Vorwort | 6 |
Inhaltsverzeichnis | 8 |
1 Einführung | 12 |
1.1 Übersicht | 12 |
1.2 Regler-Mensch-Modelle | 12 |
1.2.1 Manuelle Regelung | 12 |
1.2.2 Menschen als Regler | 14 |
1.2.3 Beschreibungsfunktionen | 15 |
1.2.4 Schnittfrequenzmodelle | 17 |
1.2.5 Optimaltheoretische Modelle | 18 |
1.2.6 Regler-Mensch-Modellefür die Fahrermodellierung | 19 |
1.2.7 Kritik des Ansatzes der Regler-Mensch-Modelle | 20 |
1.3 Dimensionender Kraftfahrzeugführung | 22 |
2 Modellbildungsmethoden | 24 |
2.1 ModellbasierterSystementwurf | 24 |
2.2 Modellbildung: BeispielQuerdynamik | 25 |
2.2.1 Einführung | 25 |
2.2.2 Diskretisierung | 26 |
2.2.3 Programmierung | 28 |
2.2.3.1 Textuelle Programmeingabe | 28 |
2.2.3.2 Graphische Programmeingabe | 32 |
2.2.4 Simulationsexperimenteund Ergebnisdarstellung | 39 |
2.2.4.1 Zeitkontinuierliches Modellder Fahrzeug-Querdynamik | 39 |
2.2.4.2 Zeitdiskretes Modell der Fahrzeug-Querdynamik | 41 |
2.2.5 Analyse und Interpretation | 43 |
2.2.5.1 Stationäres Verhalten | 43 |
2.2.5.2 Instationäres Verhalten | 45 |
2.2.5.3 Interpretation in Bezug auf dieFahrzeugführung | 48 |
2.3 Graphische Modellentwicklung | 49 |
2.3.1 Ikonische Modellierung | 50 |
2.3.2 Signalflussmodellierung | 53 |
2.3.3 Energieflussmodellierung | 56 |
2.3.4 Graphische Analysevon Energieflussmodellen | 57 |
2.3.5 Möglichkeiten und Grenzengraphischer Modelle | 58 |
2.3.5.1 Ablauf der graphischen Modellbildung | 58 |
2.3.5.2 Vor- und Nachteile der graphischenModellbildung | 59 |
2.3.5.3 Modellbildung mit Bondgraphen | 61 |
3 Längsführung | 64 |
3.1 Modell der Längsdynamik | 64 |
3.1.1 Komponenten des Antriebsstrangs | 64 |
3.1.2 Längsdynamikanforderungen | 66 |
3.1.3 Strategien bei derGeschwindigkeitswahl | 71 |
3.2 Geschwindigkeitsanpassung | 72 |
3.2.1 Konstanthaltender Geschwindigkeit | 72 |
3.2.2 Anpassung an die Straßenneigung | 74 |
3.2.3 Anpassung an den Straßenverlauf | 76 |
3.3 Abstandshaltung | 77 |
3.3.1 Kinematik desFahrzeugfolgeproblems | 78 |
3.3.2 Abstandshaltung durch lineareZustandsregelung | 78 |
3.3.3 Luenberger-Beobachterfür die Abstandshaltung | 80 |
3.3.4 Kolonnenfahrt bei linearerZustandsregelung | 82 |
3.3.5 Mikroskopisches Fahrzeugfolgemodellder Verkehrstheorie | 83 |
3.3.6 Abstandshaltung mit unscharfemRegler (Fuzzy Control) | 85 |
3.4 Bremsen | 88 |
3.4.1 Kontinuierliches linearesBremsmodell | 90 |
3.4.2 Diskontinuierliches nichtlinearesBremsmodell | 90 |
3.4.3 Messstörungen | 92 |
4 Querführung | 94 |
4.1 Fahrkinematik | 95 |
4.1.1 FahrkinematischesFundamentalsystem | 95 |
4.1.2 Fahrkinematik als Regelstrecke | 97 |
4.1.3 Proportionalregelung | 98 |
4.1.4 Linearisierte Fahrkinematik | 100 |
4.1.5 Dynamische Eigenschaftender Proportionalregelung | 102 |
4.2 Fahrdynamik | 103 |
4.2.1 FahrdynamischesFundamentalsystem | 103 |
4.2.2 Linearisierte Fahrdynamik | 104 |
4.2.2.1 Lineare Fahrdynamikohne Vorausschau | 104 |
4.2.2.2 Interpretation der Fahrdynamikohne Vorausschau | 105 |
4.2.2.3 Lineare Fahrdynamik mit Vorausschau | 106 |
4.3 Nichtmodellbasierte lineareRegelung | 108 |
4.3.1 Einfacher PID-Regler | 108 |
4.3.2 PID-Regler mit Störgrößenaufschaltung | 109 |
4.3.3 Parameterempfindlichkeit | 109 |
4.4 Modellbasierte lineareRegelung ohne Vorausschau | 111 |
4.4.1 Zustandsgeregelte Spurhaltungmit Polvorgab | 111 |
4.4.2 Polvorgabe für Regelungs-Normalform | 113 |
4.4.3 Festwertregelungmit Zustandsregler | 114 |
4.4.4 Erweiterter Zustandsregler | 115 |
4.4.5 Optimaler Zustandsregler | 117 |
4.4.6 Krümmungsschätzungdurch Zustandsbeobachter | 118 |
4.4.7 Optimaler Zustandsreglermit erweitertem optimalemBeobachter | 120 |
4.5 Modellbasierte lineareRegelung mit Vorausschau | 125 |
4.5.1 Erweiterung des Fahrdynamik-Modells für Störbeobachter | 127 |
4.5.2 Simulationsexperimente | 128 |
4.6 Modellbasierte nichtlineareRegelung | 132 |
4.6.1 Folgeregelung mit reduziertemFahrkinematik-Modell | 132 |
4.6.2 Kompensationsregelungmit fahrkinematischemFundamentalsystem | 135 |
4.6.3 Fahrkinematische Regelungbeim doppelten Spurwechsel | 137 |
4.6.4 Regler für Fahrkinematikin Polarkoordinaten | 138 |
5 Vektation | 141 |
5.1 Einführung | 141 |
5.2 Geschwindigkeits-Vektorfelder | 141 |
5.2.1 Bildung von Bewegungsinvarianten | 144 |
5.2.2 Bewegungsinvariantenim Geschwindigkeitsvektorfeld | 146 |
5.2.3 Analyse vorgegebenerAuswertungsfenster | 148 |
5.3 Visuelle OrientierungbeimAutofahren | 150 |
5.3.1 Augenbewegungen und visuelleWahrnehmung | 150 |
5.3.2 Kraftfahrzeugführungund Augenbewegungen | 152 |
5.3.3 Lands Tangentenpunkt | 154 |
5.3.4 Ergebnisse aus Simulatorexperimenten | 156 |
5.4 Dynamik derBewegungswahrnehmung | 159 |
5.4.1 Bewegungsempfinden | 159 |
5.4.2 Sensordynamik bei rotatorischenBewegungen | 161 |
5.4.2.1 Aufbau des semizirkulären Kanals | 161 |
5.4.2.2 Dynamische Modelledes semizirkulären Kanals | 161 |
5.4.2.3 Frequenzgänge und Sprungantworten | 163 |
5.4.3 Sensordynamik beitranslatorischen Bewegungen | 164 |
5.4.3.1 Aufbau des otolithischen Systems | 164 |
5.4.3.2 Dynamische Modelledes otolithischen Systems | 166 |
5.4.3.3 Frequenzgänge und Sprungantworten | 166 |
5.4.4 Verarbeitung der Sensorsignale | 167 |
5.4.4.1 Bestimmung der Vertikalen | 169 |
5.4.4.2 Bestimmung von Verschiebungund Geschwindigkeit | 169 |
5.4.4.3 Beobachterkonzeptezur Raumorientierung | 170 |
5.5 Modellierungdes Bewegungsempfindens | 171 |
5.5.1 Fahrzeug-Referenzbewegung | 171 |
5.5.1.1 Verlauf der Teststrecke | 173 |
5.5.1.2 Sensorische Erfassungder Referenzbewegung | 173 |
5.5.1.3 Zeitverläufe derBewegungswahrnehmung | 174 |
5.5.2 Bewegungsempfindenbei ausgewählten Fahrmanövern | 175 |
5.5.3 Auswirkungen vonWahrnehmungsdissoziationen | 178 |
5.5.3.1 Beobachtermodell für erweiterteQuerdynamik | 178 |
5.5.3.2 Nachbildung unerfüllter Erwartungen | 179 |
6 Fahrerassistenzsysteme | 182 |
6.1 Hintergrund | 182 |
6.2 Grundlagen | 185 |
6.2.1 Aktive Sicherheit | 185 |
6.2.2 Fahrerassistenzsystemefür die aktive Sicherheit | 188 |
6.2.3 ZuverlässigkeitstechnischeAnalyse | 190 |
6.2.3.1 Analyse mit Petri-Netzen | 190 |
6.2.3.2 Klassifizierung von Fahrerunterstützungssystemen | 191 |
6.2.3.3 Analyse von Warnsystemen | 193 |
6.3 Stabilisierungsassistenz | 194 |
6.3.1 Vorbemerkungenzur Stabilisierung | 194 |
6.3.2 Längsführungsassistenz | 196 |
6.3.2.1 Antiblockiersystem | 196 |
6.3.2.2 Antriebsschlupfregelung | 201 |
6.3.3 Querführungsassistenz | 205 |
6.3.3.1 Fahrdynamikregelung | 205 |
6.3.3.2 Spurhaltungsregelung | 208 |
6.4 Lenkungsassistenz | 212 |
6.4.1 Notbremsassistent | 212 |
6.4.2 Stop-and-Go-Assistent | 214 |
6.4.3 Fahrgeschwindigkeitsassistent | 215 |
6.4.4 Spurwechselassistent | 217 |
6.4.5 Kollisionsvermeidungsassistent | 220 |
6.4.6 Parkmanöverassistent | 221 |
6.5 Organisationsassistenz | 224 |
6.6 Anmerkungen zurAutomatisierung | 226 |
7 Zusammenfassung und Ausblick | 230 |
7.1 Anwendungen der Kraftfahrzeugführungsmodelle | 230 |
7.1.1 Design-Driver-Modelle | 230 |
7.1.2 Grobmodellierung | 232 |
7.1.3 Präzisionsmodelle | 233 |
7.2 Kraftfahrzeugführungund Kybernetik | 236 |
7.2.1 Visionen | 236 |
7.2.2 Ursprünge der Kybernetik | 236 |
7.2.3 Kybernetische Systemtheorie | 238 |
7.2.4 Kraftfahrzeugführungals komplexes System | 239 |
7.2.5 Modellierung komplexer Systeme | 240 |
7.2.6 Skizzierung einer Theorieder Kraftfahrzeugführung | 242 |
7.2.7 Schlussfolgerungen | 244 |
Anhang A: Mathematische Hilfsmittel | 246 |
A.1 Rechenoperationenmit Vektoren und Matrizen | 246 |
A.1.1 Vektoren | 246 |
A.1.2 Matrizen | 247 |
A.1.3 Eigenwerte quadratischerMatrizen | 249 |
A.2 GewöhnlicheDifferentialgleichungen | 250 |
A.2.1 Lineare Differentialgleichungen | 250 |
A.2.1.1 Lösung linearer Differentialgleichungen | 251 |
A.2.1.2 Anregung mit speziellenEingangsfunktionen | 252 |
A.2.1.3 Eingangs-Ausgangs-Darstellunglinearer Systeme | 253 |
A.2.1.4 Reguläre Zustandstransformationen | 253 |
A.2.1.5 Funktionaltransformationen | 254 |
A.2.2 Nichtlineare Differentialgleichungen | 256 |
A.3 Partielle Differentialgleichungen | 256 |
A.3.1 Lösung partieller Differentialgleichungen1. Ordnung | 257 |
A.3.2 Eigenschaften von Kurvenintegralen | 257 |
A.3.3 Interpretation der Lösungen | 258 |
Anhang B: Modellbildung | 259 |
B.1 Skriptbefehle | 259 |
B.1.1 Matlab | 259 |
B.1.2 Scilab | 263 |
B.1.3 Sidops+ (20-sim) | 263 |
B.2 Strukturbilder | 264 |
B.2.1 Lineare Elemente | 264 |
B.2.2 Umformungsregeln | 266 |
B.3 Bondgraphen | 268 |
B.3.1 Eigenschaften von Bondgraphen | 268 |
B.3.1.1 Definitionen | 268 |
B.3.1.2 Kausalität von Bondgraphen | 269 |
B.3.1.3 Knotensätze | 271 |
B.3.1.4 Vereinfachungsregeln | 272 |
B.3.2 Zusammenhang zwischen Energie-und Signalflussdiagrammen | 273 |
B.3.2.1 Signalflussdarstellung derBondgraphenelemente | 273 |
B.3.2.2 Beispiele | 275 |
B.3.3 Bondgraphen der ebenenBewegungen starrer Körper | 277 |
B.3.3.1 Geometrischer Ansatz | 277 |
B.3.3.2 Modellierung mit Vektorbonds | 278 |
Anhang C: Fahrkinematische Grundlagen | 283 |
C.1 Räumliche Kinematik | 283 |
C.1.1 Lage und Orientierung | 283 |
C.1.2 Geschwindigkeitund Beschleunigung | 284 |
C.2 Fahrzeug-Referenzbewegungen | 285 |
C.2.1 Erzeugendensystem | 285 |
C.2.2 Geschwindigkeitund Beschleunigungin bewegten Koordinaten | 285 |
C.3 Ebene Fahrkinematik | 286 |
C.3.1 Erzeugendensystemebener Bahnen | 286 |
C.3.2 Ebene Koordinatentransformationen | 287 |
C.3.2.1 Translation | 287 |
C.3.2.2 Rotation | 287 |
C.3.3 Differentielle Transformationvorgegebener Konturen | 289 |
C.3.3.1 Partielle Ableitungnach dem Kurvenparameter r | 290 |
C.3.3.2 Partielle Ableitung nach demKurvenparameter s | 290 |
C.3.4 Fundamentalsystemder ebenen Fahrkinematik | 291 |
C.3.5 Integrationdes Fundamentalsystems | 292 |
Anhang D: Horizontaldynamik des Kraftfahrzeugs | 294 |
D.1 Ackermann-Modell | 294 |
D.2 Modellierungder ebenen Fahrdynamik | 295 |
D.2.1 Bewegungsgleichungen | 295 |
D.2.2 Nichtlineares Einspurmodell | 296 |
D.2.3 Lineares Einspurmodell | 297 |
D.3 Einfaches Modellbeispiel | 299 |
D.3.1 Modelle der Raddynamik | 299 |
D.3.1.1 Längsdynamik des Reifens | 299 |
D.3.1.2 Querdynamik des Reifens | 302 |
D.3.1.3 Gesamtmodell der Reifendynamik | 303 |
D.3.2 Dynamik des Fahrzeugaufbaus | 303 |
D.3.3 Gesamtmodell des Fahrzeugs | 304 |
D.3.3.1 Bondgraphenmodell | 304 |
D.3.3.2 Modifiziertes Gesamtmodell | 305 |
D.3.4 Simulationsexperimente | 306 |
D.4 Modellbildungmit Vektorbondgraphen | 309 |
D.4.1 Einspurmodell | 309 |
D.4.2 Zweispurmodell | 313 |
Anhang E: Regelungssysteme | 315 |
E.1 Darstellungen im ZeitundFrequenzbereich | 315 |
E.1.1 Signale | 315 |
E.1.1.1 Definitionen | 315 |
E.1.1.2 Laplace- und Fourier-Transformation | 316 |
E.1.1.3 Signaloperationen | 316 |
E.1.2 Lineare Übertragungssysteme | 317 |
E.1.2.1 Linearität | 317 |
E.1.2.2 Übertragungsverhalten im Zeitbereich | 318 |
E.1.2.3 Übertragungsverhaltenim Frequenzbereich | 318 |
E.1.2.4 Zustandsdarstellungen | 320 |
E.1.2.5 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit | 322 |
E.2 Stabilität dynamischerSysteme | 323 |
E.2.1 Erste Methode von Ljapunov | 323 |
E.2.1.1 Konzept der Stabilität linearer Systeme | 323 |
E.2.1.2 Konzept der Stabilitätnichtlinearer Systeme | 323 |
E.2.1.3 Methode der lokalen Linearisierung | 324 |
E.2.1.4 Erste Methode für Ruhelagen | 324 |
E.2.2 Zweite Methode von Ljapunov | 325 |
E.2.2.1 Ljapunov-Funktion | 325 |
E.2.2.2 Stabilitäts-Sätze | 325 |
E.2.2.3 Stabilität im Großen | 325 |
E.2.2.4 Beziehungen zwischen Ersterund Zweiter Methode von Ljapunov | 326 |
E.2.3 Stabilitätssätzefür lineare Regelungssysteme | 326 |
E.2.3.1 Hurwitz-Polynome | 326 |
E.2.3.2 Stabilitätssätze von Cremer-Leonhard-Michailov | 327 |
E.2.3.3 Nyquist-Kriterium | 327 |
E.3 Lineare Regler | 328 |
E.3.1 Nichtmodellbasierte Regler | 328 |
E.3.1.1 PID-Regler | 328 |
E.3.1.2 Einstellregeln | 329 |
E.3.2 Modellbasierte Regler | 329 |
E.3.2.1 Entwurf für nichtparametrischeStreckenmodelle | 330 |
E.3.2.2 Entwurf für parametrischeStreckenmodelle | 330 |
E.4 Zustandsreglerund Zustandsbeobachter | 331 |
E.4.1 Zustandsregler | 331 |
E.4.1.1 Einfacher Zustandsreglermit Polvorgabe | 331 |
E.4.1.2 Zustandsregler für Festwertregelung | 333 |
E.4.1.3 Erweiterter Zustandsregler | 333 |
E.4.2 Zustandsbeobachter | 335 |
E.4.2.1 Luenberger-Beobachter | 335 |
E.4.2.2 Störbeobachter | 337 |
E.4.2.3 Zustandsregler mit Beobachter | 337 |
E.4.3 Weiterführende Konzepteder Zustandsregelung | 338 |
E.4.3.1 Riccati-Zustandsregler | 339 |
E.4.3.2 Kalman-Beobachter | 339 |
E.4.3.3 Butterworth-Konfiguration | 340 |
E.5 Nichtlineare Regler | 340 |
E.5.1 Nichtmodellbasierte Regler:Fuzzy-Regler | 340 |
E.5.2 Modellbasierte Regler | 342 |
E.5.2.1 Eingangs-Zustands-Linearisierung | 342 |
E.5.2.2 Eingangs-Ausgangs-Linearisierung | 343 |
Literatur | 345 |
Sachwortverzeichnis | 354 |