Bahnplanung und stabilisierende Regelung von Gliederzügen
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Bahnplanung und stabilisierende Regelung von Gliederzügen
Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Bahnplanung und stabilisierende Regelung von Gliederzügen Dr.-Ing. Yevgen Sklyarenko [email protected] Übersicht Gliederzüge Zentrale Fragenstellung Forschungsgruppen in Deutschland Problematik der Stabilisierung von Gliederzügen Kinematisches Modell eines Gliederzuges Stabilisierende Regelung Bahnplanung Zusammenfassung Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 2 Gliederzüge Gliederzug = Zugmaschine + Anhänger Anhängerformen: mehrachsige Anhänger mit gelenkter Vorderachse Sattelanhänger Tandem-Anhänger (Starrdeichselanhänger) Spezialformen, wie Abschleppachse oder Straßenroller [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Zugmaschinen: PKW, LKW, Omnibuse, Landfahrzeuge, Spezialfahrzeuge Resultierende Fahrzeugkombinationen: Hängerzug (Lastzug), Sattelzug, Buszug, Gelenkbus, EuroCombi‘s [9] Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 [10] [11] Seite 3 Zentrale Fragenstellung Die Rückwärtsfahrt mit einem Auflieger oder Anhänger ist bekanntlich instabil. [12] [13] Ein Fahrerassistenzsystem (Rangierassistent) soll dem Fahrer die schwierige Stabilisierungsaufgabe abnehmen und das ungewollte Einknicken des Gliederzuges verhindern. Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 4 Zentrale Fragenstellung Primäre Anwendungsgebiete: Nutzfahrzeuge, Landfahrzeuge, fahrerlose Transportsysteme [14] Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 5 Forschungsgruppen in Deutschland • Arbeitsgruppe von Prof. W. Schumacher, Institut für Regelungstechnik, TU Braunschweig. Stabilisierung der Rückwärtsfahrt von LKW-Aufliegern und Gliederzügen durch einen Regler, seit 2001 Simulationstool von IfR 1:16 Modellgliederzug am IfR http://www.ifr.ing.tu-bs.de/de/ag-regelungstechnik/forschung/ Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 6 Forschungsgruppen in Deutschland • Arbeitsgruppe von Prof. Zöbel, Universität Koblenz-Landau, Institut für Softwaretechnik Fahrerassistenzsysteme implementiert in einer 3D-Simulation, auf einem 1:16 Modellfahrzeug sowie auf einem Realfahrzeug (Golf II mit einachsigem Anhänger), seit 2004 http://www.uni-koblenz-landau.de/koblenz/fb4/institute/IST/AGZoebel/Projects Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 7 Forschungsgruppen in Deutschland 2007 Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 8 Forschungsgruppen in Deutschland • Roland Stahn (Technische Universität Berlin, Computer Vision and Remote Sensing Group), Gerd Heiserich und Andreas Stopp (Daimler Chrysler AG, Group Research Assistance and Safety Systems, Berlin, Germany) Automatisiertes und assistiertes Manövrieren von Fahrzeugen und Fahrzeugkombinationen, 2007 • Einparkautomatik für Gespanne von Audi, 2011 [Quelle: www.autobild.de] Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 9 Forschungsgruppen in Deutschland • Timo Joos, Nadine Müller, Lucas Wildermuth (Stuttgart-Feuerbach), 1. Platz im Bundeswettbewerb Jugend forscht 2009 und Sonderpreis des Arbeitgeberverbandes Gesamtmetall Robert Bosch GmbH für Intelligente Steuerung S3 (Separate Steering System) [Quelle: www.jugend-forscht-bw.de ] • Patent DE19912368A1, 28.09.2000, Anordnung zum Rückwärtsfahren von gekoppelten Landfahrzeugen, Hans-Heinrich Götting • Patent DE102007048069A1, 16.04.2009, Vorrichtung und Verfahren zum Rangieren von Anhängern, Hans-Heinrich Götting Automatisch fahrender Serien-LKW mit der Steuerung von Fa. Götting KG [Quelle: www.goetting.de ] Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 10 Problematik der Stabilisierung von Gliederzügen Das System ist nichtlinear und bei der Rückwärtsfahrt instabil Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 11 Problematik der Stabilisierung von Gliederzügen Die Rückwärtsfahrt ist entlang einer Gerade oder eines Kreises mit einem linearen oder nichtlinearen Regler stabilisierbar. Bei linearer Regelung und nichtlinearer Strecke ist der stabile Arbeitsbereich analytisch nicht zu finden. Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 12 Problematik der Stabilisierung von Gliederzügen Der stabile Arbeitsbereich der nichtlinear geregelten Strecke ist analytisch berechenbar. Bei begrenzten Stellgrößen (Stellbereich und Dynamik) lässt sich die ermittelte Stabilitätsgrenze einer nichtlinearen Regelung jedoch nicht mehr einhalten. Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 13 Problematik der Stabilisierung von Gliederzügen Die Lage des Zugpunktes (bei Sattelzügen meistens vor und bei Hängerzügen hinter der Hinterachse der Zugmaschine) ist bei der Auslegung von nichtlinearen Regelgesetzen ein weiterer kritischer Punkt, der die Realisierung von universellen Regelgesetzen verhindert. Bei einer zusätzlichen Stellgröße durch die aktive Anhängerkupplung (AAHK, verschiebbar in Querrichtung der Zugmaschine) müssen Mehrgrößenregelungen mit einer nachweisbaren Stabilität entwickelt werden. Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 14 Zugmaschine mit AAHK und zweiachsigem Anhänger Schrittmotor Linearachse Steuerrechner Winkelsensoren Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 15 Rangierassistent in Betrieb Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 16 AAHK in Aktion Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 17 Kinematisches Modell eines Gliederzuges mit AAHK y V0 Zwei innere Zustandsgrößen: φ HH (t ) , φ H (t ) lH C Drei äußere Freiheitsgrade: x0 (t ) , y0 (t ) , φ (t ) Geometrieparameter: lF , d H , lH , lHH Stellgrößen: φ L (t ) , d q (t) und VF (t ) = const φL A dq VF φ y0 φH B dH D Regelgröße: φ HH (t ) φH lF φHH lHH E x x0 Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 18 Dynamik der inneren Zustandsgrößen φL Nichtlin eare Dynamik dq Innere Koordinaten ⎡φ H H ⎤ ⎢φ ⎥ ⎣ H ⎦ Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 19 Stabilisierende Regelung mit dynamischer Sollwertbegrenzung φL zsol l Lin earisieru ng und Zustandsregelung Nichtlin eare Dynamik dq Innere Koordinaten z Z ustandstransformation Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 ⎡φ H H ⎤ ⎢φ ⎥ ⎣ H ⎦ Seite 20 Dynamik der äußeren Zustandsgrößen Anhängerkoordinaten φ H Hso l l ⎡ x HH ⎤ ⎢y ⎥ ⎢ HH ⎥ ⎢⎣Θ H H ⎥⎦ zsoll Stabilisierungskreis und äußere Dynamik Sollwertb egrenzung Fahrzeugkoordinaten φL zsoll L inearisierung und Zustandsregelung ⎡ x0 ⎤ ⎢y ⎥ ⎢ 0⎥ ⎢⎣ φ ⎥⎦ Nichtlineare Dyn amik dq Innere Koordinaten z Zustandstransformation Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 ⎡φ HH ⎤ ⎢φ ⎥ ⎣ H ⎦ Seite 21 Querregelung des Anhängers Anhängerkoordinaten Zielwinkel ⎡ x HH ⎤ ⎢y ⎥ ⎢ HH ⎥ ⎢⎣Θ H H ⎥⎦ zsoll Querregelung und Sol lwertbegrenzung Stabilisierungskreis und äußere Dynamik Fahrzeugkoordinaten φL zsoll L inearisierung und Zustandsregelung ⎡ x0 ⎤ ⎢y ⎥ ⎢ 0⎥ ⎢⎣ φ ⎥⎦ Nichtlineare Dyn amik dq Innere Koordinaten z Zustandstransformation Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 ⎡φ HH ⎤ ⎢φ ⎥ ⎣ H ⎦ Seite 22 Bahnplanung Anhängerkoordinaten Ziel ⎡ x Do ck ⎤ ⎢y ⎥ ⎢ Dock ⎥ ⎢⎣ Θ D ock ⎥⎦ Zielwinkel zsoll Querregelung und Sol lwertbegrenzung online / offline Bahnplanung ⎡ x HH ⎤ ⎢y ⎥ ⎢ HH ⎥ ⎢⎣Θ H H ⎥⎦ Stabilisierungskreis und äußere Dynamik Fahrzeugkoordinaten φL zsoll L inearisierung und Zustandsregelung ⎡ x0 ⎤ ⎢y ⎥ ⎢ 0⎥ ⎢⎣ φ ⎥⎦ Nichtlineare Dyn amik dq Innere Koordinaten z Zustandstransformation Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 ⎡φ HH ⎤ ⎢φ ⎥ ⎣ H ⎦ Seite 23 Online-Bahnplanung für den Anhänger y yDock φDock φHH yGoal φD yHH φX ΘHH φX0 x xDock xGoal xHH Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 24 Offline-Bahnplanung für den Anhänger Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 25 Simulations-Ergebnisse mit nichtlinearer Sollwertbegrenzung und Online-Bahnplanung Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 26 Zusammenfassung Der entwickelte Rangierassistent weist folgende Merkmale auf: nichtlineare Regelgesetze, die auf einer exakten Eingang-AusgangsLinearisierung der Strecke beruhen Zwei Stellgrößen bei eingeschalteter AAHK (Lenkwinkel und Versatz des Zugpunktes in Querrichtung) nachweisbare Stabilität des Gesamtsystems (unter der Annahme, dass die AAHK stärkere Wirkung als die Lenkung hat) nichtlineare Begrenzung der Sollwerte für den stabilisierenden Regelkreis (aufgrund der begrenzten Stellgrößen erforderlich); dies ermöglicht die Sicherstellung von analytisch nachweisbaren Stabilitätsgrenzen einfache Querregelung sowie Online- und Offline-Bahnplanungsalgorithmen (die Implementierung in der Vorbereitung) Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 27 Bilderquellen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 www.euro-combi.de www.eurotransport.de www.goldhofer.de www.nauticexpo.de www.fried-sped.de www.wikipedia.org www.geniusstrand.de www.autobild.de www.eg-autos.de www.muensterschezeitung.de www.degener.de www.der-autoteile-blog.de www.rp-online.de www.wivus.com Dr.-Ing. Y evgen Sklyarenko | Bahnplanung und stabilisierende Regelung v on Gliederzügen Forum Robotics, Automation & Vision | Hannover Messe 2012 Seite 28