Estimation of the tire-road interaction forces by using Pacejka’s formulas with combined slips and camber angles. - In: SAE technical papers, ISSN 2688-3627, (2023), SAE technical paper 2023-01-0646
The growing market demand for highly automated and autonomous vehicles and the need to equip vehicles with ever higher standards of comfort, safety and performance requires knowledge of physical quantities that are often difficult or expensive to measure directly. The absence of direct sensors, the difficulty of implementation, and their cost have led researchers to identify alternative solutions that allow estimating the physical quantity of interest by aggregating other available information. The interaction forces between tire and road are among the most significant. Given that the dynamics of a vehicle are strongly linked to the forces exchanged between the tire and the road, their knowledge is fundamental in the development of control systems aimed at improving performance in terms of handling, road holding or comfort. This paper presents a new technique for the estimation of tire-road interaction forces based on the integration of models and measures. A Central Difference Kalman filter was applied to a Double Track Model. The non-linear Kalman filter allowed us to handle the non-linearity of the system. The tire-road interaction was modelled through Pacejka's magic formulas that into account the combined longitudinal and lateral slips and the camber angle. This version made it possible to carry out complex and realistic manoeuvres. The realized estimator also considers the influence of lateral and longitudinal load transfers and aerodynamic forces in the three spatial directions. The Camber angle used in this observer was estimated through neural networks. The measures used are longitudinal velocity, yaw rate, longitudinal slip and wheel steering angles.
https://doi.org/10.4271/2023-01-0646
Methodologic assessment of brake-by-wire system modelling with regard to accuracy, model complexity and optimization efforts. - In: SAE technical papers, ISSN 2688-3627, (2023), SAE technical paper 2023-01-0666
Brake-by-wire systems are an innovative and important component of modern high-performance and also electrified vehicles. Due to their decoupled architecture, they enable driver-independent vehicle dynamics control (e.g., brake torque blending) and easy integration of assistance functionalities (e.g. Emergency Brake Assist (EBA)). On the other hand, the development of these functions can cause high costs and development effort, and testing can be critical in case of improper gain tuning. Therefore, already in the concept phase, a large part of the testing is shifted to virtual environments and simulations that allow safe and reproducible experiments without damage. Therefore, suitable and reliable models are needed to represent reality as accurately as possible. This paper deals with the modelling of a purely electrohydraulic brake-by-wire system and a hybrid system with electrohydraulic brakes on the front axle and electromechanical brakes on the rear axle. For comparison, both an experimental approach based on a second-order transfer function and an analytical model are used. These approaches are then evaluated in terms of their accuracy and reliability using real measurements in different dynamic test setups. Finally, it is shown how accurate the approaches are and what advantages can be achieved by using the different methods for system modelling.
https://doi.org/10.4271/2023-01-0666
Road parameter estimation with drone-vehicle communication. - In: SAE technical papers, ISSN 2688-3627, (2023), SAE technical paper 2023-01-0664
The presented study is dedicated to the technology supporting vehicle state estimation and motion control with a concept drone, which helps the vehicle in sensing the surroundings and driving conditions. This concept allows also extending the functionality of the sensors mounted on the vehicle by replacing or including additional parameter observation channels. The paper discusses the feasibility of such a drone-vehicle interaction as well as demonstrates several design configurations. In this regard, the paper presents a general description of the proposed drone system that assists the vehicle and describes an experiment in measuring the profile of the road with a range sensor. The results obtained in the experiment are described in terms of the accuracy to be achieved using the drone and are compared with other studies, which use the methods of estimation from the sensors mounted on the vehicle. The proposed measurement concept can be applied to a large number of vehicle systems such as adaptive cruise control, active or semi-active suspension, and wheel slip control. The road profile is captured in real-time by a drone, and the telemetry data is processed by the host computer.
https://doi.org/10.4271/2023-01-0664
Deep learning for the estimation of the longitudinal slip ratio. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 193-198
In a road vehicle, the interaction forces between tire and road are strongly influenced by the longitudinal slip ratio. This kinematic quantity, therefore, represents one of the most important in the study of vehicle dynamics. The real-time knowledge of this quantity can allow the estimation of the interaction forces and the development of control systems to improve safety and handling. In particular, Anti-lock Braking Systems (ABS) and Traction Control Systems (TCS). Direct measurements of this quantity would require the insertion of sensors inside the tire, with consequent manufacturing complexity and increased costs. This paper proposes an estimate of the longitudinal slip ratio based on other easily measurable or estimable quantities. This estimator makes use of Neural Networks and is based on preliminary physical considerations.
https://doi.org/10.1109/MetroAutomotive57488.2023.10219139
Nutzung verschiedener Methoden des maschinellen Lernens zur Regelung von Fahrzeugsystemen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (XX, 219 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Die Steuerung fahrzeugtechnischer und nicht-fahrzeugtechnischer Systeme wird mit zunehmender Vernetzung und Digitalisierung in ihrer Komplexität weiter zunehmen. Die an vielen Stellen manuelle Parametrierung dieser Systeme stößt dabei zunehmend bezüglich Zeit und Kosten an ihre Grenzen. Seit 2010, als der Grafikkartenhersteller NVIDIA mit dem CUDA Toolkit eine Möglichkeit erschuf, Matrixrechenopperationen schnell und effizient auf Graphic Processing Units (GPUs) durchführen zu können, erhielt das maschinelle Lernen (konkreter - Deep Learnings) neue Möglichkeiten sich zu entwickeln. Seitdem hat sich die Nutzung künstlicher neuronaler Netze als Funktionsapproximator für verschiedene Bereiche der Wissenschaft und Technik enorm weiterentwickelt. Dabei wird es möglich real gemessene Daten zu verwenden, um Systemabbildungen (Simulationen) zu erzeugen, ohne den Umweg über eine analytische und/oder numerische Methode gehen zu müssen (welche nach Modellbildung immer mit realen Messwerten validiert werden muss). Ziel ist es ein System ohne Zuhilfenahme menschlicher Arbeitskraft vollautomatisch Regeln zu können. So soll es möglich sein, neu entwickelte und produzierte Maschinen schnell und effizient mithilfe von Aktuatoren und elektronischen Steuerelementen nach spezifischen Vorgaben einsatzfähig zu bekommen. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methodik, durch überwachtes Lernen (Supervised Learning) datenbasierte Modelle, sogenannte digitale Zwillinge zu entwickeln. Mithilfe künstlicher neuronaler Netze werden stationäre und instationäre Modelle entwickelt und es werden statistischen Methoden zur Datenaufbereitung erläutert. Digitale Zwillinge sind nötig, da reale Umgebungen wie Prüfstände oder Maschinen teuer im Betrieb und langsam bei der Zustandsraumdurchschreitung sind. Nach erfolgreicher Generierung eines digitalen Zwillings wird bestärkendes Lernen (Reinforcement Learning) genutzt, autonom komplexe und mehrdimensionale Zustandsräume zu untersuchen und selbstständig Regelstrategien zu entwickeln. In Summe werden also digitale Zwillinge des Supervised Learnings auf Basis real gemessener Daten als Simulationsumgebungen genutzt, um mithilfe der Algorithmen des Reinforcement Learnings, selbstständig arbeitende Agenten zu trainieren. Drei Systeme werden dabei abgebildet. Ein Rohrsystem, ein semiaktiver Stoßdämpfer und ein Abgasturbolader. Am Beispiel des Abgasturboladers wird gezeigt, wie gut Reinforcement Learning im Vergleich zum klassischen PID Regler performt, dass die Methodik prinzipiell funktioniert, es aber noch weiterer Entwicklung bedarf, um tatsächlich direkt Verwendbare Regelalgorithmen zu erhalten, die denen klassischer Vorgehensweisen von heute ebenbürtig (oder gar überlegen) sind.
https://doi.org/10.22032/dbt.58650
Validierung der Schallleistungsberechnung bei PKW-Getrieben. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (XIX, 234 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
In der vorliegenden Arbeit wird die experimentell gestützte Validierung der Schallleistungsberechnung für PKW-Getriebe dokumentiert. Dadurch soll ein Beitrag geleistet werden zur Verbesserung der strukturdynamischen und akustischen Simulation von Fahrzeuggetrieben. Für die experimentellen Untersuchungen wird ein Getriebeprüfstand mit einem eigens entwickelten zweistufigen Getriebe und komplexen Gehäuse verwendet. Eine Besonderheit stellen dabei die speziell entwickelten Sensoren zur Messung der Anregungskräfte an den Festlagern dar. Zugleich werden die Oberflächenbeschleunigungen des Gehäuses sowie die Schallleistung erfasst. Der Getriebeprüfstand wird als MKS-Modell in zwei verschiedenen Tools aufgebaut. Die einzelnen Komponenten (Lager-, Verzahnungs- und Strukturmodelle) werden zunächst isoliert betrachtet und verifiziert. Beim Vergleich des statischen Drehwegfehlers der Verzahnungsmodelle werden gemessene Flankentopologien berücksichtigt. Um die FE-Modelle der Wellen und des Gehäuses zu validieren, werden experimentell und rechnerisch ermittelte Eigenformen und Übertragungsfunktionen verglichen. Während für die Einzelteile ein sehr guter Abgleich über einen großen Frequenzbereich gelingt, zeigt sich bei der Gehäusebaugruppe, dass die Übereinstimmung mit der Messung stark von der jeweiligen Frequenz abhängt und ab ca. 3 kHz abnimmt. Durch den Einbezug der mit 3D-Scans ermittelten Realgeometrie sowie des Einflusses der Gehäusedichtung kann festgestellt werden, dass diese Faktoren nicht für die Unterschiede verantwortlich sind. Umfangreiche Untersuchungen mit den MKS-Gesamtmodellen für konstante Drehzahlen und Hochläufe erlauben einen gründlichen Abgleich mit gemessenen Lagerkräften und Beschleunigungen. Es wird nachgewiesen, dass fertigungsbedingte Flankenabweichungen der Verzahnungen möglichst vollständig in der Simulation berücksichtigt werden sollten, um gute Ergebnisse zu erhalten. Zur Beurteilung des Schwingungsverhaltens im Betrieb werden dabei die Betriebsschwingungs- und die Ordnungsbasierte Modalanalyse eingesetzt, letztere wird dabei auch auf Simulationsdaten angewandt. Der Vergleich zeigt, dass die mit der MKS berechneten Schwingungsantworten durch die numerische Dämpfung beeinflusst werden. Dies wird auch in der Akustiksimulation erkennbar. Diese wird basierend auf berechneten und gemessenen Lagerkräften mit drei unterschiedlichen Methoden (WBT, IBEM, FEM) durchgeführt. Unter Einbezug der Erkenntnisse zur Schwingungsanregung und -antwort sowie der gemessenen Schallleistungen werden sehr gute Übereinstimmungen erzielt. Außerdem können die Ursachen für Abweichungen sehr differenziert herausgearbeitet und bewertet werden. Dadurch werden Möglichkeiten zur Weiterentwicklung ersichtlich und die Akustikanalyse von Fahrzeuggetrieben entscheidend vorangebracht.
https://doi.org/10.22032/dbt.57696
Camber angle estimation based on physical modelling and artificial intelligence. - In: 2023 International Conference on Control, Automation and Diagnosis (ICCAD), (2023), insges. 7 S.
The camber angle of a wheel represents one of the most important kinematic parameters in the study of the interaction between tire and road. It influences the forces that the vehicle exchanges with the road and consequently the vehicle's performance in terms of handling, holding and ride comfort. Control systems for these angles can improve in these aspects. Consequently, the measurement of the camber angles represents an aspect of primary importance. There are many solutions for measuring camber angles when the vehicle is not in motion, but developments must be made for measuring these angles during manoeuvres. Direct measurement of camber angles requires the insertion of sensors inside the wheel which increase complexity and production costs. This paper proposes a methodology for estimating such angles that makes combined use of a double-track vehicle model, non-linear Kalman filter and artificial intelligence. It exploits simple measures to be made on a road vehicle: longitudinal velocity, yaw rate, steering angle of the wheels and rotational speed of the wheels. The estimator was tested through three manoeuvres: a lap on the Hockenheim circuit, a slalom and a constant radius cornering. The metrics used to describe the error: are Root Mean Square Error (RMSE) and Normalized Root Mean Square Error (NRMSE).
https://doi.org/10.1109/ICCAD57653.2023.10152425
Comprehensive analysis of current primary measures to mitigate brake wear particle emissions from light-duty vehicles. - In: Atmosphere, ISSN 2073-4433, Bd. 14 (2023), 4, 712, S. 1-31
Exhaust regulations and improved exhaust gas treatment systems have already initiated the trend that brings emissions from brakes and tires to the forefront of traffic-induced particulate matter. The health and environmental relevance of particulate matter has resulted in regulators, industry, and research institutions prioritising the mitigation of non-exhaust particle emissions. To this end, under the umbrella of the United Nations Economic Commission for Europe World Forum for Harmonisation of Vehicle Regulations (UNECE WP.29), the Working Party on Pollution and Energy (GRPE) mandated the Particle Measurement Programme Informal Working Group (PMP-IWG) to develop a Global Technical Regulation (GTR) for measuring brake dust. The standards and procedures defined within the GTR should eventually form the basis for the introduction of a Euro 7 limit value for brake emissions. The purpose of this measurement campaign is to provide an exemplary overview of the emission behaviour of wheel brakes and friction pairings currently available on the market and to identify possible reduction potential with regard to particulate emissions. All measurements were carried out taking into account the draft GTR valid at the time of execution. For the investigations, brakes were selected using the example of different vehicle classes, brake concepts (disc and drum brake), vehicle axles (front and rear axle), and alternative friction materials (brake disc and pads/shoes). Thus, the use of wear-resistant discs and improved brake pad compositions are able to achieve significantly lower emissions. In addition, the measurement of brake dust emissions from vehicles with different levels of electrification was considered. Electrical braking was modelled and applied to the Worldwide Harmonised Light-Duty Vehicles Test Procedure (WLTP) Brake Cycle, which has demonstrated high emission reduction potentials depending on the electrification level.
https://doi.org/10.3390/atmos14040712
Untersuchung bremseninduzierter niederfrequenter Schwingungs- und Geräuschphänomene an Kraftfahrzeugen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (XXXI, 244 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Das Bremsenknarzen ist ein niederfrequentes Geräuschphänomen bei Personenkraftwagen, welches in die Teilbereiche Schwingungsanregung, -übertragung und -abstrahlung an die Umwelt zu unterteilen ist. Die Schwingungsübertragung im Fahrzeugfahrwerk wird von schwingungstechnischen Eigenschaften, wie der Übertragungsfunktion der gekoppelten Körper oder durch die Dämpfung in Gelenken, Buchsen und Festkörpern beeinflusst. Bei der Schwingungsentstehung spielen Reibzonenprozesse und die Bremsmaterialpaarung, die Anpressdruckverteilung zwischen Bremsbelag und -scheibe sowie Steifigkeiten des Bremssystems und des Fahrwerkes eine wichtige Rolle. Die Geräuschabstrahlung wird beispielsweise durch die Fahrzeugkarosserie beeinflusst. Einflüsse auf die Knarzgeräuschintensität können in allen aufgeführten Bereichen gefunden werden. In der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf der Identifzierung und Bewertung von Einflussgrößen, die im Wesentlichen dem Teilbereich der Geräuschentstehung zuzuordnen sind. Anhand von Untersuchungen, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt werden, kann bewertet werden, wie stark sich die unterschiedlichen Einflussgrößen entlang der Knarzwirkkette auf das niederfrequente Geräusch auswirken. Aus den Untersuchungen ergibt sich, dass die Effektivität von Geräuschgegenmaßnahmen im Bereich der Knarzanregung besonders hoch ist. Im Vergleich zu Maßnahmen, die auf die Knarzschwingungsübertragungskette oder die Knarzabstrahlung wirken, ist hier das Potenzial zur Verringerung oder Vermeidung der Knarzerscheinungen deutlich höher. Eine Literaturrecherche und die oben dargestellten Untersuchungen zeigen die Notwendigkeit der Fokussierung auf die Knarzschwingungsanregung und damit auf die Reibmechanismen. Zur Beschreibung dieser wird die Reibzone von Scheibenbremsen bei knarzrelevanten Betriebsbedingungen, also bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten und Bremsdrücken, In-Situ betrachtet. Die In-Situ Betrachtung ist eine Methode, bei der Vorgänge unmittelbar am Ort und direkt während eines ablaufenden Prozesses beobachtet werden. Bezogen auf Reibprozesse im Kontaktbereich zwischen einer Bremsscheibe und einem Reibbelag bedeutet dies, dass die Reibzonenvorgänge direkt beobachtet werden. Zur Auswertung der Reibzonenprozesse werden in der vorliegenden Arbeit besondere Methoden entwickelt und angewandt.
https://doi.org/10.22032/dbt.56990
Beitrag zur analytischen und experimentellen Untersuchung des Reifen-Fahrbahnkontaktes in Bezug auf partikelförmige Emissionen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (XIX, 152 Blätter, Blatt XIX-XXXIX)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Im Zuge eines ständig wachsenden Umweltbewusstseins werden anthropogene Schadstoffemissionen zunehmend kritisch begutachtet. Dies betrifft insbesondere auch Emissionen, die mit dem Individualverkehr in Verbindung stehen. In der Vergangenheit hat besonders das Schädigungspotential von Abgasemissionen einen hohen Bekanntheitsgrad erlangt. Infolge der gesetzlichen Festlegung von Abgasgrenzwerten und den daraus resultierenden technischen Abhilfemaßnahmen, konnte die Schadstoffbelastung der Außenluft, trotz erheblich gestiegenem Fahrzeugaufkommen, deutlich reduziert werden. Abgasferne Feinstaubemissionen, die durch den Abrieb von Bremsen, Reifen und der Fahrbahn erzeugt werden, unterliegen hingegen keiner Regulierung. Es wird jedoch angenommen, dass diese bereits die größte fahrzeugbezogene Feinstaubquelle darstellen. Hieraus folgen Regulierungsbestrebungen, die in Bezug auf Bremsstaubemissionen bereits ein fortgeschrittenes Stadium erreicht haben. Die Regulierung von Reifenemissionen wird, aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößen, gegenwärtig als zu komplex eingestuft. Im Zuge der Elektrifizierung des Antriebstranges ist damit zu rechnen, dass Abgas- und Bremsstaubemissionen an Bedeutung verlieren werden. Folglich könnte der Reifen als letzte fahrzeugbezogene Schadstoffquelle verbleiben. Der Reifenabrieb gilt zudem als insgesamt größte Mikroplastikquelle. Aufgrund dieser Vorrausetzungen ist mit einem erheblichen medialen und politischen Druck zu rechnen, der in Richtung einer Regulierung abzielt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Identifikation und Beschreibung von Einflussgrößen, die mit dem Emissionsprozess von Reifenpartikeln in Verbindung stehen. Dies umfasst die Entstehung und Messung von Reifenemissionen sowie deren Ausbreitung in der Umwelt. Hierfür wurden Methoden erarbeitet, die eine prozessübergreifende Einflussgrößenbewertung ermöglichen. Die Arbeit ist in drei Themenkomplexe untergliedert. Der erste Themenkomplex ist der Analyse der Partikel-Strömungs-Interkation gewidmet. Das Verständnis des Partikelverhaltens in Abhängigkeit der Partikelgröße und den Strömungseigenschaften ist insbesondere für die Bewertung der Messfähigkeit von Reifenemissionen sowie deren Ausbreitung in der Umwelt von Relevanz. Der zweite Themenkomplex behandelt die Messung von Reifenemissionen im Fahrversuch, wobei der Zusammenhang zwischen dem Fahrzustand und der Partikelentstehung im Vordergrund steht. Abschließend wird eine Simulationsmethode beschrieben, die es erstmalig erlaubt, die Entstehung von Reifenemissionen vorherzusagen und deren Ausbreitung in der Umwelt nachzuvollziehen. Das Ziel der Arbeit bestand darin, die wichtigsten Einflussgrößen, die sowohl die Emission von Reifenpartikeln als auch deren Immissionswirkung betreffen, qualitativ zu beschreiben.
https://doi.org/10.22032/dbt.56991