Seminaraufgabe SoSe 2021: Einspurmodell Gruppe J: Unterschied zwischen den Versionen

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Für die Anforderungsdefinition wurde ein Lastenheft erstellt. Das Lastenheft beinhaltet alle notwendigen Informationen und Anforderungen für die Entwicklung des linearen Einspurmodell. Es wurden zum Beispiel die Geometrie, das Gewicht, die Eingänge, die Manöversteuerung, die Anforderungen der Abgaben, die Software und die Dokumentation festgelegt. Die von uns fesgelegten Anforderungen sind unter dem folgendem Link aufrufbar: [https://svn.hshl.de/svn/BSE_SystemsDesignEng/trunk/Projekte/ESM_SS2021/Gruppen/Gruppe%20J/01_Anforderungsdefinition/ Anforderungsdefinition Gruppe J]<br>
Für die Anforderungsdefinition wurde ein Lastenheft erstellt. Das Lastenheft beinhaltet alle notwendigen Informationen und Anforderungen für die Entwicklung des linearen Einspurmodell. Es wurden zum Beispiel die Geometrie, das Gewicht, die Eingänge, die Manöversteuerung, die Anforderungen der Abgaben, die Software und die Dokumentation festgelegt. Die von uns fesgelegten Anforderungen sind unter dem folgendem Link aufrufbar: [https://svn.hshl.de/svn/BSE_SystemsDesignEng/trunk/Projekte/ESM_SS2021/Gruppen/Gruppe%20J/01_Anforderungsdefinition/ Anforderungsdefinition Gruppe J]<br>
[[Datei: Lastenheft Gruppe J.PNG |left|mini|600px|Abb. 1: Lastenheft]]
[[Datei: Lastenheft Gruppe J.PNG |left|mini|600px|Abb. 2: Lastenheft]]


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Damit wir ein technischer Systementwurf ableiten, hat uns Prof. Dr. Göbel ein funktionaler Systementwurf zur verfügung gestellt. Der abgeleitete technische  Systementwurf besteht aus 3 Modulen, die nachfolgend beschrieben werden:
Damit wir ein technischer Systementwurf ableiten, hat uns Prof. Dr. Göbel ein funktionaler Systementwurf zur verfügung gestellt. Der abgeleitete technische  Systementwurf besteht aus 3 Modulen, die nachfolgend beschrieben werden:


[[Datei:Systementwurf Gruppe J.PNG|left|mini|800px|Abb. 2: technischer Systemplan Gruppe J]] <br clear=all>
[[Datei:Systementwurf Gruppe J.PNG|left|mini|800px|Abb. 3: technischer Systemplan Gruppe J]] <br clear=all>


Der technische Systementwurf besteht aus folgenden drei Modulen:
Der technische Systementwurf besteht aus folgenden drei Modulen:
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=== Schwimmwinkel ===
=== Schwimmwinkel ===
Die Formel der Winkelgeschwindigkeit des Schwimmwinkels wird aus dem vereinfachten Schwerpunktsatz abgeleitet.
   
   
<math>\dot{\beta} = \frac{_KF_{Cy}}{m \cdot _Kv_{Cx}} - _K\dot{\psi} </math>
<math>\dot{\beta} = \frac{_KF_{Cy}}{m \cdot _Kv_{Cx}} - _K\dot{\psi} </math>


Durch Integration von <math>\dot{\beta}</math> ergibt sich der Schwimmwinkel des Fahrzeugs <math>\beta</math>.


<math>\beta_v = \beta + \frac{l_v \cdot _K\dot{\psi}}{_Kv_{Cx}} </math>
<math>\beta_v = \beta + \frac{l_v \cdot _K\dot{\psi}}{_Kv_{Cx}} </math>
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=== Reifen ===
=== Reifen ===


Der Achs-Schräglaufwinkel ist der Winkel zwischen der Reifenlängsachse und dem Geschwindigkeitsvektor des Radmittelpunkts.
 
<math>\alpha_v = \delta_v - \beta_v </math>
<math>\alpha_v = \delta_v - \beta_v </math>


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Basierend auf den Achs-Schräglaufwinkeln lassen sich zusammen mit der jeweiligen Achsseitensteifigkeit <math>c_v</math> und <math>c_h</math>, die Querkräfte an den Rädern bzw. Achsen berechnen.


<math>_RF_{yv} = c_v \cdot \alpha_v</math>
<math>_RF_{yv} = c_v \cdot \alpha_v</math>
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=== Karosserie ===
=== Karosserie ===


Nach dem Skript wird beim linearen Einspurmodell von kleinen Winkeln ausgegangen und damit ergeben sich damit folgende Formeln für die Kräfte in x- und y-Richtung.


<math>_KF_{xv} \approx \delta_v \cdot _RF_{yv}</math>
<math>_KF_{xv} \approx \delta_v \cdot _RF_{yv}</math>
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Aus den Kräften in x- und y-Richtung werden jeweils die Kräftesummen <math>_KF_{Cx}</math> und <math>_KF_{Cy}</math> gebildet. Durch Einsetzen des vorherigen Zusammenhanges können die folgenden Formeln gebildet werden.


<math>_KF_{Cx} = \delta_v \cdot _RF_{yv} + \delta_h \cdot _RF_{yh}</math>
<math>_KF_{Cx} = \delta_v \cdot _RF_{yv} + \delta_h \cdot _RF_{yh}</math>
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Durch das Dividieren der jeweiligen Kräfte mit der Masse des Fahrzeugs ergeben sich die Fahrzeugbeschleunigungen in Quer- und Längsrichtung des Fahrzeugs (y- und x-Richtung).


<math>_Ka_{Cy} = \frac{_KF_{Cy}}{m}</math>
<math>_Ka_{Cy} = \frac{_KF_{Cy}}{m}</math>
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<math>_Ka_{Cx} = \frac{_KF_{Cx}}{m}</math>
<math>_Ka_{Cx} = \frac{_KF_{Cx}}{m}</math>


Der Schwerpunktabstand der Hinterachse <math>l_h</math> ergibt sich aus der Differenz von dem Radstand  <math>l</math> und dem Schwerpunktabstand zur Vorderachse <math>l_v</math>.


<math>l_h = l - l_v </math>
<math>l_h = l - l_v </math>




Mithilfe des Drallsatzes lässt sich die Gierwinkelbeschleunigung <math>_K\ddot{\psi}</math> berechnen.


<math>_K\ddot{\psi} = \frac{l_v \cdot _KF_{yv} - l_h \cdot _KF_{yh}}{J_{zz}}</math>
<math>_K\ddot{\psi} = \frac{l_v \cdot _KF_{yv} - l_h \cdot _KF_{yh}}{J_{zz}}</math>
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=== Gierwinkel ===
=== Gierwinkel ===


Durch Integration der Gierwinkelbeschleunigung <math>_K\ddot{\psi}</math> ergibt sich die Gierwinkelgeschwindigkeit <math>_K\dot{\psi}</math>.


<math>_K\dot{\psi} = \int{_K\ddot{\psi}}\,dt</math>
<math>_K\dot{\psi} = \int{_K\ddot{\psi}}\,dt</math>
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=== Parameterskript ===
=== Parameterskript ===


[[Datei:Parameter MATLAB.png|left|mini|600px|Abb. 3: Parameter Gruppe J]] <br clear=all>
[[Datei:Manöver Auswhal Grppe J.PNG|left|mini|600px|Abb. 4: Parameter Gruppe J]] <br clear=all>


Die folgenden Manöver können für die  Steuerungen ausgewählt werden.  Diese Manöverauswahl ist in der obigen Parameterdatei (Abb. 3) in Matlab zu sehen, wobei man folgende Manöver auswählen kann:
Die folgenden Manöver können für die  Steuerungen ausgewählt werden.  Diese Manöverauswahl ist in der obigen Parameterdatei (Abb. 3) in Matlab zu sehen, wobei man folgende Manöver auswählen kann:
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=== Simulink Modell ===
=== Simulink Modell ===


[[Datei:Simulinkmodell Gruppe J.png|left|mini|800px|Abb. 4: Simulinkmodell Gruppe Gruppe J]] <br clear=all>
In dem Modul "Manöverauswahl" werden die Längsgeschwindigkeit und das Fahrmanöver für das eigentliche Einspurmodell ausgewählt.
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[[Datei:Simulinkmodell Gruppe J.png|left|mini|800px|Abb. 5: Simulinkmodell Gruppe Gruppe J]] <br clear=all>


=== Simulinkmodell Reifen ===
=== Simulinkmodell Reifen ===


 
In der Submodul Reifen werden die Achs-Schräglaufwinkel <math>\alpha_v</math>, <math>\alpha_h</math> und die Querkräfte <math>_RF_{yv}</math>, <math>_RF_{yh}</math> berechnet. Für die Umsetzung wurden einfache Additions- und Multiplikationsblöcke verwendet.
[[Datei:Reifen Gruppe J.png|left|mini|800px|Abb. 5: Reifen Gruppe J]] <br clear=all>
[[Datei:Reifen Gruppe J.png|left|mini|800px|Abb. 6: Reifen Gruppe J]] <br clear=all>
 


=== Simulinkmodell Manoever ===
=== Simulinkmodell Manoever ===


 
In dem Modul "Manöversteuerung" wählt der Benutzer ein Fahrmanöver aus und gibt seine gewünschten Parameter für Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und Fahrerlenkwinkel ein.
[[Datei:Manoever Gruppe J.png|left|mini|800px|Abb. 6: Manoever Gruppe J]] <br clear=all>
[[Datei:Manoever Gruppe J.png|left|mini|800px|Abb. 7: Manoever Gruppe J]] <br clear=all>


== Ergebnis ==
== Ergebnis ==
 
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Im Modul Auswertung werden die verschiedenen Signale aus den Komponenten dargestellt.
Im Modul Auswertung werden die verschiedenen Signale aus den Komponenten dargestellt.
 
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*Beschleunigung des Fahrzeugs in x- und y-Richtung <math>_Ka_{Cx}</math> und <math>_Ka_{Cy}</math> in m/s
*Summe der Kräfte im Schwerpunkt <math>_KF_{Cx}</math> und <math>_KF_{Cy}</math> in N
*Gierwinkelgeschwindigkeit <math>_K\dot{\psi}_{Cx}</math> in m/s
*Schwimmwinkel <math>\beta</math>, <math>\beta_v</math> und <math>\beta_h</math> in °
*Achs-Schräglaufwinkel <math>\alpha_v</math> und <math>\alpha_h</math> in °
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[[Datei: Auswertung Gruppe J.PNG|left|mini|800px|Abb. 8: Darstellung der Ergebnisse ]]
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Je nach ausgewähltem Manöver ID ergeben sich vier verschiedene Plots.
Je nach ausgewähltem Manöver ID ergeben sich vier verschiedene Plots.
<gallery mode="packed-overlay" heights="200">
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== Zusammenfassung ==
== Zusammenfassung ==


Das Ziel dieser Seminaraufgabe war ein lineares Einspurmodell im Laufe des Semesters mithilfe des V-Modells zu entwerfen und entwickeln. Dafür wurden erstmal die Anforderungen im Lastenheft aufgelistet.Danach wurde mit dem vorgegebenen technischen Systementwurf ein funktionaler Systementwurf abgebildet. Dann wurden die Eingänge, die Ausgänge und die Formeln jeder Komponenten bei der Komponentenspezifikation festgelegt.  Im nächsten Punkt kommt die Programmierung in MATLAB und Simulink. Im weiteren Verlauf wurde ein Komponententest durchgeführt, wobei die einzelnen Komponenten wurden getestet.Der Intergrationstest wurde auch vorgenommen, die Module zu testen. Folglich wurde beim Systemtest alle Module gemeinsam getestet. Der Abnahmetest dient dazu die Ergebnisse zu verbessern und die Dokumentation auf die Wikiseite fertigzustellen. Diese WikiSeite präsentiert und dokumentiert Punkt zu Punzt die Vorgehensweise und die Ergebnisse unserer Seminaraufgabe.


== Dokumentation ==
== Dokumentation ==

Aktuelle Version vom 12. Juli 2021, 22:52 Uhr

Autoren: Orience Charnelle Mefenya, Sarra Khedhiri


Einleitung

Diese Seminaraufgabe wurde im Studiengang "Business and Systems Engineering" in der Lehrveranstaltung "System Design Engineering" von Prof. Göbel erledigt. Die Studierenden lernen in dieser Veranstaltung und während der Seminaraufgabe wie man das V-Modell entwickelt und anwendet. Das Ziel dieser Seminaraufgabe besteht darin ein lineares Einspurmodell zu entwickelt. Dieses Wiki-Artikel stellt die Arbeit der Gruppe J dar. Das Programm MATLAB - SIMULINK 2020a wurde für die Bearbeitung dieser Seminaraufgabe verwendet.


Vorgehensweise nach dem V-Modell

Abb. 1: V-Modell [1]



Anforderungsdefinition

Für die Anforderungsdefinition wurde ein Lastenheft erstellt. Das Lastenheft beinhaltet alle notwendigen Informationen und Anforderungen für die Entwicklung des linearen Einspurmodell. Es wurden zum Beispiel die Geometrie, das Gewicht, die Eingänge, die Manöversteuerung, die Anforderungen der Abgaben, die Software und die Dokumentation festgelegt. Die von uns fesgelegten Anforderungen sind unter dem folgendem Link aufrufbar: Anforderungsdefinition Gruppe J

Abb. 2: Lastenheft



Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Damit wir ein technischer Systementwurf ableiten, hat uns Prof. Dr. Göbel ein funktionaler Systementwurf zur verfügung gestellt. Der abgeleitete technische Systementwurf besteht aus 3 Modulen, die nachfolgend beschrieben werden:

Abb. 3: technischer Systemplan Gruppe J


Der technische Systementwurf besteht aus folgenden drei Modulen:

  1. Manöversteuerung
    • Manöver auswählen und Bestimmung von der Einganggrößen.
  2. Einspurmodel
    • Das Bauen eines linearen Einspurmodell in Simulink und festlegung der Parameter für die Reifen, Karosserie,Schwimmwinkel.
  3. Auswertung
    • Darstellung der Signale an den Ausgängen.

Der abgeleitete technische Systementwurf ist hier aufrufbar: Technischer Systementwurf Gruppe J

Parameter Beschreibung Einheit
Tabelle 1: Parameter des Systementwurfs
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit im Fahrzeugschwerpunkt C
Fahrzeugquerbeschleunigung im Fahrzeugschwerpunkt C
Fahrzeufglängsbeschleunigung im Fahrzeugschwerpunkt C
Fahrzeugquerkraft im Fahrzeugschwerpunkt C
Fahrzeuglängskraft im Fahrzeugschwerpunkt C
Gierwinkelrate (Gierwinkelgeschwindigkeit)


Parameter Beschreibung Einheit
Tabelle 2: Schwimmwinkel des Systementwurfs
Schwimmwinkel
Schwimmwinkelanteil Vorderachse
Schwimmwinkelanteil Hinterachse


Parameter Beschreibung Einheit
Tabelle 3: Lenkwinkel des Systementwurfs
Lenkwinkel Vorderachse
Lenkwinkel Hinterachse


Parameter Beschreibung Einheit
Tabelle 4: Schräglaufwinkel des Systementwurfs
Schräglaufwinkel Vorderachse
Schräglaufwinkel Hinterachse



Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation definiert die Aufgabe, das Verhalten, den inneren Aufbau und die Schnittstellen der Komponenten. In den Submodulen Mannöversteuerung und Auswertung werden keine mathematischen Formeln verwendet. Das Submodul Modell wird, wie im technischen Systemplan beschrieben, in vier Komponenten unterteilt. Deren Funktionsweise soll im Folgenden mithilfe mathematischer Zusammenhänge erläutert werden. Bei der Herleitung wurden die in [2] beschriebenen Formeln verwendet, somit entstammen alle folgenden Herleitungen dieser Literatur.

Schwimmwinkel


Reifen


Karosserie






Gierwinkel

Umsetzung

Für die Umsetzung werden erstmal die Parameter mithilfe eines MATLAB Skriptes festgelegt und dann werden diese Parameter für die Simulation in Simulink verwendet.

Parameterskript

Abb. 4: Parameter Gruppe J


Die folgenden Manöver können für die Steuerungen ausgewählt werden. Diese Manöverauswahl ist in der obigen Parameterdatei (Abb. 3) in Matlab zu sehen, wobei man folgende Manöver auswählen kann:

    • Lenkwinkelsprung
    • Slalomfahrt
    • Keine Lenkbewegung
    • Gleichmäßiges Einlenken

Simulink Modell

In dem Modul "Manöverauswahl" werden die Längsgeschwindigkeit und das Fahrmanöver für das eigentliche Einspurmodell ausgewählt.

Abb. 5: Simulinkmodell Gruppe Gruppe J


Simulinkmodell Reifen

In der Submodul Reifen werden die Achs-Schräglaufwinkel , und die Querkräfte , berechnet. Für die Umsetzung wurden einfache Additions- und Multiplikationsblöcke verwendet.

Abb. 6: Reifen Gruppe J


Simulinkmodell Manoever

In dem Modul "Manöversteuerung" wählt der Benutzer ein Fahrmanöver aus und gibt seine gewünschten Parameter für Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und Fahrerlenkwinkel ein.

Abb. 7: Manoever Gruppe J


Ergebnis


Im Modul Auswertung werden die verschiedenen Signale aus den Komponenten dargestellt.

  • Beschleunigung des Fahrzeugs in x- und y-Richtung und in m/s
  • Summe der Kräfte im Schwerpunkt und in N
  • Gierwinkelgeschwindigkeit in m/s
  • Schwimmwinkel , und in °
  • Achs-Schräglaufwinkel und in °


Abb. 8: Darstellung der Ergebnisse



Je nach ausgewähltem Manöver ID ergeben sich vier verschiedene Plots.


Zusammenfassung

Das Ziel dieser Seminaraufgabe war ein lineares Einspurmodell im Laufe des Semesters mithilfe des V-Modells zu entwerfen und entwickeln. Dafür wurden erstmal die Anforderungen im Lastenheft aufgelistet.Danach wurde mit dem vorgegebenen technischen Systementwurf ein funktionaler Systementwurf abgebildet. Dann wurden die Eingänge, die Ausgänge und die Formeln jeder Komponenten bei der Komponentenspezifikation festgelegt. Im nächsten Punkt kommt die Programmierung in MATLAB und Simulink. Im weiteren Verlauf wurde ein Komponententest durchgeführt, wobei die einzelnen Komponenten wurden getestet.Der Intergrationstest wurde auch vorgenommen, die Module zu testen. Folglich wurde beim Systemtest alle Module gemeinsam getestet. Der Abnahmetest dient dazu die Ergebnisse zu verbessern und die Dokumentation auf die Wikiseite fertigzustellen. Diese WikiSeite präsentiert und dokumentiert Punkt zu Punzt die Vorgehensweise und die Ergebnisse unserer Seminaraufgabe.

Dokumentation

Link zu der Ausarbeitung in SVN

Literaturverzeichnis

  1. Abb.1 - Seminaraufgabe, das Einspurmodell, Prof. Dr.-Ing Mirek Göbel/
  2. Göbel, M.: Fahrwerkmanagement Skript, Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Version 1.7, 10.06.2020