Vehicle dynamics model of demonstrator vehicle "elf++"

Abstract: Dieser Datensatz enthält das Simulationsmodell des Demonstratorfahrzeugs "elf++" für die Fahrdynamiksimulation in CarMaker. Das Demonstratorfahrzeug wurde im Forschungsprojekt e²-Lenk am Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST) und am Schaeffler Hub for Advanced Research am KIT (SHARE am KIT) entwickelt und anschließend in den Projekten SmartLoad und FLOOW eingesetzt. Die Modellierung in CarMaker umfasst die Fahrzeuggeometrie, die Fahrwerkskinematik, den Antriebsstrang und das Reifenmodell, ergänzt um die Modellierung des Lenksystems, des Lokalisierungsmoduls und der Längs- und Querdynamikregelung in MATLAB-Simulink. Das Simulink-Modell kann um weitere Module wie z.B. einen Fahrzeugführungsregler ergänzt werden. Der Modellierungsstand entspricht dem Fahrzeugzustand zum Ende des Projektes SmartLoad. Abstract: This dataset includes the simulation model of the demonstrator vehicle "elf++" for vehicle dynamics simulation in CarMaker. The demonstrator vehicle was developed in the research project e²-Lenk at the Institute of Vehicle System Technology (FAST) and at Schaeffler Hub for Advanced Research at KIT (SHARE at KIT) and subsequently used in the projects SmartLoad and FLOOW. The CarMaker model includes the vehicle geometry, the chassis kinematics, the powertrain, and the tire model, supplemented by the modeling of the steering system, the localization module, and the longitudinal and lateral dynamics control in MATLAB-Simulink. Other modules such as vehicle guidance controllers can be added to the Simulink model. The modeling status corresponds to the vehicle state at the end of the SmartLoad project. TechnicalRemarks: # Vehicle Dynamics Model of Demonstrator Vehicle "elf++"

English version see below.

Einleitung

Dies ist ein Fahrdynamik-Simulationsmodell für das Demonstratorfahrzeug „elf++“, das mit CarMaker 8.0 und Matlab 2018b kompatibel ist. Das CarMaker-Projekt umfasst das Fahrzeugmodell Demonstrator_vehicle_ELFpp und den Testrun Test_Runs_DrivingDynamicsArea. Das Modell ermöglicht die Simulation von Fahrmanövern durch Vorgabe des zeitlichen Verlaufs von Lenkradwinkel und Geschwindigkeit. Weitere Funktionalitäten können im Simulink-Modell modular ergänzt und angepasst werden. Beispielhaft wurde ihm Rahmen folgender Veröffentlichung ein Fahrzeugführungsregler in das Modell integriert: Pragmatic and Effective Enhancements for Stanley Path-Tracking Controller by Considering System Delay.

Bei dem Demonstratorfahrzeug „elf++“ handelt es sich um ein Fahrzeug im Maßstab 1:1,5, das über eine Ackermannlenkung mit redundant verbautem Lenkaktor und radselektive Antriebe an der gelenkten Vorderachse verfügt.

Aufbau des integrierten Simulink-Modells Demonstrator_vehicle_ELFpp

Vehicle_Control

Dieser Block umfasst die Funktionen der Fahrzeugregelung von der Sollwertvorgabe bis zur Ausgabe der Aktorstellgrößen.

• Target

Vorgabe des Lenkradwinkelverlaufs in rad und der Geschwindigkeit in m/s des zu fahrenden Manövers.

• Steering_controller

Lenkradwinkelregelung zur Vorgabe des Gesamtlenkmomentes.

• Steering_Actuator_Allocation

Aufteilung des Gesamtlenkmomentes auf die redundant verbauten Lenkaktoren.

• Velocity_controller

Geschwindigkeitsregelung zur Vorgabe des Gesamtantriebsmomentes.

• Driving_Actuator_Allocation

Aufteilung des Gesamtantriebsmomentes auf die radindividuellen Antriebe der Vorderachse.

CarMaker

Dieser Block stellt die Schnittstelle zu CarMaker dar. Die Aktorstellgrößen, die die Regler vorgeben, werden im Torque_Limiter den physikalischen Limits entsprechend beschränkt. Weitere Modifikationen gegenüber der CarMaker-Vorlage betreffen die Modellierung des Lenksystems. Ausgehend von den Aktormomenten und den Spurstangenkräften wird mittels eines 2DOF Modells die resultierende Lenkbewegung berechnet.

Localization

Zur Abbildung des auf dem Fahrzeug verbauten GNSS RTK Systems werden in diesem Block die Positionsmessgrößen in ihrer Frequenz reduziert.

Parameter und Einstellungen

sim_settings.m

Mit den Vorgaben in dieser Dateikönnen die Dauer des Simulationsdurchlaufes, sowie die Parameter des Modells angepasst werden, die die Einstelllungen der Regler und die fahrdynamischen Grenzen des Manövers betreffen.

init_parameter in Ordner vehicle_control_data

Diese Datei definiert Konstanten und enthält fahrzeugspezifische Parameter.

Verwendung

Um dieses Simulationsmodell zu verwenden, öffnen Sie das Simulink-Modell Demonstrator_vehicle_ELFpp und starten daraus CarMaker durch Klicken auf das CarMaker Symbol. In CarMaker öffnen Sie den Testrun Test_Runs_DrivingDynamicsArea. Definieren Sie dann die Fahrmanöver im Target Block, indem Sie den zeitlichen Verlauf von Lenkradwinkel und Geschwindigkeit angeben. Starten Sie die Simulation über die CarMaker GUI.

English version:

Introduction

This is a driving dynamics simulation model for the demonstrator vehicle “elf++” compatible with CarMaker 8.0 and Matlab 2018b. The CarMaker project includes the vehicle model Demonstrator_vehicle_ELFpp and the test run Test_Runs_DrivingDynamicsArea. The model supports the simulation of driving maneuvers by specifying the course of the steering wheel angle and velocity. Further functionalities can be added and adapted modularly in the Simulink model. For example, a vehicle guidance controller was integrated into the model as part of the following publication: Pragmatic and Effective Enhancements for Stanley Path-Tracking Controller by Considering System Delay. The demonstrator vehicle “elf++” is a vehicle on a scale of 1:1.5 that has Ackermann steering with a redundantly installed steering actuator and wheel-selective drives on the steered front axle.

Structure of the integrated simulink model Demonstrator_vehicle_ELFpp

Vehicle_Control

This block includes the functions of the vehicle control from the setpoint specification to the output of the actuator target values.

• Target

  Specification of the steering wheel angle course in rad and the speed in m/s of the maneuver to be driven.

• Steering_controller

Steering wheel angle control that outputs the total steering torque.

• Steering_Actuator_Allocation

Allocation of the total steering torque to the redundantly installed steering actuators.

• Velocity_controller

Velocity control that outputs the total drive torque.

• Driving_Actuator_Allocation

Allocation of the total drive torque to the individual wheel drives of the front axle.

CarMaker

This block represents the interface to CarMaker. The actuator target values which the controllers specify are limited in the Torque_Limiter according to their physical limits. Further modifications compared to the CarMaker template concern the modeling of the steering system. Starting from the actuator torques and the tie rod forces, the resulting steering movement is calculated by means of a 2DOF model.

Localization

To represent the GNSS RTK system installed on the vehicle, the frequency of the position measurement variables is reduced in this block.

Parameter and Settings

In this file, the duration of the simulation run can be adjusted, as well as the parameters of the model, which affect the settings of the controllers and the driving dynamic limits of the maneuver input.

This file contains constants and parameters specific to the vehicle.

Usage

To use this simulation model, open the Simulink model Demonstrator_vehicle_ELFpp and start CarMaker from it by clicking on the CarMaker icon. In CarMaker, open the test run Test_Runs_DrivingDynamicsArea. Then define the driving maneuvers in the Target block by specifying the course of steering wheel angle and velocity. Start the simulation via the CarMaker GUI.