Ein Assistenzsystem für die sicherheitsoptimierte Längsführung von E-Fahrzeugen im urbanen Umfeld

145 Pages·2018·2.038 MB·German

by  Thomas Rothermel

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Thomas Rothermel
Ein Assistenzsystem für
die sicherheitsoptimierte
Längsführung von
E-Fahrzeugen
im urbanen Umfeld
Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Reihe herausgegeben von
M. Bargende, Stuttgart, Deutschland
H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland
J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Univer-
sität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammen-
arbeit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner
Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen,
Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die
Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simula-
tion. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik
(NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertra-
gung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden
und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet
sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich Regelungs- und Steue-
rungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbe-
handlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien
sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. Themen der Kraftfahrzeug-Me-
chatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und
Energiemanagement, Funktions- und Softwareentwicklung sowie Test und Diag-
nose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen
unterstützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahr-
simulator, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen
1:1-Aeroakustikwindkanal. Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Univer-
sität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die her-
vorragenden Arbeitsergebnisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Reihe herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535
Thomas Rothermel
Ein Assistenzsystem für
die sicherheitsoptimierte
Längsführung von
E-Fahrzeugen
im urbanen Umfeld
Thomas Rothermel
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2017
D93
ISSN 2567-0042 ISSN 2567-0352 (electronic)
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-23336-5 ISBN 978-3-658-23337-2 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-23337-2
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Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaft-
licher Mitarbeiter am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen
(IVK) der Universität Stuttgart im Rahmen des vom BMBF geförderten Ver-
bundforschungsprojekts „Zuverlässigkeit und Sicherheit von Elektrofahrzeu-
gen - ZuSE“. Besonders danke ich dem Leiter des Lehrstuhls für Kraftfahr-
zeugmechatronik,HerrnProf.Dr.-Ing.H.-C.Reuss,fürdasErmöglichenund
die Förderung dieser Arbeit. Mein Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Prof.
h.c.Dr.h.c.TorstenBertramfürdasInteresseanmeinerArbeitunddieÜber-
nahmedesMitberichts.
Meinen Kolleginnenund Kollegen des IVK und des FKFS danke ich für die
angenehmeArbeitsatmosphäreunddie guteZusammenarbeit.Mein besonde-
rerDankgehtdabeianHerrnDr.-Ing.GerdBaumann,demLeiterdesBereichs
KraftfahrzeugmechatronikundSoftware,fürdasentgegengebrachteVertrauen,
seine Unterstützungund das Schaffen von Freiräumen. Den Mitarbeitern die
mitmirgemeinsamamFahrsimulatortätigwarendankeichfürdiehilfreichen
Diskussionen,ihreuneingeschränkteUnterstützungunddieschönegemeinsa-
me Zeit. StellvertretendseienandieserStelle HerrDr.-Ing.JürgenPitz, Herr
Dipl.-Ing. Martin Kehrer und Herr Dipl.-Ing. Anton Janeba genannt, die we-
sentlichzumGelingendieserArbeitbeigetragenhaben.
Von ganzemHerzen dankeich meinerFrau Nina und meinem Sohn Max für
die Geduld, die Motivation in den schwierigen Phasen während der Anferti-
gung dieser Arbeit und den großen Rückhalt. Nicht zuletzt möchte ich mich
beimeinenElternfürdieFörderungundUnterstützungimStudiumundwäh-
rendderPromotionbedanken.
Stuttgart ThomasRothermel
Inhaltsverzeichnis
Vorwort........................................................................................V
Abbildungsverzeichnis...................................................................XI
Tabellenverzeichnis......................................................................XIII
Abkürzungsverzeichnis..................................................................XV
Symbolverzeichnis.....................................................................XVII
Zusammenfassung.......................................................................XXI
Abstract................................................................................. XXIII
1 EinleitungundMotivation..........................................................1
1.1 EinflussfaktorenaufdieFußgängersicherheitim
Straßenverkehr...................................................................2
1.1.1 EntwicklungderUnfällemitFußgängerbeteiligung..........2
1.1.2 GeschwindigkeitalsHaupteinflussgrößeaufdas
UnfallrisikounddieSchwerevonUnfällenmit
Fußgängerbeteiligung................................................5
1.1.3 AbleitungvonMaßnahmenzurSteigerungder
SicherheitvonFußgängernimStraßenverkehr................8
1.2 AssistenzsystemefürdieSteigerungderFußgängersicherheit.......8
1.2.1 WeitererForschungsbedarf.......................................11
1.2.2 ZielsetzungdervorliegendenArbeit...........................12
1.3 AufbaudervorliegendenArbeit...........................................13
2 GrundlagenundMethoden ......................................................15
2.1 GrundlagenderFahrzeugführung.........................................15
2.2 FahrerassistenzsystemeundautonomeFahrfunktionen..............17
2.2.1 KooperativeRegelungzwischenMensch
undMaschine........................................................19
2.3 VirtuellerTestvonelektronischenFahrzeugsystemen................22
2.3.1 HardwareintheLoopSimulation...............................22
2.3.2 DriverintheLoop:TesteninFahrsimulatoren..............23
2.3.3 DerStuttgarterFahrsimulator....................................26
2.4 FahrdynamischeGrundlagen...............................................28
2.4.1 Fahrwiderstände.....................................................30
2.4.2 ElektrischerAntriebsstrang.......................................30
VIII Inhaltsverzeichnis
2.4.3 Reifen..................................................................33
2.4.4 Bremsanlage..........................................................35
2.5 ModellprädiktiveRegelung.................................................36
2.5.1 FormulierungdesOptimalsteuerungsproblems..............37
2.5.2 HerausforderungenbeiderpraktischenUmsetzungder
modellprädiktivenRegelung.....................................38
2.5.3 Lösungvonlinearenundnichtlinearen
Optimalsteuerungsproblemen....................................39
2.5.4 Low-LevelStabilisierung.........................................41
3 DiesicherheitsoptimierteLängsführungsassistenz.......................43
3.1 AnforderungenundFunktionsumfang...................................43
3.2 Systemarchitektur.............................................................46
3.3 ModellprädiktiveLängsdynamikregelung...............................49
3.3.1 VereinfachteModellierungdes
Fahrzeuglängsverhaltens..........................................50
3.3.2 PrädiktiveTrajektorienoptimierungund-regelung.........54
3.3.3 Zwei-Freiheitsgrade-Trackingregler............................59
3.4 AufbereitungvonFahrdynamik-undUmgebungsdaten.............60
3.4.1 GenerierungderReferenztrajektorienausdem
Fahrerwunsch........................................................60
3.4.2 BerücksichtigungvonfahrphysikalischenGrenzenund
UmgebungsdatenbeiderGenerierung
vonRestriktionen...................................................62
3.4.3 GenerierungderGewichtungenimGütefunktional.........65
3.5 Mensch-MaschineSchnittstelle............................................70
3.5.1 GrafischeundakustischeBenutzerschnittstelle..............70
3.5.2 AktivesFahrpedal...................................................72
3.5.3 VestibuläresFeedback.............................................73
3.6 RealisierungderSOLimStuttgarterFahrsimulator ..................73
3.6.1 Implementierung....................................................74
3.6.2 AnbindungandieSimulationsumgebung.....................76
4 PotentialanalyseimFahrsimulator............................................79
4.1 Studienziele.....................................................................79
4.2 Versuchsplan....................................................................80
4.2.1 Probandenkollektiv.................................................80
4.2.2 VirtuelleVersuchsstreckeundSzenario.......................81
4.2.3 Datenerhebung.......................................................83
Inhaltsverzeichnis IX
4.2.4 GestaltungdesVersuchsablaufs.................................84
4.3 ErgebnissederProbandenstudie...........................................87
4.3.1 VorbefragungzumGeschwindigkeitsverhalten..............87
4.3.2 Geschwindigkeitsassistenz........................................89
4.3.3 Notbremsassistenz..................................................96
4.3.4 Fahrerakzeptanz....................................................103
5 ZusammenfassungundAusblick..............................................109
Literatur ...................................................................................113
Anhang .....................................................................................123
A.1 Tabellen..............................................................123
A.2 AuswertungderFragebögenderProbandenstudie.........124
A.3 FormulierungderRestriktionsmatrizen.......................126
Abbildungsverzeichnis
1.1 Entwicklung der Anzahl von Unfällen mit Fußgängerbeteiligung
seit1991................................................................................3
1.2 ZusammenhangzwischenAufprallgeschwindigkeitundtödlichem
AusgangvonFußgängerunfällen.................................................7
2.1 Drei-Ebenen-HierarchiederFahrzeugführung..............................16
2.2 ÜbersichtüberdieAutomatisierungsstufendesBASt.....................18
2.3 InteraktionzwischenMenschundRegler....................................20
2.4 DarstellungderHorse-MethaphernachFlemisch..........................21
2.5 PrinzipderHiLSimulation......................................................23
2.6 Prinzipder„DriverintheLoop“Simulation................................24
2.7 DerStuttgarterFahrsimulator...................................................27
2.8 DarstellungderwichtigstenfürdieFahrzeuglängsbewegungrele-
vantenKräfte........................................................................29
2.9 AntriebsstrangtopologiedesverwendetenE-Fahrzeuges.................31
2.10 Drehmoment-DrehzahlcharakteristikderDrehstrom-Asynchronma-
schine..................................................................................32
2.11 KammscherKreis..................................................................34
2.12 ReifenschlupfinAbhängigkeitvonderUmfangskraft....................34
2.13 GrundsätzlicheFunktionsweisedermodellprädiktivenRegelung......37
2.14 EinflussderBerechnungszeitaufdieRegelung.............................39
2.15 MPCohneundmitunterlagertemTrackingregler..........................42
3.1 GeschwindigkeitsbereichemitunscharfenGrenzen.......................45
3.2 BlockchaltbildSicherheitsoptimiertenLängsführungsassistenz........47
3.3 Berücksichtigung der Ziele des Fahrers bei der Optimierung der
Fahraufgabe..........................................................................48
3.4 BlockschaltbildderprädiktivenLängsdynamikregelung.................49
3.5 Exemplarischer Prädiktionshorizont für die Fahrzeuglängsbewe-
gung...................................................................................55
3.6 BeispielfürdasSchwingverhaltenbeiAuftaucheneinerGeschwin-
digkeitssenkungimPrädiktionshorizont......................................58
3.7 BlockschaltbilddesZwei-FreiheitsgradeTrackingreglers................59
3.8 Kollsionsprädiktor..................................................................64
3.9 TrajektorienimNotbremsmanöver.............................................66