Ein szenarienadaptiver Bewegungsalgorithmus für die Längsbewegung eines vollbeweglichen Fahrsimulators

194 Pages·2020·3.486 MB·German

by  Tobias Miunske

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Tobias Miunske
Ein szenarienadaptiver
Bewegungsalgorithmus
für die Längsbewegung
eines vollbeweglichen
Fahrsimulators
Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Reihe herausgegeben von
Michael Bargende, Stuttgart, Deutschland
Hans-Christian Reuss, Stuttgart, Deutschland
Jochen Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Univer-
sität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenar-
beit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner
Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen,
Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche
ist die Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und
Simulation. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik,
Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit,
Kraftübertragung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung
mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeu-
gantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich
Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen,
komplexe Abgasnachbehandlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsys-
teme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. The-
men der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwa-
reentwicklung sowie Test und Diagnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird
prüfstandsseitig neben vielem anderen unterstützt durch 19 Motorenprüfstände,
zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimulator, einen Antriebsstrangprüfstand,
einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aeroakustikwindkanal. Die wissen-
schaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die
am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergebnisse der
Forschungstätigkeiten am IVK.
Reihe herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535
Tobias Miunske
Ein szenarienadaptiver
Bewegungsalgorithmus
für die Längsbewegung
eines vollbeweglichen
Fahrsimulators
Tobias Miunske
IVK, Fakultät 7, Lehrstuhl für
Kraftfahrzeugmechatronik
Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2020
D93
ISSN 2567-0042 ISSN 2567-0352 (electronic)
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-30469-0 ISBN 978-3-658-30470-6 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-30470-6
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FürdengläubigenMenschenstehtGottamAnfang,
fürdenWissenschaftleramEndeallerseinerÜberlegungen.
MaxPlanck
FürEsther.
Vorwort
DievorliegendeArbeitentstandwährendmeinerwissenschaftlichenTätigkeit
amInstitutfürVerbrennungsmotorenundKraftfahrwesen(IVK)derUniversi-
tätStuttgartunddemForschungsinstitutfürKraftfahrwesenundFahrzeugmo-
torenStuttgart(FKFS).
An erster Stelle möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-C. Reuss, dem
LeiterdesLehrstuhlsfürKraftfahrzeugmechatronik,fürdasErmöglichenund
die Förderung dieser Arbeit bedanken. Ihm gilt mein aufrichtiger Dank für
diemireingeräumtenfachlichenFreiräumeundGestaltungsmöglichkeitenbei
derUmsetzung.FrauProf.Dr.-Ing.C.TaríndankeichfürdieÜbernahmedes
MitberichtsvomInstitutfürSystemdynamik.
Bedanken möchte ich mich bei Dr.-Ing. Gerd Baumann, dem Leiter des Be-
reichs für Kraftfahrzeugmechatronik und Software für die harmonische Zu-
sammenarbeit und das entgegengebrachte Vertrauen. Auch bedanke ich mich
bei meinen Fahrsimulator-Kollegen Herr Dipl.-Ing. Christian Holzapfel, Herr
Dipl.-Ing. Martin Kehrer, Herr Dipl.-Ing. Anton Janeba, Herr Dr.-Ing. Jürgen
PitzundHerrDipl.-Ing.EdwinBaumgartnerfürdiezahlreichengutenundhilf-
reichenDiskussionen,dietolleZusammenarbeitundnichtzuletztdiegemein-
samenErprobungenundUmsetzungenamFahrsimulator.Dankenmöchteich
auch meinem Studenten Jonathan Lehmann für die gründliche Untersuchung
derRealfahrt-Probandenstudie.
AußerdemmöchteichbeimeinenElternbedanken,diemichbeimeinemStu-
diumundderPromotionimmergefördertundunterstützthaben.Zuletztmöch-
te ich mich von ganzem Herzen bei meiner Frau Esther, meinem Sohn Silas
und meiner Tochter Elisa bedanken, die mich beim Entstehen dieser Arbeit
oftmalsentbehrenmussten.IhrwartmirindieserZeiteineQuelleneuerKraft
undDurchhaltevermögensaufdemWegzumAbschlussdieserPromotion.
Weinstadt TobiasMiunske
Inhaltsverzeichnis
Vorwort......................................................................................VII
Abbildungsverzeichnis .................................................................XIII
Tabellenverzeichnis.......................................................................XV
Abkürzungsverzeichnis................................................................XVII
Symbolverzeichnis ......................................................................XIX
Abstract .................................................................................. XXV
Kurzfassung...........................................................................XXVII
1 EinleitungundMotivation..........................................................1
1.1 Fahrsimulatoren..................................................................2
1.1.1 HistorischeEntwicklungundNutzen............................2
1.1.2 DerStuttgarterFahrsimulatormitachtFreiheitsgraden.....3
1.2 LiteraturübersichtundweitererForschungsbedarf......................7
1.3 ZieleundAufbauderArbeit................................................12
2 TheoretischeGrundlagen.........................................................17
2.1 BegriffserklärungMotion-Cueing.........................................17
2.2 MenschlicheBewegungswahrnehmung..................................18
2.3 SystemdynamischeGrundlagendesMotion-Cueings................23
2.3.1 SystemtheoretischerAufbauundSignalverarbeitung......23
2.3.2 NichtlineareSkalierungderEingangssignale................28
2.3.3 Koordinatentransformation.......................................28
3 VerkopplungvonHexapodundSchlittensystem..........................31
3.1 OptimierungderBewegungswahrnehmung.............................31
3.2 AufteilungderBeschleunigungssignale .................................35
4 SzenarienadaptiverMotion-Cueing-Algorithmus.........................39
4.1 Problemstellung................................................................39
4.2 UntersuchungderProbandenstudie.......................................42
4.2.1 UntersuchungderFahrdaten .....................................43
4.2.2 AufteilunginrelevanteSzenarien...............................43
X Inhaltsverzeichnis
4.3 UmsetzungderErgebnisseineinereignisdiskretesSystem.........56
4.3.1 AdaptiveflachheitsbasierteUmschaltungder
Filterkoeffizienten...................................................59
4.3.2 AuslegungdesSystemsbezüglichTilt-Coordination......61
4.3.3 AuslegungdesSystemsbezüglichSchlittensystem ........69
4.3.4 Gesamtsystem........................................................77
5 PrädiktiveflachheitsbasierteVorsteuerungdesSchlittensystems....79
5.1 StreckenvorausschaumitADAS...........................................80
5.1.1 BevorstehendeGeschwindigkeitsbegrenzungen.............83
5.1.2 KrümmungdesbevorstehendenStraßenverlaufs............84
5.1.3 VerhaltenbeinichtverfügbarenADAS-Daten...............87
5.2 FlachheitsbasiertekinematischeModellierungderSchiene.........88
5.3 EreignisdiskreteVorsteuerung..............................................93
6 UmsetzungundAnalyseimFahrsimulator.................................97
6.1 AnalyseundBewertung......................................................97
6.1.1 ObjektiveUntersuchung..........................................100
6.1.2 SubjektiveUntersuchung.........................................107
6.2 DiskussionderErgebnisse .................................................112
7 SchlussfolgerungundAusblick.................................................115
Literaturverzeichnis......................................................................119
Anhang......................................................................................135
A.1 DerStuttgart-Rundkurs.....................................................135
A.2 SignalverläufederProbandenstudie .....................................136
A2.1 SchwellwerteBeschleunigungsverlauf .......................136
A2.2 HauptbereichederBeschleunigungsverläufe................136
A2.3 SchwellwerteVerzögerungsverlauf............................139
A2.4 HauptbereichederVerzögerungsverläufe....................139
A.3 FilterkoeffizientenderEingangsfilterung...............................142
A.4 StabilitätundSteuerbarkeitlinearerzeitvarianterSysteme ........143
A4.1 Stabilität..............................................................143
A4.2 Steuerbarkeit........................................................144
Inhaltsverzeichnis XI
A.5 FilterparameterauslegungderTilt-Coordination......................145
A5.1 AuslegungderadaptivenFilterparameter....................145
A5.2 AuslegungderTransaktionen...................................147
A.6 FilterparameterauslegungdesSchlittensystems.......................148
A6.1 AuslegungderadaptivenFilterparameter....................148
A6.2 AuslegungderTransaktionen...................................151
A.7 AutomatenderTilt-CoordinationunddesSchlittensystems.......154
A7.1 AutomatTilt-Coordination......................................154
A7.2 AutomatSchlittensystem.........................................156
A.8 ParameterPD-Regler........................................................160
A.9 Einspurmodell.................................................................161
A.10 Transaktionsbedingungenderereignisdiskreten
Schlitten-Vorsteuerung......................................................163
A.11 FragebogenExpertenstudie................................................165
A.12 Probandeninformationen....................................................174