Bahnplanung und stabilisierende Regelung von Gliederzügen

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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
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Gliederzüge
Gliederzug = Zugmaschine + Anhänger
Anhängerformen:
mehrachsige Anhänger mit gelenkter Vorderachse
Sattelanhänger
Tandem-Anhänger (Starrdeichselanhänger)
Spezialformen, wie Abschleppachse
oder Straßenroller
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Zugmaschinen:
PKW, LKW, Omnibuse, Landfahrzeuge,
Spezialfahrzeuge
Resultierende Fahrzeugkombinationen:
Hängerzug (Lastzug), Sattelzug,
Buszug, Gelenkbus, EuroCombi‘s
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Die Rückwärtsfahrt mit einem Auflieger oder Anhänger ist bekanntlich instabil.
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Ein Fahrerassistenzsystem (Rangierassistent) soll dem Fahrer die schwierige
Stabilisierungsaufgabe abnehmen und das ungewollte Einknicken des Gliederzuges
verhindern.
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Primäre Anwendungsgebiete:
Nutzfahrzeuge, Landfahrzeuge,
fahrerlose Transportsysteme
[14]
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•
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/
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•
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
Seite 7
2007
Seite 8
•
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]
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•
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 ]
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Das System ist nichtlinear und bei der Rückwärtsfahrt instabil
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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.
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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.
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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.
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Zugmaschine mit AAHK und zweiachsigem Anhänger
Schrittmotor
Linearachse
Steuerrechner
Winkelsensoren
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Rangierassistent in Betrieb
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AAHK in Aktion
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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
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Dynamik der inneren Zustandsgrößen
φL
Nichtlin eare
Dynamik
dq
Innere Koordinaten
⎡φ H H ⎤
⎢φ ⎥
⎣ H ⎦
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Stabilisierende Regelung mit dynamischer Sollwertbegrenzung
φL
zsol l
Lin earisieru ng
und
Zustandsregelung
Nichtlin eare
Dynamik
dq
Innere Koordinaten
z
Z ustandstransformation
⎡φ H H ⎤
⎢φ ⎥
⎣ H ⎦
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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
⎡φ HH ⎤
⎢φ ⎥
⎣ H ⎦
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Querregelung des Anhängers
Zielwinkel
⎡ x HH ⎤
⎢y ⎥
⎢ HH ⎥
⎢⎣Θ H H ⎥⎦
zsoll
Querregelung
und
Sol lwertbegrenzung
und
äußere Dynamik
Fahrzeugkoordinaten
φL
zsoll
L inearisierung
und
Zustandsregelung
⎡ x0 ⎤
⎢y ⎥
⎢ 0⎥
⎢⎣ φ ⎥⎦
Nichtlineare
Dyn amik
dq
Innere Koordinaten
z
⎡φ HH ⎤
⎢φ ⎥
⎣ H ⎦
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Bahnplanung
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 ⎥⎦
und
äußere Dynamik
Fahrzeugkoordinaten
φL
zsoll
L inearisierung
und
Zustandsregelung
⎡ x0 ⎤
⎢y ⎥
⎢ 0⎥
⎢⎣ φ ⎥⎦
Nichtlineare
Dyn amik
dq
Innere Koordinaten
z
⎡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
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Offline-Bahnplanung für den Anhänger
Seite 25
Simulations-Ergebnisse mit nichtlinearer Sollwertbegrenzung
und Online-Bahnplanung
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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)
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Bilderquellen
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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
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