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Ein modulares Simulationskonzept zur Evaluierung von Positionssensoren sowie Filter- und Regelalgorithmen am Beispiel des automatisierten Straßenbaus
(2012) Beetz, Alexander; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Im Bereich des automatisierten Straßenbaus gab es in den letzten Jahren sehr große Fortschritte, sodass auf großen Autobahnbaustellen schon vielfach automatisierte Baumaschinen eingesetzt werden. Bei diesen Maschinen findet hauptsächlich nur eine automatische Höhenregelung der Werkzeuge statt. Eine vollständige automatische Steuerung von Lage und Höhe des Fahrzeuges und Werkzeuges ist nur bei langsam fahrenden Baumaschinen, wie z.B. bei Asphaltfertigern und Randsteinfertigern, umgesetzt. Der Aufbau solcher Systeme wird zumeist individuell für jede Maschine durchgeführt, wobei das Zusammenspiel von Sensoren, Filter- und Regelalgorithmen von zentraler Bedeutung ist und für jeden Baumaschinentyp erneut vorgenommen werden muss. Simulationen für die Implementierung der Software auf dem Maschinenrechner und den zu verwendenden Sensoren werden meist nur softwareseitig durchgeführt. Ein Zwischenschritt, bei dem sowohl einzelne Sensorkomponenten oder auch die zu implementierenden Filter im Labor ohne äußere Einflüsse, wie z.B. Bodenbeschaffenheit oder andere Umgebungseinflüsse, getestet werden können fehlt. Das in dieser Arbeit entwickelte dreistufige Simulationskonzept schließt mit der Entwicklung eines zusätzlichen Hardware-In-The-Loop Simulators diese Lücke. Für den Hardware-In-The-Loop-Simulator werden ferngesteuerte Fahrzeugmodelle im Maßstab 1:14 eingesetzt, welche die kinematischen Fahreigenschaften realitätsnah abbilden. Durch das Zusammenschalten von Sensoren, Software und den Modellen können entsprechende Simulationen durchgeführt werden, um die neu einzubindenden Sensoren und Algorithmen im Labor zu optimieren. Zur Umsetzung des Simulators findet, neben der geometrischen Beschreibung von weitverbreiteten Fahrzeugmodellen im Straßenbau, auch eine exemplarische Beschreibung von drei charakteristischen Werkzeugen statt. Bei diesen handelt es sich um die Werkzeuge einer Planierraupe, eines Motorgraders und eines Asphaltfertigers. Anhand von zwei dieser geometrischen Werkzeugmodelle wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, welche den Einfluss verschiedener Sensoren auf die erreichbare Positionsgenauigkeit der Werkzeuge untersucht. Zum besseren Verständnis der systemtheoretischen und regelungstechnischen Begriffe für die Beschreibung des Simulators wird eine kurze Einführung in diese Thematik gegeben. Dabei wird gezielt auf die im Simulator benutzten Regler zur Querregelung der Fahrzeugmodelle auf einer vorgegebenen Trajektorie (Soll-Trajektorie) eingegangen. Die verwendeten Regler bestehen aus verschiedenen Kombinationen der einzelnen Parameter des PID-Reglers und beruhen somit auf einem nicht modellbasierten Ansatz. Für die Beschreibung der Regelgüte, am Beispiel der Querregelung, wird zur Evaluierung der Sensoren sowie der Regel- und Filteralgorithmen im Regelkreis der quadratische Mittelwert (Root Mean Square = RMS) eingeführt. Dieser berechnet sich aus den Querabweichungen der Fahrzeuge zu einer Soll-Trajektorie während der Querregelung. Vor dem Einsatz der Regler im Simulatorsystem werden diese anhand von Softwaresimulationen evaluiert. Zur Positionsbestimmung der zu regelnden Fahrzeuge werden drei Robot-Tachymeter im Simulator eingesetzt. Diese werden hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit für die Bestimmung der Regelgüte untersucht. Hierfür wird als Positionsreferenz zusätzlich ein Laser-Tracker verwendet, mit dessen Hilfe eine Trennung von Regelgüte und Messgenauigkeit erreicht werden kann. Bei den im Simulator integrierten Fahrzeugen handelt es sich um ein Raupen- und um ein LKW-Modell, mit deren Hilfe ein Großteil der im Straßenbau vorkommenden Fahrzeugmodelle untersucht werden kann. Für diese Modelle wird ein automatisiertes Kalibrierverfahren zur Bestimmung der Lenkparameter zur rechnergestützten Steuerung vorgestellt. Bei den praktischen Experimenten, die mit Hilfe des Simulators durchgeführt werden, findet neben der Überprüfung der implementierten Fahrzeugmodelle auch ein Vergleich von zwei Kalman-Filter-Varianten zur Verbesserung der Regelgüte statt. Innerhalb der Testreihen konnte in einem Geschwindigkeitsbereich von 10 - 30 cm/s eine Regelgüte von 2 - 4 mm erreicht werden.