TU Darmstadt / ULB / TUprints

Regelung redundant aktuierter Steer-by-Wire Systeme

Ewald, Volker (2022):
Regelung redundant aktuierter Steer-by-Wire Systeme. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019767,
[Ph.D. Thesis]

[img] Text
2021-11-08_Ewald_Volker.pdf
Available under: CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution NonCommercial, NoDerivs.

Download (10MB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Regelung redundant aktuierter Steer-by-Wire Systeme
Language: German
Abstract:

Die Fahrzeuglenkung stellt eine der wichtigsten Schnittstellen zwischen dem Fahrer und der Fahrzeugdynamik dar. Dabei kann mit dieser nicht nur der Kurs des Fahrzeugs eingestellt werden, sondern auch gezielt Rückmeldungen an den Fahrer gegeben werden, in welchem querdynamischen Zustand sich das Fahrzeug aktuell befindet. Die Evolution der Lenkung von der rein mechanischen Lenkung, über die hydraulisch unterstützte Lenkung, zur elektromechanischen Lenkung, ermöglicht schon heute den Einsatz von Fahrerassistenzsystemen, die direkt die Fahrzeugquerdynamik beeinflussen. Jedoch kommen diese Systeme an ihre Grenzen, da nach wie vor die Lenkung durch ihre Mechanik, bezüglich der Eingriffsmöglichkeiten von Fahrerassistenzsystemen, limitiert ist. Einen Ausweg aus diesem Problem bieten Steer-by-Wire (SbW) Systeme, die eine mechanische Entkopplung des Menschen von der Fahrzeugquerdynamik ermöglichen. Jedoch müssen sich diese SbW-Systeme, wenn kein Eingriff eines Fahrerassistenzsystems erfolgt, genau so komfortabel wie eine heutige elektrische Servolenkung (EPS) anfühlen und zudem auch bei einem Systemfehler weiterhin die Lenkung des Fahrzeugs zulassen.

In dieser Arbeit wird daher eine neuartige Regelung für redundant aktuierte SbW-Systeme vorgestellt, die zum einen ermöglicht, dass ein SbW-System sich genau so anfühlt wie ein EPS-System und zum anderen die Redundanz dazu genutzt wird, einen Fail-Operational Betrieb des Systems sicherzustellen. Der Ausgangspunkt der Arbeit ist die Modellbildung des redundant aktuierten Lenksystems und seiner Umgebung. Im Rahmen dieser Modellbildung wird ein Modell des Gesamtsystems Fahrer-Lenkung-Fahrzeugquerdynamik hergeleitet.

Anschließend erfolgt eine Systemanalyse, in der die dynamischen Eigenschaften des Systems und der Umgebungsmodelle, wie Passivität, Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit, herausgearbeitet werden. Danach wird ein reduziertes Zustandsraum-Modell, das für den Reglerentwurf geeignet ist, hergeleitet.

Im Rahmen des Reglerentwurfs werden zunächst unterschiedliche Regelungskonzepte für SbW-Systeme vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Auf dem Zustandsraummodell aufbauend werden zwei Regler zur Regelung des SbW-Systems entworfen. Dabei zeichnet sich der Verkopplungsregler durch einen geringen Implementierungsaufwand und weniger Messgrößen aus, während die entworfene robuste Regelung eine Reglerkonfiguration bereitstellt, die ein besseres Lenkgefühl unter dem Einfluss typischer nichtlinearer mechanischer Phänomene, wie Reibung und Lose, gegenüber dem Verkopplungsregler ermöglicht.

Abschließend werden die entworfenen Regler in der Simulation verifiziert und ihre Eigenschaften bezüglich des Lenkgefühls herausgearbeitet, sowie deren Robustheit bei Aktorausfällen und Störungen untersucht. Dabei kann gezeigt werden, dass das robuste Regelungskonzept ein Fail-Operational Verhalten der Lenkung sichert. Im Anhang werden zudem Messungen von einemPrüfstand präsentiert, welche die Praxistauglichkeit der entwickelten robusten Regelung zeigen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The steering system is one of the most important interfaces between driver and vehicle dynamic. The steering not only adjusts the trajectory of the car, but also provides the driver with feedback on the dynamic state of the vehicle. The evolution of the steering system from the mechanical steering system to the hydraulic assisted steering up to the electromechanical steering already enables the use of driving assistance systems that directly influence the driving dynamic. These systems are reaching their limits, since the steering is restricted in access options for assistance systems through its mechanics. One way out of this problem are Steer-by-Wire (SbW) systems, which allow a mechanical decoupling of the driver and the driving dynamic. However, these SbW systems have to feel as good as today's electric power steering (EPS) systems when no assistance system intervenes. In addition, these SbW systems must be able to steer the vehicle even if a system fault occurs.

This thesis presents a novel type of control for redundantly actuated SbW systems, which on one hand enables the SbW systems to behave and feel like EPS systems, and on the other hand uses redundancy to ensure fail operational operation. The starting point of this work is the modelling of the redundant actuated steering system and its environment. Part of this is the derivation of a model of the overall system which consists of driver, steering and vehicle dynamic.

Next, the dynamic properties of the system and the environment models such as passivity, controllability and observability are examined in the system analysis. Subsequently a reduced state space system, which is suitable for the controller design, is derived.

As part of the controller design, different control concepts for SBW systems are presented and their advantages and disadvantages are discussed. Based on a state space model, two controllers are designed for regulating the SbW system. The coupling controller has a low implementation effort and fewer measured variables are necessary, while the robust control provides a controller configuration that enables a better steering feel under the influence of typical non-linear mechanical phenomena, such as friction and backlash.

Finally, the designed controllers are verified in a simulation and their properties concerning steering feel are analyzed. Afterwards the robustness during actuator failures and disturbances is examined. The investigation shows, that the robust controller design ensures a fail operational behavior of the steering system. In the appendix measurements from the test bed are presented, which prove the practicability of the developed robust control.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIV, 152 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Control Systems and Mechatronics
Date Deposited: 28 Jan 2022 08:16
Last Modified: 28 Jan 2022 08:16
DOI: 10.26083/tuprints-00019767
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197672
Referees: Konigorski, Prof. Dr. Ulrich ; Klingauf, Prof. Dr. Uwe
Date of oral examination: 21 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19767
Export:
Actions (login required)
View Item View Item