Entwurf und Simulation eines Fahrermodells zum Lenken und Stabilisieren von Fahrrädern

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Fahrermodellen für Lenk- und Stabilisationsaufgaben bei Fahrrädern. Das Interesse an solchen Modellen liegt einerseits in der Notwendigkeit eines Reglers zur Nachbildung des Menschen bei Fahrsimulationen und andererseits an der grundlegenden Frage - Wie fährt man eigentlich Fahrrad? Zur Modellierung des Fahrradfahrers wird ein aus mehreren Ebenen bestehendes Modell verwendet. Aufgrund des sich über weite Geschwindigkeitsbereiche erstreckende instabile Verhalten des Fahrrads muss das Modell eine Stabilisationsebene enthalten. Das Fahrermodell besteht darüber hinaus aus einer antizipatorischen Steuerungsebene und einer vorausschauenden kompensatorischen Regelungsebene. Im Zuge des Entwurfs wird zuerst auf die allgemeinen Eigenschaften der Regelstrecke, des Fahrrads, eingegangen. Dies beinhaltet unter anderem eine Gegenüberstellung der Fahrereingriffe: Lenk- und Oberkörperrollmoment. Es zeigt sich dabei, dass das Lenkmoment, auch vom regelungstechnischen Standpunkt aus gesehen, der vorteilhaftere Fahrereingriff ist. Im weiteren wird detailliert auf die Fahrermodellierung eingegangen und dabei auch einige der fahrradspezifischen Probleme bei der Fahrermodellierung erörtert. Zum Abschluss wird das entworfene Fahrradfahrermodell noch anhand eines Matlab/Simulink Modells getestet.<br />

The present study deals with rider models for steering and stabilizing bicycles. The interest in such models is based on the necessity of closed-loop bicycle dynamics simulations, as well as the elementary question - How to ride a bicycle? For modeling the bicycle rider a multi-level model approach is used. The rider model consists of an anticipatory feed forward control-level, a predictive compensatory closed-loop control-level and a closed-loop stability controller due to the unstable behavior of the bicycle over a large velocity range.<br />First, the general characteristics of the controlled system, the bicycle, are analysed. This also involves a comparison of the application of a steering torque and an upper body lean torque by the rider to control the bicycle. It turns out, that the steering torque is, also from a control point of view, the more advantageous driving intervention. Then, the rider model and specific modeling problems are considered in more detail. Finally, the rider model is tested by a Matlab/Simulink model.<br />