Regler- und Funktionsentwicklung mechatronischer Lenksysteme mit Hilfe eines HIL-Fahrsimulators Dipl.-Ing. Steffen Stauder Prof. Dr.-Ing. Steffen Müller Lehrstuhl für Mechatronik in Maschinenbau und Fahrzeugtechnik TU Kaiserslautern 29. Januar 2013 Inhalt Seite 2 Motivation und Zielstellung Aufbau und Funktionalität HIL-Fahrsimulator Anwendungsspektrum Zusammenfassung und Ausblick 1
Motivation und Zielstellung Mechatronische Lenksysteme Seite 3 Das Lenksystem mit seiner Abstimmung ist entscheidend für Lenkgefühl und Fahrverhalten Mechatronische Lenksysteme ermöglichen eine gezielte Beeinflussung von Lenkgefühl und Fahrverhalten durch die Ansteuerungssoftware Vorteile: + Verbesserung von Fahrverhalten, Sicherheit und Komfort + Enabler für Fahrerassistenzsysteme + Reduzierter Verbrauch und reduzierte C0 2 -Emission Elektromechanische Servolenkung EPS Ansteueralgorithmus Quelle Bild :TRW Motivation und Zielstellung Mechatronischer Entwicklungsprozess Seite 4 Die Ansteuerungssoftware wird zur funktional entscheidenden Komponente Entwicklungsprozess ändert sich vom klassischen mechanischen hin zum mechatronischen Entwicklungsprozess Fahrzeugspezifische Ziele Lenksystempezifische Anforderungen Fahrzeugintegration Komponentenintegration 2
Motivation und Zielstellung Herausforderung Fahrzeugintegration Seite 5 Neue Ansteuerungssoftware für Lenksysteme lassen sich abschließend nur im Versuchsfahrzeug bewerten Ziel ist hier vor allem, einen subjektiven Eindruck vom Lenksystem in Verbindung mit Fahrzeug und anderen FAS zu erhalten Aber: Fahrzeugintegration ist teuer, beinhaltet Sicherheitsrisiken und erfordert spezielle Infrastruktur Wie bekommen wir möglichst früh einen subjektiven Eindruck??? Komponentenintegration Motivation und Zielstellung Ansatz Seite 6 Kombination von HIL-Lenkungsprüfstand und statischem Fahrsimulator Virtuelles Versuchsfahrzeug mit Driver-in-the-Loop Fahrzeugintegration Vorteile: + Subjektive Beurteilungen durch Fahrer schon früher möglich Fahrzeugintegration + Entwicklungsziele wie Lenkgefühl durch virtuelletestfahrten Ansatz: gezielt überprüfen Zwischenschritt Reproduzierbarkeit und + Hohe Anpassbarkeit der Tests Komponentenintegration Ersetzt nicht Fahrzeugintegration! 3
Seite 7 Motivation und Zielstellung Aufbau und Funktionalität HIL-Fahrsimulator Anwendungsspektrum Zusammenfassung und Ausblick Aufbau HIL-Fahrsimulator Betriebsmodi und Funktionsstruktur Seite 8 Kombibetrieb Einzelbetrieb Einzelbetrieb 4
Aufbau HIL-Fahrsimulator Aufbau Lenkungsprüfstand Seite 9 Messtechnik (DMS & A/D) Elektrischer Linearaktuator Kraftsensorik Kupplung Lenkmaschine Messwelle Encoder Kupplung Kardangelenk Lenksystem (hier: EPS) Zahnstangenkraft bis 20 kn Z Zahnstangengeschw. bis 1 m/s Lenkradmoment bis 50 Nm Lenkradgeschw. bis 3000 /s Aufbau HIL-Fahrsimulator Aufbau Statischer Fahrsimulator Seite 10 Positionssensorik Feedback- Einheit 22 Cockpit Display Außenspiegel Display Pedalliere (Gas & Bremse) Innenspiegel Display Kamera- System Joystick (HM-Interface) 5
Aufbau HIL-Fahrsimulator Visualisierungsumgebung Seite 11 4 Echtzeit-Visualisierungskanäle 2 Visualisierungs-PCs (Motion Desk) 2x 90 L-Projektion mit 2 WXGA-Beamer 2 Monitore Innen- und Außenspiegel- Displays Virtuelle Sound Emulation Aufbau HIL-Fahrsimulator Vollfahrzeugsimulation Seite 12 Fahrzeugmodell: ASM mit Verkehrssimulation Straßen- und Fahrmanövererstellung mit Model Desk Automatisierte Fahrmanöverauswertung (Matlab/Simulink) 3-D Animation 6
Seite 13 Motivation und Zielstellung Aufbau und Funktionalität HIL-Fahrsimulator Anwendungsspektrum Zusammenfassung und Ausblick Anwendungsspektrum Beispiele Seite 14 Parameteridentifikation von Lenksystemen Objektive Beurteilung von Lenksystemen mit Hilfe von Open-Loop- Manövern Subjektive Beurteilung von Rückmelde- und Störverhalten von Lenksystemen Entwicklung von Führungsgrößengeneratoren für Fahrsimulatoren und SBW-Fahrzeuge Entwicklung von Spurhalteassistenzfunktionen Bewertung der Controllability von Fahrerassistenzfunktionen 7
Anwendungsbeispiel: Einzelbetrieb Open-Loop-Test von Lenksystemen Seite 15 Zahnstangenkraft Lenkwinkel Lenksystem Lenkradanregung Gas- und Bremspedalstellung Zahnstangenposition Fahrzeugbeispiel Anwendungsbeispiel: Einzelbetrieb Open-Loop-Test von Lenksystemen (2) Seite 16 8
Anwendungsbeispiel: Kombibetrieb Änderung Rückmeldeverhalten (1) Fahrer im Simulator Zahnstangenkraft Lenk- Moment EPS auf Prüfstand Momenten Interface Störkraft Drehstab- Moment Servo- Moment Seite 17 Regel- Software Optisches Feedback Visualisierung Fahrzeugreaktion Zahnstangenposition Gas- und Bremspedalstellung Fahrzeugsimulation Lenkwinkel Geschw. Kopfsteinpflastermodell Kopfsteinpflaster-Visualisierung Anwendungsbeispiel: Kombibetrieb Änderung Rückmeldeverhalten (2) Closed-loop Sinuslenken bei Fahrt über Kopfsteinpflaster feste Lenkwinkelvorgabe, ~ 0,2 Hz, Geschwindigkeit 30 km/h Seite 18 9
Anwendungsbeispiel: Spurhalteassistenz Erweiterung HIL-Struktur um Kamera Lenkwinkel Lenk- Moment Drehstab- Moment Seite 19 Optisches Feedback Zahnstangenposition Fahrzeugreaktion Zahnstangenkraft Pedalstellung Überlagerungsmoment Anwendungsbeispiel: Spurhalteassistenz LKA - Regelsansatz Seite 20 Optisches Feedback Spurpolynom Restbussimulation Ist-Gierrate Soll-Gierrate Bahn-Krümmung v FZG 10
Anwendungsbeispiel: Spurhalteassistenz Ergebnisse Fahrt bei 130 km/h und Kurvenradius ± 900 m Straßensequenz: Gerade Kurve Gerade Kurve Gerade Kein Eingreifen durch Fahrer Spurmarkierungen (rot) Fahrzeugmittelpunkt (blau) Seite 21 G K G K G Seite 22 Motivation und Zielstellung Aufbau und Funktionalität HIL - Fahrsimulator Anwendungsspektrum Zusammenfassung und Ausblick 11
Zusammenfassung und Ausblick Seite 23 Vorstellung eines Konzeptes zur Kombination eines HIL- Lenkungsprüfstand mit statisches Fahrsimulators füe frühzeitige subjektive Beurteilung und Eigenschaften absicherung Breites Anwendungsspektrum Objektive und subjektive Bewertung von Funktions- und Regelalgorithmen Entwicklung von Fahrerassistenzfunktionen (z.b. LKA) Test neuer Automatisierungs- und Bedienkonzepte Vielversprechendes Entwicklunsgstool für (Lenkungs-) Anwendungen, bei denen der subjektive Eindruck im Entwicklungsprozess von bedeutender Rolle ist Seite 24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 12