Seminaraufgabe SoSe 2021: Einspurmodell Gruppe C

Autoren: Katrin Schöne, Maike Lütkewitte


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Einleitung

Die Studierenden des Masterstudiengangs "Business and Systems Engineering" sollen im Rahmen des Moduls "Systems Design Engineering" ein Einspurmodell in MATLAB^® und Simulink^® entwickeln.

Die Seminararbeitet beinhaltet folgende Ziele und Rahmenbedingungen :

• Modell herleiten
• Lineares Einspurmodell in Simulink erstellen (alle Berechnungen in Simulink)
• Modell parametrieren (alle Parameter per Skript in Matlab laden)
• Modell zur Simulation von Fahrmanövern nutzen
• Nutzung der Matlab-Version 2020a

Vorgehensweise nach dem V-Modell

Die Rahmenstruktur für die Seminararbeit bildet das V-Modell. Dieses teilt sich in einen Entwicklungszweig und einen Test- und Integrationszweig auf, die zusammen die namensgebene V-Struktur bilden.

Entwicklungszweig:

1. Anforderungsdefintion
2. Funktionaler Systementwurf
3. Technischer Systementwurf
4. Komponentenspezifikation
5. Programmierung

Test- und Integrationszweig:

1. Komponententest
2. Integrationstest
3. Systemtest
4. Abnahmetest

In dieser Dokumentation wird nur der Entwicklungszweig betrachtet.

Anforderungen

Zunächst werden die Anforderungen an das Projekt definiert, um alle Anforderungen und notwendigen Informationen vom Auftraggeber zu sammeln. Das erarbeitete Lastenheft ist in sechs Kapitel aufgeteilt:

1. Allgemeines Vorgehen
2. Anforderungen an den strukturellen Aufbau des Modells
3. Technische Anforderungen an das Modell
4. Anforderungen an Benutzerschnittstellen
5. Software / Werkzeuge
6. Dokumentaion im HSHL Wiki

Die nachfolgende Tabelle enthält einen Auszug mit den wichtigesten Punkten aus der Anforderungsliste. Das gesamte Dokument kann im SVN eingesehen werden.

Tabelle 1: Auszug aus der Anforderungsliste

ID	Kapitel	Inhalt
002	1	Die Seminaraufgabe muss nach dem V-Modell bearbeitet werden.
004	1	Das Modell zur Fahrzeugsimulation muss hergeleitet werden.
005	1	Das Modell zur Fahrzeugsimulation muss implementiert werden.
006	1	Das Modell muss zur Simulation von Fahrmanövern genutzt werden.
009	2	Das Modell muss in drei Module aufgeteilt werden: Manöverauswahl Modell Auswertung
010	2	Die Module müssen in sinnvolle Komponenten aufgeteilt werden: Reifen Karosserie Gierdynamik Berechnung Schwimmwinkel vorne/hinten etc.
017	3	Das lineare Einspurmodell muss folgende Eingangsparameter besitzen: Geschwindigkeit Lenkwinkel
018	3	Die Eigenschaften des Modells (z.B. die Masse des Fahrzeugs) müssen realitätsnah parametriert werden.
019	3	Es müssen folgende Ausgänge berechnet werden: Schräglaufwinkel v/h Schwimmwinkel gesamt/v/h Quer- und Längskräfte v/h Quer- und Längsbeschleunigung (ca. 0-4 m/s2)
022	4	Dem Benutzer muss die Möglichkeit gegeben werden, das gewünschte Fahrmanöver durch geeignete Parameter zu beschreiben.
023	4	Die Ausgangssignale müssen graphisch dargestellt werden.
025	5	Das lineare Einspurmodell muss in Simulink gebaut werden.
026	5	Das Modell muss in MATLAB parametriert werden.
027	5	Es muss die MATLAB-Version 2020a verwendet werden.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Der funktionale Systementwurf soll die Systemstruktur ermitteln und dabei lösungsneutral sein. Im Systemplan, der jeder Gruppe zur Verfügung gestellt wurde, gibt es die drei Module Manöversteuerung, Modell und Auswertung.

Der folgende technische Systementwurf(vgl. Abb. 1) entstammt diesem funktionalen Systemplan.

Abb 1: Der technische Systemplan in Simulink

In dem Modul "Manöversteuerung" wählt der Benutzer ein Fahrmanöver aus und gibt seine gewünschten Parameter für Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und Fahrerlenkwinkel ein. Diese Eingabe wird über eine Benuteroberlfäche (GUI) umgesetzt (vgl. Abb. 2).

Abb 2: Das Modul "Manöversteuerung" im technischen Systemplan

Der Eingang für dieses Modul ist die Benutzereingabe, die über die GUI umgesetzt wird. Als Ausgänge sind Fahrzeuglängsgeschwindigkeit $_Kv_{cx}$ und Fahrerlenkwinkel $\delta_F$ definiert.

Das nachfolgende Modul "Modell" (vgl. Abb. 3) berechnet aus den Eingaben $_Kv_{cx}$ und $\delta_F$ und den voreingestellten Parametern das Fahrverhalten nach dem linearen Einspurmodell. Es setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

• Lenkwinkel
• Schwimmwinkel
• Räder
• Karosserie
• Gierwinkel
• Schwerpunktsatz

Abb 3: Das Modul "Modell" im technischen Systemplan

Tabelle 2: Darstellung der Komponenten im Modul "Modell"

Komponente	Beschreibung	Eingänge	Ausgänge
Lenkwinkel	Berechnung des Lenkwinkels für jeweils die Vorder- und Hinterachse	$\delta_F$	$\delta_v , \delta_h$
Schwimmwinkel	Berechnung des Schwimmwinkels von Fahrzeug sowie Vorder- und Hinterachse	$_Kv_{cx}, _K\dot{\psi} , \delta_v$	$\beta, \beta_v, \beta_h$
Räder	Berechnung von Achsschräglaufwinkel und der Querkräfte an den Rädern	$\beta_v, \beta_h, \delta_v, \delta_h$	$_RF_{yv}, _RF_{yh}, \alpha_v, \alpha_h$
Karosserie	Berechnung von Quer-/Längskräfte in Fahrzeugkoordinaten und daraus die angreifenden Kräftesummen im Schwerpunkt	$\delta_v, \delta_h, _RF_{yv}, _RF_{yh}$	$_KF_{yv}, _KF_{yh}, _KF_{cx}, _KF_{cy}$
Gierwinkel	Berechnung der Modellgierrate	$_KF_{yv}, _KF_{yh}$	$_K\dot{\psi}$
Schwerpunktsatz	Berechnung der Modellbeschleunigung	$_KF_{yv}, _KF_{yh}, _Kv_{cx}$	$_Ka_{cy}, _Ka_{cx}$

Nach der Berechnung des Fahrverhaltens werden folgende Größen als Ausgänge des Moduls "Modell" ausgegeben:

• $\beta$
• $\beta_v$
• $\beta_h$
• $_K\dot{\psi}$
• $\alpha_v$
• $\alpha_h$
• $_KF_{cx}$
• $_KF_{cy}$
• $_Ka_{cy}$
• $_Ka_{cx}$

Die Ausgänge des Modells werden in das Modul "Auswertung" als Eingänge überführt und dort grafisch mit einem Scope dargestellt.

Arbeitsergebnisse

Die vollständigen Unterlagen zu der Durchführung befinden sich im SVN.