Ein modulares Simulationskonzept zur Evaluierung von Positionssensoren sowie Filter- und Regelalgorithmen am Beispiel des automatisierten Straßenbaus

Abstract

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.

In recent years, great progress has been made in the field of automated road construction, so that automated construction machines are already widely used on large highway construction sites. In these machines automated height control of the tools is mainly used. A completely automated control of the position and height of the vehicle and the tool is only realized for slow-moving construction machines such as asphalt pavers and slip form pavers. The design of such systems is usually carried out individually for each machine, for which the combination of sensors, filters and control algorithms is of prime importance. Usually, the design must be effected again for each type of construction machine. Previous simulations for the implementation of the software on the machine computer are usually realized on software side. An intermediate step is missing in which sensor components or filter algorithms can be tested individually in the laboratory without being affected by outside influences such as of the ground or other environmental influences. The development of a three-step approach in this thesis closes this gap by developing an additional hardware-in-the-loop simulator. For the hardware-in-the-loop simulator remote-controlled vehicles in a scale of 1:14 are used which are able to reflect a realistic kinematic behavior. Simulations can be performed due to the interconnection of different sensors, software, and the remote-controlled models. Thereby new sensors and algorithms can be optimized in laboratory with respect to their implementation. For the realization of the simulator, a geometric description of widely spread kinematic vehicle models is set up. Furthermore, an exemplary geometric description is shown for three characteristic tools of construction machines. These tools are the plate of a bulldozer, the plate of a motor grader and the screed of an asphalt paver. A local sensitivity analysis is carried out on the basis of two of these geometrical tool models, which determines the influence of various sensors on the achievable position accuracy of the tools. For a better understanding of the terms of systems theory and control engineering, a brief introduction is given to these topics. In this introduction, the focus is laid on controllers used for lateral control of the vehicle models on a predetermined trajectory in the simulator. The controllers used consist of various combinations of the PID controller and are thus based on a non-model based approach. The root mean square (RMS = Root Mean Square) is adopted for the description of the control quality. The RMS is calculated with lateral deviations of the vehicle to a desired trajectory during the lateral control. It will be applied to evaluate the used sensors, the controllers and filter algorithms in the control loop. Before using the controllers in the simulator system, they will be evaluated by means of software simulations. Three robotic total stations are used for the positioning of the controlled vehicles in the simulator. They will be analyzed as to their achievable accuracy in order to determinate the control quality. In this case also a laser tracker is used as a position reference, so that it is possible to make a separation of the control quality from the accuracy of the measurement. The vehicles implemented in the simulator are a caterpillar and a truck model. With these remote-controlled models it is possible to investigate a large range of vehicle models found on construction sites. In order to determine the steering parameters for a computer-aided control system, an automated calibration method is presented for these models. The simulator is used for testing the implemented vehicle models and also to compare two variants of Kalman filters with respect to improving the control quality. Within the test series, a control quality of 2 - 4 mm at a speed range of 10 - 30 cm/s could be achieved.