Modelling the human control of a steer-by-wire bicycle

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Modellierung der menschlichen Führung eines Steer-by-Wire Fahrrades. Das Steuern und Stabilisieren eines Fahrrades ist eine auf den ersten Blick einfache Tätigkeit, die bei genauerer Betrachtung jedoch erhebliche Ansprüche an den Menschen stellt: es verlangt die sensorische Auffassung des aktuellen Fahrzustandes, die Planung einer gewünschten Fahrtrajektorie unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Fahrrades, sowie die anschließende Umwandlung dessen in adäquate Eingaben durch den Menschen, welche insbesondere in Form von auf den Lenker aufgebrachten Kräften erfolgt. Das daraus resultierende Lenkmoment stellt die wesentliche Stellgröße zum Führen eines Fahrrades dar. Am Forschungsbereich für Technische Dynamik und Fahrzeugdynamik wird ein Steer-by-Wire Fahrrad aufgebaut, mit welchem die Interaktion zwischen Mensch und Fahrrad vertieft untersucht werden soll. Im Zuge dieser Diplomarbeit erfolgt die simulationsbasierte Auslegung der Funktionen des Systems. Hierzu wurde ein bestehendes Mehrkörpersimulationsmodell des Fahrrads samt den Komponenten des Steer-by-Wire Systems um ein Fahrermodel erweitert, welche basierend auf vorgegebenen Fahrtrajektorien die Lenkeingaben des menschlichen Fahrers bzw. der menschlichen Fahrerin modelliert. Es wurden dabei zwei Ansätze implementiert: ein Fahrrad-Fahrermodell, das unmittelbar ein Lenkmoment ausgibt, sowie ein PKW-Fahrermodell, das die Steuerung des Fahrrades über ein Lenkrad und die Vorgabe von Lenkwinkeln abbildet; die Umwandlung in ein geeignetes Lenkmoment erfolgt dann durch das Steer-by-Wire System. In beiden Fällen werden die Lenkeingaben an einen Stabilisierungsregler übermittelt, der einerseits diese Eingaben mittels Folgeregelung an die Gabel überträgt, und andererseits den Fahrzustand (sofern erforderlich) stabilisiert. Durch die mechanische Entkopplung von Gabel und Lenker erfolgt bei einem Steer-by-Wire Systemkeine unmittelbare Rückmeldung an den Fahrer bzw. die Fahrerin; zur Generierung eines entsprechenden Feedbacks wurde ein Ansatz entworfen, der dem Fahrer(modell) ein zur Eingabe und zum aktuellen Fahrzustand passendes Feedbackmoment liefert. Die einzelnen Funktionen des Steer-by-Wire Systems sind modular aufgebaut, und die Parameter der jeweiligen Regelsysteme wurden anhand des Simulationsmodells abgestimmt. Abschließend werden die Funktionen des Steer-by-Wire Systems anhand ausgewählter Teststrecken in der Simulationsumgebung dargestellt und untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen die Grundlage für die spätere Umsetzung eines Prototyps bilden.

This thesis discusses the modeling of the human control of a Steer-by-Wire bicycle. Steering and stabilizing a bicycle is a task that appears simple at first glance but, upon closer examination, puts significant demands on the human operator: It demands the accurate sensory perception of the current dynamical state of the bicycle, the precise planning of a desired trajectory while accounting for the dynamic behavior of the bicycle, and the transformation of this plan into appropriate human inputs, primarily in the form of forces exerted on the handlebars. The resulting steering torque is the crucial control variable for guiding the bicycle.At the Research Unit for Technical Dynamics and Vehicle Dynamics, a Steer-by-Wire bicycle is being developed to investigate the interaction between humans and bicycles. As part of this thesis, the simulation-based design of the system's functionalities is carried out. To this end, an existing multi-body simulation model of the bicycle, including the components of the Steer-by-Wire system, was extended by a rider model that simulates the steering inputs of a human rider based on predefined trajectories. Two approaches were implemented: a bicycle-rider model that gives a steer torque as output, and a car-driver model that simulates the control of the bicycle with a steering wheel by providing steering wheel angle courses, where the assignment of the steering wheel angle to an appropriate steering torque is performed by the Steer-by-Wire system. In both cases, the steering inputs are transmitted to a stabilization controller, which transfers these inputs to the fork using a follow-up control algorithm and, if necessary, stabilizes the riding state.Due to the mechanical decoupling of the fork and the handlebar in a Steer-by-Wire system, there exists no immediate feedback to the rider by the steering. An approach was designed to provide the rider (model) with a feedback torque that corresponds to the input and the current dynamical bicycle state. The individual functions of the Steer-by-Wire system are modularly designed, and the parameters of the respective control systems were fine-tuned based on the simulation model. Finally, the functions of the Steer-by-Wire system are demonstrated and analyzed using selected test trajectories in the simulation environment. The results of these investigations are intended to form the base for an actual future prototype.