Modellierung, Analyse und Regelung von Motorrädern mit semi-aktiver Radaufhängung

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung eines Motorrades, der Analyse des Skyhook-Groundhook Algorithmus und dem Entwurf einer elektronischen Fahrwerksregelung für Motorräder mit semi-aktiver Radaufhängung. Zu Beginn der Arbeit wird eine Einführung in die verschiedenen Technologien der elektronischen Fahrwerksregelung sowie ein Literaturüberblick zu bereits bestehenden wissenschaftlichen Arbeiten gegeben. Darauf aufbauend wird ein vollständiges mathematisches Modell eines Motorrades mit Hilfe der Euler-Lagrange Gleichungen hergeleitet, welches sich aber aufgrund der hohen Komplexität als unbrauchbar für weitere Untersuchungen erweist. Ausgehend von vereinfachenden Annahmen wird im nächsten Schritt ein reduziertes mathematisches Modell eines Motorrades auf Basis der Impulserhaltung erstellt. Die Validierung des reduzierten Modells erfolgt anhand eines kommerziellen Simulationsprogrammes. Mit Hilfe des reduzierten Modells wird anschließend eine Analyse des SkyhookGroundhook Regelalgorithmus zur Verbesserung der Fahrstabilität und des Komfortverhaltens durchgeführt. Anhand verschiedener Fahrmanöver werden die Verbesserungsmöglichkeiten sowie Vor- und Nachteile eines elektronisch regelbaren Fahrwerks unter Verwendung des Skyhook-Groundhook Algorithmus ausgearbeitet. Insbesondere kann das Komfortverhalten deutlich verbessert werden, während speziell bei Verwendung der Skyhook-Regelung ein zum Teil problematisches Fahrverhalten erkennbar ist und der Stellbereich der verwendeten Dämpfer nur ungenügend ausgenutzt wird. Deswegen wird im weiteren Verlauf der Arbeit ein modellbasierter Regler zur Verbesserung des Komfortverhaltens und der Fahrstabilität entworfen. Dieses Regelungskonzept wird wiederum mit verschiedenen Fahrmanövern getestet und mit dem Skyhook-Groundhook Algorithmus bzw. dem passiven Fahrwerk verglichen. Es wird gezeigt, dass das Komfortverhalten gegenüber dem passiven Fahrwerk deutlich verbessert werden kann. Außerdem lässt sich die Fahrstabilität weiter erhöhen und das bei der Skyhook-Regelung beobachtete problematische Fahrverhalten vermeiden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung eines Motorrades, der Analyse des Skyhook-Groundhook Algorithmus und dem Entwurf einer elektronischen Fahrwerksregelung für Motorräder mit semi-aktiver Radaufhängung. Zu Beginn der Arbeit wird eine Einführung in die verschiedenen Technologien der elektronischen Fahrwerksregelung sowie ein Literaturüberblick zu bereits bestehenden wissenschaftlichen Arbeiten gegeben. Darauf aufbauend wird ein vollständiges mathematisches Modell eines Motorrades mit Hilfe der Euler-Lagrange Gleichungen hergeleitet, welches sich aber aufgrund der hohen Komplexität als unbrauchbar für weitere Untersuchungen erweist. Ausgehend von vereinfachenden Annahmen wird im nächsten Schritt ein reduziertes mathematisches Modell eines Motorrades auf Basis der Impulserhaltung erstellt. Die Validierung des reduzierten Modells erfolgt anhand eines kommerziellen Simulationsprogrammes. Mit Hilfe des reduzierten Modells wird anschließend eine Analyse des SkyhookGroundhook Regelalgorithmus zur Verbesserung der Fahrstabilität und des Komfortverhaltens durchgeführt. Anhand verschiedener Fahrmanöver werden die Verbesserungsmöglichkeiten sowie Vor- und Nachteile eines elektronisch regelbaren Fahrwerks unter Verwendung des Skyhook-Groundhook Algorithmus ausgearbeitet. Insbesondere kann das Komfortverhalten deutlich verbessert werden, während speziell bei Verwendung der Skyhook-Regelung ein zum Teil problematisches Fahrverhalten erkennbar ist und der Stellbereich der verwendeten Dämpfer nur ungenügend ausgenutzt wird. Deswegen wird im weiteren Verlauf der Arbeit ein modellbasierter Regler zur Verbesserung des Komfortverhaltens und der Fahrstabilität entworfen. Dieses Regelungskonzept wird wiederum mit verschiedenen Fahrmanövern getestet und mit dem Skyhook-Groundhook Algorithmus bzw. dem passiven Fahrwerk verglichen. Es wird gezeigt, dass das Komfortverhalten gegenüber dem passiven Fahrwerk deutlich verbessert werden kann. Außerdem lässt sich die Fahrstabilität weiter erhöhen und das bei der Skyhook-Regelung beobachtete problematische Fahrverhalten vermeiden.

The present work deals with the mathematical modelling of a motorcycle, the analysis of the Skyhook-Groundhook control algorithm and the design of an electronic chassis control for motorcycles with semi-active suspension system. At the beginning of the work, an introduction to the various technologies of electronic chassis control systems and a literature review on existing scientific work are given. Based on this, a detailed mathematical model of a motorcycle utilizing the Euler-Lagrange equations is introduced. Due to the high complexity this model is not suitable for further analysis and controller design. Using a number of simplifications, a reduced mathematical model of a motorcycle is derived. The validation of the reduced model is carried out by comparison with a commercial simulation program. Based on this reduced model, a thorough analysis of the control algorithm Skyhook-Groundhook, to improve comfort behavior and driving stability, is performed. After the evaluation of various driving maneuvers, opportunities for improvement, advantages and possible problems of an electronically-adjustable suspension using the Skyhook-Groundhook control algorithm are elaborated. It is shown that in particular the comfort behavior can be significantly improved. On the other hand, a problematic driving behavior can be observed especially when using the Skyhook control, and the adjustment range of the dampers is utilized only insufficiently. Thus, a new model-based control concept to enhance the comfort behavior and riding stability is designed. This concept is tested in various driving maneuvers and compared with the standard algorithms and the conventional passive suspension. It is shown that the comfort behavior can be significantly improved compared to the passive suspension. In addition, the driving stability can be increased and the occurrence of a problematic driving behavior observed with the Skyhook control can be avoided. The present work deals with the mathematical modelling of a motorcycle, the analysis of the Skyhook-Groundhook control algorithm and the design of an electronic chassis control for motorcycles with semi-active suspension system. At the beginning of the work, an introduction to the various technologies of electronic chassis control systems and a literature review on existing scientific work are given. Based on this, a detailed mathematical model of a motorcycle utilizing the Euler-Lagrange equations is introduced. Due to the high complexity this model is not suitable for further analysis and controller design. Using a number of simplifications, a reduced mathematical model of a motorcycle is derived. The validation of the reduced model is carried out by comparison with a commercial simulation program. Based on this reduced model, a thorough analysis of the control algorithm Skyhook-Groundhook, to improve comfort behavior and driving stability, is performed. After the evaluation of various driving maneuvers, opportunities for improvement, advantages and possible problems of an electronically-adjustable suspension using the Skyhook-Groundhook control algorithm are elaborated. It is shown that in particular the comfort behavior can be significantly improved. On the other hand, a problematic driving behavior can be observed especially when using the Skyhook control, and the adjustment range of the dampers is utilized only insufficiently. Thus, a new model-based control concept to enhance the comfort behavior and riding stability is designed. This concept is tested in various driving maneuvers and compared with the standard algorithms and the conventional passive suspension. It is shown that the comfort behavior can be significantly improved compared to the passive suspension. In addition, the driving stability can be increased and the occurrence of a problematic driving behavior observed with the Skyhook control can be avoided.