Seminaraufgabe SoSe 2021: Einspurmodell Gruppe A
Autoren: Lars Busskamp, Danny Jopp
Einleitung
In diesem Artikel wird die Ausarbeitung der Gruppe A im Modul Systems Design Engineering im Sommersemester 2021 dargestellt. Die Seminaraufgabe besteht darin ein lineares Einspurmodell mit Hilfe des V-Modells zu Entwickeln. Bei der Umsetzung und Darstellung wird das Programm MATLAB - SIMULINK 2020a verwendet. Für die Durchführung relevanten Parameter und Formeln sind dem Skript "Fahrwerksmanagement" entnommen.
Vorgehensweise nach dem V-Modell
- Anforderungsdefinition
- Funktionaler Systementwurf
- Technischer Systementwurf
- Komponentenspezifikation
- Programmierung/Modellierung
- Komponententest
- Integrationstest
- Systemtest
- Abnahmetest
Die Testfälle des V-Modells (6-9) wurden von Gruppe A für Gruppe K erstellt. Daher sind diese nicht im Wiki-Artikel beschrieben.
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Anforderungsdefinition
In dem zu erstellenden Lastenheft werden alle Projekt relevanten Inhalte, sowie die Terminplanung detailliert dargestellt. In den Anforderungen ist z.B. die Parameterfestlegung (Fahrzeughöhe und -länge, die Manöverauswahl und Eingabeparameter) hinterlegt. Des Weiteren sind aber auch genaue Abgabetermine der einzelnen Schritte des V-Modells im Lastenheft festgelegt. Die gesamte Anforderungsdefinition ist unter folgendem Link verfügbar: Anforderungsdefinition Gruppe A
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Der funktionale Systementwurf wurde von Prof. Dr. Göbel bereitgestellt und wird daher nicht detaillierter beschrieben.
Aus dem funktionalen Systementwurf wurde ein technischer Systementwurf abgeleitet (siehe Abb. 2)
Der technische Systementwurf besteht aus folgenden drei Modulen:
- Manöver
- Hier wird die Fahrzeuggeschwindigkeit und das zu fahrende Manöver festgelegt.
- Lineares Einspurmodel
- Dieses Modul beinhaltet die Modellierung des eigentlichen Modells.
- Auswertung
- In der Auswertung werden die gesammelten Daten graphisch dargestellt.
Der technische Systementwurf ist hier zu finden: Technischer Systementwurf Gruppe A
Komponentenspezifikation
Die Komponentenspezifikation definiert alle Komponenten, die im Modell zu finden sind. Dabei werden alle Ein- und Ausgänge der einzelnen Komponenten definiert und die dazugehörigen Berechnungen innerhalb der Komponenten dargestellt. Alle Formeln wurden dem uns zu Verfügung gestellten Skript Fahrwerkmanagement entnommen.
In der Komponentenspezifikation sind die in Abbildung 3 zu sehenden Komponenten beschrieben.
Zu finden ist die gesamte Komponentenspezifikation unter folgendem Link: Komponentenspezifikation Gruppe A
Umsetzung
Die Umsetzung erfolgte mit Hilfe von Matlab/Simulink. Dazu wurde zuerst eine Parameterdatei in Matlab angelegt (Abb. 4) Diese Parameterdatei liefert alle Information an das Simulinkmodell und ermöglicht die Simulation. In der Parameterdatei konnte das Fahrmanöver ausgewählt werden. Je nach Manöverauswahl wurde ein anderes Manöver in Simulink simuliert.
In der Manöversteuerung (Abb. 5) wird entsprechend dem gewählten Manövers einer von vier Fällen ausgeführt. Jeder Fall beinhaltet dabei ein spezielles Fahrmanöver.
Die Auswahl kann zwischen folgenden Manövern getroffen werden:
- konst. Geschw. konst. Lenkwinkel
- Lenkwinkelsteigerung mit konst. Geschw.
- Lenkwinkelsprung
- Slalomfahrt
Ausgabe der Manöverauswahl sind der Lenkwinkel und die Längsgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
Das Modell wird mit Konstanten aus der Parameterdatei und den zuvor in der Manöversteuerung ermittelten Längsgeschwindigkeit und dem Lenkwinkel betrieben.
Das Modul "Modell" beinhaltet fünf Komponenten,
- Winkelberechnung
- Reifen
- Gierdynamik
- Schwimmwinkel
- Querbeschleunigung
die für die Berechnung und Umsetzung der in der Komponentenspezifikation definierten Formeln zuständig sind. In Abbildung 6 ist das Modell zu sehen.
Das Modul "Auswertung" ist dazu da, die zuvor berechneten Größen innerhalb eines Scopes strukturiert darzustellen.
Dieses Scope beinhaltet die
- Beschleunigung des Fahrzeugs in X- und Y-Richtung
- Kräftesumme im Schwerpunkt
- Giergeschwindigkeit
- Schwimmwinkel
- Schräglaufwinkel
und plottet diese untereinander in einem Graphen wie in Abbildung 8 zu sehen.
Das lauffähige Simulinkmodell ist unter Entwicklung Gruppe A zu finden.
Ergebnis
Mit dem simulierten linearen Einspurmodell sind die erwarteten Ergebnisse zustande gekommen. Das Ergebnis einer Fahrt mit Lenkwinkelsprung ist beispielhaft in der folgenden Abbildung zu sehen.
Die Auswertung ist in 5 Diagramme unterteilt:
- Die Längs- und Querbeschleunigung
- Die Längs- und Querkraft
- Die Giergeschwindigkeit
- Den Schwimmwinkeln (vorne, hinten)
- Den Schräglaufwinkeln (vorne, hinten)
Zusammenfassung
Aufgabe der Seminararbeit ist die Entwicklung und Umsetzung eines linearen Einspurmodells, die stufenweise Entwicklung geschah mit Hilfe des im Vorfeld erläuterten V-Modells.
Die Programmierung und Visualisierung der verschiedenen Fahrmanöver wurde mittels MatLab/SimuLink ausgeführt.
Mit dem erstellten Modell können differierende Manöver (Abb. 5) abgebildet und wie im Ergebnis beschrieben werden.
Die Seminaraufgabe kombiniert die Theorie und Praxis bei der Entwicklung, darüber hinaus demonstriert sie, welche Probleme sich im Vorgehensmodell ergeben und durch welche Initiativen sich diese abstellen lassen.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass alle Anforderungen einbezogen und das entwickelte Modell erfolgreich umgesetzt wurde.
Arbeitsergebnisse
Die vollständigen Unterlagen zu der Durchführung befinden sich im SVN.
Literaturverzeichnis
→ zurück zum Hauptartikel: "Systems Design Engineering" - Seminaraufgabe SoSe 2021: Einspurmodell“