Implementieren und Testen von Lenkungsübernahmeszenarien und -strategien in einen Fahrsimulator. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lenkungsübernahmekonzept für hochautomatisierte Fahrzeuge erarbeitet. Zudem wurden Fahrszenarien mit Fokus auf Übernahmeszenarien entwickelt, um das Lenkungsübernahmekonzept zu testen. Für die Take-Over-Request-Event-Erkennung wurde ein Modell erstellt, welches Take-Over-Request-Events erkennt und eine Übernahmeaufforderung an den Fahrer signalisiert. Das Lenkungsübernahmekonzept wurde nach den aktuellen gesetzlichen Bestimmungen in Deutschland und Studien zu Take-Over-Requests konzipiert. Dabei wurden die Signalisierungsmethoden sowie das Zeitbudget für die Übernahme aus mehreren Studien zusammengefasst und für das Lenkungsübernahmekonzept verwendet. Die Fahrszenarien wurden an Fahrmanöver aus unterschiedlichen Studien angelehnt. Das Modell zur Take-Over-Request-Event-Erkennung wurde so konzipiert, dass es auf weitere Fahrszenarien anwendbar ist. So wurde ein System entwickelt, das für weitere Arbeiten und Versuchsreihen verwendet werden kann. Das Lenkungsübernahmekonzept wurde mit Hilfe von zwei Versuchsreihen getestet und validiert. Die erste Versuchsreihe konnte das Take-Over-Request-Konzept validieren, indem die Take-Over-Request-Event-Erkennung getestet und durch die Versuchsteilnehmer bewertet wurde. Die zweite Versuchsreihe wurde zur Validierung des Lenkungsübernahmekonzepts verwendet. Dadurch konnte die Effektivität der Lenkungsübernahme sowie die Sicherheit und der Komfort durch die Versuchsteilnehmer bewertet werden. Messungen konnten den quantitativen Zusammenhang zu den subjektiven Sicherheits- und Komfortempfindungen herstellen. Diese Versuchsreihen konnten damit die Effektivität des Lenkungsübernahmekonzepts sowie die Effektivität der Take-Over-Request-Event-Erkennung nachweisen. Im Rahmen der Arbeit wurde zudem ein Key-Performance-Indicator definiert, über den die verschiedenen Fahrszenarien verglichen werden konnten. Außerdem wurden Grenzwerte aus der Literatur verwendet, um den Komfort der einzelnen Fahrszenarien und Versuchsfahrten quantitativ auf Sicherheit und Komfort zu validieren.
Entwicklung der SOTIF-Maßnahmen für die adaptive Geschwindigkeitsregelung. - Ilmenau. - 139 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mit der zunehmenden Verbreitung intelligenter Fahrzeuge hat die adaptive Geschwindigkeitsregelung als ein Fahrassistenzsystem viel Aufmerksamkeit erhalten, weil sie die psychische Belastung des Fahrers verringern und die Anzahl der durch Fehlbedienung verursachten Unfälle reduzieren kann. Die Funktion der adaptiven Geschwindigkeitsregelung besteht darin, dem Zielfahrzeug zu folgen und den gewünschten Abstand zu ihm einzuhalten oder mit der gewünschten Fahrgeschwindigkeit zu fahren. Das Entscheidungssystem der adaptiven Geschwindigkeitsregelung besteht aus dem oberen ACC-Regler und dem unteren ACC-Regler. Der obere ACC-Regler entscheidet den Regelungsmodus in Abhängigkeit vom Abstand zum Zielfahrzeug. Wenn der Abstand zum Zielfahrzeug größer ist als der Sicherheitsabstand, fährt das Fahrzeug mit der vom Fahrer gewünschten Fahrgeschwindigkeit. Wenn der Abstand zum Zielfahrzeug geringer ist als der gewünschte Sicherheitsabstand, fährt das Fahrzeug mit dem gewünschten Sicherheitsabstand zum Zielfahrzeug. Wenn der Abstand zum Zielfahrzeug geringer als der angegebene Mindestabstand ist oder der Fahrer das Bremspedal betätigt, kann die adaptive Geschwindigkeitsregelung vorübergehend ausgeschaltet werden. Der untere ACC-Regler regelt das Antriebs- und Bremssystem anhand der vom oberen ACC-Regler berechneten Längsbeschleunigung, um die Längsbewegung des Fahrzeugs zu regeln. Weil die Funktionsstruktur des automatischen Fahrens immer besser wird, sind komplexe Wahrnehmungssysteme und Entscheidungsalgorithmen eingeführt worden.Die in der ISO 26262 vorgesehene Analyse funktionaler Sicherheitsprobleme aufgrund von Ausfallrisiken kann den Anforderungen an die Sicherheitsanalyse hochkomplexer Systeme nicht mehr gerecht werden. Sicherheitsrisiken der Sollfunktionen, die sich ergeben, wenn es nicht zu einem Systemausfall kommt, werden zunehmend geschätzt. Bei der Entwicklung der adaptiven Geschwindigkeitsregelung gemäß ISO 21448 werden die Funktionen und das System spezifiziert und dann werden die Gefahren- und Sicherheitsanalyse für die Sicherheit der Sollfunktion durch Verwendung von HAZOP, STPA, funktionale FMEA durchgeführt. Nach dieser Analyse werden die potenziellen Gefahren auf der Fahrzeugebene und derer Ursachen abgeleitet. Dann sind Identifizierung und Bewertung der auslösenden Ereignisse für die Gefahren erforderlich, die speziell für die Analyse der Sicherheit der Sollfunktion ist. Wenn das Risiko des auslösenden Ereignisses inakzeptabel ist, werden die Funktionen verbessert oder die Anwendungsfälle eingeschränkt. Die Spezifikationen des Systems und der Funktionen müssen dann wieder aktualisiert werden, um die potenziellen Risiken zu vermeiden. Schließlich werden die bekannten Gefahrenszenarien und die unbekannten Gefahrenszenarien für die adaptive Geschwindigkeitsregelung verifiziert und validiert.
Untersuchungen zum Verbleib der Reifenverschleißprodukte. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mit der Optimierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren und der Popularisierung von Elektrofahrzeugen wird der Reifenabrieb die Autoabgase als den größten Schadstoff, der von Autos an die Umwelt emittiert wird, ersetzen. All dieser Reifenabrieb fällt unter das Mikroplastik, und macht in Deutschland etwa ein Drittel aller Mikroplastik-Emissionen aus, deshalb zählt Reifenabrieb zu den wichtigsten Quellen für Mikroplastik in der Umwelt. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden daher Grundlagen zur Entstehung von Reifenabrieb erarbeitet und die Migration und ökotoxikologische Wirkungen des Reifenabriebs beschrieben. Weiterhin findet eine ausführliche Literaturrecherche zur Probenanalyse des Reifenabriebs, der in der Luft, im straßennahen Boden sowie im Stadtabfluss verbleibt, statt. Im Zuge dessen werden aktuelle Entwicklungen aus Wissenschaft sowie Industrie aufgeführt. Die Versuchsaufbauten und ableitbaren Erkenntnisse sind im Einzelnen beschrieben. Das Hauptaugenmerk dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Untersuchung des im realen Straßenverkehr aufgenommenen Reifenabriebs. Im besonderen Fokus stehen die Ergebnisse der Probenanalyse mit Hilfe eines Digitalmikroskops, hierzu sind Morphologie und Massenverteilung der mit den Sieben gefilterten Partikel festzustellen. Zum Schluss findet die Partikelanalyse zur Größenverteilungsdichte und Anzahlkonzentration statt. Zudem wird ein Vergleich der Partikelablagerung an Kreisverkehr sowie Autobahn und Landstraße durchgeführt. Aus Untersuchungsergebnisse wird es festgestellt, dass die Reifenabriebmenge von den drei unterschiedlichen Probenahmestellen in folgende Reihenfolge stehen, Kreisverkehrsproben > Autobahnproben > Landstraßenproben. Nach Partikelanzahl sind etwa 98% Reifenabriebpartikel kleiner als 200 µm, und liegen über 50% Reifenabriebpartikel im Bereich von 11-50 µm.
Aufbau einer Simulationsmethodik zur virtuellen Absicherung mit Hilfe der KI-Ansätze für die NFZ Anwendung. - Ilmenau. - 104 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Um die Verbrennungsmotorenentwicklung konform zukünftiger Abgasgesetzgebung zu leisten, sollen in dieser Arbeit Emissionsmodelle entwickelt werden, welche auf einem HIL-Prüfstand eingesetzt werden können. Dadurch soll die prädiktive Bestimmung der Emissionen in stationären Betriebspunkten sowie transienten Zyklen in Echtzeit ermöglicht werden. Untersucht werden die Rohemissionen von Stickoxiden, Rußpartikelmasse, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Neben der Erstellung eines FRM in GT-POWER sollen FFNN eingesetzt werden, um die Emissionen schnellstmöglich zu berechnen. Jede Emission soll ein eigenes datengetriebenes Modell erhalten. Die Kombination aus Emissionsmessungen, physikalischem Modell und maschinellen Lernansätzen wird als hybride Emissionsmodellierung bezeichnet. Nach einem Kapitel zur physikalischen Entstehung von Rohemissionen und den Grundlagen des maschinellen Lernens erfolgt die Erstellung der hybriden Modelle. Zur Erstellung einer Datenbasis für das Training der FFNN wird ein FRM in GT-POWER kalibriert und in 5388 stationären Betriebspunkten simuliert. Nach Anwendung einer LASSO Feature Selection werden ausgewählte Simulationsparameter für das Training in Python verwendet. Hier werden statistische Muster der Eingangsfeatures mit den Emissionsmessungen in 80% der 5833 stationären Betriebspunkten angelernt. Zur Hyperparameteroptimierung finden die Verfahren Manual Search, Grid Search und Bayes’sche Optimierung Anwendung. Eine Beurteilung der Trainingsergebnisse findet im Kapitel ’Stationäre Validierung’ statt. Im Training werden Ergebnisse >99% Bestimmtheitsmaß ermittelt. Für den Testdatensatz (20% der Gesamtdaten) fallen die Ergebnisse auf 98-84% ab. Für die transiente Schadstoffsimulation werden die an stationären Daten trainierten Modelle anhand von Schadstoffmessungen für den WHTC- und FTP-Zyklus validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass dem Emissionsverlauf grob gefolgt werden kann, jedoch das Bestimmtheitsmaß stark durch zahlreiche Ausreißer beeinflusst wird. Die Abweichungen der kumulativen Emissionsmengen liegen nur bei 3-10% Fehler zu den am Prüfstand tatsächlichen gemessenen Rohemissionen. Eine Analyse ergibt, dass FFNN empfindlich auf die Überschreitung des trainierten Trainingsbereich reagieren. Abschließend werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Ergebnisse der transienten Simulation weiter verbessert werden können.
Selection and Benchmarking of the Artificial Neural Networks for the Estimation of Tire Wear Particle Emissions. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Nicht-Abgasemissionen (Non-Exhaust Emissions, NEE) sind heutzutage zu einem der am meisten diskutierten Themen unter Automobilherstellern, Umweltforschern und der allgemeinen Öffentlichkeit geworden. Emissionsanalysen in Großbritannien haben auch behauptet, dass der Reifenabrieb in Bezug auf seinen Beitrag zur Umweltverschmutzung mehrere Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt hat. Zusammen mit der Bremspartikelemission hat der Reifenverscleiß in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Es wurden mehrere Versuche durchgeführt, um den Reifenverschleiß zu messen. Experimentelle Forschung ist zwar unerlässlich, aber zeit- und ressourcenintensiv. Vorteilhafter ist die Möglichkeit, KI-Ansatze zu nutzen, zum Beispiel neuronale Netze. In dieser Masterarbeit wurden zwei neuronale Netze ausgewählt und implementiert, nämlich Feed-Forward-Neural-Network (FFNN) und Gated-Recurrent-Unit-Neuronal-Network (GRU). Dank der verfügbaren Menge an experimentellen Daten in unserer Abteilung wurden beide NN trainiert und optimiert, um bessere Vorhersagen zu liefern. Auf der Grundlage der Leistungsanalyse scheint es, dass diese beiden neuronalen Netzwerkmodelle in der Lage sind, die Partikelanzahlkonzentration (PAK) des Reifenabriebs vorherzusagen. Allerdings ist eine Weiterentwicklung dieser Modelle notwendig, um genauere und robustere Ergebnisse zu erhalten.
Entwicklung eines Retrofit-Konzepts auf Methanol Dual Fuel für eine Zweitakt-Langsamläufer-Hauptmaschine in Service aus Sicht des System Engineering. - Ilmenau. - 155 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Retrofit-Konzeptes für den Methanol-Betrieb einer Zweitakt-Langsamläufer-Hauptmaschine aus Sicht des Systems Engineering. Dabei liegt der Fokus auf der Ausarbeitung diverser Mikro- und Makroanforderungen für die Durchführung eines solchen Projektes. Zunächst wird die Theorie zu Methanol als Kraftstoff aufbereitet. Die grundlegenden Eigenschaften sowie besondere Aspekte bezüglich Produktion und Lagerung gehen einer Beschreibung der innermotorischen Effekte von Methanol vorweg. Dazu gehören die Besonderheiten während der Einspritzung und Gemischbildung sowie die anschließende Verbrennung und das Emissionsverhalten. Abschließend wird in diesem Kapitel die Materialverträglichkeit sowie die Schmierfähigkeit von Methanol analysiert. Im Stand der Technik wird die Arbeitsweise moderner langsamlaufender Zweitaktmotoren erläutert. Dem folgt eine Diskussion der möglichen Brennverfahren mit der Wahl des DFVerfahrens für das Retrofit-Projekt. Nachdem der Zielmotor (Wärtsilä 7RT-flex50-B) sowie der bauähnliche LNG-DF-Motor (WinGD RT-flex50DF) vorgestellt werden, folgt eine Analyse bereits umgesetzter Methanol-Retrofits sowie Methanol-Neuentwicklungen aus der Schifffahrtsindustrie. Dabei liegt der Fokus auf der Auslegung des Methanol-Kraftstoffsystems sowie notwendiger zusätzlicher Komponenten und Sicherheitsvorkehrungen. Die Konzeptentwicklung des Retrofit wird schließlich in die Kategorien „Konstruktion und Design“, „Komponenten“, „Verbrennung, Einspritzung und Emissionen“ und „Motorsteuergerät und -regelung“ unterteilt. Übergeordnet steht eine Tabelle mit Gesamtanforderungen an das System, welche in den einzelnen Kapiteln in weitere Mikroanforderungen aufgegliedert werden. Somit steht am Ende der Arbeit eine Reihe an Anforderungen, Hinweisen und Vorschlägen für die Umsetzung des Methanol-Retrofit-Projektes zur Verfügung. Es besteht schließlich ein vielversprechendes Motorkonzept, welches die Möglichkeit bietet, nennenswert CO2- sowie NOx-Emissionen einzusparen. Es stellen sich jedoch ebenfalls komplexe Themenbereiche heraus, welche das Projekt vor große Herausforderungen stellen. Dazu gehören die Entwicklung eines passenden Niederdruck-Methanol-Injektors sowie die Einhaltung des IGF-Code in der Umsetzung eines komplexen Kraftstoffsystems.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Jedes Elektrofahrzeug verwendet zum Bremsen Reibungsbremsen und Motorbremsen, d.h. regeneratives Bremsen. Da diese beiden Systeme zusammenarbeiten, ist es notwendig, eine Kontrollstrategie zu implementieren. In einigen Artikeln wurde darauf hingewiesen, dass die Anwendung herkömmlicher sequentieller oder paralleler Strategien unter verschiedenen Umständen unterschiedlich effektiv ist. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Strategie zur Verbesserung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen mit regenerativem Bremsen. In der Studie wird eine Regelungsstrategie vorgeschlagen, die auf einer Motoreffizienzkarte basiert - ebenso wie eine fortschrittliche Fahrzeugbremsung auf der Grundlage der vorhergesagten Geschwindigkeit unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes. Die Strategie wurde in einem Modell mit Allradantrieb und In-RadMotor implementiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der vorgestellte Ansatz die Fahrzeugeffizienz deutlich verbessert. Im WLTP-Zyklus zum Beispiel reduzierte die vorgeschlagene Strategie den durchschnittlichen Energieverbrauch um 0,8 kWh pro 100 km, während die zurückgewonnene Energie um 9% stieg. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse und einer eingehenderen Untersuchung der Vorhersage des Fahrzeugverhaltens ist es möglich, die Effizienz des regenerativen Bremsens ausreichend zu verbessern
Untersuchungen des Reibverhaltens unterschiedlicher Reibpartner bei Verwendung einer rekuperativen Betriebsweise. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Durch die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstranges verändert sich die Bremsstrategie von teilweise und vollständig elektrischen Fahrzeugen. Der verbaute Elektromotor, welche vorrangig im motorischen Betrieb als Antrieb genutzt wird, kann zusätzlich im generatorischen Betrieb eingesetzt werden, um das Fahrzeug zu verzögern. Diese Umwandlung der kinetischen Energie der Rotation des Rades in elektrische Energie wird als Rekuperation bezeichnet. Für die mechanische Bremsanlage folgen daraus lange Phasen der Inaktivität und eine deutlich schwächere Aktuierung im Vergleich zu einer konventionellen Betriebsweise. In der vorliegenden Arbeit werden die Oberflächenveränderungen als Folge einer rekuperativen Betriebsweise auf Bremsbelag und Bremsscheibe untersucht. Dafür wurden drei verschiedene Bremsbelagtypen auf einer Grauguss-Bremsscheibe am Schwungmassenprüfstand mit einer rekuperativen Betriebsweise belastet. Der veränderte Tribofilm wird physikalisch und chemisch analysiert. Dazu gehören die Auswertung des veränderten Reibverhaltens, thermografische Aufnahmen ausgewählter Bremsungen, hochauflösende mikroskopische Aufnahmen der Oberflächen, die Auswertung der Oberflächenrauheit sowie eine chemische Analyse der Oberflächen mit Hilfe einer EDX- und XPS-Analyse. Ergänzend dazu soll das Reibverhalten des Tribofilms unter anhaltender Belastung und unter Einfluss eines Wasserfilms beleuchtet werden. Zusätzlich soll die Neigung zu möglicher Fischchenbildung beobachtet werden. Nach der rekuperativen Belastung äußert sich der veränderte Tribofilm charakteristisch als brauner Staub. Dieser führt bei allen Reibpaarungen zu niedrigeren Reibwerten, im Vergleich zu den Reibwerten nach einer konventionellen Belastung. Da der braune Staub sich vermutlich in Kavitäten und Hohlräumen der Oberflächenstrukturen ablagert, sind die rekuperativ belastetet Belägen und Scheiben weniger rau, als die konventionell belasteten Pendants. Die chemischen Analysen legen die Vermutung nahe, dass sich der braune Staub überwiegend aus Eisenoxid zusammensetzt. Die Untersuchung der Fischchenbildung wies eine klare Neigung der rekuperativ belasteten Reibbeläge zum Metal Pick-up auf. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen langfristig dazu beitragen, Bremsbeläge speziell für den Betrieb in rekuperationsfähigen Fahrzeugen zu entwickeln und zu optimieren.
Entwicklung und Vergleich der Fahrzustandsschätzer für die Fahrdynamikregelung-Anwendungen. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Da Fahrzeuge immer beliebter werden, wird ihrer Sicherheit und Betriebsstabilität immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Infolgedessen sind zahlreiche Fahrerassistenzsysteme entwickelt worden. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Fahrsicherheits- und Assistenzsystemen, eine allgemeine Verbesserung der Fahrdynamik sowie der Ausblick auf teil- bis vollautonomes Fahren stellen immer höhere Anforderungen an die präzise Kenntnis der Fahrparameter eines Kraftfahrzeuges. Allerdings können nicht alle Parameter direkt gemessen werden, oder die direkte Messung von Parametern ist mit hohen Kosten verbunden. Wichtige Beispiele für nicht direkt messbare Parameter sind u.a. die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Schwimmwinkel sowie die Reifenkraft. Der Zustandsschätzer kann eine gute Lösung für dieses Problem sein. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Schätzer entwickelt: Kalman Filter (KF) und Sliding Mode Observer (SMO). Die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Reifenkräfte werden geschätzt. Abschließend werden die Ergebnisse der Schätzungen diskutiert. Es wird gezeigt, dass der Zustandsschätzer in den meisten Fahrsituationen eine genaue Schätzung des Fahrzeugzustands liefern kann.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Das hochautomatisierte und autonome Fahren ist derzeit ein sehr beliebtes Forschungsgebiet. Autonome Fahrzeuge werden sowohl im individuellen als auch im öffentlichen Straßenverkehr stark nachgefragt. Im individuellen Straßenverkehr kann der Einsatz von hochautomatisierten Fahrtechniken die Ermüdung des Fahrers nach langen Fahrzeiten verringern. Sie gewährleistet die Sicherheit von Fahrern und Fahrgästen. Im öffentlichen Straßenverkehr kann der Verkehrsfluss optimiert werden. Die Entwicklung der Fahrzeuglängsführung ist eine der Schlüsseltechnologien für das autonome Fahren. Sie bildet die Grundlage für die Einführung anderer Technologien. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer adaptiven Fahrzeuglängsführung zur Nutzung in hochautomatisierten Fahrzeugen. Die Entwicklungsarbeit ist in zwei Teile gegliedert, die Entwicklung des Geschwindigkeitsplaners und die Entwicklung des Reglers. Verschiedene Geschwindigkeitsplanungen können den Komfort und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs beeinflussen. Sicherheit ist jedoch eine Voraussetzung. Um die Sicherheit zu gewährleisten, muss die Geschwindigkeitsplanung adaptiv und vorausschauend sein. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Fahrertypen entworfen: „normal“, „sportlich“, „Langsam+Eco“. Durch die Verwendung des regelbasierten Algorithmus wurde der Geschwindigkeitsplaner entworfen. Der Regler verwendet eine schichtweise Struktur. High Level Regler ist ein PI-Regler. Er rechnet die gewünschte Beschleunigung und die gewünschte Verzögerung aus. Der Low Level Regler wird auf der Grundlage der Eigenschaften des Antriebsstrangs und des Bremssystems des Fahrzeugs entwickelt. Die Gaspedalstellung und die Bremspedalstellung werden auf der Grundlage der gewünschten Beschleunigung und der gewünschten Verzögerung ausgerechnet. Die Simulation wird dann auf einem Stadtverkehr- und einem Rennstrecken-Szenario durchgeführt. Die Simulationsergebnisse werden zum Schluss bewertet.