David Gabriel

• Für die Entwicklung und Erprobung neuer Assistenzfunktionen am Fahrrad und neuer Komponenten fürs Fahrrad sind sichere und reproduzierbare Messungen unerlässlich. Daher wird in der folgenden Arbeit eine Testplattform in Form eines selbstfahrenden Fahrrades entwickelt. Durch Verwendung dieser Testplattform können kritische Fahrmanöver ohne Gefährdung eines Fahrers absolviert werden und sich wiederholende Testabläufe können automatisiert und reproduzierbar durchgeführt werden. Zunächst wird ein Prototyp aufgebaut und zwei Modelle für Simulation und Reglerentwurf hergeleitet. Diese Modelle basieren auf Modellen, die aus der Literatur bekannt sind, jedoch wird statt eines Lenkmoments eine Lenkrate als Stellgröße verwendet. Anschließend werden für die Ermittlung der Fahrrad-Zustandsgrößen, welche nicht direkt messbar sind, verschiedene Kalibriermethoden und Zustandsschätzer entwickelt. Für den Zustandsschätzer, welcher Fahrradorientierung und -geschwindigkeit schätzt, wird hierbei eine einfache, serienmäßig am Fahrrad verbaute Sensorkonfiguration verwendet, sodass dieser auch für Serienanwendungen genutzt werden kann. Ein weiterer Teil dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines Querdynamikreglers. Dieser muss das Fahrrad stabilisieren können und einer vorgegebenen Sollgierrate folgen können. Um den Einfluss der Lenkdynamik zu reduzieren, werden nur lenkratenbasierte Regler entwickelt. Zunächst wird ein LQI-Regler entworfen und um Kerbfilter zur Dämpfung von Resonanzen im Antriebsstrang erweitert. Um auf Sollwertänderungen bereits im Voraus reagieren zu können wird dieser anschließend zu einem Optimal Preview Regler mit Integralanteil (OPI-Regler) erweitert. Diesem wird anstelle einer Sollgierrate eine vorausschauende Trajektorie derselben vorgegeben. Um die Anforderungen an die Testplattform umzusetzen, wird ein neues Konzept zur Pfadfolgeregelung entwickelt und am Fahrrad getestet. Hierbei wird der OPI-Regler zur Querdynamikregelung mit Methoden der Pursuit-Pfadfolgeregelung und Polynomen fünfter Ordnung zur Erzeugung von Sollgierratentrajektorien kombiniert. Das resultierende Gesamtsystem liefert sowohl in Simulationen als auch in Experimenten sehr gute Ergebnisse und kann Strecken mit minimalen Kurvenradien von 1.8 m zuverlässig und ohne große Oszillationen folgen.
• For the development and evaluation of new assistant functions for bicycles and new bicycle components, safe and reproducible measurements are very important. Therefore, a test platform in the form of a self-driving bicycle is developed in the following work. By using this test platform, critical maneuvers can be performed without endangering a driver and test sequences that need to be repeated can be performed automated and reproducibly. In a first step, a prototype is built up and two models for simulation and controller design are derived. These models are based on models known from the literature, but instead of using the steer torque as an input, the steer rate is used. Various calibration methods and state estimators are then developed in order to obtain the bicycle states which are not directly measurable. The state estimator, which estimates the orientation and speed of the bicycle, uses a simple sensor configuration, so that it can also be used in series applications. An important part of this work is the development of a lateral dynamics controller. This controller must be able to stabilize the bicycle and follow a given target yaw rate. To reduce the influence of the steering dynamics, only steer rate-based controllers are developed. First, a linear quadratic integral controller is designed, which is extended by notch filters to attenuate resonances in the drive train. In order to be able to react to changes of the target yaw rate in advance, this controller is then extended to an optimal preview controller with an integral part (OPI controller), where instead of the current target yaw rate, a forward-looking target yaw rate trajectory is given. To realize the requirements for the test platform, a new concept for path following control is developed and tested on the prototype: The OPI controller for lateral dynamics control is combined with methods of pursuit path following control and fifth order polynomials to generate target yaw rate trajectories. The resulting overall system performs very well in both simulation and experiments and can follow paths with minimum curve radii of 1.8 m reliably and without large oscillations.