Ein kombiniertes Fahrermodell für Vertikal- und Längsdynamik zur Entwicklung autonomer Fahrfunktionen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Fahrermodell entwickelt, dass das Verhalten des Fahrers im Hinblick auf die Geschwindigkeitswahl während einer Fahrt auf einer geraden, unebenen Fahrbahn abbilden soll. Der Fahrer bewertet die zukünftigen Fahrbahnunebenheiten und wählt aufgrund dieser die Fahrgeschwindigkeit. Bei der Geschwindigkeitswahl muss der Fahrer stets einen Kompromiss zwischen verschiedenen Kriterien eingehen. Zum einen möchte er die Fahrt als komfortabel empfinden, zum anderen ist es dem Fahrer aber auch wichtig, möglichst zügig voranzukommen, da das Gelangen von A nach B in der Regel der primäre Grund für eine Fahrt ist. In der Realität sind noch weitere Aspekte, wie die Fahrsicherheit und keine Schäden am Fahrzeug zu verursachen, für die Wahl der Fahrgeschwindigkeit wichtig, auf die im Zuge dieser Arbeit jedoch nicht eingegangen wird. Abhängig vom Fahrstil sieht der optimale Kompromiss zwischen Fahrkomfort und zügigem Vorankommen für die verschiedenen Fahrertypen unterschiedlich aus. Um das Verhalten des Fahrers bei der Wahl der Fahrgeschwindigkeit aufgrund dem gewünschten Fahrkomfort und dem Bestreben zügig Voranzukommen abbilden zu können, wird im Zuge dieser Arbeit ein kombiniertes Fahrermodell für die Vertikal- und Längsdynamik entwickelt, mit dem die Vertikalschwingungsanregung eines Fahrzeugs während einer Fahrt auf einer geraden, unebenen Fahrbahn betrachtet werden kann. Dieses Modell wird im Anschluss dazu verwendet, die Auswirkungen der Schwingungsanregung während einer Fahrt auf einer Fahrbahn, die Unebenheiten in Form von Einzelhindernissen aufweist, auf den Fahrkomfort zu betrachten. Ziel ist es, einen Geschwindigkeitsverlauf für das Überfahren der Einzelhindernisse zu ermitteln, der in Abhängigkeit des Fahrstils des Fahrers im Hinblick auf den gewünschten Fahrkomfort und dem Bedürfnis zügig voranzukommen optimal ist. Das Fahren mit einem Fahrzeug entspricht einem Regelvorgang, bei dem der Fahrer den Regler und das Fahrzeug die Regelstrecke darstellt. Deshalb ist die Modellierung des Fahrzeugs sowie des Fahrers erforderlich. Das Fahrzeug wird mithilfe eines vereinfachten mechanischen Modells beschrieben, das wesentliche dynamischen Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems Fahrzeug in vertikaler Richtung abbildet. Für den Regler Fahrer wird ein sogenannter Model Predictive Control Ansatz gewählt, da dieser Regelalgorithmus eine Modellierung des Verhaltens des Fahrers beim Fahren eines Fahrzeugs mit Vorausschauen ermöglicht. Bei diesem Regelansatz wird die Stellgröße anhand des, über einen bestimmten Horizont, der in die Zukunft ragt, vorhergesagten Systemverhaltens gewählt. Die Regelziele werden in einer Gütefunktion definiert, die über den besagten Horizont aufgestellt wird. Die Stellgrößenänderung wird durch Lösen einer Optimierungsaufgabe, bei der die aufgestellte Gütefunktion minimiert wird, ermittelt. Dieses Regelverfahren ermöglicht bei der Stellgrößenwahl vorausschauend zukünftig auftretende Störungen und Vorhersagen über den Systemzustand zu berücksichtigen. Damit kann das Verhalten des Fahrers abgebildet werden, der aufgrund der zukünftigen Fahrbahnunebenheiten, die den Störgrößen entsprechen, die Fahrgeschwindigkeit, die der Stellgröße entspricht, wählt. Das erstellte Fahrermodell wird anschließend angewendet, um die Anregung von Vertikalschwingungen auf einer geraden Fahrbahn, die Unebenheiten in Form von Einzelhindernissen aufweist, zu betrachten. Das Unebenheitsprofil der Fahrbahn wird dabei mittels einer vom Weg abhängigen Funktion vorgegeben. Bei der Schwingungsanregung durch Fahrbahnunebenheiten spielt die Fahrgeschwindigkeit eine wichtige Rolle. Im Zuge dieser Arbeit wird auf die Auswirkungen dieser auf den Fahrkomfort näher eingegangen. Es wird ein Fahrgeschwindigkeitsverlauf beim Überfahren der Einzelhindernisse ermittelt, so dass der Fahrkomfort hinsichtlich der vom Fahrer gewünschten Kriterien optimiert wird. Damit das Überfahren der Einzelhindernisse als komfortabel empfunden wird, darf in erster Linie die Vertikalschwingbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus aber auch die Längsbeschleunigung bzw. -verzögerung nicht zu groß ausfallen. Gleichzeitig wird das Bestreben des Fahrers möglichst zügig voranzukommen berücksichtigt. Diese Optimierungskriterien stellen die Regelziele der Gütefunktion dar. Da die Vorstellungen des Fahrers hinsichtlich Fahrkomfort und zügigem Vorankommen vom persönlichen Fahrstil abhängen, werden in dieser Arbeit exemplarisch zwei Fahrstile betrachtet, nämlich der des "gemütlichen" und der des "sportlichen" Fahrers. Entsprechend dem Fahrstil, werden die einzelnen Regelziele in der Gütefunktion unterschiedlich gewichtet. Es wird die Fahrt über unterschiedliche Einzelhindernisse, die verschiedene Geometrien und Anregungsfrequenzen aufweisen, simuliert. Anschließend werden die Simulationsergebnisse diskutiert.

In this thesis a vehicle driver model is developed that may represent the behaviour of a human driver regarding the velocity selection on a straight, uneven roadway. The driver rates the future road profile and chooses an appropriate velocity. The driver always has to make a compromise between different criteria. On the one hand he desires high driving comfort, on the other hand he wants to get quickly from A to B. Other aspects, like driving safety and avoiding damaging the vehicle influence the choice of velocity, but are not considered here. Depending on the individual driving style, the optimal compromise between fast and comfortable driving differs. To model the driver's behaviour during the process of selecting the vehicle velocity, a combined driver model for vertical and longitudinal dynamics is developed, which may be used to investigate the vertical vibration excitation during driving on a straight, uneven roadway. This model is used to investigate the effects of the vibration excitation that is caused by driving on an uneven road with speed bumps on the driving comfort. The target is to find a velocity profile for crossing these bumps which is optimal in regard to vehicle speed and driving comfort. Driving with a vehicle may be represented by a control loop, where the driver is the controller and the vehicle is the controlled system. Therefore, the driver and the vehicle must be modelled. The vehicle is modelled by a simplified mechanical model that includes the essential dynamic characteristics of the vehicle in vertical direction. For modelling the driver, a Model Predictive Control approach is chosen, that allows to include some preview information in the modelling. In this control approach the manipulated variable is selected based on the predicted system behaviour. The control objectives are defined in a cost function that includes preview information over a certain time horizon which ranges in the future. The manipulated variable is devised by optimization of the cost function. With this approach future disturbances and predictions regarding the system behaviour can be considered for determining the manipulated variable. Thus the behaviour of the driver can be modelled, who is selecting the vehicle velocity, which corresponds to the manipulated variable, because of the future road profile, which corresponds to the future disturbances. The driver model is then applied for investigating the excitation of vertical vibrations on a straight roadway with speed bumps. The road profile is defined as a function of the distance. Velocity is an essential parameter for the vibration excitation. Therefore, the effects of velocity on driving comfort are investigated. A velocity profile is determined that is optimal regarding the driver's aspired driving comfort which depends on the individual driving style. That the driver feels comfortable while crossing speed bumps, primarily the vertical vibratory acceleration of the vehicle body but also the longitudinal acceleration and deceleration must not be too large. Additionally, for the determination of the velocity profile it is considered that the driver has a desire to move fast. These optimization criteria define the control objectives of the cost function. Because the aspired compromise regarding driving comfort and speed depends on the driver's individual driving style, in this thesis exemplary two types of driving styles are considered. The first type represents the comfort-oriented driver, the second type represents the sporty driver. Depending on the type, the control objectives are differently weighted in the cost function. The crossing of speed bumps with different geometries and excitation frequencies are simulated. Finally, simulation results are presented and discussed.