HIL-Simulation mit Feedback-Lenkrad für die Entwicklung von Lenksystemen
Simulationsumgebung für das Feedback-Lenkrad
Für die Realisierung dieses Prüfstands wurden verschiedene echtzeitfähige Modelle verwendet. Das Simulationsmodell für das Lenksystem, bestehend aus Lenkmechanik und Electric-Power-Steering-Aktor (EPS-Aktor) mit Regler, steht dabei mit Modellen für Fahrzeug, Fahrbahn und Fahrer in Wechselwirkung. Für die Simulation von Fahrzeug und Fahrbahn werden die Automotive Simulation Models (ASM) von dSPACE eingesetzt. Bei dem verwendeten ASM Vehicle Dynamics Simulation Package handelt es sich um ein offenes Simulink®-Modell für die Echtzeitsimulation fahrdynamischer Anwendungen. Das Modell ermöglicht eine realitätsnahe Simulation der Fahrzeugdynamik und der sich auf die Lenkung auswirkenden Lastkräfte.
Aufgrund der offenen Struktur der ASM konnten eigene Modelle von EPS-Lenkungen auf einfache Weise integriert werden. Mit dSPACE ModelDesk wurden für die Fahrbahn eigene Straßenverläufe mit speziellen Oberflächeneigenschaften erstellt. In dieser Umgebung erfolgte die Entwicklung und Abstimmung der Lenkung mit üblichen Fahrmanövern, bei denen der Entwickler die Funktion des Fahrers mit Hilfe des Feedback-Lenkrads übernimmt. Für automatisierte Tests wurden ASM-Fahrermodelle verwendet, mit denen Manöver stets unter den gleichen Bedingungen wiederholt werden können.
Feedback-Lenkrad und HIL-Prüfstand
Für die Vermittlung eines realistischen Lenkgefühls erfüllen die Mechanik und die Elektronik des Feedback- Lenkrads hohe Anforderungen (Abbildung 2). Störende Einflüsse auf das Lenkgefühl durch zusätzliche Trägheitsmomente, Rastmomente, Reibung und Signallaufzeiten wurden bereits beim konstruktiven Entwurf
minimiert. Verbliebene Unzulänglichkeiten konnten mit Hilfe geeigneter Erweiterungen der HIL-Aktorregelung auf ein kaum spürbares Maß verringert werden. Die ASM sind mit dem Modell des Lenksystems im HIL-Prüfstand auf einem dSPACE Simulator implementiert. Dieser enthält eine modulare Echtzeithardware mit einem DS1006 Processor Board und die zur Ansteuerung des Feedback-Lenkrads benötigten Schnittstellenkarten. Damit steht für das gesamte Simulationsmodell und mögliche Erweiterungen ausreichend Rechenleistung bereit.
Einsatzmöglichkeiten für den HIL-Prüfstand
Bei der Model-in-the-Loop- und Software-in-the-Loop-Simulation wird der EPS-Regler zusammen mit dem ASMFahrzeugmodell auf dem dSPACE Simulator betrieben. Mit dem Einsatz des Feedback-Lenkrads kann das Lenkgefühl analysiert und durch Veränderung von Reglerstruktur, Parametern und Kennlinien angepasst werden. Weiter können bei Implementierung der Regelalgorithmen mit dSPACE TargetLink die Auswirkungen von Festkomma-Arithmetik untersucht und durch geeignete Maßnahmen gemindert werden. Wird der Regler auf einem Seriensteuergerät betrieben, kommen weitere Realisierungseffekte durch die Serienhardware (z.B. Signallaufzeiten und spezielle Schnittstellen) hinzu. Sie können separat betrachtet und in ihren möglichen Auswirkungen auf das Lenkgefühl minimiert werden.
Entwicklung von Algorithmen für Lenksysteme
Mit Hilfe der beschriebenen Prüfstandsumgebung wurden bereits verschiedene Algorithmen zur Erzeugung von Lenkgefühl erfolgreich entwickelt. So wurde zum Beispiel ein Algorithmus implementiert, der in der Grundcharakteristik des vermittelten Lenkgefühls einer hydraulischen Servolenkung entspricht und darüber hinaus die Lenkunterstützung abhängig von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit anpasst. Der Algorithmus ermöglicht so zum Beispiel momentenfreies Parkieren sowie eine zunehmende Mittenzentrierung bei höheren Geschwindigkeiten. Andere Algorithmen vermitteln dem Fahrer durch die Verwendung von Reifenkräften Informationen über das Kraftschlusspotential an den Radaufstandsflächen. Für diese Algorithmen wurde ein spezieller Fahrdynamikbeobachter eingesetzt, der neben den üblichen fahrdynamischen Größen wie Schräglaufwinkel oder Gierrate auch die Reifenkräfte schätzt und dabei ohne Reifenmodelle arbeitet.
Neben der Erzeugung von Lenkgefühl über Software bietet eine elektromechanische Lenkung ebenso die Möglichkeit, über aktive Lenkeingriffe die aktuelle Fahrsituation gezielt zu beeinflussen. Hierfür wurden Assistenzsysteme entwickelt und getestet, die über einen solchen Lenkeingriff das Fahrzeug in fahrdynamisch kritischen Situationen stabilisieren. Durch den Einsatz des HIL-Prüfstands konnte bei der Entwicklung aller Algorithmen mit dem Feedback-Lenkrad bereits im Vorfeld die Akzeptanz durch den Fahrer untersucht, bewertet und durch geeignete Maßnahmen optimiert werden.
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