TTLab

Neuer Prüfstand übergeben

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Am 26.02.2015 erfolgte die Übergabe des neuen Prüfstandes MAHA MFP 300 zur Entwicklung neuer Prüfverfahren für Fahrerassistenzsysteme und lichttechnische Einrichtungen. Damit verfügt das Labor für Kfz-Mechatronik der HTW Dresden über eine der modernsten Einrichtungen auf diesem Gebiet.

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Der Prüfstand ist Teil einer langfristigen Kooperation der HTW Dresden mit der FSD Fahrzeugsystemdaten GmbH Dresden (www.fsd-web.de) zur Entwicklung neuer Prüftechnik für die periodische Hauptuntersuchung. Am 06.02.2015 unterzeichneten der Rektor der HTW und der Geschäftsführer der FSD eine auf 5 Jahre angelegte Kooperationsvereinbarung.

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Autonomes elektronisches Gaspedal am Citroen C6

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Hintergrund

Bei realen Messfahrten ist es oft wünschenswert, dass ein vorgegebener Geschwindigkeitsverlauf möglichst exakt und bei wiederholenden Versuchen gleichermaßen nachgefahren wird, um somit reproduzierbare Versuchsbedingungen zu gewährleisten. Aus diesem Grund erfolgte die Entwicklung eines embedded systems bestehend aus einem Steuergerät (FlexDevel) und einem Hardwaremodul zur Generierung äquivalenter Spannungssignale für eine autonome Ansteuerung des elektronischen Gaspedals (EGas) am Versuchsträger Citroen C6. Dadurch können im Bezug auf die Längsführung des Fahrzeugs reproduzierbare Bedingungen für die Fahrzustände Beschleunigen und Konstantfahrt erreicht werden. Die Messwerte werden dann nicht mehr vom Fahrer durch die manuelle Betätigung des Gaspedals beeinflusst und liefern so für die Auswertung vergleichbarere Ergebnisse. Beispielsweise könnte man dieses System zum Nachfahren eines Geschwindigkeitszyklus (v-t-Verlauf) auf einem Rollenprüfstand einsetzen.

Beschreibung des Ausgangszustandes am Citroen C6

Der Citroen C6 verfügt über eine Automatikschaltung und ein elektronisches Gaspedal, das als eine Einheit bestehend aus Pedal mit Kickdownschalter und zwei induktiven Drehwinkelgebern ausgestattet ist. Über einen speziellen Stecker, der aus vier Pins besteht, werden die Signale zwischen Gaspedal und Motorsteuergerät übertragen. Dieser Stecker wird für die Systemintegration genutzt und ermöglicht einen leichten Ein- und Ausbau der Systemkomponente (Hardwaremodul), so dass der Ausgangszustand jederzeit wieder vollständig hergestellt werden kann. Bei der Analyse dieser Steckverbindung stellt sich heraus, dass zwei Pins für die beiden induktiven Drehwinkelgeber vorgesehen sind. In Abhängigkeit des Pedalwinkels werden von den Sensoren entsprechende Spannungssignale ausgegeben. Die anderen beiden Pins übertragen die Potentiale 5 V und 0 V.

Kennlinien des elektronischen Gaspedals

Zunächst werden die beiden Kennlinien des EGas am Versuchsfahrzeug aufgenommen, um später die passenden äquivalenten Spannungssignale durch das embedded system erzeugen zu lassen. Es ergaben sich die folgenden linearen Verläufe.

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Die beiden Kennlinien unterscheiden sich im Anstieg und y-Achsenabschnitt.

Systembeschreibung

Einen Überblick über die Verknüpfung der einzelnen am System beteiligten Komponenten erhält man aus der folgenden Abbildung.

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Zur Generierung der Spannungssignale in Abhängigkeit der Gaspedalstellung (siehe obiges Diagramm) wird das Entwicklungssteuergerät FlexDevel eingesetzt. Dieses verfügt u.a. über zwei CAN-Schnittstellen, von denen eine zur Übermittlung des Gaspedalwertes verwendet wird und über vier PWM Ausgänge mit DC-Filter, so dass hierüber zwei analoge Spannungssignale im Bereich von 0 bis 5V bereitgestellt werden können. Diese Signalquellen sind allerdings nicht belastbar und werden durch Operationsverstärker (Invertierende Verstärker, Impedanzwandler), die im sogenannten Hardwaremodul verbaut sind, an die erforderlichen Spannungspegel angepasst und belastbar gemacht.

Des Weiteren ist am Hardwaremodul ein Schalter vorgesehen, über den ein Relais geschaltet wird. Demnach werden entweder die originalen Spannungssignale des EGas vom Citroen C6 oder die generierten Spannungssignale ausgegeben. Ein manuelles Fahren wird dadurch auch bei verbautem System ermöglicht und in kritischen Situationen kann das System durch den Schalter deaktiviert werden.

Durch die Verwendung eines CANcase und der „Embedded Target for Motorola MPC555 library“ aus Simulink wird eine CAN Kommunikation des Notebooks mit dem Fahrzeug-CAN und einem zweiten CAN aufgebaut. Vom Fahrzeug-CAN werden die Signale: Geschwindigkeit, Gang, Bremslichtschalter und Bremsdruck eingelesen. Der zweite CAN dient zur Übertragung des Gaspedalwertes an das Entwicklungssteuergerät.

Geschwindigkeitsregelung durch Gaspedalstellung

Zur Regelung der Geschwindigkeit wurde ein PI-Regler in einem Simulinkmodell implementiert.

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Die Eingangs- bzw. Ausgangsgrößen sind rot bzw. grün dargestellt. Aus der Istgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der Sollgeschwindigkeit (die beispielsweise aus einem Fahrzyklus kommt) wird die Regeldifferenz berechnet. Diese wird im P-Anteil (proportionaler Anteil) mit einer Konstanten (Kp) multipliziert und auf einen bestimmten Wertebereich begrenzt. Im I-Anteil (integraler Anteil) wird die Regeldifferenz unter bestimmten Voraussetzungen mit einer Konstanten (Ki) multipliziert und über diskrete Zeitabstände aufsummiert. Beide Regleranteile werden abschließend addiert, auf einen Wert zwischen 0 und 100 begrenzt und ausgegeben, falls kein Unterbrechungssignal vorliegt. Eine Unterbrechung liegt bei eingelegtem Rückwärtsgang, Neutral- oder Parkstellung, sowie bei betätigter Bremse vor. In dem Fall wird die Gaspedalstellung 0 ausgegeben.

Versuchsreihen

Da das System natürlich nicht auf der realen Straße eingesetzt werden darf, wurde die Funktionsweise auf einem Rollenprüfstand getestet. Dazu wurden rampen- und sprungartige Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe vorgegeben und durch das neue System autonom nachgefahren. Die Überstimmung des autonomen Gaspedals durch eine Betätigung der Fußbremse wird ebenfalls aufgezeigt. Die nachfolgenden drei Abbildungen bestätigen eine korrekte Funktionsweise.

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Messfahrten eines Modell LKWs (Maßstab: 1:8)

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Im Rahmen unseres Praxissemesters haben wir (Peter Hoffmann und Joachim Delius) uns mit der Umsetzung einer Spurerkennung, einer Sinusfahrt und einer Kreisfahrt an einem Modell LKW beschäftigt. Die Vorgabe war es verschiedene Anwendungen an dem LKW zu realisieren und Daten der Beschleunigung um die X-Achse, Y-Achse, Z-Achse  sowie die Gierrate aufzunehmen und grafisch darzustellen.

Fahrzeug

Den LKW haben wir fahrtüchtig und ausgerüstet mit einem Servonaut M20+ Fahrregler bekommen. Das Modell hat eine angetrieben Achse und ist über Blattfedern vollgefedert. Wir haben angefangen einen Lego NXT Brick zu verbauen und den original Fahrregler mit Hilfe eines NXT Servos anzusteuern. Dieses funktionierte erst als 2 PWM-Signale des NXT Servos zum Fahrregler gesendet wurden. Da der Fahrregler das PWM-Signal zum Fahren in kürzeren Abständen benötigt als der NXT Brick dieses sendet. Zusätzlich haben wir ein Ultraschallsensor verbaut, der ein Abstandsignal sendet. Durch diesen Sensor war es uns möglich das Fahrzeug vor einer Kollision zu stoppen.

Linienführung

Bei der Umsetzung der Spurerkennung haben wir einen zweiten NXT Brick verwendet der die Sensorsignale des Farbsensors empfängt, weiterverarbeitet und die Ausgangssignale an den Lenkservo weiterleitet. Die Weiterverarbeitung haben wir mit einem selbst geschrieben Programm unter LabVIEW gelöst. Die Regelung wurde mit Hilfe eines PID-Reglers genau auf die Anforderungen abgestimmt. Die Signale der beiden Sensoren werden miteinander verglichen und so die Fahrtrichtungsänderung, sowie der Lenkeinschlag berechnet.

 

Sinusfahrt

Bei der Sinusfahrt haben wir denselben Aufbau genutzt nur das Programm der Lenkungsansteuerung so umgeschrieben, dass der Lenkservo mit einer Sinusschwingung angesteuert wird. Die Frequenz der Schwingung ist einstellbar, so dass verschiedene Fahrzustände realisiert werden konnten. Besonders interessant ist der Unterschied zwischen untererregt, übererregt und dem Resonanzfall bei unterschiedlichen Beladungszuständen. Die unterschiedlichen Beladungszustände wurden mit Wasser gefüllten Kanistern bewerkstelligt. Die Resonanzfrequenz haben wir Experimentell ermittelt.

Kreisfahrt

Bei der Kreisfahrt haben wir mittels eines LabVIEW Programms einen festen Lenkwinkel und eine Geschwindigkeit vorgegeben und den Beladungszustand des LKW Modells geändert um die Auswirkungen auf das Fahrverhalten darzulegen. Die unterschiedlichen Beladungszustände wurden wieder mittels gefüllten Kanistern realisiert.

Messwertaufnahme/-auswertung

Um die Messwertaufnahme zu realisieren wurde ein dritter NXT Brick mit einem Acceleration Sensor und einem Gyro Sensor verbaut.

Auf dem NXT Brick läuft auch ein selbst geschriebenes LabVIEW Programm, welches die Messwerte in Bezug zurzeit in eine Textdatei schreibt. Diese aufgezeichneten Daten wurden mittels Microsoft Excel aufgearbeitet und zur weiteren Bearbeitung mit MATLAB vorbereitet. Die Videomitschnitte wurden mit einer GoPro Hero 2 aufgezeichnet. Mit einem selbst entwickelten MATLAB Programm wurde nun die aufbereiteten Daten sowie die Videomitschnitte zusammengeführt und optisch dargestellt. Durch diesen Schritt sind die einzelnen Situationen sowie die Auswirkungen der einzelnen Randbedingungen sehr gut ersichtlich geworden.

 

Linienführung

httpvh://www.youtube.com/watch?v=4WofhZKrjpQ

Sinuslenkung

httpvh://www.youtube.com/watch?v=vRKCOLn-PtU

Kreisfahrt

httpvh://www.youtube.com/watch?v=TJKLHNxrDNY

DEKRA zu Besuch im MechLab

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Am heutigen Tag konnten wir Herrn Ahlgrimm, Leiter der DEKRA Unfallanalyse, und Herrn David vom DEKRA Technology Center Klettwitz bei uns im Labor begrüßen.

Herr Ahlgrimm und Herr David nehmen einen Versuchsaufbau in Augenschein

Beide Herren zeigten sich sehr interessiert an den aktuellen Entwicklungen im Labor, insbesondere bezüglich der Radar- und Laser-Umfeldsensorik. Auch diese Technik rückt in den Fokus des DEKRA, ist er doch am Schutz von Mensch und Technik im Straßenverkehr interessiert.

Eine weitere Zusammenarbeit in Form von Diplomarbeiten und Projekten wurde vereinbart.

Abschlussarbeit: Implementierung eines Fahrzustandsschätzers

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Aufbauend auf den vorhandenen Entwicklungen im Labor  ist ein Fahrzustandsschätzer (Kalman-Filter) zu entwerfen, welcher die Fahrdynamikparameter als Modelleingang und den Schwimmwinkel als geschätzten Systemausgang berechnet. Die Zusammenhänge sind auf das nichtlineare Zweispurmodell zurückzuführen und ermöglichen, das Fahrverhalten auch in Extremsituationen zu berechnen.

Die Aufgaben sind:

  • Einarbeitung und Literaturstudium, v.a. Systemtheorie und Kalman-Filter
  • Fahrdynamikuntersuchungen und modellbasierte Funktionsentwicklung
  • Modellvalidierung mit realem Fahrzeug
  • Implementierung auf RaspberryPi oder iPhone

Die Aufgabe kann sowohl als Bachelor-/Diplom- oder Masterarbeit bearbeitet werden. Besonders geeignet für Studierende, welche sich mit Systemtheorie und Fahrdynamik auskennen und entsprechende wissenschaftliche Tiefe in der Abschlussarbeit erreichen möchten.

Ansprechpartner ist Paul Balzer (balzer [an] htw-dresden.de).

Der Ingenieur von morgen: Zukunft in der Arbeitswelt

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Im Rahmen der Vorlesung gibt es am morgigen 08.10. für das 3. Semester Fahrzeugtechnik einen kleinen Einblick in die Veränderungen in der Automobilindustrie und den daraus resultierenden Anforderungen für die zukünftigen Ingenieure. Es gilt die Frage zu beantworten: Wie sieht die Zukunft der Arbeitswelt für deutsche Ingenieure aus, wenn Sie auch weiterhin in Deutschland beschäftigt sein wollen?

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