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Redundant Steering System for Highly Automated Driving of Trucks

Herold, Maximilian (2019):
Redundant Steering System for Highly Automated Driving of Trucks.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009458,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Redundant Steering System for Highly Automated Driving of Trucks
Language: English
Abstract:

The development of automated driving (AD) from partially automated driving (AD2-) to highly automated driving (AD3+) is not only in the focus of the passenger car industry, but also in the commercial vehicle (CV) industry, especially in the development of trucks. There is already a lot of research work on AD3+ for passenger cars. However, in this area there is still a great need for research for trucks, particularly in the area of steering systems suitable for AD3+, since the requirements of these, especially with regard to the maximum required steering forces and steering powers, are much higher for AD3+ trucks than for AD3+ passenger cars. Therefore, the subject of this thesis is to develop a concept of an active steering system for AD3+ trucks by means of a deductive methodology and a systematic analysis of the solu-tion space. The development is based on the frame requirements for truck steering systems with regard to assembly space, interfaces, energy supply and axle loads as well as on the operational and redundancy requirements determined in this thesis. On the basis of these requirements, a redundant electric power steering system is excluded from the solution space due to the insufficient electrical power available on board and a redundant hydraulic power steering system for efficiency reasons. With today's actuators, the solution space is limited to combinations of electric and hydraulic power steering, the so-called hybrid steer-ing systems, for which the possible different functional structures are derived. These are evaluated on the basis of requirements from a safety analysis, whereby the solution space is limited. The developed concept, which meets all requirements, is a redundant active steering system (RASS) with an electric subsystem and a hydraulic subsystem, which is equipped with an active steering valve that can be controlled by the driver as well as by an electrical signal. The RASS provides a so-called "fail-degraded" functionality whose degree of degradation was determined by the determined redundancy requirements. The double controllable steering valve is designed in such a way that the driver is able to override the automatic system at any time and that the required steering torque can be distributed arbitrarily be-tween the electric and the hydraulic subsystem within the torque and power limits of the electric subsystem. This functionality is usable to increase efficiency compared to conven-tional truck steering systems. An operating strategy is developed for the various system states of the RASS which, tak-ing into account the driver's state, the required steering torques and possible system faults, controls the power steering state in such a way as to increase the efficiency of the steering system, controls the transitions between manual and automated driving and provides fallback strategies in the event of a fault. The result is an innovative steering concept that meets all the requirements of today's trucks and is suitable for AD3+.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Entwicklung des automatisierten Fahrens (AD) vom teilautomatisierten Fahren (AD2-) hin zum hochautomatisierten (AD3+) ist nicht nur im Fokus der Personenkraftwagen (Pkw) – Industrie, sondern auch Schwerpunkt in der Nutzfahrzeug (Nfz) – Industrie, insbesonde-re bei der Entwicklung von Lastkraftwagen (Lkw). Während es für Pkw bereits eine Viel-zahl an Forschungsarbeiten zu AD3+ gibt, besteht auf diesem Gebiet für Lkw besonders im Bereich der für AD3+ geeigneten Lenksystemen noch großer Forschungsbedarf, da die Anforderungen an diese, besonders hinsichtlich der geforderten maximalen Lenkkräfte und Lenkleistungen, bei AD3+ Lkw um ein Vielfaches höher sind als bei AD3+ Pkw. Gegenstand dieser Dissertation ist daher, basierend auf den Rahmenanforderungen für Lkw-Lenksysteme hinsichtlich Bauraum, Schnittstellen, Energieversorgung und Achslasten sowie auf den in dieser Arbeit ermittelten Betriebs- und Redundanzanforderungen durch eine deduktive Methodik und einem systematischen Durchgehen des Lösungsraumes ein Konzept eines aktiven Lenksystems für AD3+ Lkw zu entwickeln. Eine redundante rein elektromechanische Servolenkung fällt aufgrund der zu geringen zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung und eine redundante hydraulische Servolenkung aus Effizienzgrün-den aus dem Lösungsraum heraus. Dieser beschränkt sich mit heutigen Aktoren auf kombi-nierte elektromechanisch-hydraulische Servolenkungen, sogenannte hybride Lenkungen, wofür mögliche unterschiedliche Funktionsstrukturen hergeleitet und basierend auf Anfor-derungen aus einer Sicherheitsanalyse bewertet werden. So wird der Lösungsraum einge-grenzt. Das erarbeitete Konzept, welches alle Anforderungen erfüllt, ist ein Redundantes Aktives Lenksystem (engl. redundant active steering system – RASS) mit einem elektromechani-schen Subsystem und einem hydraulischen Subsystem, welches ein sowohl durch den Fahrer als auch durch ein elektrisches Signal regelbares hydraulisches Lenkungsventil be-sitzt. Das RASS stellt eine sogenannte „fail-degraded“ Funktionalität dar, deren Degrada-tionsgrad durch die ermittelten Redundanzanforderungen bestimmt wurde. Das doppelt regelbare Lenkventil wird so konzipiert, dass eine Übersteuerbarkeit der Automatik durch den Fahrer zu jeder Zeit gewährleistet und eine innerhalb der Momenten- und Leistungs-grenzen des elektrischen Subsystems vollkommen freie Aufteilung des geforderten Lenk-momentes auf das elektrische und das hydraulische Teilsystem ermöglicht wird. Diese Funktionalität ist zur Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Lkw-Lenksystemen nutzbar. Für die verschiedenen Systemzustände des RASS wird eine Betriebsstrategie entwickelt, welche unter Berücksichtigung des Fahrerzustandes, der geforderten Lenkmomente sowie möglicher Systemausfälle, den Servolenkungszustand so steuert, dass sich die Effizienz des Lenksystems steigert, die Wechsel zwischen manuellen und automatisierten Fahren regelt und im Fehlerfall Rückfallstrategien bereitstellt. Als Ergebnis liegt ein neuartiges Lenkkon-zept vor, welches alle Anforderungen heutiger Lkw erfüllt und für AD3+ geeignet ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD) > Vehicle Dynamics
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD) > Safety
Date Deposited: 18 Dec 2019 10:07
Last Modified: 09 Jul 2020 02:54
DOI: 10.25534/tuprints-00009458
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94589
Referees: Winner, Prof. Dr. Hermann and Müller, Prof. Dr. Steffen
Refereed: 6 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9458
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