Fahrermodelle in der Fahrdynamiksimulation

Abstract

Einleitend wird in dieser Arbeit ein ausführlicher Literaturüberblick über Fahrermodelle von Automobilen bezüglich der Quer- und Längsdynamik gegeben. Es überwiegen jedoch die Ansätze zur Modellierung von Fahrern für die Querdynamik. Eine Vielzahl unterschiedlichster mathematischer Methoden wird zur Modellierung des menschlichen Verhaltens angewandt und zahlreiche Anwendungsbeispiele vorgestellt. Eine Reihe von Fahrermodellen sind dazu gedacht, als virtueller Testfahrer in der numerischen Simulation eingesetzt zu werden, um beispielsweise mit einem komplexen Fahrzeugmodell einer vorgegebenen Trajektorie zu folgen.<br />Diesen Modellen liegt meist ein technischer Zugang zu Grunde.<br />Zunehmend wächst jedoch auch das Interesse am Verhalten des Fahrers selbst. Dazu wird ein hoher Aufwand betrieben, um Wissen und Erfahrung aus physiologischen und psychologischen Disziplinen einfließen zu lassen und ein umfassenderes Verständnis des Menschen zu erhalten. Es zeigt sich, dass trotz der zahlreichen Publikationen noch enormes Entwicklungspotential für Fahrermodelle vorhanden ist.<br />Im Folgenden wird das Modell eines modular aufgebauten virtuellen Testfahrers vorgestellt, das in der Lage ist, mit einem komplexen MKS-Gesamtfahrzeugmodell einer vorgegebenen Trajektorie mit selbst gewählter Geschwindigkeit auch bei hohen Querbeschleunigungen und damit im nichtlinearen Bereich des Fahrzeugverhaltens zu folgen.<br />Sowohl das laterale als auch das longitudinale Modell basieren auf einem Zwei-Ebenen-Ansatz, der die Fahraufgabe in eine führende und eine kompensierende Aufgabe teilt. Die Nichtlinearitäten des Fahrzeuges werden über eine lokale Linearisierung des "`internen Fahrzeugmodells"' im Fahrer inkludiert und das transiente Verhalten bei instationären Fahrmanövern durch Miteinbeziehung der sich ändernden Krümmung der Solltrajektorie berücksichtigt.<br />Ein Regelkonzept zur Stabilisierung von komplexen Motorradmodellen und zur Vorgabe eines gewünschten Rollwinkels und damit eines gewünschten Fahrmanövers wird im letzten Teil dieser Arbeit entworfen. Die Stabilisierung der Motorradmodelle ist in der zeitkontinuierlichen Simulation unerlässlich, da Motorräder über weite Geschwindigkeitsbereiche instabil sind. Zur Reglerauslegung werden die Bewegungsgleichungen eines vereinfachten Motorradmodells herangezogen und diese für große Rollwinkel linearisiert.<br />Schließlich wird eine PI-Zustandsregelung ausgelegt und die Fähigkeiten des Konzeptes demonstriert.<br />

In the first chapter of this thesis an extensive review of driver models in automobile dynamics application regarding lateral and longitudinal vehicle dynamics is presented. However, more modelling approaches on the control of the vehicle lateral dynamics are to be found. Numerous mathematical methods are applied to the driver modelling and a large number of application examples is presented. A number of driver models are intended as virtal test drivers to be used in numerical simulation with a vehicle model to track a given trajectory. Often a technical approach is used for this kind of models. However, the interest on the behaviour of the human driver himself also increases. Therefore much effort can be noticed in incorporating knowledge from human sciences to compensate for the mathematical theories and more technical understanding of driving.<br />Although a large number of papers are published on this topic, there is still enormous potential on development of driver models.<br />In the following a modular set up virtal test driver model is presented. Utilizing a complex MBS vehicle model, this driver model is able to track a given trajectory with a self-imposed velocity even at high lateral accelerations and with it in the nonlinear range of vehicle behaviour. Both the lateral and longitudinal model are based on a two-layer approach. Therewith the driving task is separated into leading and compensating action. The nonlinearities of the vehicle are considered in the driver's internal vehicle model by applying a local linearisation thereof. The properties of clothoids are considered by incorporating the deviation of the curvature of the desired trajectory.<br />For stabilizing a complex motorcycle model and to assign a desired roll angle and therewith a desired driving manoeuvre a control concept is developed in the last section. Stabilizing the models of motorcycles is essential for simulating motorcycle dynamics in time domain, since they are unstable over a wide range of operation. For controller design the equations of motion of a simplified motorcycle are employed and locally linearized. Finally, a PI-state-controller is designed and the capabilities of the concept is demonstrated.