Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Als klimafreundliche Alternative zu den konventionellen Kraftstoffen Diesel und Benzin bietet sich der Einsatz von gasförmigen Energieträgern im Verbrennungsmotor an. Dabei ist der Einsatz von Erdgas Stand der Technik. Zur Senkung von CO2 Emissionen werden dem Erdgasnetz vermehrt Biogase und regenerativ erzeugter Wasserstoff zugemischt, wodurch sich die Zusammensetzung des Gases verändert. Dies beeinflusst das Verhalten von gasbetriebenen Motoren. Ziel der Arbeit ist es, eine Festlegung zu treffen, welche Gasgemische für künftige Untersuchungen von Gasmotoren, als Kraftstoff in Frage kommen. Dazu wird mit Hilfe einer Literaturrecherche herausgearbeitet, welche Gase bereits in Verbrennungsmotoren Anwendung finden. Außerdem wird der Versuchsaufbau analysiert, an dem die Versuche durchgeführt werden. Dieser besteht aus einem Motorprüfstand, der zur Kraftstoffversorgung um eine Gasmischanlage erweitert wurde. Für die effiziente Versorgung der Gasmischanlage wird, unter Beachtung der räumlichen Gegebenheiten am Standort der TU Ilmenau, ein Konzept erarbeitet.
Evaluierung von maschinellen Lernalgorithmen zur Tauglichkeit für kontinuierliche Regelungsprobleme im Bereich Fahrzeugtechnik. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In modernen Kraftfahrzeugen existiert eine Vielzahl an zu kontrollierenden, kontinuierlichen Regelungsproblemen. Neben konventionellen Reglern sind auch neuronale Netze, welche in maschinellen Lernalgorithmen eingebettet sind, in der Lage diese Aufgaben durch Training zu erlernen und zu übernehmen. Ziel dieser Arbeit ist es, jene sogenannten Reinforcement Learning Algorithmen auf ihre Anwendbarkeit bezüglich kontinuierlicher Regelungsprozesse zu untersuchen. Zunächst werden die mathematischen Grundlagen der Algorithmen analysiert, um deren unterschiedliche Arbeitsweise aufzuzeigen. Anschließend werden diese Reinforcement Learning Programme in verschiedenen Experimenten genauer untersucht. Hierfür wurde eine Schnittstelle implementiert, welche es erlaubt die maschinellen Lernalgorithmen in unterschiedlichen Umgebungen zu testen. Dabei wurden verschiedene charakteristische Kennwerte der Algorithmen aufgenommen und anschließend ausgewertet. Die Umgebungen, in welchen die Algorithmen getestet wurden, sind hierbei sehr vielfältig und reichen von klassischen akademischen Beispielen bis hin zu realen Regelungsprozessen. Dieser Realversuch wurde anschließend an einem physisch vorliegenden Heißgasprüfstand wiederholt, um eventuelle Abweichungen zur virtuellen Umgebung herauszuarbeiten und zu untersuchen.
Entwicklung eines Prüfstandes zur Validierung kamerabasierter Fahrerassistenzsysteme im Rahmen des automatisierten Fahrens. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
In dieser Arbeit soll ein Prüfstand zur Validierung kamerabasierter Fahrerassistenzsysteme im Rahmen des automatisierten Fahrens entwickelt und als Demonstrator umgesetzt werden. Validiert wird dieser anhand eines Algorithmus zur Verkehrszeichenerkennung. Mit diesem Prüfstand sollen bereits in einem frühen Entwicklungsstadium Fahrerassistenzsysteme virtuell getestet werden können. Gegenüber herkömmlichen Tests in einer realen Umgebung weist diese Methodik Einsparpotential in Aufwand und Kosten auf. Der Demonstrator besteht aus einer Webcam als Kamerasystem, einem Bildschirm als Simulations abbildendes System und einem Computer, der als zentrales Fahrerassistenzsteuergerät und zur Simulationserzeugung dient. Auf dem Bildschirm wird eine Autofahrt aus der Sicht einer "Front View" Kamera angezeigt. Die von der Webcam, beim abfilmen des Bildschirms, generierten Bilder werden über eine USB Verbindung an den Computer übergeben und in den Algorithmus zur Verkehrszeichenerkennung eingespeist. Der Algorithmus setzt sich aus zwei neuronalen Netzen zusammen. Das Erste Netzwerk, ein R-CNN, sucht jedes Bild nach Verkehrszeichen ab. Bei Erkennungen wird die RoI ausgeschnitten und an das Zweite neuronale Netz, ein CNN, übergeben. Dieses klassifiziert das übergebene Verkehrszeichen und gibt eine "top 5 prediction list" aus. Beide Netzwerke wurden mit der Methode des "Transfer learning" trainiert. Für das Training wurden zwei bereits bestehende Datensätze und ein selbst erstellter verwendet. Für das Training werden den Netzen 70% der Datenbank gezeigt, die restlichen 30% dienen als Validierung. Um die auf das Ergebnis der Verkehrszeichenerkennung einflussnehmenden Faktoren herauszufiltern wurden mehrere Versuchsreihen mit unterschiedlichen Parametern absolviert. Variierende Parameter waren die Position der Webcam, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Art der eingespeisten Videos, sprich live oder aufgenommene. Als einflussnehmende Faktoren zeigten sich die Bildgröße, Bildqualität und die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Algorithmus. Die Erkennungs- und Klassifizierungswahrscheinlichkeiten wurden unter verschiedenen Aspekten, mittels einer virtuellen Teststrecke untersucht.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In der frühen Phase der Fahrzeugentwicklung erfolgt im Rahmen der Fahrwerksauslegung durch die Auslegung von sowohl Kinematik als auch Elastokinematik die Weichenstellung für das spätere Fahrverhalten des Gesamtfahrzeugs. Im Hinblick auf Kostenreduzierung und Effizienzsteigerung findet die Fahrwerksauslegung immer weniger mithilfe von Hardwareversuchen und Prototypen sondern zunehmend in virtuellen Umgebungen statt. Dennoch kommt die virtuelle Fahrwerksauslegung bisher nicht ohne Expertenabschätzungen aus dem Hardwareumfeld aus. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Fahrwerkskenngröße eines bestehenden Fahrzeugs variiert und entstehende Änderung in Fahrverhalten und Fahrdynamik untersucht werden. Dazu sollen Fahrzeugmodelle mit unterschiedlichen Werten der Kenngröße erstellt werden. Anschließend werden die Modelle simulativ verschiedenen fahrdynamischen Manövern unterzogen und anhand der Ergebnisse sowohl untereinander als auch mit dem Serienstand verglichen. Ziel dieser Arbeit ist es eine Vorgehensweise zu entwickeln, mit der die bisherige Festlegung der Fahrwerkskenngröße mithilfe einer Expertenabschätzung durch dessen aktive Auslegung ersetzt wird. Die Arbeit umfasst neben der Darstellung von Grundlagenwissen zu Fahrwerkskonzeption und Fahrwerksauslegung eine Beschreibung der verwendeten Software und Technologien. Ferner erfolgen genauere Ausführungen zu Definition und Kinematik der untersuchten Fahrwerkskenngröße, sowie deren Einfluss auf das Fahrverhalten. Damit verbunden werden weitere zu variierende Fahrwerksparameter definiert. Im Methodikteil wird zunächst die Vorgehensweise festgelegt und die notwendigen Eingangs- und Ausgangsparameter mitsamt ihren Grenzen für die Variation bestimmt. Im zweiten Teil findet die Durchführung der geplanten Tätigkeiten statt. In der Auswertung erfolgt ein Vergleich der variierten Fahrzeugmodelle mit dem Serienfahrzeug.
Aufbau und Validierung eines Brake-Blending-Controllers im Rahmen einer Gesamtfahrzeugsimulation. - Ilmenau. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Durch den vermehrten Einsatz von Prüfstandsanwendungen in der Fahrzeugentwicklung ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, einzelne Komponenten unter realen Bedingungen mit simulierten Modellen zu verknüpfen. Die vorliegende Masterarbeit greift dort an und behandelt ein Gesamtfahrzeugmodell eines batteriebetriebenen elektrischen SUVs mit vier Radnabenmotoren innerhalb einer geeigneten Simulationsumgebung. Hierfür lag besonderer Fokus auf dem Antriebsstrang, der Traktionsbatterie und dem Chassismodell mit 15 Freiheitsgraden. Im Rahmen einer Co-Simulation zur Veranschaulichung von X-in-the-Loop Anwendungen wurde dieses Modell durch einen Brake-Blending Controller erweitert. Dieser soll das Zusammenspiel von hydraulischer Reib- und elektrischer Generatorbremse optimieren und ist auf die Simulationsgegebenheiten angepasst. Der Controller steuert vier rekuperierende Räder und arbeitet mit einer seriellen Rekuperationsstrategie nach dem rule-based Prinzip. Im Anschluss wurden ausführliche simulative Fahrmanöver zur Veranschaulichung der Wirkweise dieses Controllers gemeinsam mit dem Gesamtfahrzeugmodell durchgeführt. Anhand von Testzyklen und konstanten Bremsungen unter Variation der Ausgangsgeschwindigkeit und Generatorkennlinie konnte die Funktionsweise des Brake-Blendings veranschaulicht und die Funktionalität für diesen Anwendungsbereich dargelegt werden. Als Abschluss der Arbeit wurden verschiedene Konzepte zur Verknüpfung von Simulationstools erarbeitet. Diese ermöglichen es, die jeweiligen Vorteile der unterschiedlichen Programme zu kombinieren. Dadurch ergeben sich bei späteren Anwendungsfällen mehr Möglichkeiten einer Versuchsdurchführung und der Auswertung. Als Ergebnis ist eine Co-Simulation eines Gesamtfahrzeugmodells und eines Brake-Blending Controllers entstanden, welche als Basis für weitere Anwendungszwecke wie eine Anbindung an einen Prüfstand für In-Wheel Motoren dient oder durch Fahrdynamikregelsysteme erweitert werden kann.
Entwurf einer Softwareplattform zur Simulation partikelförmiger Bremsenemissionen von PKW. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Ziel dieser Arbeit ist die Korrelationsanalyse zwischen den Betriebsbedingungen einer Scheibenbremse (z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Bremsscheibentemperatur, Bremsdruck und Bremszeit) und der Anzahl der bremsbedingten Partikelemissionen. Die Studie untersucht Emissionsdaten, die verschiedenen Zyklen entsprechen, von denen eine auf Dynamometer-Test und zwei RDE-konformen Verfahren basiert. Neuronale Netze werden verwendet, um den Emissionsbildungsprozess zu lernen und eine modellbasierte Sensitivitätsanalyse durchzuführen. Die modellbasierte Sensitivitätsanalyse wird auch durch die Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse unterstützt. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse ermöglichen die Identifizierung von drei verschiedenen Modellen: (i) Kennfeld-basiert; (ii) Antwortfläche mit zweiten-Grades-Polynom; (iii) statische neuronale Netze. Die Abschätzungsleistung der eingeführten Modelle wird anhand der experimentellen Daten bewertet. Dies zeigt, dass neuronale Netze die anderen Methoden zur Abschätzung der bremsbedingten Emissionen unter RDEBedingungen übertreffen. Die vorgeschlagenen Modelle werden dann in einer Simulink-Umgebung implementiert, die in zukünftigen Studien zur Verbesserung der SIL / MIL/ HIL-Simulation verwendet werden könnte.
Analyse und Bewertung der vorhandenen Strukturen in der Lenkermontage und Erarbeitung alternativer Konzepte unter Berücksichtigung ökonomischer Aspekte. - Ilmenau. - 81, XXXIX Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Im Rahmen dieser Arbeit werden vorhandene Montageanlagen für Fahrwerkslenker analysiert und bewertet. Hierfür wird zunächst der allgemeine Stand der Technik für Montageprozesse erörtert. Aufbauend darauf erfolgt eine systematische und anforderungsgerechte Montagesystemplanung. Ziel dieser Masterarbeit ist die Vorstellung möglicher und wirtschaftlich sinnvoller Montagesysteme für die zugrundeliegenden Prozesse, sowie der Vergleich untereinander. Die derzeit verwendeten Anlagen werden dabei eingeordnet und optimiert. Eine Senkung der Montagekosten bei gleichbleibender Produktqualität soll somit erzielt werden. Des Weiteren können die durch diese Arbeit aufgestellten Planungssystematiken auf andere Montageplanungsprojekte angewandt werden.
Bewertung des Reifeneinlaufverhaltens auf die Partikelemission. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Der Ausstoß von Partikeln durch den Verbrennungsmotor ist seit Jahren gesetzlich limitiert. Jedoch gibt es auch weitere Emissionsquellen am Kraftfahrzeug, die so genannten antriebsfernen Emissionen, welche nicht zu vernachlässigen sind. Durch abrasive Prozesse lösen sich einzelne Elemente von den Reibpartnern und die Oberfläche verschleißt. Untersuchungen unter Laborbedingungen haben gezeigt, dass die emittierten Partikel über die Lebensdauer nicht konstant sind. Beobachtet wurde eine starke Veränderung der Emissionen auf den ersten Kilometern und eine deutlich kleinere Menge nach höheren Lauffeistungen. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkung des Einlaufverhaltens auf die Partikelemission und die Entwicklung einer Einlaufprozedur. Um dies zu überprüfen, wird ein neuer Fahrzyklus am Conrer-Modul-Prüfstand implementiert. Als Grundlage dient der Ilmenau-Arnstadt-Zyklus, welcher den Anforderungen an einen Real-Driving-Emission-Test entspricht. Dazu wird ein auf der Straße gefahrener Zyklus ausgewertet und das Geschwindigkeitssignal um eine aktive Radbremse und eine dynamische Radlaständerung ergänzt. Die Partikel werden über eine Messstrecke aufgenommen. Die zeitliche Veränderung der emittierten Partikel wird ausgewertet, um damit den Zustand des Einlaufens zu bewerten. Mit dem Erreichen des Zustands eines eingelaufenen Reifens werden die Versuche umgestellt, um das Verhalten auf die Konstantfahrten zu überprüfen und eine Vergleichbarkeit zu den Arbeiten vorher herzustellen. In der Arbeit werden optische und qualitative Methoden zur Bewertung der Oberflächenstruktur und -beschaffenheit hinzugezogen und bewertet. Diese werden dann auf die Laueistung des Reifens übertragen und zeigen, dass beide Kriterien qualitative Informationen enthalten. Abschließend wird eine Prozedur zum Einfahren von Reifen unter RDE-Bedingungen entwickelt.
Aufbau einer Simulationsumgebung zur Validierung neuer Fahrerassistenzsysteme im Rahmen des autonomen Fahrens. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Heutige Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Assistenzsystemen ausgestattet. Dabei werden Steuergeräte und Sensoren verwendet, mit welchen Assistenzfunktionen realisiert werden können. Bei der zunehmenden Automatisierung von Fahrzeugen steht die Sicherheit an erster Stelle, daher müssen Assistenzsysteme unter allen möglichen Situationen die richtige Entscheidung treffen, um ein automatisiertes und sicheres Fahren ermöglichen zu können. Der reale Straßenverkehr beherbergt zusätzlich verschiedene Fahrzeuge unterschiedlicher Automatisierungsstufen, die miteinander kooperieren müssen. Da reale Straßentests zu langwierig und aufgrund der Notwendigkeit von Prototypen zu teuer sind, um alle möglichen Szenarien abzutesten, wurde in dieser Arbeit ein Konzept für eine virtuelle Prüfumgebung unter Einbindung mehrerer Prüfstände erarbeitet. Dabei wurde eine mögliche Prüfstandskombination und Vernetzung sowie weitere Möglichkeiten wie die Einbindung eines realen Fahrzeugs in die Simulation (Vehicle-in-the-Loop) und die Verbindung mehrerer Recheneinheiten vorgeschlagen. Auch wurden Anforderungen an die benötigte Simulationsumgebung definiert. Zusätzlich wurden verschiedene Testfälle zur Prüfung und Bewertung von neuen Fahrerassistenzsystemen vorgeschlagen. Dabei wurde ebenso eine Testautomatisierung mit der verwendeten Software vorgestellt. Zur Umsetzung des Konzepts für drei Szenarien wurde mithilfe von geeigneter Software ein automatisiertes Fahrzeug entwickelt. Das Fahrzeug ist in der Lage eigenständig zu dessen Ziel auf einer definierten Strecke in einer Simulation zu gelangen und dabei die Verkehrsregeln und andere Verkehrsteilnehmer zu beachten. Bei der Umsetzung des Konzepts wurde die Kooperationsfähigkeit von zwei Fahrzeugen unter der Verwendung von zwei Recheneinheiten in einer Simulation getestet, in der sich die simulierten Fahrzeuge auf einer Autobahn gegenseitig überholen. Zusätzlich wurden bei der Datenübertragung über das UDP-Protokoll im Rahmen eines Versuchs optimale Einstellungsparameter für eine Multi-Ego-Simulation bestimmt.
Machbarkeitsstudie zur echtzeitfähigen Optimierung von Brake-Blending. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Konventionell werden in der Funktionsentwicklung Betriebsparameter mit empirischen oder heuristischen Methoden ermittelt. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Methode zu entwickeln, die echtzeitfähig Parameter in Echtzeit optimiert. Als Fallbeispiel wurden die Regelparameter eines kontinuierlichen ABS mit integriertem Brake-Blending durchgeführt. Dazu wurden folgende Forschungsfragen gestellt: Mit welcher Methode oder welchem Algorithmus kann man die Betriebsparameter echtzeitfähig optimieren? Wie sieht die Robustheit von dieser Methode in Echtzeit-Testumgebung aus? Welche Optimierungseffekte bringt diese Methode? Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurden umfangreiche Versuche in einer X-in-the-Loop-Umgebung durchgeführt. Im Ergebnis wurde ein echtzeitfähiger Algorithmus gemäß der SPSAMethode entwickelt, der die Regelparameter vom kontinuierlichen ABS als Kompromiss zwischen Regelgüte und Stellgliedbelastung ermittelt. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass die SPSA-Optimierungsmethode unter bestimmten Bedingungen eine Robustheit gegenüber Störung aufweist und geeignet ist, das Optimum zu findet. Zur robusten Durchführung der Optimierung wurden Methoden und Empfehlungen zur Einstellung des Algorithmus aufgezeigt. Zusammenfassend zeigt die entwickelte Methode ein großes Potenzial zur echtzeitfähigen Lösung einer Optimierungsaufgabe, sodass diese Methode weiterverfolgt und verbessert werden sollte.