Modeling of a Motorcycle in Dymola/Modelica

Thomas Schmitt
MS Student
Mechatronics Program
Vorarlberg University of Applied Sciences
Hochschulstraße 1
A-6850 Dornbirn
Austria
Email: Thomas.Schmitt@Students.FHV.AT

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird eine neue, frei verfügbare Modelica Bibliothek für die Simulation, Analyse und Regelung von Fahrrädern und Motorrädern (einspurige Fahrzeuge) vorgestellt. Die Bibliothek nennt sich MotorcycleLib. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Modellierung von virtuellen Fahrern, welche auf einer automatischen Reglerauslegung basieren. Für die einspurigen Fahrzeuge wurden Modelle unterschiedlicher Komplexität entwickelt. Um die Modelle und damit das Fahrverhalten validieren zu können, werden virtuelle Fahrer zur Verfügung gestellt. Deren Hauptaufgabe besteht nun darin, entweder ein Neigungswinkelprofil oder eine vordefinierte Strecke zu verfolgen. Um letzeres zu realisieren, schaut der Fahrer, wie es auch in der Realität der Fall ist, eine gewisse Distanz voraus. Beide Methoden wurden implementiert und können auf verschiedenen Teststrecken getestet werden. Um die Stabilität der Fahrzeuge überprüfen zu können, wird eine Eigenwertanalyse durchgeführt, mit Hilfe derer festgestellt werden kann, in welchem Bereich das Fahrzeug eine selbststabilisierende Wirkung erzielt. Eine weitere wichtige Aufgabe des virtuellen Fahrers besteht darin, das Fahrzeug zu stabilisieren, das heißt, es aufrecht zu halten. Dazu muss ein Regler, welcher den Kern des virtuellen Fahrers darstellt, aufgrund der Rückführung geeigneter Zustandsvariablen (z.B. Neigungswinkel und Neigungsrate) ein passendes Drehmoment auf den Lenker des Fahrzeugs ausüben. Eine große Herausforderung, welche es zu überwinden gilt, stellen dabei die geschwindigkeitsabhängigen Reglerkoeffizienten dar. Diese Problematik ist sehr zeitaufwändig und erschwert die manuelle Einstellung der Regler. Um solche Probleme zu bewältigen, wird eine automatische Auslegung der Reglerkoeffizienten vorgestellt, welche auf einer zuvor durchgeführten Eigenwertanalyse basiert. Dadurch können die Regler auf eine sehr komfortable Art und Weise erstellt werden. Um verschiedene Reglerauslegungen durchführen zu können, wurden spezielle Verfahren entwickelt. Das Ergebnis der Reglerauslegung ist eine Rückführungsmatrix, welche direkt auf vorgefertigte virtuelle Fahrer angewendet werden kann. Die Funktionalität dieser Methode wird anhand zahlreicher Beispiele aus der Bibliothek demonstriert.

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