Holdings: Zeitoptimale Trajektorienplanung für automatisiertes Fahren bis in den fahrdynamischen Grenzbereich

Zeitoptimale Trajektorienplanung für automatisiertes Fahren bis in den fahrdynamischen Grenzbereich:

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Main Author:	Gundlach, Ingmar 1986- (Author)
Format:	Thesis Book
Language:	German
Published:	Düren Shaker Verlag 2020
Series:	Berichte aus der Automatisierungstechnik
Subjects:	Zeitoptimale Regelung Autonomes Fahrzeug Bahnplanung Fahrdynamik automatisiertes Fahren zeitoptimal Trajektorienplanung Optimierung fahrdynamischer Grenzbereich Rennlinie Hochschulschrift
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adam_text	V INHALTSVERZEICHNIS FORMELZEICHEN UND ABKUERZUNGEN VIII KURZFASSUNG XIV ABSTRACT XVI 1 EINFUEHRUNG 1 1.1 ZIELSETZUNG UND ANWENDUNGSGEBIETE ....................................................................... 2 1.2 PROJEKTBESCHREIBUNG ............................................................................................... 4 1.2.1 VERSUCHSTRAEGER ............................................................................................ 4 1.2.2 IMPLEMENTIERUNG ......................................................................................... 5 1.2.3 SYSTEMARCHITEKTUR ...................................................................................... 5 1.3 NOMENKLATUR UND NOTATION ...................................................................................... 7 1.4 GLIEDERUNG DER ARBEIT ............................................................................................... 9 2 KONZEPTION DER TRAJEKTORIENPLANUNG 10 2.1 DEFINITION DES LOESUNGSRAUMS ................................................................................... 10 2.2 WECHSELWIRKUNG VON LAENGS- UND QUERPLANUNG ....................................................... 14 2.3 ZEIT- ODER WEG-PARAMETRIERUNG ................................................................................ 18 2.4 LITERATURUEBERBLICK ZUR RUNDENZEITOPTIMIERUNG ....................................................... 19 3 MODELLBILDUNG UND ZEITOPTIMALITAET 25 3.1 MINIMIERUNG DER RUNDENZEIT MITTELS WEG-ZEIT-TRANSFORMATION ............................ 25 3.1.1 KINEMATIK DES FAHRZEUGS ............................................................................. 27 3.1.2 DIE REFERENZLINIE ALS BEZUGSSYSTEM DER FAHRLINIE ...................................... 28 3.2 MODELLIERUNG DER FAHRZEUGDYNAMIK ....................................................................... 29 3.2.1 REIFENMODELL ............................................................................................... 29 3.2.2 NICHTLINEARES EINSPURMODELL ....................................................................... 34 3.2.3 NORMALKRAFT UND ACHSLASTVERTEILUNG .......................................................... 40 3.2.4 DYNAMISCHE BREMSKRAFTVERTEILUNG ............................................................. 42 3.2.5 SIMULATION ZUM EINFLUSS DER ACHSLAST AUF DIE KRAFTSCHLUSSGRENZE .............. 44 3.3 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................................. 47 4 METHODEN DER NICHTLINEAREN OPTIMIERUNG 48 4.1 DISKRETISIERUNG EINES DYNAMISCHEN OPTIMIERUNGSPROBLEMS ................................... 49 4.2 STATISCHE OPTIMIERUNG OHNE NEBENBEDINGUNGEN .................................................... 50 4.2.1 BESTIMMUNG DER SUCHRICHTUNG .................................................................... 51 4.2.2 LINIENSUCHE .................................................................................................. 53 VI 4.3 STATISCHE OPTIMIERUNG MIT NEBENBEDINGUNGEN ........................................................ 54 4.3.1 GLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN .................................................................... 54 4.3.2 UNGLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN ................................................................. 56 4.4 NICHTLINEARES INTERIOR-POINT-VERFAHREN IPOPT ........................................................... 59 4.4.1 INERTIA CORRECTION UND FEASIBILITY RESTORATION PHASE ............................... 61 4.4.2 FILTER LINE-SEARCH UND SECOND-ORDER-CORRECTION ..................................... 61 4.4.3 ADAPTIVE BARRIERE-STRATEGIE ....................................................................... 62 5 OPTIMIERUNGSPROBLEM 64 5.1 DISKRETISIERUNG UND AKTORDYNAMIK .......................................................................... 65 5.1.1 MODELLIERUNG DER AKTORDYNAMIK ................................................................. 66 5.1.2 FORMULIERUNG DER AKTORDYNAMIK ALS QUADRATISCHE STRAFFUNKTION ............ 69 5.1.3 BERECHNUNG DISKRETER ZEITABLEITUNGEN HOEHERER ORDNUNG ............................ 70 5.2 GUETEMASS DER TRAJEKTORIENPLANUNG .......................................................................... 74 5.2.1 SEKUNDAERES GUETEMASS: STRAFFUNKTION FUER GLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN . . 74 5.2.2 SEKUNDAERES GUETEMASS: STRAFFUNKTION FUER UNGLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN 75 5.3 NEBENBEDINGUNGEN DER TRAJEKTORIENPLANUNG ........................................................... 80 5.3.1 BOX-RESTRIKTIONEN ....................................................................................... 81 5.3.2 NICHTLINEARE NEBENBEDINGUNGEN ................................................................. 81 5.4 IMPLEMENTIERUNG ...................................................................................................... 85 5.5 ERGEBNISSE DER RUNDKURS-PLANUNG .......................................................................... 88 5.5.1 ZUSAMMENFASSUNG ....................................................................................... 88 5.5.2 SIMULATIONSERGEBNISSE FUER DAS AUTODROM MOST ........................................ 89 5.6 ERWEITERUNG ZUR KOMFORT-PLANUNG ....................................................................... 94 5.6.1 KOMFORT-POTENTIAL ....................................................................................... 95 5.6.2 ERGEBNISSE ................................................................................................... 97 6 TOOLCHAIN DER TRAJEKTORIENPLANUNG 99 6.1 ERSTELLUNG DER REFERENZLINIE .................................................................................... 100 6.1.1 PREPROCESSING DER FAHRBAHNRAENDER .............................................................. 100 6.1.2 SICHERHEITSABSTAND ....................................................................................... 101 6.1.3 BERECHNUNG DER MITTELLINIE .......................................................................... 105 6.1.4 KRUEMMUNGSABHAENGIGE ABTASTUNG DER REFERENZLINIE .................................. 108 6.2 EIN KAPPA-FILTER ZUR GLAETTUNG PARAMETRIERTER KURVEN ............................................ 109 6.2.1 FILTERUNG DURCH OPTIMIERUNG ....................................................................... 110 6.2.2 FORMULIERUNG EINES QUADRATISCHEN OPTIMIERUNGSPROBLEMS ...................... 113 6.2.3 ERGEBNISSE DES KAPPA-FILTERS ZUM GLAETTEN .................................................. 116 6.2.4 ERGEBNISSE DES KAPPA-FILTERS ZUR RENNLINIEN-APPROXIMATION .................. 116 6.3 MATCHING-ALGORITHMUS ZUR REFERENZIERUNG EINES PUNKTES AUF EINEM SPLINE .... 123 6.3.1 SPLINE-ZELL-SUCHE (CELL SEARCH) .................................................................... 124 6.3.2 ANALYTISCHE BESTIMMUNG DES MATCH-PUNKTS .............................................. 125 VII 7 ZYKLISCHE ECHTZEIT-PLANUNG MIT OBJEKTEN 127 7.1 ECHTZEIT-UND RECHENZEITANFORDERUNGEN ................................................................. 127 7.2 OPTIMIERUNGSPROBLEM BEI GLEITENDEM HORIZONT ...................................................... 128 7.3 STATISCHE OBJEKTE ...................................................................................................... 131 7.4 ERGEBNISSE DER ECHTZEIT-PLANUNG ............................................................................. 132 7.4.1 SIMULATIONSERGEBNISSE DER ZEITOPTIMALEN PLANUNG ..................................... 133 7.4.2 SIMULATIONSERGEBNISSE ZU AUSWEICHMANOEVERN IN DER KOMFORT-PLANUNG . . 139 7.4.3 MESSERGEBNISSE EINER REALFAHRT AUF DEM AUTOEDROMO DO ALGARVE ............ 139 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 143 A GLEITKOMMAZAHLEN NACH IEEE 754 147 B AUTOBAHNQUERSCHNITTE UND KURVENRADIEN 148 C 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L ZENTRALER DIFFERENZENQUOTIENT ................................................................................... 150 0.2 VORWAERTS-DIFFERENZENQUOTIENTEN ............................................................................. 150 D ABLEITUNGEN IM OPTIMIERUNGSPROBLEM 152 D. 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adam_txt	V INHALTSVERZEICHNIS FORMELZEICHEN UND ABKUERZUNGEN VIII KURZFASSUNG XIV ABSTRACT XVI 1 EINFUEHRUNG 1 1.1 ZIELSETZUNG UND ANWENDUNGSGEBIETE . 2 1.2 PROJEKTBESCHREIBUNG . 4 1.2.1 VERSUCHSTRAEGER . 4 1.2.2 IMPLEMENTIERUNG . 5 1.2.3 SYSTEMARCHITEKTUR . 5 1.3 NOMENKLATUR UND NOTATION . 7 1.4 GLIEDERUNG DER ARBEIT . 9 2 KONZEPTION DER TRAJEKTORIENPLANUNG 10 2.1 DEFINITION DES LOESUNGSRAUMS . 10 2.2 WECHSELWIRKUNG VON LAENGS- UND QUERPLANUNG . 14 2.3 ZEIT- ODER WEG-PARAMETRIERUNG . 18 2.4 LITERATURUEBERBLICK ZUR RUNDENZEITOPTIMIERUNG . 19 3 MODELLBILDUNG UND ZEITOPTIMALITAET 25 3.1 MINIMIERUNG DER RUNDENZEIT MITTELS WEG-ZEIT-TRANSFORMATION . 25 3.1.1 KINEMATIK DES FAHRZEUGS . 27 3.1.2 DIE REFERENZLINIE ALS BEZUGSSYSTEM DER FAHRLINIE . 28 3.2 MODELLIERUNG DER FAHRZEUGDYNAMIK . 29 3.2.1 REIFENMODELL . 29 3.2.2 NICHTLINEARES EINSPURMODELL . 34 3.2.3 NORMALKRAFT UND ACHSLASTVERTEILUNG . 40 3.2.4 DYNAMISCHE BREMSKRAFTVERTEILUNG . 42 3.2.5 SIMULATION ZUM EINFLUSS DER ACHSLAST AUF DIE KRAFTSCHLUSSGRENZE . 44 3.3 ZUSAMMENFASSUNG . 47 4 METHODEN DER NICHTLINEAREN OPTIMIERUNG 48 4.1 DISKRETISIERUNG EINES DYNAMISCHEN OPTIMIERUNGSPROBLEMS . 49 4.2 STATISCHE OPTIMIERUNG OHNE NEBENBEDINGUNGEN . 50 4.2.1 BESTIMMUNG DER SUCHRICHTUNG . 51 4.2.2 LINIENSUCHE . 53 VI 4.3 STATISCHE OPTIMIERUNG MIT NEBENBEDINGUNGEN . 54 4.3.1 GLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN . 54 4.3.2 UNGLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN . 56 4.4 NICHTLINEARES INTERIOR-POINT-VERFAHREN IPOPT . 59 4.4.1 INERTIA CORRECTION UND FEASIBILITY RESTORATION PHASE . 61 4.4.2 FILTER LINE-SEARCH UND SECOND-ORDER-CORRECTION . 61 4.4.3 ADAPTIVE BARRIERE-STRATEGIE . 62 5 OPTIMIERUNGSPROBLEM 64 5.1 DISKRETISIERUNG UND AKTORDYNAMIK . 65 5.1.1 MODELLIERUNG DER AKTORDYNAMIK . 66 5.1.2 FORMULIERUNG DER AKTORDYNAMIK ALS QUADRATISCHE STRAFFUNKTION . 69 5.1.3 BERECHNUNG DISKRETER ZEITABLEITUNGEN HOEHERER ORDNUNG . 70 5.2 GUETEMASS DER TRAJEKTORIENPLANUNG . 74 5.2.1 SEKUNDAERES GUETEMASS: STRAFFUNKTION FUER GLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN . . 74 5.2.2 SEKUNDAERES GUETEMASS: STRAFFUNKTION FUER UNGLEICHUNGSNEBENBEDINGUNGEN 75 5.3 NEBENBEDINGUNGEN DER TRAJEKTORIENPLANUNG . 80 5.3.1 BOX-RESTRIKTIONEN . 81 5.3.2 NICHTLINEARE NEBENBEDINGUNGEN . 81 5.4 IMPLEMENTIERUNG . 85 5.5 ERGEBNISSE DER RUNDKURS-PLANUNG . 88 5.5.1 ZUSAMMENFASSUNG . 88 5.5.2 SIMULATIONSERGEBNISSE FUER DAS AUTODROM MOST . 89 5.6 ERWEITERUNG ZUR KOMFORT-PLANUNG . 94 5.6.1 KOMFORT-POTENTIAL . 95 5.6.2 ERGEBNISSE . 97 6 TOOLCHAIN DER TRAJEKTORIENPLANUNG 99 6.1 ERSTELLUNG DER REFERENZLINIE . 100 6.1.1 PREPROCESSING DER FAHRBAHNRAENDER . 100 6.1.2 SICHERHEITSABSTAND . 101 6.1.3 BERECHNUNG DER MITTELLINIE . 105 6.1.4 KRUEMMUNGSABHAENGIGE ABTASTUNG DER REFERENZLINIE . 108 6.2 EIN KAPPA-FILTER ZUR GLAETTUNG PARAMETRIERTER KURVEN . 109 6.2.1 FILTERUNG DURCH OPTIMIERUNG . 110 6.2.2 FORMULIERUNG EINES QUADRATISCHEN OPTIMIERUNGSPROBLEMS . 113 6.2.3 ERGEBNISSE DES KAPPA-FILTERS ZUM GLAETTEN . 116 6.2.4 ERGEBNISSE DES KAPPA-FILTERS ZUR RENNLINIEN-APPROXIMATION . 116 6.3 MATCHING-ALGORITHMUS ZUR REFERENZIERUNG EINES PUNKTES AUF EINEM SPLINE . 123 6.3.1 SPLINE-ZELL-SUCHE (CELL SEARCH) . 124 6.3.2 ANALYTISCHE BESTIMMUNG DES MATCH-PUNKTS . 125 VII 7 ZYKLISCHE ECHTZEIT-PLANUNG MIT OBJEKTEN 127 7.1 ECHTZEIT-UND RECHENZEITANFORDERUNGEN . 127 7.2 OPTIMIERUNGSPROBLEM BEI GLEITENDEM HORIZONT . 128 7.3 STATISCHE OBJEKTE . 131 7.4 ERGEBNISSE DER ECHTZEIT-PLANUNG . 132 7.4.1 SIMULATIONSERGEBNISSE DER ZEITOPTIMALEN PLANUNG . 133 7.4.2 SIMULATIONSERGEBNISSE ZU AUSWEICHMANOEVERN IN DER KOMFORT-PLANUNG . . 139 7.4.3 MESSERGEBNISSE EINER REALFAHRT AUF DEM AUTOEDROMO DO ALGARVE . 139 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 143 A GLEITKOMMAZAHLEN NACH IEEE 754 147 B AUTOBAHNQUERSCHNITTE UND KURVENRADIEN 148 C DIFFERENZENQUOTIENT 149 C. L ZENTRALER DIFFERENZENQUOTIENT . 150 0.2 VORWAERTS-DIFFERENZENQUOTIENTEN . 150 D ABLEITUNGEN IM OPTIMIERUNGSPROBLEM 152 D. L GRADIENT UND HESSE-MATRIX DER GUETEFUNKTION . 152 D.2 JACOBI-MATRIX DER NEBENBEDINGUNGEN . 153 D.2.1 SYSTEMGLEICHUNGEN . 153 D.2. 2 KAMMSCHER KREIS . 154 D.2. 3 MAXIMALE LAENGSKRAFT DURCH DIE MOTORLEISTUNG . 154 D.2.4 REIFENKRAEFTE UND SCHRAEGLAUFWINKEL . 154 D.3 HESSE-MATRIZEN DER NEBENBEDINGUNGEN . 155 D.3.1 SYSTEMGLEICHUNGEN . 155 D.3. 2 KAMMSCHER KREIS . 157 D.3. 3 MAXIMALE LAENGSKRAFT DURCH DIE MOTORLEISTUNG . 157 D.3. 4 REIFENKRAEFTE UND SCHRAEGLAUFWINKEL . 157 E BOX-RESTRIKTION DER LAENGSKRAFT 159 LITERATURVERZEICHNIS 161 EIGENE VEROEFFENTLICHUNGEN 169 BETREUTE STUDENTISCHE ARBEITEN 170
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