KIT-CARTCenter of Automotive Research and Technology
Systeme und FunktionenSysteme und Funktionen für die Mobilität der Zukunftfür die Mobilität der Zukunft
Prof Dr F GauterinProf. Dr. F. GauterinInstitut für Fahrzeugtechnik und Mobile Arbeitsmaschinen
Automotive Safety & Security 2008
Universität Karlsruhe (TH)
„Automotive – Safety & Security 200819.-20. November 2008Stuttgart
KIT-CART1
Stuttgart
1
Herausforderungen
Klima, Energie, Rohstoffe
Emerging Markets 11,6 10,8 8,9 6,2 4,1 3 3 2,9 2,6 2,251015 Fahrzeugproduktion p. a.
0
Personen- und Güterverkehr
KIT-CART2
Vernetztes Zusammenspiel
Infrastruktur
Umwelt & Gesellschaft
Verkehr
Fahrer im Fahrzeug
Infrastruktur
Fahrzeug
Fahrer im Fahrzeug
Komponentep
S t tä d i
KIT-CART3
Systemverständnis
Fahrzeug als mechatronisches System
Fahrzeug
Komponentep
KIT-CART44
ForschungFahrzeug als mechatronisches SystemFahrzeug als mechatronisches System
Eigenschaftsabsicherung
F h h
Anforderungen Produkt
RollenprüfstandGesamtfahrzeug, Akustik
FahrversuchKundenwunsch, Komfort, Lebensdauer
g
AntriebsstrangGesamttriebstrang, Komponenten
TeilsystemTeilsystemGetriebe, Wälz- u. Gleitlager
ElementFunktionsreibsysteme
Maschinenbau
Domainspezifischer Entwurf
M d llbild d A l
MaschinenbauElektrotechnik
Informationstechnik
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Modellbildung und -Analyse
Fahrzeug als mechatronisches SystemFahrdynamische PotenzialeModellierung des Reifen-Fahrbahn-Kontakts
Contact CharacteristicsExperiment AnalysisMeasurement of Tire Characteristic Influence of Friction HeatMeasurement of Tire Characteristic Influence of Friction Heat
p
FC c
tA
Qx)t(
0
Measurement of Track Characteristic
Simulation: Pressure Distribution
Influence of Friction Heat
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Fahrzeug als mechatronisches SystemFahrdynamische PotenzialeModellierung der Gesamt-Performanz Fahrbahn/Reifen/Fahrzeug
ReifenReifenFahrzeug- und Reifenmodell Fahrermodell
Reifen/Fahrbahn-Kontakt
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Streckenprofil und -charakteristik
Fahrzeug als mechatronisches SystemFahrdynamische PotenzialeFahrdynamik: Transiente Reifencharakteristik
MBS-Simulation
SIMPACK/ADAMS…
Hydraulic-Simulation
DSHplus/AMESim…CAN – BUS
SensorsPedal Force
ECUSignal –
ManagementWheel Speed
global signal
MATLAB/Simulink
Combined Simulation
Off-Line Computer
Brake Pedal
MBC BFA
Pedal Force
HCU
electronic
Energie – Management
hydraulichydraulic pipe hydraulic
energie
Wheel Brake(X4)
Sensor
MKS + Hyd
Real-Time-Workshop
energie
MBC: Master Braking Cylinder
BFA: Braking Force Assistant
Real-Time-Compputer
Real-Time Simulation
CAN – BUS
ABS ASC ESP
KIT-CART8
ABS,ASC,ESP…
Fahrzeug als mechatronisches SystemAntriebstechnikAntriebstechnik
De Dions Dampfwagen 1883 Benz Motorwagen 1886Ayrton & Perry E-Fzg. 1882
KIT-CART9
Quelle: Möser, Geschichte des Autos, 2002
Fahrzeug als mechatronisches SystemFrühe und heutige E-FahrzeugeFrühe und heutige E Fahrzeuge
Oberleitungs-E-Fzg.1906Quelle: Möser, Geschichte des Autos, 2002
Elektr. Taxiflotte um1900 Lohner Porsche 1900
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Th!nk City 2008Tesla 2008
Fahrzeug als mechatronisches SystemElektrische AntriebssystemeElektrische Antriebssysteme
E-Maschine Leistungselektronik elektr. Speicher System
KIT-CART11ETI
Fahrzeug als mechatronisches SystemIntegriertes Wärmemanagement
Wärmeableitung von heißen Oberflächen (z B Leistungselektronik):
Integriertes Wärmemanagementmit MikrowärmeübertragernWärmeableitung von heißen Oberflächen (z.B. Leistungselektronik):
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12
Fahrzeug als Mechatronisches SystemEntwicklung CrimpverbindungenEntwicklung Crimpverbindungen
KIT-CART13
Fahrzeug als mechatronisches SystemZukunft E-FahrzeugeZukunft E Fahrzeuge
KIT-CART14
VDA Jahresbericht 2008
Fahrzeug als mechatronisches SystemBatterieforschungg
Elektrodenmaterialien (Kathode, Anode) Großes Analytikpotential:
Synchrotronstrahlungsquelle ANKA, Aufbau hochauflösender Festkörper- 7Li- und 6Li NMR Spektroskopie etc
Battery Cycler VMP3Probenhalter für In-situ XRD und XAS bei ANKA6Li-NMR-Spektroskopie, etc.
Titanverbindungen, Chalkogenide, Oxysulfide, Zinnoxide LiMn2O4, LiFePO4, Metalloxyfluoride, funktionelle Coatings
Mik ll l f h Mikrowellenplasmaverfahren Strukturierte Dünnschichtmodellsysteme LiMn2O4, LiFePO4,Li-FeF3
MetallfluorideS hi ht ilik t Schichtsilikate Zuverlässigkeitsuntersuchungen, Charakterisierung Beschichtungstechnologie
Separatoren Separator-Elektroden-Assembly, aktive Separatorwerkstoffe
KIT-CART15
Fahrzeug als mechatronisches SystemBatterieforschung
ElektrolyteG l P l l kt l t K it k li kti Füll t ff
g
Separator Gel-Polymerelektrolyt-Komposite, nanoskalige aktive Füllstoffe Ionische Flüssigkeiten, organische Leitsalze Feststoffelektrolyte, lasergestützte Oberflächenmodifikation
ElektrodeElektrode
Industriekooperation [vertraulich]
InterfacesSEI E t i kl M d ll t U t h D d ti ff kt SEI: Entwicklung von Modellsystemen, Untersuchung von Degradationseffekten Ausbreitungseffekte von Korngrenzen etc. in Elektrodenmaterialien
Systemaufbau Untersuchung etablierter Systeme; Entwicklung einer spezifischen
Charakterisierungselektronik zur Be- und EntladungCharakterisierungselektronik zur Be und Entladung
KIT-CART16
Fahrzeug als mechatronisches SystemVerbrennungskraftmaschineg
Optimierung Brennverfahren
KIT-CART17IFKMIFKM
Fahrzeug als mechatronisches SystemEchtzeitfähige Modellierung desEchtzeitfähige Modellierung desdieselmotorischen Verbrennungsprozesses
TesthardwareTesthardware
Messdaten eines Motors C-CodeC Code
Auto-Code Generierung
HIL-Prüfstand
Druck- W
Simulink-Modell
Generierung
Gesetze derTh d ik
Temperatur
KIT-CART18
Thermodynamik
Fahrzeug als mechatronisches SystemAnalyse und Detektion von EinspritzvorgängenAnalyse und Detektion von Einspritzvorgängen mittels Körperschallsensoren
Generierung eines Detektionsalgorithmus
SignalanalyseMotorMerkmalgewinnung
St t i
Körperschallsensor
Strategie
Körperschallsensor
Vibrationen Algorithmus zur Detektion vonDetektion von
Einspritzvorgängen
InjektorOptimierung der
Einspitzung
KIT-CART19
Fahrzeug als mechatronisches SystemRegelung der Kraftfahrzeug-Querdynamikg g g y
Nichtlineares ZweispurmodellFahrer PKWSensor-Signale
?Reaktion des Schwimmwinkel-SchätzungAktoren
• Radselektive Bremseingriffe
• Zusätzlicher Lenkeingriff
• Beobachter• Kalmanfilter?Fahrers auf Regeleingriff
Bremseingriffe Lenkeingriff
Schwimmwinkel
1) Lineare Verfahren (PID-, Riccati-, Modaler Regler,...)
Untersuchung verschiedener Reglerverfahren) ( , , g , )
• Flachheitsbasierte Ansätze• Ein-/Ausgangslinearisierung• Gütemaßangleichung
2) Nichtlineare Verfahren:
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Gütemaßangleichung
Fahrzeug als mechatronisches SystemKomfortoptimierung durch Schwingungsreduktion in Nutzfahrzeugenin Nutzfahrzeugen
Erfassung unterschiedlicher Fahr-zeugtypen
FahrzeugtestsFahrer-wunsch
++ G(s)G(s)
G(s)G(s)?
Modell
G(s)-
Messdaten
Bewertung des Komforts
Reglereingriff
Ausregelung der Schwingungen
Reglereingriff
KIT-CART21
Fahrzeug als mechatronisches SystemBahnsystemtechnikBahnsystemtechnik
aktiver Feder- und Dämpferelementen in Laufwerken
Integration elektronischer Regelkreise und Informationssysteme in Echtzeit zur Optimierung des Laufverhaltens
Sicherheits- und Zuverlässigkeitskriterien für Signal- und Informationsverarbeitung
KIT-CART22
Fahrzeug als mechatronisches SystemBahnsystemtechnik
Mechatronisches Fahrwerk, Beispiel
Bahnsystemtechnik
• Ersatz von passiven Bauelementen durch AktuatorenAktive Querfederung und dämpfung
Foto: Bombardier
- Aktive Querfederung und -dämpfung- Aktive Radsatzsteuerung
• Einsatz von Sensoren- Zustandsüberwachung von Drehgestell und Schiene
(Condition Monitoring)
KIT-CART23
Fahrzeug als mechatronisches SystemBahnsystemtechnik
Mechatronisches Drehgestell
Bahnsystemtechnik
VorteileEi h ft d D h t ll i d i ht d h d h i h
Quelle: Bombardier Quelle: Bombardier
- Eigenschaften des Drehgestells sind nicht durch das mechanische Design begrenzt.
- Anpassung an unterschiedliche Anforderungen können erfolgen.- Beanspruchung der Schiene wird reduziert.- Informationen können zur bedarfsgerechten Wartung genutzt
werden.
KIT-CART24
Fahrzeug als mechatronisches SystemModell-basierte Entwicklung
Integrierte Methodik zur Modell-basierten Entwicklung von gSteuergeräten (IMMOS)
• Modell-basiertes Requirements EngineeringM d ll b i t C d G i• Modell-basierte Code-Generierung
• Modell-basierter Test• Komplettes Meta-Modell für Steuergeräte-Entwicklung
ö li ht A fbCAPE/CEEKT
• ermöglicht Aufbau vonkomplexen Toolketten
Doors
ASCET
UML
TIP
ProvTECH
KIT-CART25
INTECRIO
Fahrzeug als mechatronisches SystemArchitekturentwicklung
Werkzeugunterstützung bei der Entwicklung von gGesamtfahrzeugarchitekturen
• Modell-basierte Architekturentwicklung- Vollständiges Meta-Modell / MappingsVollständiges Meta Modell / Mappings- Kopplung an andere Werkzeuge- Betrachtung Gesamtfahrzeug
( > 100 000 Modell-Artefakte!)( > 100.000 Modell Artefakte!)- Automatischer Vergleich von
Architekturvarianten- Automatisches Modellcheckingu o a sc es ode c ec g
• Heute im Einsatz in der Serienentwicklung- Support und Vermarktung
durch Spin-Off aquintosdurch Spin Off aquintos
KIT-CART26
Fahrzeug als mechatronisches SystemOrganic Computing
Organic Computing in Off-highway Machines
Organic Computing
g p g g yLernfähiges selbstadaptierendes Gesamtmaschinenmanagement in mobilen Arbeitsmaschinen
Ziel des aktuell beantragten gProjektes:
Übertragung bekannter Ansätze des Organic Computing auf eine mobile Arbeitsmaschine
zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches
Impelmentierung der Struktur des Organic Computing
Verifikation an einer Arbeitsmaschine
Simulationsunterstützung
KIT-CART27LEHRSTUHL FÜR MOBILE ARBEITSMASCHINENMOBIMA
Fahrzeug als mechatronisches SystemUnternehmensübergreifende SimulationUnternehmensübergreifende Simulation
KIT-CART28LEHRSTUHL FÜR MOBILE ARBEITSMASCHINENMOBIMA
Fahrer/Fahrzeug-Interaktion
KIT-CART2929
Fahrer-Fahrzeug-Interaktion
InformationskonzepteInformationskonzepte
Priorisierung von Informationen
Zusammenfassung von InformationenZusammenfassung von Informationen
Kontextbezug
KIT-CART30
Fahrer-Fahrzeug-Interaktion
Was kann der Fahrer was kann er nicht?Was kann der Fahrer, was kann er nicht?
Handlungsmodelle des Fahrersz.B. beim Fahren eines Spurwechsels
Traktorien beim Fahrspurwechsel mit geschlossenen Augen,Rückmeldung: ohne (A), über Ausgang (B)Autor: Chatziastros, A.
Interpretation: Fahrer haben nicht die gesamte Handlungssequenz abgespeichert – benötigen(realistische) sensorische Rückmeldung
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Anwendung: Innovative Sensorik
Innovative Sensorik im Fahrzeuginnenraum zur Fahrerzustandserkennung Unsichtbar integrierte physiologische Sensorik als
Ergänzung fahrdynamischer Parameter
Demonstrator physiol. S ik L k d
• Pulsrate, HRV• Blutdruck / PTT• Elektrodermale Aktivität (Hautimpedanz)
Sensorik am Lenkrad Untersuchung funktionaler Textilien• Maßnahmen für Zuverlässigkeit / Langzeitstabilität Anwendung zum Vigilanz- und Stressmonitoring
• Psycho-physiologische Analyse Gleichzeitig als alternative Lösung für etablierte Innenraumfunktionen nutzbar
Laborsystem physiol. Textile Sensorik im Sitz
• Sitzbelegungserkennung• Innenraumüberwachung
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Textile Sensorik im Sitz
Fahrer im FahrzeugTe tile IntegrationTextile Integration
Smart Clothes & Smart TextilesTextilintegrierte Sensorik und ElektronikAnwendungen funktioneller Garne und GewebeKleidungsintegrierte Anwendungenbelastungsfreies Monitoring
KIT-CART33
Fahrzeug im Verkehr
KIT-CART3434
Fahrzeug im VerkehrAutonomes und vernetztes FahrenAutonomes und vernetztes Fahren
KIT-CART35
Fahrzeug im VerkehrAutonomes FahrenAutonomes Fahren
KIT-CART36
IHQ / ITIV - Optically powered video cameraSINGLE FIBER SETUP WITH POWER/DATA CHANNELS 810/1310 nm
1 cm
640 x 480, 1 frame/s
GI-MMF62.5 µm
KIT-CART37
6 cmVirtex-4 FPGA, Xilinx
µ
Fahrzeug im VerkehrKognitive AutomobileKognitive AutomobileSFB/TR 28 Kognitive Automobile
Universität Karlsruhe (TH) TU MünchenUniversität Karlsruhe (TH) TU MünchenFraunhofer Gesellschaft Universität der BundeswehrDFG + Automobilindustrie
ZielZielErforschung und Darstellung von Maschinenkognition für intelligente Fahrzeuge
Teilprojekte (1)Teilprojekte (1)Aufmerksamkeitsgesteuerte mono-/stereoskopische Wahrnehmung komplexerVerkehrsräume
Interpretation komplexer Selbst-Kalibrierung von Stereo-
KIT-CART38
p pVerkehrsszenen
gVideokameras
Fahrzeug im VerkehrKognitive AutomobileSFB/TR 28 Teilprojekte (2)
f O
Kognitive Automobile
Entdeckung, Klassifikation und Zustandsschätzung verkehrsrelevanter Objekte
Objekterkennung Map Matching
Integration komplementärer Sensorik und Sensorfusion
Objekterkennung Map Matching
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Fahrzeug im VerkehrKognitive Automobile
SFB/TR 28 Teilprojekte (3)
Kognitive Automobile
Kooperative Wahrnehmung vernetzter kognitiver Automobile
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Fahrzeug im VerkehrKognitive Automobile
SFB/TR 28 Teilprojekte (4)
Kognitive Automobile
Situationsbewertung und Verhaltenserkennung Modellwissen und vordefiniertes
Kognitive Verhaltensentscheidung und Bahnplanung Unscharfe Regelbasis für die Auswahl
Situationswissen
Verhaltenserkennung von Verkehrsteilnehmer
gund Durchführung von Fahrmanövern
Manoeuverdurchführung und -bewertung auf Basis eines
Situation schätzen und klassifizieren Fähigkeitennetzes
Offline-Lernen und Adaption der Prozessparameter
Straßefolgen
Turn nextintersection
Spur folgen abbiegen Stop
AdaptionLinguistische Beschreibg.Interpretation
Missionsplanung
Verhaltens-
Kollisionvermeiden Spur halten Abstand
haltenGeschw.kt.anpassen
Resultierender KorridorEchtzeit-Datenbasis
erkennung
KIT-CART41
Wahrnehmung
IAIM
Fahrzeug im VerkehrKognitive Automobile
SFB/TR 28 T il j kt (5)
Kognitive Automobile
SFB/TR 28 Teilprojekte (5)
Verteilte Kooperation
Systemdynamische Situationsbeurteilung und Verhaltensentscheidung
Fahrdynamik Regelungskonzepte TrajektorienplanungFahrdynamik, Regelungskonzepte, Trajektorienplanung
Sicherheitsbewertung autonomer Verhaltensentscheidungen durch Methodender hybriden Verifikation (überwachender Copilot)der hybriden Verifikation (überwachender Copilot)
Fahrer-Fahrzeug-Interaktion: Akzeptanzg p
KIT-CART42
Fahrzeug im VerkehrVorausschauende Fahr- und BetriebsstrategiegReduzierung Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Fahrzeit
Analyse und OptimierungAnalyse und Optimierung der Betriebsstrategie
GangwahlBetriebspunkt des MotorsV id B b tätiVermeidung BremsbetätigungStreckenauswahl
Ampel-status
AnforderungFeedbackInformation Information
Kontrolle
Geschwindigkeit Fahrerwunschstatus
Verkehr
Geschwindigkeit Fahrerwunsch
Streckenverlauf
F hF hI f t kt
Verbrauch Komfort
KIT-CART43
FahrerFahrzeugInfrastruktur
Fahrzeug im VerkehrEnergieeffiziente Betriebsstrategien für HEVEnergieeffiziente Betriebsstrategien für HEV
Motivation: leicht oszillierendesleicht oszillierendes Fahrpedalsignal (+/- 5%) z.B. durch unebene Fahrbahn
Keine merkliche Änderung der FahrzeuggeschwindigkeitFahrzeuggeschwindigkeit
P t Ei dPermanentes Ein- und Ausschalten des Verbrennungsmotors
Optimierung der Betriebsstrategie
KIT-CART44
Fahrzeug im VerkehrModellbasiertes Testen im GesamtfahrzeugModellbasiertes Testen im Gesamtfahrzeug
KIT-CART45
Fahrzeug im VerkehrModellbasiertes Testen im GesamtfahrzeugModellbasiertes Testen im Gesamtfahrzeug
Integrationsebenen:
Fahrzeug Fahrer Umgebung
real real -
real real virtuellreal real virtuell
real virtuell virtuell
KIT-CART46
Fahrzeug, Umwelt und Gesellschaft
KIT-CART4747
Fahrzeug und GesellschaftTechnische und ökonomische SzenarienTechnische und ökonomische Szenarien
PKW Barwert pro Fahrzeug ohne V2G
E-FahrzeugePKW Barwert pro Fahrzeug ohne V2G
bei mittlerem Szenario
(V2G: Vehicle to Grid)
5000,0HEV PHEV BEV
0,02010 2015 2020 2025 2030
-5000,0
2010 2015 2020 2025 2030
€ Jahr
-10000,0HEV H b id El i V hi l PHEV Pl I El V h BEV B El V h üb L b d 12 J
KIT-CART4848
HEV: Hybrid Electric Vehicle, PHEV: Plug-In El. Veh., BEV: Battery El. Veh., über Lebensdauer von 12 J.
Fahrzeug und GesellschaftTechnische und ökonomische Szenarien
Barwert pro Fahrzeug PKW BEV mittleres Szenario
Technische und ökonomische SzenarienE-Fahrzeuge
Teilnahme am PRL Markt(PRL: Primärregelleistung)
10000,0
0,0
5000,0
€
10000 0
-5000,0
,
2010 2015 2020 2025 2030
-10000,0
ohne V2G 4,6 kW 12 kW Jahr
KIT-CART4949
Fahrzeug und GesellschaftTechnische und ökonomische Szenarien
CO2-Emission [g/km] Kleinwagen
Technische und ökonomische Szenarien
107
71
10388
80100120
71
406080
2,50
20
E-Antrieb Verbrenner
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Quelle: ADAC 11/08
Danke für die Aufmerksamkeit.
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