Topologie-Optimierung eines radselektiv angesteuerten Fahrzeugs basierend auf einer optimalen Fahrzeugführungsregelung

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und zunehmende Automatisierung personenbefördernder Fahrzeuge fördern Innovationen der gesamten Fahrzeugarchitektur. Im Automobilbereich werden zwei relevante Entwicklungsrichtungen angestrebt. Zum einen steht die Reduzierung der durch den Straßenverkehr hervorgerufenen CO₂-Emissionen im Fokus. Zusätzlich führt der zunehmende Automatisierungsgrad aktueller Serienfahrzeuge zur Erhöhung der Fahrsicherheit und des Fahrkomforts. Werden weiterhin radselektiv gelenkte und angetriebene Fahrzeuge betrachtet können Herausforderungen dicht besiedelter urbaner Regionen, durch die erhöhte Manövrierbarkeit solcher Fahrzeuge, begegnet werden.

Um diese Entwicklungschwerpunkte sowie das alternative Fahrzeugkonzept zusammenzuführen, wird in dieser Arbeit die Frage beantwortet, wie ein optimales Fahrwerk, basierend auf der Betrachtung der aktorischen Freiheitsgrade eines radselektiv angesteuerten Fahrzeugs, zu gestalten ist. Dabei wird die Auslegung des Arbeitsbereichs der Radmodule sowie deren Anbcindung an die Karosserie durch Definition der kinematischen Kennwerte mit einem vorgestellten Auslegungserfahren durchgeführt und anschließend analysiert.
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Die Topologie-Optimierung einer virtuellen Radaufhängung erfolgt im Zusammenspiel mit einer durchgängigen, optimalen Fahrzeugführungsregelung, wodurch die Freiheitsgrade des Fahrzeugkonzepts auch Einfluss auf den Entwurf des Fahrwerks haben.
Dabei wird das radselektiv gelenkte und angetriebene, automatisiert geführte Fahrzeug energieoptimal angesteuert sowie die erhöhte Manövrierfähigkeit des Konzeptes ausgenutzt.

Die Arbeit ist in zwei grundlegende Beiträge unterteilt. Zunächst ist dies der Entwurf einer durchgängigen Fahrzeugführungsregelung für das radselektiv angesteuerte Fahrzeug. Zwischen den Schnittstellen zum Trajektorien-Planer sowie den Elektromotoren der Antriebe erfolgt eine kaskadierte, prädiktive und lokal optimale Regelung des Fahrzeugs.
Hierbei wird der Soll-Arbeitsbereich durch die optimale Ausnutzung der Fahrzeugführungsfreiheitsgrade durch die Regelungsarchitektur und -strategie zur Laufzeit und ohne Geschwindigkeitsbeschränkungen festgelegt.
Im zweiten Teil der Arbeit wird diese Regelung zusammen mit einem detaillierten Fahrzeugmodell als Black-Box-Simulation innerhalb einer Topologie-Optimierung basierend auf evolutionären Algorithmen eingebettet.
Kinematische Zusammenhänge des Fahrwerks, abgebildet über virtuelle Lenker und Drehpole der Radaufhängung, werden bei dem vorgestellten Auslegungsverfahren als Optimierungsparameter zur globalen Optimierung des Fahrzeugverhaltens hinsichtlich des Energieverbrauchs sowie der Fahrkomfortsteigerung ausgelegt.