Theoretische Untersuchung und Entwicklung eines Fahrerassistenzsystems zur Stabilisierung des Powerslides

Abstract

Der Powerslide (oder stationärer Drift) ist ein nicht alltäglicher Bewegungszustand in der Lateraldynamik von Automobilen. Es handelt sich hierbei um einen stationären Bewegungszustand, mit großem negativen Schwimmwinkel, negativen Lenkwinkel, das heißt die vorderen Räder zeigen in die kurvenäußere Richtung, sowie großen Umfangskräften an der Hinterachse. Aus gutem Grund ist der Powerslide kein alltägliches Fahrmanöver, da es sich um einen instabilen Fahrzustand handelt. Die Untersuchung des Fahrverhaltens an der Grenze der Fahrdynamik ist für die Wissenschaft wichtig, um dort das Fahrverhalten besser zu verstehen und so die Sicherheit durch Unterstützungssysteme oder beim autonomen Fahren verbessern zu können. Diese Arbeit befasst sich mit dem Powerslide nicht mit der Intention die Sicherheit zu verbessern, sondern mit der Entwicklung eines Assistenzsystems für den Fahrer, um den Powerslide leichter erlernen zu können. Hierfür werden grundlegende theoretische Untersuchungen des Powerslides anhand eines Zweiradmodells durchgeführt. Als Fahrzeug wird ein allradbetriebenes Elektrofahrzeug mit zwei separaten Motoren an der Vorder- und Hinterachse verwendet. Es werden die möglichen stationären Zustände bei der stationären Kreisfahrt berechnet und auf Stabilität untersucht. Durch Berechnung der Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit des instabilen Modes werden die Möglichkeiten den Powerslide zu stabilisieren analysiert. Ein Fokus wird dabei auf die zusätzliche Stellgröße der Momentenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse, die bei der betrachteten Antriebsarchitektur zur Verfügung steht, gelegt. Das Assistenzsystem für den Fahrer besteht aus mehreren Stufen. Der Fahrer soll durch schrittweise Reduktion der Unterstützung langsam an den selbständig durchgeführten Powerslide herangeführt werden. Zur Entwicklung eines solchen Assistenzsystems in der Simulation ist es notwendig, den Fahrer zu modellieren. Das Fahrermodell soll möglichst menschliche Eigenschaften aufweisen und hat die Aufgabe, mit der Lenkung den vorgegebenen Pfad, der Kreisbahn, zu folgen.

The powerslide (or sustained drift) is a not everyday driving manoeuvre of a double-track vehicle. It is a steady-state motion with large negative sideslip angle, large traction forces and a negative steering angle, i.e. the front wheels direct towards the outside of the turn. The powerslide is not an everyday driving manoeuvre for good reason, as the motion is unstable. The investigation at the limit of handling is of importance for science in order to better understand the vehicle behavior and then to be able to improve safety by driver assistance systems or at autonomous driving.This work deals with the powerslide not with the intention of improving safety, but with the development of an assistance system for the driver to make it easier to learn to perform the powerslide. For this purpose, fundamental theoretical investigations of the powerslide are carried out using a two-wheel vehicle model. The vehicle will be an all-wheel-drive electric vehicle with two separate motors on the front and rear axle. The possible steady-state conditions during cornering are calculated and examined for stability. Furthermore, the possibility of stabilizing the unstable powerslide motion by calculating the controllability and observability of the unstable mode is analyzed. A focus is also put on the additional input of torque distribution between the front and rear axle, which is available at this powertrain architecture.The assistance system for the driver consists of several levels. The driver should be gradually guided to the self-employed powerslide by gradually reducing the support of the assistance system. For the development of this assistance system in the simulation, a model of the driver is necessary, which should include human characteristics and has the task of following the given path by steering.