Kraftfahrzeugführung: Modelle - Simulation - Regelung

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

1.1 Übersicht

1.2 Regler-Mensch-Modelle

1.2.1 Manuelle Regelung

1.2.2 Menschen als Regler

1.2.3 Beschreibungsfunktionen

1.2.4 Schnittfrequenzmodelle

1.2.5 Optimaltheoretische Modelle

1.2.6 Regler-Mensch-Modellefür die Fahrermodellierung

1.2.7 Kritik des Ansatzes der Regler-Mensch-Modelle

1.3 Dimensionender Kraftfahrzeugführung

2 Modellbildungsmethoden

2.1 ModellbasierterSystementwurf

2.2 Modellbildung: BeispielQuerdynamik

2.2.1 Einführung

2.2.2 Diskretisierung

2.2.3 Programmierung

2.2.3.1 Textuelle Programmeingabe

2.2.3.2 Graphische Programmeingabe

2.2.4 Simulationsexperimenteund Ergebnisdarstellung

2.2.4.1 Zeitkontinuierliches Modellder Fahrzeug-Querdynamik

2.2.4.2 Zeitdiskretes Modell der Fahrzeug-Querdynamik

2.2.5 Analyse und Interpretation

2.2.5.1 Stationäres Verhalten

2.2.5.2 Instationäres Verhalten

2.2.5.3 Interpretation in Bezug auf dieFahrzeugführung

2.3 Graphische Modellentwicklung

2.3.1 Ikonische Modellierung

2.3.2 Signalflussmodellierung

2.3.3 Energieflussmodellierung

2.3.4 Graphische Analysevon Energieflussmodellen

2.3.5 Möglichkeiten und Grenzengraphischer Modelle

2.3.5.1 Ablauf der graphischen Modellbildung

2.3.5.2 Vor- und Nachteile der graphischenModellbildung

2.3.5.3 Modellbildung mit Bondgraphen

3 Längsführung

3.1 Modell der Längsdynamik

3.1.1 Komponenten des Antriebsstrangs

3.1.2 Längsdynamikanforderungen

3.1.3 Strategien bei derGeschwindigkeitswahl

3.2 Geschwindigkeitsanpassung

3.2.1 Konstanthaltender Geschwindigkeit

3.2.2 Anpassung an die Straßenneigung

3.2.3 Anpassung an den Straßenverlauf

3.3 Abstandshaltung

3.3.1 Kinematik desFahrzeugfolgeproblems

3.3.2 Abstandshaltung durch lineareZustandsregelung

3.3.3 Luenberger-Beobachterfür die Abstandshaltung

3.3.4 Kolonnenfahrt bei linearerZustandsregelung

3.3.5 Mikroskopisches Fahrzeugfolgemodellder Verkehrstheorie

3.3.6 Abstandshaltung mit unscharfemRegler (Fuzzy Control)

3.4 Bremsen

3.4.1 Kontinuierliches linearesBremsmodell

3.4.2 Diskontinuierliches nichtlinearesBremsmodell

3.4.3 Messstörungen

4 Querführung

4.1 Fahrkinematik

4.1.1 FahrkinematischesFundamentalsystem

4.1.2 Fahrkinematik als Regelstrecke

4.1.3 Proportionalregelung

4.1.4 Linearisierte Fahrkinematik

4.1.5 Dynamische Eigenschaftender Proportionalregelung

4.2 Fahrdynamik

4.2.1 FahrdynamischesFundamentalsystem

4.2.2 Linearisierte Fahrdynamik

4.2.2.1 Lineare Fahrdynamikohne Vorausschau

4.2.2.2 Interpretation der Fahrdynamikohne Vorausschau

4.2.2.3 Lineare Fahrdynamik mit Vorausschau

4.3 Nichtmodellbasierte lineareRegelung

4.3.1 Einfacher PID-Regler

4.3.2 PID-Regler mit Störgrößenaufschaltung

4.3.3 Parameterempfindlichkeit

4.4 Modellbasierte lineareRegelung ohne Vorausschau

4.4.1 Zustandsgeregelte Spurhaltungmit Polvorgab

4.4.2 Polvorgabe für Regelungs-Normalform

4.4.3 Festwertregelungmit Zustandsregler

4.4.4 Erweiterter Zustandsregler

4.4.5 Optimaler Zustandsregler

4.4.6 Krümmungsschätzungdurch Zustandsbeobachter

4.4.7 Optimaler Zustandsreglermit erweitertem optimalemBeobachter

4.5 Modellbasierte lineareRegelung mit Vorausschau

4.5.1 Erweiterung des Fahrdynamik-Modells für Störbeobachter

4.5.2 Simulationsexperimente

4.6 Modellbasierte nichtlineareRegelung

4.6.1 Folgeregelung mit reduziertemFahrkinematik-Modell

4.6.2 Kompensationsregelungmit fahrkinematischemFundamentalsystem

4.6.3 Fahrkinematische Regelungbeim doppelten Spurwechsel

4.6.4 Regler für Fahrkinematikin Polarkoordinaten

5 Vektation

5.1 Einführung

5.2 Geschwindigkeits-Vektorfelder

5.2.1 Bildung von Bewegungsinvarianten

5.2.2 Bewegungsinvariantenim Geschwindigkeitsvektorfeld

5.2.3 Analyse vorgegebenerAuswertungsfenster

5.3 Visuelle OrientierungbeimAutofahren

5.3.1 Augenbewegungen und visuelleWahrnehmung

5.3.2 Kraftfahrzeugführungund Augenbewegungen

5.3.3 Lands Tangentenpunkt

5.3.4 Ergebnisse aus Simulatorexperimenten

5.4 Dynamik derBewegungswahrnehmung

5.4.1 Bewegungsempfinden

5.4.2 Sensordynamik bei rotatorischenBewegungen

5.4.2.1 Aufbau des semizirkulären Kanals

5.4.2.2 Dynamische Modelledes semizirkulären Kanals

5.4.2.3 Frequenzgänge und Sprungantworten

5.4.3 Sensordynamik beitranslatorischen Bewegungen

5.4.3.1 Aufbau des otolithischen Systems

5.4.3.2 Dynamische Modelledes otolithischen Systems

5.4.3.3 Frequenzgänge und Sprungantworten

5.4.4 Verarbeitung der Sensorsignale

5.4.4.1 Bestimmung der Vertikalen

5.4.4.2 Bestimmung von Verschiebungund Geschwindigkeit

5.4.4.3 Beobachterkonzeptezur Raumorientierung

5.5 Modellierungdes Bewegungsempfindens

5.5.1 Fahrzeug-Referenzbewegung

5.5.1.1 Verlauf der Teststrecke

5.5.1.2 Sensorische Erfassungder Referenzbewegung

5.5.1.3 Zeitverläufe derBewegungswahrnehmung

5.5.2 Bewegungsempfindenbei ausgewählten Fahrmanövern

5.5.3 Auswirkungen vonWahrnehmungsdissoziationen

5.5.3.1 Beobachtermodell für erweiterteQuerdynamik

5.5.3.2 Nachbildung unerfüllter Erwartungen

6 Fahrerassistenzsysteme

6.1 Hintergrund

6.2 Grundlagen

6.2.1 Aktive Sicherheit

6.2.2 Fahrerassistenzsystemefür die aktive Sicherheit

6.2.3 ZuverlässigkeitstechnischeAnalyse

6.2.3.1 Analyse mit Petri-Netzen

6.2.3.2 Klassifizierung von Fahrerunterstützungssystemen

6.2.3.3 Analyse von Warnsystemen

6.3 Stabilisierungsassistenz

6.3.1 Vorbemerkungenzur Stabilisierung

6.3.2 Längsführungsassistenz

6.3.2.1 Antiblockiersystem

6.3.2.2 Antriebsschlupfregelung

6.3.3 Querführungsassistenz

6.3.3.1 Fahrdynamikregelung

6.3.3.2 Spurhaltungsregelung

6.4 Lenkungsassistenz

6.4.1 Notbremsassistent

6.4.2 Stop-and-Go-Assistent

6.4.3 Fahrgeschwindigkeitsassistent

6.4.4 Spurwechselassistent

6.4.5 Kollisionsvermeidungsassistent

6.4.6 Parkmanöverassistent

6.5 Organisationsassistenz

6.6 Anmerkungen zurAutomatisierung

7 Zusammenfassung und Ausblick

7.1 Anwendungen der Kraftfahrzeugführungsmodelle

7.1.1 Design-Driver-Modelle

7.1.2 Grobmodellierung

7.1.3 Präzisionsmodelle

7.2 Kraftfahrzeugführungund Kybernetik

7.2.1 Visionen

7.2.2 Ursprünge der Kybernetik

7.2.3 Kybernetische Systemtheorie

7.2.4 Kraftfahrzeugführungals komplexes System

7.2.5 Modellierung komplexer Systeme

7.2.6 Skizzierung einer Theorieder Kraftfahrzeugführung

7.2.7 Schlussfolgerungen

Anhang A: Mathematische Hilfsmittel

A.1 Rechenoperationenmit Vektoren und Matrizen

A.1.1 Vektoren

A.1.2 Matrizen

A.1.3 Eigenwerte quadratischerMatrizen

A.2 GewöhnlicheDifferentialgleichungen

A.2.1 Lineare Differentialgleichungen

A.2.1.1 Lösung linearer Differentialgleichungen

A.2.1.2 Anregung mit speziellenEingangsfunktionen

A.2.1.3 Eingangs-Ausgangs-Darstellunglinearer Systeme

A.2.1.4 Reguläre Zustandstransformationen

A.2.1.5 Funktionaltransformationen

A.2.2 Nichtlineare Differentialgleichungen

A.3 Partielle Differentialgleichungen

A.3.1 Lösung partieller Differentialgleichungen1. Ordnung

A.3.2 Eigenschaften von Kurvenintegralen

A.3.3 Interpretation der Lösungen

Anhang B: Modellbildung

B.1 Skriptbefehle

B.1.1 Matlab

B.1.2 Scilab

B.1.3 Sidops+ (20-sim)

B.2 Strukturbilder

B.2.1 Lineare Elemente

B.2.2 Umformungsregeln

B.3 Bondgraphen

B.3.1 Eigenschaften von Bondgraphen

B.3.1.1 Definitionen

B.3.1.2 Kausalität von Bondgraphen

B.3.1.3 Knotensätze

B.3.1.4 Vereinfachungsregeln

B.3.2 Zusammenhang zwischen Energie-und Signalflussdiagrammen

B.3.2.1 Signalflussdarstellung derBondgraphenelemente

B.3.2.2 Beispiele

B.3.3 Bondgraphen der ebenenBewegungen starrer Körper

B.3.3.1 Geometrischer Ansatz

B.3.3.2 Modellierung mit Vektorbonds

Anhang C: Fahrkinematische Grundlagen

C.1 Räumliche Kinematik

C.1.1 Lage und Orientierung

C.1.2 Geschwindigkeitund Beschleunigung

C.2 Fahrzeug-Referenzbewegungen

C.2.1 Erzeugendensystem

C.2.2 Geschwindigkeitund Beschleunigungin bewegten Koordinaten

C.3 Ebene Fahrkinematik

C.3.1 Erzeugendensystemebener Bahnen

C.3.2 Ebene Koordinatentransformationen

C.3.2.1 Translation

C.3.2.2 Rotation

C.3.3 Differentielle Transformationvorgegebener Konturen

C.3.3.1 Partielle Ableitungnach dem Kurvenparameter r

C.3.3.2 Partielle Ableitung nach demKurvenparameter s

C.3.4 Fundamentalsystemder ebenen Fahrkinematik

C.3.5 Integrationdes Fundamentalsystems

Anhang D: Horizontaldynamik des Kraftfahrzeugs

D.1 Ackermann-Modell

D.2 Modellierungder ebenen Fahrdynamik

D.2.1 Bewegungsgleichungen

D.2.2 Nichtlineares Einspurmodell

D.2.3 Lineares Einspurmodell

D.3 Einfaches Modellbeispiel

D.3.1 Modelle der Raddynamik

D.3.1.1 Längsdynamik des Reifens

D.3.1.2 Querdynamik des Reifens

D.3.1.3 Gesamtmodell der Reifendynamik

D.3.2 Dynamik des Fahrzeugaufbaus

D.3.3 Gesamtmodell des Fahrzeugs

D.3.3.1 Bondgraphenmodell

D.3.3.2 Modifiziertes Gesamtmodell

D.3.4 Simulationsexperimente

D.4 Modellbildungmit Vektorbondgraphen

D.4.1 Einspurmodell

D.4.2 Zweispurmodell

Anhang E: Regelungssysteme

E.1 Darstellungen im ZeitundFrequenzbereich

E.1.1 Signale

E.1.1.1 Definitionen

E.1.1.2 Laplace- und Fourier-Transformation

E.1.1.3 Signaloperationen

E.1.2 Lineare Übertragungssysteme

E.1.2.1 Linearität

E.1.2.2 Übertragungsverhalten im Zeitbereich

E.1.2.3 Übertragungsverhaltenim Frequenzbereich

E.1.2.4 Zustandsdarstellungen

E.1.2.5 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit

E.2 Stabilität dynamischerSysteme

E.2.1 Erste Methode von Ljapunov

E.2.1.1 Konzept der Stabilität linearer Systeme

E.2.1.2 Konzept der Stabilitätnichtlinearer Systeme

E.2.1.3 Methode der lokalen Linearisierung

E.2.1.4 Erste Methode für Ruhelagen

E.2.2 Zweite Methode von Ljapunov

E.2.2.1 Ljapunov-Funktion

E.2.2.2 Stabilitäts-Sätze

E.2.2.3 Stabilität im Großen

E.2.2.4 Beziehungen zwischen Ersterund Zweiter Methode von Ljapunov

E.2.3 Stabilitätssätzefür lineare Regelungssysteme

E.2.3.1 Hurwitz-Polynome

E.2.3.2 Stabilitätssätze von Cremer-Leonhard-Michailov

E.2.3.3 Nyquist-Kriterium

E.3 Lineare Regler

E.3.1 Nichtmodellbasierte Regler

E.3.1.1 PID-Regler

E.3.1.2 Einstellregeln

E.3.2 Modellbasierte Regler

E.3.2.1 Entwurf für nichtparametrischeStreckenmodelle

E.3.2.2 Entwurf für parametrischeStreckenmodelle

E.4 Zustandsreglerund Zustandsbeobachter

E.4.1 Zustandsregler

E.4.1.1 Einfacher Zustandsreglermit Polvorgabe

E.4.1.2 Zustandsregler für Festwertregelung

E.4.1.3 Erweiterter Zustandsregler

E.4.2 Zustandsbeobachter

E.4.2.1 Luenberger-Beobachter

E.4.2.2 Störbeobachter

E.4.2.3 Zustandsregler mit Beobachter

E.4.3 Weiterführende Konzepteder Zustandsregelung

E.4.3.1 Riccati-Zustandsregler

E.4.3.2 Kalman-Beobachter

E.4.3.3 Butterworth-Konfiguration

E.5 Nichtlineare Regler

E.5.1 Nichtmodellbasierte Regler:Fuzzy-Regler

E.5.2 Modellbasierte Regler

E.5.2.1 Eingangs-Zustands-Linearisierung

E.5.2.2 Eingangs-Ausgangs-Linearisierung

Literatur

Sachwortverzeichnis