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AG Stabilisierung

MONOCAB OWL wird gefördert durch:

AG-Leitung

  • Martin Griese

    iFE – Institut für Energieforschung / Institute Future Energy. Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe / OWL

Infos über die Arbeitsgruppe Stabilisierung

Primäres und sekundäres Stabilisierungssystem

Die Arbeitsgruppe Stabilisierung beinhaltet die Konstruktion und den Aufbau des aktiven primären und sekundären Stabilisierungssystems, mit dem Ziel das Fahrzeug in einer vertikalen Position über der Schiene zu halten.
Dazu müssen dynamische und stationäre Störungen (Wind, Passagiere) ausgeglichen und eingebrachte Drehimpulse kompensiert werden. Die Kompensation von dynamischen, impulsartigen Störungen erfolgt durch die aktorischen Kreiselsysteme als primäre Stabilisierungsmaßnahme während als sekundäre Maßnahme die konstruierte Mechanik zur Verschiebung der Batterien stationäre Störung kompensiert, indem ein Verlagerung des Gewichtsschwerpunkts des Fahrzeugs erfolgt.
Die zur Stabilisierung genutzten Kreisel werden mit einer aktiven Regelung ergänzt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass durch eine geeignete Ansteuerung eines Stellglieds (z. B. elektrischer Servomotor) eine Kippbewegung des kreiselstabilisierten Fahrzeugs ausgeglichen wird, indem die Rotationsachse der Kreisel so gedreht wird, dass die dadurch erzeugten Kreiseldrehmomente die angestrebte Vertikalposition des Fahrzeugs wiederherstellen. Dabei wird aus der Messung der Kippbewegung über einen geeigneten Sensor im Regelalgorithmus die notwendige Bewegungsgeschwindigkeit der Kreiselachsen berechnet.

 

Eine geeignete Stabilisierung des Fahrzeugs auf einer Schiene bedingt, dass der Fahrzeugschwerpunkt (SP) unmittelbar über der Schiene und in einer optimierten Höhe liegt. Diese Höhe muss im Projekt über Simulationen und Modellrechnungen ermittelt werden, um eine geeigneten Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Reaktionsmomenten auszuloten. Der SP hängt natürlich von der Konstruktion des Fahrzeugs (Massenverteilung), aber auch von der Ladungs- oder Personenverteilung im Fahrzeug ab. Gerade die zuletzt genannten Aspekte sind nicht planbar. Um die Kreiselstabilisierung zu optimieren und so mit kleineren Kreiselsystemen auszukommen, wird ergänzend eine Vorrichtung zur Schwerpunktanpassung integriert. Das Fahrzeug wird dazu mit einer verschiebbaren Masse ausgestattet, so dass die Lage des Schwerpunktes durch eine geeignete Ansteuerung der Verlagerungsvorrichtung erm glicht wird. Die verschiebbare Masse ist als bevorzugte Ausführung durch die Fahrzeugbatterie (im Falle eines batterieelektrischen Fahrzeugs) und/oder durch das Kreiselsystem jeweils als schwere aber kompakte technische Komponenten im Fahrzeug gegeben.

Die Stabilisierung ist in einer bzgl. Sicherheit und Komfort praktikablen Form weder mit einem aktiven Kreisel noch mit einer Gewichtsverlagerung als jeweils alleiniges Stabilisierungssystem erreichbar. Durch ein ausschließlich aktives Kreiselstabilisierungssystem können sehr schnell stabilisierende aber begrenzte Drehimpulse erzeugt werden. Liegt durch Seitenwind oder einseitige Beladung eine stationäre Störung des Gleichgewichts vor, müsste dies durch eine permanente Schräglage (Abweichung von der geometrischen Vertikalposition) des Fahrzeugs ausgeglichen werden. Dies ist aus den folgenden Gründen für den Betrieb unzulässig: Mangelnder Komfort, mögliche Kollision beim Passieren von MONOCABs oder bei Haltepunkten und mögliche Probleme beim Rad-Schiene-Kontakt. Eine ausschließliche Stabilisierung über eine Gewichtsverlagerung ist ebenfalls auszuschließen, da diese system-/regelungstechnisch problematisch ist (nicht-minimalphasiges Verhalten des Systems), auch theoretisch nur bei sehr niedrigen Schwerpunktlagen der verschiebbaren Massen funktionieren kann und für eine ausreichende Dynamik sehr leistungsstarke Stellantriebe benötigt, die bzgl. Gewicht, Bauraum und Energieverbrauch für den Fahrzeugbetrieb ungeeignet sind.

Das systemtechnische Zusammenwirken beider Stabilisierungsmaßnahmen ist somit erforderlich.. Unter Berücksichtigung des Sicherheitskonzeptes ist ein leistungsstarkes Regelungs- und Steuerungssystem für das primäre und sekundäre Stabilisierungssystem zu entwickeln, das neben der Lageregelung eine unabhängige Überwachung einschlie lich redundanter Sensorik für Kreisel-, Batterie und Fahrzeugposition beinhaltet, um das erforderliche Fail-Safe-Verhalten zu gewährleisten. Neben dem formulierten Ziel, dass die Vertikalposition des MONOCABs stabil gehalten wird, besteht ein weiteres Ziel darin die Kreiselsysteme in die Neutralstellung zu führen. Für diese regelungstechnische Aufgabe sind Zustandsregelungen, Mehrgrößen-Kaskadenregelung und Kombinationen der beiden Varianten denkbar. Die Entwicklung des Regelungs- und Steuerungssystems erfolgt maßgeblich modellbasiert und wird sowohl simulationsgestützt als auch mit Prüfstandsaufbauten umfassend untersucht. Dieser Schritt erfolgt vor der Integration in die Prototypen, sodass Fehler bei der Entwicklung (z. B. durch Missachtung nicht-modellierter Effekte) noch behoben werden können.

Für das MONOCAB muss im Fall eines Systemausfalls sichergestellt sein, dass das Fahrzeug nicht vollständig aus einem Toleranzbereich um die Vertikalposition kippt. Als Systemausf lle sind solche Ereignisse zu berücksichtigen, die eine aktive Stabilisierung über das beschriebene kombinierte Kreisel- und Gewichtsstabilisierungssystem unm glich machen, wie Ausf lle der elektrischen Versorgung, der Lagesensorik (Fehlermeldung/Abweichung redundanter Sensoren), der Stellantriebe, der fahrzeuginternen Kommunikation oder der Regelung (Abweichung/Fehler der sich überwachenden redundanten Steuerger te). In solchen Fällen kann zeitlich begrenzt eine passive Stabilisierung erreicht werden: Der/die Kreisel verfügen nach Systemausfall weiterhin über eine hohe Rotationsgeschwindigkeit, die sich in den Vakuumgeh usen nur sehr langsam reduziert. Wird der/die Kreiselrahmen nicht mehr durch einen Stellantrieb zwangsgeführt, sondern durch eine passive mechanische Vorrichtung (z. B. eine Feder) in eine instabile Lage versetzt, so erfolgt in der Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und Kreiselrahmen eine Stabilisierung im Sinne des Aufrichtens des Fahrzeugs.
Dieser Betriebszustand ist allerdings selbst instabil, da das Fahrzeug eine Schwingung um die Längsachse mit steigender Amplitude durchführt und final umstürzen würde. Je nach Dämpfung im System verbleibt jedoch eine ausreichende Zeit, um eine Notbremsung einzuleiten, ein Abstützsystem auszufahren und das Fahrzeug in einen sicheren Betriebszustand zu bringen.
Hierfür sind konkret folgende Komponenten zu entwickeln:

  • eine mechanische Vorrichtung (Sicherheitskupplung), die den beweglichen Kreiselrahmen von seinem Stellantrieb entkoppelt und gleichzeitig an mechanisches System koppelt, das ein Destabilisierungsdrehmoment auf den Kreiselrahmen aufbringt,
  • eine elektromechanische Vorrichtung, bei der der zuvor beschriebene Vorgang, z. B. bei Spannungsabfall an einem im Normalbetrieb bestromten elektromechanische Aktor automatisch ausgelöst wird, wenn die Spannungsversorgung ausfält oder Steuergeräte eine gewollte Abschaltung auslösen (Eigensicherheit),
  • eine Notfallprozedur, bei der im Falle des oben beschriebenen Systemausfalls die passive Stabilisierung genutzt wird, um das Fahrzeug in einen sicheren Zustand zu bringen,
  • eine dafür genutzte Notabstützung, die bei Systemausfall auch passiv aktiviert werden kann, d. h. ohne Steuerung und elektrischer Versorgung, z. B. durch Federn oder pneumatische Reserveenergie.

Eine zeitbegrenzte passive Stabilisierung lässt sich auch erreichen, wenn an Stelle der Sicherheitskupplung der Kreiselaktor am Fußpunkt der Instabilisierungsfeder wirkt (sequenzielle Anordnung).
Im Fall eines Fehlers wird der Kreiselaktor dann, je nach Art des Fehlers, entweder in die Neutralposition gefahren oder passiv (aufgrund von Selbsthemmung) oder aktiv (mit separater Bremsvorrichtung) in seiner Augenblicksposition festgehalten. Als alternatives Konzept ohne Verbau eines Kreiselaktors oder als Notlaufregelung bei Ausfalls des Kreiselaktors kann die Stabilisierung ausschließlich mit der Gewichtsverlagerung als einzige Stellmöglichkeit im Gesamtsystem erfolgen. Das Aufschwingen der passiven Kreiselstabilisierung wird dabei durch einen, gezielt mittels Gewichtsverlagerung eingebrachten, Drehimpulsanteil unterdrückt.

Tertiäres Stabilisierungs-/Abstützsystem

Als tertiäres Stabilisierungssystem für Notfälle und für das Abstützen der geparkten und abgeschalteten MONOCABs ist ein mechanisches Abstützsystem geplant. Um in jeder zu erwartenden Situation ein Fail-Safe-Verhalten des Systems garantieren zu können, muss ein  berwachungs- und  bersteuerungskonzept diverser Systemfunktionen realisiert werden. So ist u. A. eine redundante Lagesensorik vorgesehen. Für das Kreiselsystem ist bei Ausfall der Steuerung oder der elektrischen Versorgung ein Umschalten auf passiven Betrieb (freie Bewegung) und in unkontrollierbaren Fällen eine Neutralschaltung (blockieren) geplant. Hierbei sind insbesondere die Anforderungen aus dem in Sicherheitskonzeptes zu berücksichtigen.

Integration und Test des Stabilisierungssystems

Final ist die Integration aller Komponenten und das Testen des Stabilisierungssystems geplant. Dazu ist u. A. ein Prüfstand zu entwickeln, mit dem unterschiedliche Szenarien des Fahrbetriebs auf der Schiene unter Einfluss von externen Störungen (auch Notfallsituationen) nachbildbar sind.

Im Prüfstand wird das Fahrwerk durch Drehgelenke ersetzt, um die Bewegung des Fahrzeugs über einer virtuellen Schiene durch eine aktive Fu punktverschiebung abzubilden. Neben passenden Linearantriebe sind diverse mechanische Adaptionen sowie eine ausreichende messtechnische Instrumentierung der integrierten Komponenten und des Prüfstands erforderlich (Sensoren für Drehmomente, Kräfte und Positionen). Zur Erfassung der Messwerte und zur Ansteuerung des Prüfstands ist ein Echtzeitsystem zu integrieren.

Nach einer Erstinbetriebnahme des Stabilisierungssystems sind aller Komponenten im Verbund bei Normalbetrieb und diversen Fehlerszenarien zu testen. Durch frühe Tests mit realen Komponenten sollen m gliche Unzul nglichkeiten und Fehler (z. B. Missachtung dominanter nichtmodellierter Effekte) aufgedeckt werden, sodass vor der finalen Integration der Systeme in das Gesamtfahrzeug in einer ggf. weiteren Iteration etwaige Fehler noch behoben werden können. Somit kann abschlie end mit hoher Wahrscheinlichkeit sichergestellt werden, dass die Systeme bei späteren Tests mit dem Gesamtfahrzeug zuverl ssig arbeiten und das geplante Fail-Safe-Konzept funktioniert.

Die Integration aller Komponenten in den Rahmen, der Aufbau der Prüfst nde sowie die Implementierung und Erprobung der Regelungs- und Steuerungstechnik erfordert Kompetenzen in den Bereichen Regelungstechnik, Mechatronik und Konstruktion. Die Bearbeitung erfolgt in einer kooperativen Weise durch die Arbeitsgruppe von Prof. Schulte und Prof. Kiesel.

Veröffentlichungen

  • Georg Klepp, Guido Langer: Monorail Flow Patterns and Vehicle Drag. In: Aerovehicles 4–Fourth International Conference in Numerical and Experimental Aerodynamics of Road Vehicles and Trains, Berlin, August 2021.
  • Martin Griese, Fabian Kottmeier, Thomas Schulte: Vertical control of a self-stabilizing monorail vehicle. In: IECON 2021-47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 13-16 Oktober 2021.
  • Martin Griese, Seyed Davood Mousavi, Thomas Schulte: Modeling the vertical dynamics of a self-stabilizing monorail vehicle. In: ICCMA 2021- 9th International Conference on Control, Mechatronics and Automation. 11-14 November 2021.

Das Team

Große Präsentation am 03.10.2022