Trajektorienfolgeregelung für automatisierte Fahrzeuge

Abstract

Bei der Betrachtung der Entwicklung von Assistenzsystemen, welche in Serienfahrzeuge integriert werden, zeichnet sich ein Trend hin zur vollständigen Automatisierung der Fahraufgabe ab. Neben der Entwicklung von alternativen Antriebskonzepten ist das automatisierte Fahren eines der wichtigsten Forschungs- und Innovationsthemen der Automobilbranche. Die erforderlichen Funktionen zur Automatisierung der Fahraufgabe lassen sich in verschiedene Teilaufgaben untergliedern. Ein bedeutendes Unterproblem ist die Trajektorienfolgeregelung, welche die eigentliche Fahrzeugführung vornimmt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Ansatzes zur Trajektorienfolgeregelung für eine zyklisch neugeplante spline-basierte Referenztrajektorie. Als Grundlage zur vollständigen Beschreibung des Bewegungsverhaltens wird zunächst eine Modellierung der Fahrzeugdynamik und auch der untergeordneten Aktuatorregelkreise vorgenommen. Da die Modellierung des Fahrverhaltens von unterschiedlichen zeitvarianten Parametern abhängt, wird mit einer Sensitivitätsanalyse der Einfluss von Parameteränderungen auf das Übertragungsverhalten untersucht. Es zeigt sich, dass vorallem die Position des Schwerpunktes einen großen Einfluss auf das laterale Fahrverhalten nimmt. Weil die Referenztrajektorie die Eingangsgröße für die Regelung darstellt, besteht eine enge Kopplung zwischen beiden. Daher wird für die spline-basierte Referenztrajektorie untersucht, inwieweit der initiale Fahrzustand berücksichtigt werden kann und darüber hinaus, in welchem Maße eine Anpassung der Trajektorie an eine Gerade, eine Kurve mit konstantem Kurvenradius und an einen Übergangsbogen mit linearer Krümmungsänderung, welche die Grundsegmente im Straßenbau sind, möglich ist. Darüberhinaus wird die spline-basierte Trajektorie mittels des linearen Einspurmodells mit zusätzlichen Informationen erweitert, sodass eine näherungsweise Aufteilung des Kurswinkels in Gier- und Schwimmwinkel möglich ist. Es werden zwei Verfahren zur Trajektorienfolgeregelung entwickelt, die sich in der Prämisse für den Entwurf des Reglersystems unterscheiden. Die erste Methode zielt auf eine geringe Komplexität ab und beruht auf einer Vorsteuerung, welche die Gierratenübertragungsfunktion invertiert. Aufgrund der Besonderheit der Trajektorienfolgeregelung kann das resultierende nichtkausale System gelöst werden. Zusätzlich wird eine Regelung der Gierrate mit einem PI Regler vorgenommen. Der zweite Ansatz wurde unter dem Gesichtspunkt einer möglichst genauen Realisierung konzipiert, selbst in Situationen, in denen das Fahrzeug im nichtlinearen Bereich der Fahrdynamik geführt werden muss. Dieser beruht auf einer modellprädiktiven Regelung, welcher eine ableitungsfreie Optimierung zugrunde liegt. Dabei wird zur Rechenzeitoptimierung festgelegt, dass lediglich für den ersten Prädiktionsschritt die Stellgröße variiert wird, da sich die Trajektorienfolgeregelung auf die frühen Trajektorienpunkte fokussiert. Für die beiden Ansätze wird das Führungsverhalten in verschiedenen Verkehrssituationen evaluiert. Zusätzlich wird das Verhalten bei Störungen durch Seitenwind und einer geneigten Fahrbahn untersucht.