicle in real-time and transmits the measurement data to the path-following control system. Moreover, the measurement data are recorded during the driving maneuver to subsequently analyse and evaluate the vehicle's dynamic behaviour. The path-following control is based on a two-degree of freedom structure with a nonlinear feedforward and a linear feedback control in order to separately design the reference action and disturbance action of the control loop. A single track model is used for the modelbased design of the path-following contro!. This model describes the vehicle dynamics by a simplified bicycle model with one tire at the front and real' of the vehicle. Thus the model becomes very concise at the price that the effect of load increase at the wheels on the outer-curve side is neglected. However, this load shift between the tire sides has a great influence on the behaviour of the vehicle at high lateral accelerations. To compensate for this drawback, the nominal tire characteristics are adapted in simulation studies to steady-state circular driving conditions. In this way, the inftuence of the position of the centre of gravity and the highly complex chassis kinematics are taken into account by the tire characteristics. The feedforward control design is based on the balance of forces uf the single track vehicle model on a plain surface. The desired curvature of the path corresponds to a required sideforce at the front wheels, which is determined by the model-based feedforward and the linear feedback control and is adjusted depending on the measurable vehicle state and the previously determined tire characteristics for the front and real wheel of the vehicle model. The path-following design is simulated and verified with a detailed and validated vehicle model by means of Matlab-Simulink. The test maneuver is a double lane change, although other predefined paths have been investigated as well. The double lane change is characterized by lateral acceleration at the physical limit of the tire friction and by fast directional changes with significant tire load changes. After verifying the functionality in simulation studies, the path-following control has been implemented on a real-time-capable system with user interface, which has been instalied in the passenger cars Porsche Carrera and Porsche Cayenne. The performance of the realized path-following control for the chosen double lane change scenario corresponds to the simulation results.


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    Querregelung eines Versuchsfahrzeugs entlang vorgegebener Bahnen

    Kehl, S. / Polsler, W.-D. / Zeitz, M. et al. | British Library Conference Proceedings | 2006


    Querregelung eines Versuchsfahrzeugs entlang vorgegebener Bahnen

    Kehl, S. / Pölsler, W.D. / Zeitz, M. | Tema Archiv | 2006


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    Kehl, Steffen / Pölsler, Wolf-Dieter / Zeitz, Michael | Tema Archiv | 2005



    Querregelung eines Versuchsfahrzeugs entlang vorgegebener Bahnen

    Kehl, Steffen / Pölsler, Wolf-Dieter / Zeitz, Michael | Tema Archiv | 2007