Schätzung von Fahrzeugparametern auf Basis der Sensordatenfusion

Estimate of vehicle parametres based of the sensor data fusion

In der Doktorarbeit wurde ein Verfahren zur Ermittlung der Schwerpunkthöhe eines Fahrzeugs aus den Messwerten von Sensoren, die serienmäßig in vielen geländegängigen Fahrzeugen verbaut sind, entwickelt. Dieses Verfahren 
In der Doktorarbeit wurde ein Verfahren zur Ermittlung der Schwerpunkthöhe eines Fahrzeugs aus den Messwerten von Sensoren, die serienmäßig in vielen geländegängigen Fahrzeugen verbaut sind, entwickelt. Dieses Verfahren benötigt nur die Signale von Sensoren des elektronischen Stabilitätssystems (ESP) und eines Fahrwerks mit Luftfeder. Um die Höhe des Schwerpunkts zu bestimmen, wurde ein Modell entworfen, das die Drehbewegung des Fahrzeugs um seine Längsachse beschreibt. Eine der unbekannten Größen in diesem Modell ist das Produkt m_g\Deltah, wobei mit m_g die gefederte Masse des Fahrzeugs und mit Deltah der Abstand zwischen dem Schwerpunkt und der Wankachse des Fahrzeugs bezeichnet wird. Die Höhe des Schwerpunkts wird berechnet, indem zu diesem Abstand der als bekannt vorausgesetzte Abstand der Wankachse von der Straße addiert wird. Es wurden drei Varianten des Modells betrachtet. Die eine Modellvariante (stationäres Modell) beschreibt das Fahrzeugverhalten nur in solchen Fahrsituationen exakt, in denen die Wankgeschwindigkeit und die Wankbeschleunigung vernachlässigbar klein sind. In dieser Modellvariante wurden die Federkräfte mit einem detaillierten Modell der Luftfeder berechnet. Eine Eingangsgröße dieses Modells ist der Druck in den Gummibälgen der Luftfeder. Um diesen Druck zu ermitteln, wurde ein Algorithmus auf dem Steuergerät des Luftfedersystems implementiert. Um die Genauigkeit des Luftfedermodells zu testen und um die Abmessungen bestimmter Bauteile der Luftfeder zu ermitteln, wurden Messungen am Federungsprüfstand durchgeführt und eine Methode entwickelt, wie aus diesen Messungen die gesuchten Größen berechnet werden können. Bei den zwei übrigen Modellvarianten (dynamisches Modell) gelten die Einschränkung für die Fahrsituationen nicht. Die einzelnen Varianten des dynamischen Modells unterscheiden sich darin, dass das eine Mal die Feder- und Dämpferkonstanten als bekannt vorausgesetzt und das andere Mal aus den Sensorsignalen geschätzt werden. Passend zu jeder Modellvariante wurde ein Verfahren gewählt, mit dem Schätzwerte für das Produkt m_g\Deltah berechnet wurden. Des Weiteren wurde auch eine Methode entwickelt, mit der die Masse mg geschätzt wurde, ohne zuvor ein Wert für das Produkt m_g\Deltah zu ermitteln. Die Schätzwerte wurden unter Verwendung von Daten ermittelt, die bei einer Simulation und bei Messfahrten gewonnen worden sind. Das Ergebnis des Vergleiches der betrachteten Modellvarianten ist, dass die eine Variante des dynamischen Modells zum Teil falsche Werte für m_g\Deltah liefert, weil die Modellgleichungen ein nicht beobachtbares System bilden. Die andere Variante dieses Modells liefert nicht bei jeder Beladung exakte Werte, was vor allem daran liegt, dass in den Modellgleichungen dieses Modells ein konstanter Wert für die Federsteifigkeit angenommen wird. Bei Fahrzeugen mit Luftfeder ändert sich jedoch dieser Wert in Abhängigkeit von der Fahrzeugmasse. Die Werte von m_g\Deltah und mg können am genauesten mit dem stationären Modell ermittelt werden. Des Weiteren wurden Methoden entwickelt, die die Genauigkeit der durch den Schätzalgorithmus ermittelten Werte verbessern. So wurde zusätzlich zu dem Produkt m_g\Deltah und der Masse mg auch die Verteilung des Gewichtes auf die Vorder- und Hinterachse betrachtet. Es wurde ermittelt, welche Zusammenhänge zwischen dieser Verteilung und dem Produkt m_g\Deltah sowie zwischen dieser Verteilung und der Masse des Fahrzeugs bestehen. So konnte der Fehler in den Schätzwerten dieser Größen minimiert werden. Außerdem wurde auch der Zusammenhang zwischen dem Produkt m_g\Deltah und der Masse des Fahrzeugs ermittelt. Damit konnten die Schätzwerte dieser Größen genauer bestimmt werden. Aus den so gewonnenen Werten kann die Schwerpunkthöhe von einem Mercedes ML auf etwa 8cm genau berechnet werden. Diese Genauigkeit reicht aus, um das elektronische Stabilitätsprogramm auf die aktuelle Beladung des Fahrzeugs abzustimmen und damit einen Gewinn an Agilität für dieses Fahrzeug zu realisieren.
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In the doctoral thesis a procedure was developed to calculate the height of the centre of gravity (COG) of a vehicle from the measuring values of the sensors which are used serially in many area-current vehicles. This pr
In the doctoral thesis a procedure was developed to calculate the height of the centre of gravity (COG) of a vehicle from the measuring values of the sensors which are used serially in many area-current vehicles. This procedure needs only the signals of sensors of the electronic stability system (ESP) and an air suspension system. To determine the height of COG, a model which describes the rotary movement of the vehicle around his roll axis was formulated. One of the unknown parameters in this model is the product m_g\Deltah , where mg is the mass of the vehicle and Δh the distance between the COG and the roll axis of the vehicle. The height of COG is calculated, by adding to this distance the known distance between the roll axis and the street. Three variations of the model were analyzed. One model variation (stationary model) describes the vehicle behaviour only in such driving situations precisely in which the rolling speed and the rolling acceleration are neglect able small. In this model variation the spring tensions with a detailed model of the air suspension system were calculated. An input value of this model is the pressure in the elastic skin of the air spring. To determine this pressure, an algorithm on the control device of the air suspension system was implemented. To test the exactness of the air spring model and to determine the values of certain components of the air spring, measurements in a spring test bench were carried out and a method was developed as from these measurements the values in request can be calculated. With two remaining model variations (dynamic model) do not count the restriction to the driving situations. The variations of the dynamic model differ in the fact that in one model the air spring and damper parameters are assumed as known, and in the other model these values are estimated from the measured signals. A procedure with which estimated values for the product m_g\Deltah were calculated was chosen suitably to every model variation. Besides a method was also developed with which the mass m_g was estimated without investigating before a value of the product m_g\Deltah . The estimated values were determined under use of data which have been won by a simulation and in test drives. The result of the comparison of the analyzed model variations is that one variation of the dynamic model delivers partly wrong values for m_g\Deltah because the model equations form a not observable system. The other variation of this model does not deliver exact values with every loading what, above all, is due to the fact that in the model equations of this model a steady value of the spring stiffness is used. Nevertheless, with vehicles with air spring this value changes as a function of the vehicle mass. The values from m_g\Deltah and m_g can be determined most exactly with the stationary model. Besides methods which improve the exactness of the values ascertained by the estimation procedure were developed. Thus the distribution of the weight on the front and rear axle was also analyzed in addition to the product m_g\Deltah and the mass m_g. It was determined which correlation exist between this distribution and the product m_g\Deltah as well as between this distribution and the mass of the vehicle. Thus the inaccuracy could be minimized in the estimated values of these quantities. In addition, the correlation was also determined between the product m_g\Deltah and the mass of the vehicle. With it the estimated values of these quantities could be more exactly determined. From the so won values the height of COG of Mercedes ML can be exactly calculated at about 8 cm. This exactness is sufficient to tune the electronic stability program to the current loading of the vehicle and to realize with it a profit in agility for this vehicle.
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Metadaten
Author:Jacek Zaranek
URN:urn:nbn:de:hebis:30-75951
Referee:Roland Tetzlaff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2010/04/06
Year of first Publication:2010
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2010/02/15
Release Date:2010/04/06
Tag:Schwerpunkthöhe ; Schätzverfahren
automotive ; estimation methods; height of COG
SWD-Keyword:Fahrzeug ; Kalman-Filter
HeBIS PPN:222224789
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
PACS-Classification:89.20.Bb Industrial and technological research and development
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $