Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Rahmen des SFB 562 von 2002 bis 2005
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Harald Michalik
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W. Schumacher
Mündliche Prüfung:
19.10.2007
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 562 „Roboter für Handhabung und Montage“, in dem Herr Kohn das Teilprojekt „Kommunikations- und Steuerungsarchitekturen“ verantwortlich geleitet und bearbeitet hat. Wesentliche Grundlagen für diese Forschungsarbeit wurden durch die Dissertationen von G. Beckmann „Ein Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystem für die industrielle Automation“ und B. Finkemeyer „Robotersteuerungsarchitektur auf der Basis von Aktionsprimitiven“ geschaffen. Herr Beckmann hatte schon 2001 in seiner Arbeit nachgewiesen, dass die hochdynamischen Kommunikationsanforderungen von schnellen Parallelrobotern mit dem Kommunikationsstandard IEEE 1394 (FireWire) erfüllt werden können. Herr Finkemeyer hatte dann 2004 in seiner Arbeit u.a. eine Middleware MIRPA (Middleware for Robotic and Process Automation) konzipiert und implementiert, die den Roboterprogrammierer weitgehend von den Software- und Hardwareimplementierungen abschirmt.
Das Teilprojekt „Kommunikations- und Steuerungsarchitekturen“ war für den SFB von zentraler Bedeutung, da alle anderen Teilprojekte (z.B.: Trajektoriengenerator, Koordinatentransformation, Antriebsregelung, Arbeitsraumüberwachung etc.) über die Middleware und den Datenbus miteinander kommunizieren. Eine geeignete Middleware und der Datenbus waren von Herrn Kohn für die harten Echtzeitanforderungen der verschiedenen Parallelroboter zu konzipieren, zu implementieren und schließlich in Funktion erfolgreich für den gesamten SFB nachzuweisen.
Mit MiRPA-X hat Herr Kohn sehr erfolgreich für den SFB eine Middleware konzipiert, die einen vollständig transparenten Datenverkehr zwischen kooperierenden Applikationen ermöglicht, ohne dabei Dateninhalte zu berücksichtigen oder zu bewerten. Damit geht die Einsatzmöglichkeit von MiRPA-X weit über die Anwendung im SFB hinaus, andere Bereiche wären z.B. die Automatisierungstechnik oder die Datenkommunikation im Automobil. MiRPA-X unterstützt den objektorientierten Entwurf eines Anwendungssystems (im SFB die Robotersteuerung) und ermöglicht den Anwendern auch einen objektorientierten Umgang mit den bereitgestellten Funktionalitäten dieses Systems.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von 2003 bis 2006
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Bernard Bäker
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W.-R. Canders
Mündliche Prüfung:
15.12.2006
gemeinsam mit Dr.-Ing. Michell Schimanski
Die Automobilindustrie wird in den nächsten Jahren mit vielen Herausforderungen wie zum Beispiel strengeren Abgasnormen und steigenden Ölpreisen konfrontiert. Um sich den Herausforderungen zu stellen, werden zur Zeit Fahrzeuge mit alternativen Antrieben entwickelt und bereits auf dem Markt angeboten. Um in solchen Fahrzeugen einen sicheren und effizienten Betrieb der elektrischen Komponenten zu gewährleisten, ist die Einführung eines ganzheitlichen Energiemanagements notwendig. Es umfasst dabei alle planenden, steuernden und vorausschauenden Maßnahmen.
Im ersten Teil der Arbeit wird ein neuartiges Systemkonzept vorgestellt, das mittels interner Fahrzeuginformationen online eine Prognose auf zu erwartende Fahrsituationen wie z.B. Geschwindigkeits- und Höhenprofile vornehmen kann. Darauf aufbauend kann die Betriebsstrategie den zukünftigen Leistungs- bzw. Energiebedarf des Fahrzeugs berechnen und Steuerbefehle einleiten, um einen effizienteren Fahrbetrieb zu ermöglichen. Die Grundlage dieses Systemkonzeptes ist die Erkennung von Fahrstrecken anhand charakteristischer Lenkradwinkelinformationen und das Anlegen einer Historiendatenbank für die gefahrenen Strecken mit den jeweiligen Geschwindigkeits- und Höhenprofilen. Mit dem implementierten Algorithmus konnte eine Erkennungsquote von über 80% bei mehrmaligem Befahren derselben Strecke erreicht werden. Die Bewertung des Prognosenutzens aus der Fahrstreckenerkennung erfolgte mit simulierten Fahrzeugmodellen mit Elektroantrieb und Brennstoffzelle. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch die Prognose der genutzte Anteil der verfügbaren Rekuperationsenergie verdoppelt werden kann.
Ausgehend von einer umfassenden Bordnetzanalyse werden im zweiten Teil der Arbeit verschiedene Auswirkungen auf den Entwicklungsprozess für die Dimensionierung der Bordnetzenergieversorgung diskutiert. Hieraus resultiert die Notwendigkeit, eine Toolkette zu entwickeln, welche auf Simulationen basiert. Diese besteht aus kommerziellen Simulationstools und der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Software Avanti (Advanced Analysis Tool and Simulation Interface). Avanti ermöglicht eine automatisierte und optimale Vorgehensweise bei der Dimensionierung des Bordnetzes unter Berücksichtigung verschiedener Steuerungsalgorithmen. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Toolkette ist dabei die Einbindung einer in VHDL-AMS entwickelten und verifizierten Modellbibliothek für die Bordnetzkomponenten. Durch eine automatisierte Parametervariation der Bordnetzkomponenten lässt sich in Form eines "digitalen Lastenheftes" eine optimierte Auslegung für den Bordnetzwandler und die Bordnetzbatterie bestimmen.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von 2003 bis 2006
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Bernard Bäker
Vorsitz:
Prof. Prof. Dr.-Ing. W.-R. Canders
Mündliche Prüfung:
15.12.2006
gemeinsam mit Dr.-Ing. Stephan Lange
Die Automobilindustrie wird in den nächsten Jahren mit vielen Herausforderungen wie zum Beispiel strengeren Abgasnormen und steigenden Ölpreisen konfrontiert. Um sich den Herausforderungen zu stellen, werden zur Zeit Fahrzeuge mit alternativen Antrieben entwickelt und bereits auf dem Markt angeboten. Um in solchen Fahrzeugen einen sicheren und effizienten Betrieb der elektrischen Komponenten zu gewährleisten, ist die Einführung eines ganzheitlichen Energiemanagements notwendig. Es umfasst dabei alle planenden, steuernden und vorausschauenden Maßnahmen.
Im ersten Teil der Arbeit wird ein neuartiges Systemkonzept vorgestellt, das mittels interner Fahrzeuginformationen online eine Prognose auf zu erwartende Fahrsituationen wie z.B. Geschwindigkeits- und Höhenprofile vornehmen kann. Darauf aufbauend kann die Betriebsstrategie den zukünftigen Leistungs- bzw. Energiebedarf des Fahrzeugs berechnen und Steuerbefehle einleiten, um einen effizienteren Fahrbetrieb zu ermöglichen. Die Grundlage dieses Systemkonzeptes ist die Erkennung von Fahrstrecken anhand charakteristischer Lenkradwinkelinformationen und das Anlegen einer Historiendatenbank für die gefahrenen Strecken mit den jeweiligen Geschwindigkeits- und Höhenprofilen. Mit dem implementierten Algorithmus konnte eine Erkennungsquote von über 80% bei mehrmaligem Befahren derselben Strecke erreicht werden. Die Bewertung des Prognosenutzens aus der Fahrstreckenerkennung erfolgte mit simulierten Fahrzeugmodellen mit Elektroantrieb und Brennstoffzelle. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch die Prognose der genutzte Anteil der verfügbaren Rekuperationsenergie verdoppelt werden kann.
Ausgehend von einer umfassenden Bordnetzanalyse werden im zweiten Teil der Arbeit verschiedene Auswirkungen auf den Entwicklungsprozess für die Dimensionierung der Bordnetzenergieversorgung diskutiert. Hieraus resultiert die Notwendigkeit, eine Toolkette zu entwickeln, welche auf Simulationen basiert. Diese besteht aus kommerziellen Simulationstools und der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Software Avanti (Advanced Analysis Tool and Simulation Interface). Avanti ermöglicht eine automatisierte und optimale Vorgehensweise bei der Dimensionierung des Bordnetzes unter Berücksichtigung verschiedener Steuerungsalgorithmen. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Toolkette ist dabei die Einbindung einer in VHDL-AMS entwickelten und verifizierten Modellbibliothek für die Bordnetzkomponenten. Durch eine automatisierte Parametervariation der Bordnetzkomponenten lässt sich in Form eines "digitalen Lastenheftes" eine optimierte Auslegung für den Bordnetzwandler und die Bordnetzbatterie bestimmen.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von 2000 bis 2006
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Bernard Bäker
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Th. Form
Mündliche Prüfung:
06.10.2006
Bis heute nimmt die Zahl elektronischer Systeme in allen Bereichen des Kraftfahrzeugs deutlich zu, was zu einer Vernetzung der Steuergeräte über Datenbusse führte und eine starke Erhöhung der Bordnetzkomplexität zur Folge hat. Die bestehende, historisch gewachsene, Elektronik- und Kommunikationsarchitektur stößt immer mehr an ihre Leistungsgrenzen und muss in einem ganzheitlichen Ansatz neu überdacht werden. Dazu beleuchtet diese Arbeit die geschichtliche Entwicklung der Kraftfahrzeugelektronik, mit der sich die gewachsenen Strukturen und ihre Einschränkungen bezüglich zukünftiger Anforderungen erklären lassen. Ausgehend von der Historie der Kraftfahrzeugelektronik erfolgt eine Abschätzung der weiteren Entwicklung des Kraftfahrzeugs mit den zu erwartenden Folgen für ein Fahrzeug- Kommunikationssystem.
Ausgehend von den theoretischen Grundlagen werden die derzeit verfügbaren automobilen Datenbussysteme vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für eine neue fortschrittliche Kommunikationsarchitektur bewertet. Im Mittelpunkt dieser Betrachtungen steht FlexRay als ein neuartiges zeitgesteuertes Datenbussystem der Automobilindustrie, das eine zehnmal höhere Bandbreite als der CAN-Bus besitzt und dem als Backbone eine zentrale Rolle der in dieser Arbeit vorgestellten Kommunikationsarchitektur zukommt.
Nach der Einführung der eingesetzten Übertragungssysteme werden die beiden grundsätzlichen Architekturformen, die Gateway- und die Backbone-Architektur, miteinander verglichen und die Vorteile der Backbone-Architektur herausgearbeitet. Die Realisierung der einzelnen Domänen in Hard- und Software bis hin zum Aufbau des vollständigen Kommunikationssystems werden umfassend beschrieben und die dahinter stehenden Überlegungen verdeutlicht.
Mit der Backbone-Architektur ist der schnelle Datentransport in das Fahrzeug über den Backbone mit seiner hohen Datenübertragungsrate möglich. Dabei stellt eine derartige Kommunikationsarchitektur neue Anforderungen an die Kommunikationsprotokolle, die mit den bestehenden, bislang auf CAN basierenden, Protokollen nur sehr schwer oder gar nicht erfüllbar sind. Aus diesem Grund ist ein Routingprotokoll entwickelt worden, das vom Aufbau her an das Internetprotokoll IP angelehnt ist. Es übernimmt an Stelle des Super-Gateways der Gateway-Architektur die Aufgabe der Adressierung und der Vermittlung der Daten und „verteilt“ die Intelligenz eines Super-Gateways im Netzwerk.
Als Ergebnis dieser Arbeit steht ein prototypisch aufgebautes Labor-Fahrzeugnetzwerk, das auf einer Backbone-Architektur mit einem FlexRay-Backbone und einem Bluetooth-Diagnosezugang basiert. Mit einem ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Diagnosetester ist die Update-Programmierung der Steuergeräte über das Netzwerk möglich. Die dafür notwendigen Voraussetzungen wie beispielsweise ein Flash-Bootloader wurden implementiert und der Nachweis der Funktionsfähigkeit der Backbone-Architektur damit erbracht. Die Arbeit enthält wesentliche Anregungen und Ansätze für zukünftige Standardisierungen in der Automobil-Elektronik (AUTOSAR).
Doktorand bei VW E/E-Entwicklung, 2002-2005
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. U. Seiffert
Vorsitz:
Dr.-Ing. F. Kücükay
Mündliche Prüfung:
18.01.2005
Im heutigen Fahrzeugentwicklungsprozess wird die Steuerung von Rückhaltesystemen überwiegend auf Basis von Versuchsergebnissen entwickelt. Für die durchzuführenden Kollisionsversuche wird eine ausreichende Anzahl von Versuchsfahrzeugen benötigt. Diese steht erst ab einem späten Zeitpunkt im Fahrzeugentwicklungsprozess zur Verfügung. Die Möglichkeiten zur Anpassung von Sensorpositionen zu diesem Zeitpunkt sind begrenzt.
In dieser Arbeit werden Verbesserungen des Entwicklungsprozesses für die Steuerung von Rückhaltesystemen entwickelt und exemplarisch angewendet. Die Simulation von Kollisionssignalen an Beschleunigungssensoren wird grundlegend untersucht. In mehreren Stufen wird ein Simulationsmodell einer Karosserie aufgebaut und validiert.
Weiterhin wird eine neue Methode zur Bewertung der Positionen von Kollisionssensoren entwickelt. Diese kombiniert simulierte Kollisionssignale mit der an den Sensoren auftretenden Streuung von Versuchssignalen. Eine quantitative Bewertung der Qualität einer Sensorkonfiguration wird ermöglicht. Unter Verwendung dieser neuen Bewertungsmethode werden Sensorkonfigurationen mit einem evolutionären Algorithmus optimiert.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von 2001 bis 2005
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. E. Schnieder
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. U. Seiffert
Mündliche Prüfung:
11.06.2007
Im heutigen Fahrzeugentwicklungsprozess wird die Steuerung von Rückhaltesystemen überwiegend auf Basis von Versuchsergebnissen entwickelt. Für die durchzuführenden Kollisionsversuche wird eine ausreichende Anzahl von Versuchsfahrzeugen benötigt. Diese steht erst ab einem späten Zeitpunkt im Fahrzeugentwicklungsprozess zur Verfügung. Die Möglichkeiten zur Anpassung von Sensorpositionen zu diesem Zeitpunkt sind begrenzt.
In dieser Arbeit werden Verbesserungen des Entwicklungsprozesses für die Steuerung von Rückhaltesystemen entwickelt und exemplarisch angewendet. Die Simulation von Kollisionssignalen an Beschleunigungssensoren wird grundlegend untersucht. In mehreren Stufen wird ein Simulationsmodell einer Karosserie aufgebaut und validiert.
Weiterhin wird eine neue Methode zur Bewertung der Positionen von Kollisionssensoren entwickelt. Diese kombiniert simulierte Kollisionssignale mit der an den Sensoren auftretenden Streuung von Versuchssignalen. Eine quantitative Bewertung der Qualität einer Sensorkonfiguration wird ermöglicht. Unter Verwendung dieser neuen Bewertungsmethode werden Sensorkonfigurationen mit einem evolutionären Algorithmus optimiert.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von 2001 bis 2005
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dietmayer
(Universität Ulm)
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Wolf-Rüdiger Canders
Mündliche Prüfung:
21.03.2005
Da die Menge an elektrischen und elektronischen Komponenten im Kraftfahrzeug stetig zu-nimmt, steigt auch der Energiebedarf im Bordnetz. Aus diesem Grund wird die Einführung eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Nennspannung von 42 Volt diskutiert, das den gestiegenen Bedarf an Energie bei Reduzierung der Kabelquerschnitte decken soll. Die Verfügbarkeit wesentlicher Fahrzeugeigenschaften muss durch Energiespeicher gewährleistet sein.
Auf Grundlage dieses 42V-Bordnetzes sind auch X-By-Wire-Systeme wie elektromechanische Bremssysteme oder elektromechanische Lenkungssysteme in der Entwicklung, bei denen die mechanische Verbindung (das Hydrauliksystem der Bremse bzw. die Lenkstange) durch eine elektrische Verbindung ersetzt wird. Elektrische Signale steuern einen Aktor, der die entsprechende Fahrzeugfunktion ausführt. Durch die Einführung derartiger Systeme können bestehende Fahrzeugassistenzfunktionen (z.B. ESP) oder aber neue Fahrerassistenzsysteme (z.B. Einparkassistent) realisiert werden. Da X-By-Wire-Systeme wie Bremse oder Lenkung sicherheitskritisch sind, nehmen die Anforderungen an die Energiespeicher im Fahrzeug zu. Eine sichere Versorgung mit Energie muss zu jedem Zeitpunkt gewährleistet sein, wobei eine Vorhersage über die tatsächliche und lastbezogene Restlaufzeit des Energiespeichers getroffen werden muss.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Auswahl eines Energiespeichers, der für den Einsatz in einer elektromechanischen Bremse im Kraftfahrzeug geeignet ist. Deshalb werden die relevanten Eigenschaften von verschiedenen verbreiteten Energiespeichern in Bezug auf die vor-liegende Anwendung diskutiert.
Es werden bereits entwickelte bzw. angewendete Batterieüberwachungsverfahren vorgestellt und deren Grenzen für einen Einsatz in einer sicherheitskritischen Anwendung aufgezeigt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Batterieüberwachungsalgorithmus auf Basis eines Batteriemodells für eine Nickel-Metallhydrid-Batterie entwickelt, der eine zuverlässige Aussage über die verfügbare und vor allem nutzbare Energiemenge in der Batterie ermöglicht. Der Algorithmus sowie die benötigte Mess- und Konfigurationskette, bestehend aus einem Batterieprüfstand und einem prototypischen Steuergerät, bilden einen wesentlichen Bestandteil der Dokumentation.
Die Forschungsarbeit wurde von Continental Teves initiiert, von Hoppecke Batteriesysteme unterstützt und von Herrn Schmidt am Institut für Elektrische Messtechnik, TU Braunschweig, bearbeitet.
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. U. Seiffert
Prof. Dr.-Ing. H.-J. Franke
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Mündliche Prüfung:
29.01.04
Die heutigen Vorschriften zur Fahrzeugsicherheit beschränken sich fast ausschließlich auf Anforderungen an den Selbstschutz des Fahrzeugs. Der Partnerschutz, d.h. die Auswirkung einer Fahrzeugauslegung auf den Schutz des Unfallpartners, bleibt in diesen Vorschriften unberücksichtigt. Dies führt nicht zum volkswirtschaftlichen Sicherheitsoptimum. Nur durch die Berücksichtigung der Crashkompatibilität, d.h. Selbstschutz und Partnerschutz, bei der Auslegung von Fahrzeugen lässt sich ein solches Sicherheitsoptimum erreichen.
Zur Erarbeitung von Vorgaben, in denen Selbst- und Partnerschutz berücksichtigt werden, wird in dieser Arbeit eine Methodik zur Entwicklung optimierter Fahrzeugsteifigkeitsverteilungen in der Fahrzeugfront- und Fahrzeugseitenstruktur im Hinblick auf Crashkompatibilität entwickelt. Dabei werden numerische Methoden zur vereinfachten Abbildung der Fahrzeugsteifigkeitsverteilungen aufgezeigt.
Doktorand bei VW Elektronikforschung von 2000 bis 2003
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. G.-P. Ostermeyer
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W. Schumacher
Mündliche Prüfung:
26.07.04
Die Arbeit beschreibt eine Methode zur Behandlung von schnell aufeinander folgenden Interrupts in zeitgesteuerten Systemen. Die betrachteten Interruptquellen des Beispielsystems sind CAN-basierte Sensoren zur Umfelderkennung, die in einem Multi-Sensor-System zu einer Sensordatenfusion eingesetzt werden. Die Methode kapselt die ereignisgesteuerten von den zeitgesteuerten Systemanteilen. Die vorhandenen Konzepte zur Interruptbehandlung werden vorgestellt und es wird aufgezeigt, dass die in der Literatur beschriebenen Konzepte für zeitgesteuerte Systeme bei praxisrelevanten Anforderungen schnell an ihre Grenzen stoßen und die Anforderungen nicht mehr erfüllen können. In der vorliegenden Arbeit wird eine Gatewayfunktionalität als praktisches Anwendungsbeispiel betrachtet, die einen mit 1 MBit/s betriebenen CAN-Bus, der im Burst-Mode sendet, einliest.
Die entwickelte Methode parallelisiert die Verarbeitung der eintreffenden Interrupts zum zeitgesteuerten System. Die Informationen, die mit den Interrupts verbunden sind, werden dem zeitgesteuerten System in definierten Abständen bereitgestellt. Das Verfahren sieht eine Integration einer Interrupt Processing Unit in den Host-Prozessor des zeitgesteuerten Systems vor. Die vorhandenen zeitlichen Restriktionen eines zeitgesteuerten Kommunikationssystems können auf diese Weise eingehalten werden und trotzdem besteht weiterhin die Möglichkeit auf beispielsweise Alarmsignale sofort eine Reaktion durchzuführen. Die Informationen müssen im zeitgesteuerten System zu ihrem Auftretenszeitpunkt zugeordnet werden können. Sie erhalten bei ihrem Eintreffen einen Zeitstempel und können aufgrund der gemeinsamen Zeitbasis der beiden gekapselten Systeme in das zeitgesteuerte System integriert werden.
Im Forschungsprojekt "Zeitgesteuerte Kommunikationsarchitekturen" der Konzern Elektronikforschung der Volkswagen AG wurde das Konzept mit einer nicht integrierten Interrupt Processing Unit umgesetzt. So konnte die Machbarkeit der Methode nachgewiesen werden.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von 1998 bis 31.12.2002
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Vorsitz:
Prof. Ferit Kücükay
Mündliche Prüfung:
23.01.03
In der bisherigen Entwicklung der Kraftfahrzeugelektronik realisierten die Kfz-Hersteller neue Funktionen zunächst - historisch bedingt - als eigenständiges Steuergerät. Unter Einwirkung verschiedener technologischer Trends entwickelten sich, in unterschiedliche Phasen eingeteilt, die einzelnen Elektroniksysteme zu einem vernetzten, elektronischen Gesamtsystem. Inzwischen werden dessen Funktionen zu einem sehr großen Anteil durch Software bestimmt.
Jedes neu hinzukommende Steuergerät erhöht die Systemkomplexität so deutlich, dass es derzeit nur noch mit beträchtlichem Aufwand in das Gesamtsystem integriert werden kann. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird auch trotz dieser Anstrengungen die Häufigkeit der Probleme mit Elektroniksystemen, insbesondere bei softwarebasierten Systemen, überproportional ansteigen.
Daher tritt in zunehmendem Maße die Notwendigkeit in den Vordergrund, Mängelfreiheit der Elektroniksysteme im Fahrzeug mit Hilfe eines sauber strukturierten und werkzeuggestützten Produktentstehungsprozesses zu erreichen und auch entsprechend zu dokumentieren. Auf diese Weise kann bei neu produzierten Fahrzeugen die Integrität des elektronischen Gesamtsystems, wenn auch mit einigem Aufwand, nachgewiesen werden. Befindet sich das Fahrzeug allerdings erst in Kundenhand, lässt sich kaum noch nachweisen, ob und in wie weit Änderungen am elektronischen Gesamtsystem vorgenommen worden sind. Die bisher verwendeten Verfahren versagen hier.
Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit dem grundlegenden Problem der Integrität des elektronischen Gesamtsystems. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung von Verfahren zur Sicherstellung der Systemintegrität. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Verfahren kann jederzeit festgestellt werden, ob Änderungen an der Systemkonfiguration eines Fahrzeugs vorgenommen wurden und ob dadurch die Systemintegrität verletzt wurde.
Damit lässt sich auch nachweisen, ob sich die Fahrzeugelektronik in einem vom Kfz-Hersteller erfolgreich getesteten und auch freigegebenen Zustand befindet. Dieser Nachweis ist das letzte, bisher noch fehlende Glied in der Dokumentationskette des Produktes Kraftfahrzeug.
Mitarbeiter vom 01.01.1999 bis 31.12.2002
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. E. Schnieder
Mündliche Prüfung:
04.07.03
Die ständig steigende Verbreitung von Feldbussystemen besonders in Anlagen der Ferti-gungsautomatisierung hat seit einiger Zeit auch im Bereich der Prozessautomation und dort insbesondere für explosionsgefährdete Bereiche zu einer starken Erhöhung der Einsatzbereiche geführt. Der Zündschutzart „Eigensicherheit“ kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu, da sie das einfache und sichere Hantieren (z.B. Trennen und Schließen von Verbindungen) an den eigensicheren elektrischen Installationen in den gefährdeten Bereichen genauso zulässt wie die in Ex-Bereichen sehr verbreiteten pneumatischen Automatisierungs-komponenten. Durch die gleichzeitige Übertragung von Daten und Energie über eine einfache Zweidrahtleitung kann durch eine Reduzierung des Installationsaufwands zudem eine erhebli-che Kostensenkung gegenüber noch weit verbreiteten Punkt-zu-Punkt Verdrahtungen erzielt werden.
Bereits existierende eigensichere Feldbuslösungen basieren häufig auf einer Übertragungs-physik nach IEC 1158?2. Dort wird eine durch die Zündschutzart Eigensicherheit begrenzte elektrische Leistung als Gleichspannung für die Versorgung der Busteilnehmer eingespeist. Die bei diesen Systemen zur Verfügung stehende Leistung ist jedoch nur zur Versorgung weniger Busteilnehmer (häufig < 10) ausreichend. Grundlagenuntersuchungen der Physika-lisch Technischen Bundesanstalt zeigen, dass die verfügbare Leistung durch Speisung mit einer 80 kHz Wechselspannung wesentlich erhöht werden kann. Ließe sich dies für ein Feldbussystem nutzen, so wäre eine deutliche Steigerung der Anzahl anschließbarer Busteilnehmer und somit ein wirtschaftlicherer Einsatz möglich.
In dieser Arbeit wird ein Konzept vorgestellt, das die gemeinsame Datenübertragung und Energieversorgung der Busteilnehmer auf einer unverdrillten und ungeschirmten Zweidraht-leitung ermöglicht. Hierzu wird die Leitung und der für die 80 kHz-Wechselspannungsversorgung geeignete Busabschluss ausgewählt sowie ein Konzept für ein eigensicheres Speisegerät vorgeschlagen. Ein großer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Auswahl, Umsetzung und Realisierung eines Datenübertragungsverfahrens mit 1,5 Mbit/s, das den besonderen Randbedingungen (Explosionsschutz, Wechselspannungsversorgung als leis-tungsstarke Störung und stark bandbegrenzter Übertragungskanal) genügt. Da mit diesem Konzept kein neuer Feldbus definiert werden soll, sondern im Gegenteil bereits bestehende Feldbusprotokolle genutzt werden sollen, wird bei der Auslegung des Physical Layers zusätz-lich die Kompatibilität mit anderen Systemen berücksichtigt. Messungen (z.B. Sicherheits-funktionen des Speisegerätes, EMV und Bitfehlerrate) belegen die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Gesamtkonzeptes.
Mitarbeiter vom 01.11.1997 bis 02.2002
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Leohold
Vorsitz:
Prof. Karsten Ehlers
Mündliche Prüfung:
21.03.02
Die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte für Kraftfahrzeugemissionen und die Forderung nach geringerem Kraftstoffverbrauch haben in den letzten Jahren zu bedeutenden Innovationen in der Dieselmotorentechnik geführt. Als Beispiele sind die Entwicklung der variablen Turbinengeometrie, der Abgasrückführung und der Hochdruck-Direkteinspritzung zu nennen.
Mit der steigenden Anzahl von Stellelementen am Verbrennungsmotor erhöht sich auch die Komplexität der elektronischen Motorsteuergeräte (ECUs). Die Anzahl der zu applizierenden Parameter, Kennlinien und Kennfelder hat sich in den letzten zehn Jahren nahezu verzehnfacht. Die Ermittlung der optimalen Applikationsparameter erfolgt zumeist in stationären Versuchen auf dem Motorprüfstand und anschließend iterativ in
dynamischen Fahrversuchen auf der Straße.
In der Arbeit wird die Entwicklung eines Werkzeugs beschrieben, das den Applikationsvorgang der Steuergerätevariablen im Fahrzeug unterstützt. Eine Steuergeräteschnittstelle ermöglicht den direkten Zugriff auf den ECUSpeicher, so dass im Fahrbetrieb Steuergerätegrößen verändert werden können.
Die im Fahrbetrieb gewonnenen Daten bilden die Grundlage für eine experimentelle Modellbildung mit "Dynamischen Neuronalen Netzen". Das so erstellte Abgasmodell beinhaltet sämtliche Fahrzeugparameter und bildet das Emissionsverhalten im Bereich der antrainierten Fahrsituationen nach. Dem Applikateur steht somit eine Möglichkeit zur Verfügung, den Emissionsverlauf und den Kraftstoffverbrauch für nicht gefahrene Fahrprofile vorhersagen zu können.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.10.1997 bis 31.05.2001
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. E. Schnieder
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Karsten Lemmer
Mündliche Prüfung:
17.08.2001
Die europäischen Bahnen sehen sich zur Zeit dem Trend der weitgehenden Verlagerung des Personen- und Güterverkehrs von der Schiene auf die Straße ausgesetzt. Als Gründe geben die ehemaligen Kunden der Bahnen mangelnde Flexibilität, zu lange Transport- und Trans-portvorlaufzeiten sowie zu hohe Preise an.
Eine wesentliche Ursache dieser Nachteile liegt im technischen Hintergrund des Schienenverkehrs. Traditionell werden in der Bahnbetriebsleittechnik die Strecken blockweise freigegeben. Moderne Ansätze wie z.B. "Moving Block" oder "Funkbasierter Fahrbetrieb" verfolgen weiterhin dieses Prinzip. Verkürzte Durchlaufzeiten und eine flexiblere Einsatzplanung steigern die Attraktivität der Bahn gegenüber dem Straßenverkehr und sind neben dem Einsatz moderner Dispositionssoftware vor allem durch bessere Nutzung der Streckenkapazität zu erreichen.
In den letzten Jahren sind im Bereich der Informationstechnik und der Telekommunikation erhebliche Fortschritte erzielt worden. Für den Bereich des spurgeführten Verkehrs soll in dieser Arbeit deshalb auf die Möglichkeit der drahtlosen Kommunikation zwischen einzelnen Fahrzeugen zur Durchführung automatischer, dynamischer Rendezvous-Manöver näher ein-gegangen werden, bei denen die Grenzen des klassischen Blocksystems überwunden werden. Im Idealfall heißt das, dass jeder Wagen einen eigenen Antrieb, eine fahrzeugautarke Ortung, eine autarke Wegesuche und eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation besitzt und so einen kurzen, intelligenten, autarken Modulzug darstellt. Mit Hilfe der elektronischen Datenübertragung fahren diese Modulzüge in minimalem Abstand, an Verzweigungen scheren sie, durch Kommunikation mit einer Streckenzentrale und den Streckenelementen, automatisch aus dem Verband aus oder ordnen sich in den Verband ein. Im Gegensatz zu konventionellen Betriebskonzepten befindet sich die Leit- und Sicherungstechnik weitestgehend auf den Fahrzeugen, so dass die Streckenzentrale nur Dispositions- und Notfallaufgaben übernimmt.
Im Rahmen der Arbeit wird dieses Betriebskonzept näher beschrieben und die Vorteile gegenüber herkömmlichen Betriebskonzepten herausgearbeitet. Im Anschluss daran werden die Anforderungen an ein dafür benötigtes Kommunikationssystem abgeleitet und ein mögliches Kommunikationskonzept entworfen. Als Ergebnis der Arbeit werden die Validation des Betriebskonzeptes mit Hilfe eines maßstabsgetreuen Demonstrators sowie Übertragungsmessungen des Kommunikationssystems unter bahnbetrieblichen Umgebungsbedingungen näher beschrieben.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 15.08.1996 bis 30.09.2001
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. F. Wahl
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. J. Hesselbach
Mündliche Prüfung:
07.12.2001
Die zunehmende Präzision, Qualität und Geschwindigkeit automatisierungstechnischer Anlagen führte in den letzten Jahren zu einem gestiegenen Kommunikationsbedarf unter Geräten und Steuerungen. Im Bereich der Fertigungsautomatisierung ist die Tendenz hin zu immer dezentraler verteilten Anwendungen zu erkennen. Die Peripheriegeräte übernehmen zunehmend mehr Teilfunktionen der Applikationsaufgabe, so dass eine zentrale Steuerung nur noch überwachende Funktion besitzt oder ganz entfallen kann. Dabei müssen die Variablen der einzelnen Geräte unter allen Teilnehmern verteilt werden (Publisher/Subscriber), um die Aufgabe zu erfüllen. Eine gegensätzliche Tendenz im Bereich der Werkzeugmaschinen und Robotersteuerungen erfordert dagegen eine streng deterministische Übertragung mit hohen Taktraten, da in diesem Bereich die zentrale Steuerung alle Berechnungen übernimmt und die dezentralen Geräte nur noch als Stellglieder bzw. einfache Sensoren dienen, die zyklisch neue Werte mit der Steuerung austauschen. In beiden Bereichen stoßen heutige Feldbussysteme, die eine Übertragungsrate im Bereich von 10 Mbit/s besitzen, immer häufiger an ihre Grenzen.
Eine umfangreiche Analyse der genauen Anforderungen aus beiden Anwendungsgebieten an ein Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystem ergab eine Gesamtübertragungsrate im Bereich von 400 Mbit/s. Die Übertragung muss dabei harte Echtzeitanforderungen erfüllen und auch eine Synchronisation der Teilnehmer ermöglichen.
In dieser Arbeit wird deshalb ein Kommunikationssystem spezifiziert, das diesen Anforderungen genügt. Um nicht vollständig von der physikalischen Ebene bis zur Applikationsschicht ein neues System zu entwerfen, wird als Grundlage die Norm IEEE 1394-1995 verwendet, die auch als FIREWIRE™ oder ILINK™ bekannt ist. Dieses System wird vornehmlich im Bereich der multimedialen Anwendung des PC eingesetzt und muss deshalb auf die besonderen Anforderungen der industriellen Automation angepasst werden.
Hierfür wurde ein Kommunikationsprotokoll, das Industrial Automation Protocol, entworfen, das unter anderem die Interpretation der Daten für eine zyklische und eine azyklische Übertragung festlegt. Zudem wird ein Netzwerkmanagement definiert, um ein geregeltes Starten der Netzwerkteilnehmer zu ermöglichen. Weitere Funktionen definieren Parameter zur takt-synchronen Anwendung und zur Teilnehmerüberwachung sowie die Unterstützung von Teilnehmern mit eingeschränkten Funktionalitäten.
Die Implementierung der Protokolls ermöglicht somit den Einsatz des IEEE 1394 als Kommunikationssystem sowohl für zentrale Steuerungsarchitekturen wie sie im Bereich der Werkzeugmaschinen und Robotersteuerungen vorkommen als auch für den gegensätzlichen Ansatz einer dezentralen Architektur aus dem Bereich der Fertigungsautomatisierung.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von 10/1997 bis 08/1998
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. W. Schumacher
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W.R. Canders
Mündliche Prüfung:
18.12.2001
Die Arbeit befasst sich mit einem neuartigen Ansatz für einen integrierten Maschinenschutz für Hebezeuge. Diese Sicherheitseinrichtung besteht im einzelnen aus Hubkraftbegrenzung (Überlastsicherung), Restlebensdauerbestimmung und Motorschutz.
Aus den am Klemmenbrett des Motors zur Verfügung stehenden Messgrößen Strom, Spannung und Gehäusetemperatur werden durch Modellbildung die an ein Hubwerk angehängte Last sowie interne Zustandsgrößen des Motors bestimmt. Aufgrund der besonderen Anforderungen (polumschaltbare Motoren im Festnetzbetrieb, minimale Anzahl an Parametern) wird der Modellansatz nicht aus der verbreiteten Theorie der feldorientierten Regelung, sondern aus einer Leistungsbilanz hergeleitet. Um die geforderte Genauigkeit zu erzielen, werden folgende Verlustarten berücksichtigt: Kupferverluste mit Nachführung des Wicklungswiderstandes, Eisenverluste, Reibungsverluste, Ölplanschverluste, und lastabhängige Zusatzverluste.
Für die Validierung des Modells wird eine Rapid Prototyping Toolkette bestehend aus der MATLAB/Simulink®- Produktfamilie, Realtime Workshop sowie Hard- und Software der Firma dSPACE GmbH eingesetzt. Dabei wird aus einer blockorientierten Simulationsoberfläche automatisch C-Code erzeugt, der dann auf einer leistungsfähigen Hardware am realen Prozess unter Echtzeitbedingungen erprobt werden kann. Diese Kette von Entwicklungswerkzeugen wird ebenfalls zur Identifizierung der Parameter des Modells benutzt.
Abschließend wird die Hardware eines seriennahen Prototyps vorgestellt, dessen Software für die Berechnung des Modells sowie der Steuerungsalgorithmen ebenfalls aus automatisch erzeugtem Code besteht.
Mitarbeiter von 11/ 1996 bis 07/2001
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W. Schumacher
Mündliche Prüfung:
12.04.2001
Die Dauererprobung von Serienfahrzeugen wird heutzutage von Testfahrern auf bekannten Teststrecken mit fest vorgeschriebenen und reproduzierbaren Fahrprofilen vorgenommen, um Erkenntnisse über die Lebensdauer von Kraftfahrzeugen und deren Komponenten im eingebauten Zustand zu erhalten. Die Volkswagen AG verwendet für diese Art von Tests unter anderem den sogenannten „Verschärften Kurs“, welcher zum Zwecke einer beschleunigten Alterung der Fahrzeuge mit extremen Bodenbeschaffenheiten versehen ist. Um die monotone und körperlich außerordentlich anstrengende Arbeit der Testfahrer beim Befahren dieses Parcours zu reduzieren, soll der Testfahrer durch ein technisches System ersetzt werden.
Im Rahmen des Kooperationsforschungsprojektes „Autonomes Fahren“ wurde hierfür ein elektromechanisches System entwickelt, welches ein menschenloses Befahren des zu erprobenden Personenkraftwagens auf dem genannten Kurs ermöglicht.
Eine Automatisierung der Dauererprobung erfordert neben der menschenlosen Fahrzeugführung aber auch eine automatisierte rechnergestützte Detektion auftretender Fahrzeugstörungen. Der Anspruch an ein solches Diagnosesystem wird aus der Leistungsfähigkeit des menschlichen Testfahrers beim Diagnostizieren des von ihm zu steuernden Fahrzeuges abgeleitet. Durch das Fehlen des Menschen im Fahrzeug resultieren diagnostische Aufgaben, die weit über die Funktionalitäten von heutzutage eingesetzten Diagnoseassistenzsystemen und produktintegrierten Diagnosefunktionen hinaus gehen. Jedoch erfordern die Randbedingungen der Dauererprobung, dass das rechnergestützte Diagnostizieren ressourcenbegrenzt im fahrenden Fahrzeug erfolgt.
Die prinzipiell geforderte ganzheitliche Serienfahrzeugdiagnose wurde im Rahmen dieser Arbeit beispielhaft in ausgewählten Teilbereichen realisiert. Hierzu wurden elektrische, visuelle und akustische Prozessdaten durch speziell entwickelte Messsysteme erfasst und unterschiedlichen den Teilproblemen angepassten diagnostischen Verfahren zugeführt. Motiviert durch die Forderung, die menschliche Diagnosequalität zu erreichen, ist eine Betrachtung und technische Nachahmung der menschlichen Vorgehensweise beim Diagnostizieren hier sehr hilfreich, und führte bei der Konzeption der Prozessdatenerfassung und den Diagnoseverfahren oftmals zu bionischen Ansätzen.
Aus den Ergebnissen dieser Teilbereichsuntersuchungen, in Form der erzielten Diagnosequalität, wird erstmals eine Aussage über die Machbarkeit und die Leistungsfähigkeit einer ganzheitlichen vollautomatischen und im Fahrzeug integrierten Serienfahrzeugdiagnose abgeleitet.
Doktorand bei VW E/E-Entwicklung von 1998 bis 2001
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. E. Schnieder
Vorsitz:
Prof. Dr. rer. nat. M. Schimmler
Mündliche Prüfung:
04.05.2001
Die immer größer werdende Funktionsvielfalt im Automobilbereich führt zu stetig komplexer werdenden elektronischen Baugruppen. Der Einsatz von Netzwerken ist ein Schritt, diese Vielfalt überschaubar zu implementieren. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines Netzes die Umsetzung fahrzeugweiter Funktionen zu vergleichsweise geringen Kosten.
Jede Baugruppe wird im Laufe des Entwicklungsprozesses abgestimmten Tests unterzogen, welche die Funktionsfähigkeit nachweisen oder Fehler aufdecken. Ein solcher Test muss auch zur Überprüfung des verwendeten Netzwerkes eingesetzt werden. Erst mit einem intakten Netzwerk sind Funktionen, an denen mehrere Baugruppen beteiligt sind, operabel und testbar.
Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die ein Netzwerk überprüft. Dazu wird im Sinne einer Freigabe ein Testergebnis der Form „bestanden oder nicht bestanden“ geliefert. In beiden Fällen ist durch eine definierte Güte eine weitergehende Qualifizierung des Netzwerkes möglich, so dass Netze untereinander verglichen werden können und Schwachstellen innerhalb eines Netzes auffindbar sind.
Das Verfahren gründet auf den Faktoren Vollständigkeit und Rechtzeitigkeit der zu übertragenden Informationen. Die Vollständigkeit wird geprüft durch Vergleich der gemessenen mit den erwarteten Informationen, wobei die Ermittlung der erwarteten Informationsmenge aus Gesamtspezifikation und Ausstattungsvariante ein gesondertes formales Verfahren notwendig macht. Die Prüfung gilt nur bei absoluter Vollständigkeit als bestanden. Bei nicht bestandener Prüfung wird ein prozentualer Erfüllungsgrad ermittelt, um Verbesserungen und Verschlechterungen zu veranschaulichen.
Die Prüfung der Rechtzeitigkeit geschieht durch Zeitmessung und Vergleich gegen einen gültigen Zeitbereich. Eine statistische Auswertung ergibt dazu eine Güte als Maß der Toleranzbereichseinhaltung. Alternativ wurde ein Verfahren entwickelt, das sich an den Grundsätzen der Fuzzy-Logic orientiert und zu jedem gemessenen Wert einen Zugehörigkeitsfaktor zur Menge der akzeptablen Werte errechnet. Anhand dieser Zugehörigkeitswerte wird ebenfalls eine Güte ermittelt, die als Maß für die Robustheit verwendet wird. Gleichzeitig wird die Unterschreitung eines definierten Minimalwertes als Versagen der Prüfung gewertet.
Mitarbeiter der Volkswagen AG, Wolfsburg vom 01.11.1997 bis 31.09.2000
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. U. Seiffert
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Franke
Mündliche Prüfung:
18.12.2000
Die Einführung von Airbagsystemen in Kraftfahrzeugen bewirkte eine deutliche Verbesserung der unfallfolgenmildernden Sicherheit. Schnell wurden sie ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung des Sicherheitsstandards eines Fahrzeuges.
Die Aktivierung der Airbags in den Fahrzeugen erfolgt in Abhängigkeit von der Schwere der Kollision. Als Beurteilungskriterium der Kollisionsschwere werden vorwiegend die auftretenden Beschleunigungen herangezogen. Die Abstimmung des Airbag-Auslösealgorithmus erfolgt auf der Basis verschiedener Beschleunigungssignale. Die Ermittlung der Signale erfordert ein umfangreiches Versuchsprogramm. Zur Verringerung des Versuchsaufwandes soll verstärkt die Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode herangezogen werden.
In der Arbeit werden die einzuhaltenden Randbedingungen und das daraus resultierende Modell zur Berechnung von Beschleunigungssignalen aufgezeigt. Auf Basis des entwickelten Modells wird auf die Eigenschaften einer beschleunigungssignalgerechten Konstruktion und dem Potential einer logischen Signalverknüpfung eingegangen.
Mitarbeiter in der Volkswagen Forschung vom 01.03.1997 bis 01.03.2000
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W. Schumacher
Mündliche Prüfung:
30.06.2000
Die Attraktivität eines Fahrzeuges wird in steigendem Maße durch eine umfangreiche Sicherheitsausstattung definiert. Immer komplexere Rückhaltesysteme versuchen die Verletzungen nach einem Unfall zu reduzieren. Mit einem elektronischen Stabilitäts-Programm (ESP) ist auch ein wenig geübter Fahrer in der Lage, Manöver am Rande der Fahrphysik durchzuführen.
Aus der Analyse von Unfällen geht hervor, daß die meisten Fahrer in Extremsituationen überfordert sind und das vorhandene Potential zur Vermeidung einer Kollision nur zu einem Bruchteil nutzen. Das in dieser Dissertation vorgestellte Notbremssystem überwacht die Verkehrssituation und bremst das Fahrzeug mit maximaler Verzögerung ab, sobald alle Möglichkeiten zur Vermeidung einer Kollision ungenutzt blieben. Dadurch reduziert sich die Aufprallgeschwindigkeit und das Verletzungsrisiko wird verringert.
Zu Forschungszwecken wurde ein Versuchsfahrzeug mit einer elektrisch ansteuerbaren Bremse sowie vorausschauenden Sensoren ausgerüstet. Wahlweise kommt ein Laserscanner oder ein Radarsensor zum Einsatz, welcher die detektierten Hindernisse über einen CAN-Bus an einen 16-Bit Microcontroller zur Auswertung übermittelt. Anhand von stehenden Schaumstoff-Hindernissen konnte die Funktion überprüft und in ihrem Sicherheitspotential bewertet werden. Desweiteren wird auf eine Verbesserung des Entwicklungsprozesses mit Rapid Prototyping Methoden eingegangen, da neben der reinen Funktionalität auch eine schnelle Markteinführung von großer Bedeutung ist.
Es hat sich gezeigt, daß die Sensorik für einen möglichen Serieneinsatz hinsichtlich Qualität und Zuverlässigkeit verbessert werden muß und auch die zusätzliche Verwendung einer Kamera bzw. einer Stereokamera mit entsprechender Bildverarbeitung eine Leistungssteigerung verspricht.
Der Notbremsalgorithmus wurde so gewählt, daß das produkthafttechnische Risiko für den Fahrzeughersteller minimal ist. Es wird erst dann gebremst, wenn auch ein professioneller Versuchsfahrer einen bevorstehenden Unfall nicht mehr verhindern könnte. Dies führt zusammen mit der Systemtotzeit bei den meisten Probanden zu dem Eindruck, es werde wertvoller Bremsweg verschenkt. In Simulationen wird bestätigt, daß der Sicherheitsgewinn nur für breite, stehende Hindernisse akzeptabel ist. Schnellere Rechner, die Verwendung einer elektro-hydraulischen oder elektro-mechanischen Bremse sind einige Maßnahmen, das Sicherheitspotential zu erhöhen.
Deutliche Verbesserungen - bis hin zu einer Unfallvermeidung - wären bei einer Änderung der Bremsstrategie zu erzielen, wie z.B. die Beurteilung der Verkehrssituation aus Sicht eines Fahrers mit durchschnittlichen Fähigkeiten, Annahmen über die voraussichtliche Bewegung von Hindernissen, eine Schätzung des Reibwertes vor dem Fahrzeug etc. All diese Varianten treffen eine Bremsentscheidung aufgrund einer ungesicherten Zukunftsprognose, kommen aber dem menschlichen Verhalten - und damit der Erwartung der meisten Kunden - am nächsten. Diese Szenarien bergen in Einzelfällen das Risiko von Folgeschäden oder verursachen sogar Unfälle durch einen unberechtigten Notbremseingriff.
Doch es sind gerade Einzelfälle, die vor Gericht verhandelt werden, bei denen hohe Schadenersatzleistungen gezahlt werden und die in der Presse Irritationen hervorrufen. Dieser Zielkonflikt bietet Raum für weitere Forschungen und beweist, daß für einen möglichen Serieneinsatz nicht nur technische Fragen im Mittelpunkt stehen.
Doktorand bei VW Elektronikforschung von 1996 bis 1999
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Müller
Mündliche Prüfung:
08.02.2000
In der Dissertation wurden neue Ansätze für die Regelung der Abgasrückführung sowie einer verbesserten Zumessung von Frischluft, rückgeführter Abgasmasse und Einspritzmenge in den stationären und instationären Betriebsphasen eines direkteinspritzenden Dieselmotors untersucht.
Als Grundlage für die Realisierung der Abgasrückführ-Regelverfahren diente eine neuartige Echtzeitsimulationsumgebung. Mit ihrer Hilfe gelang es, das Systemverhalten der Regelstrecke, bestehend aus Dieselmotor, Abgasrückührung sowie Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, nachzubilden. Das entstandene echtzeitfähige Gesamtmodell basiert auf stationären und instationären Prüfstandsmessungen sowie physikalischen Gesetzmäßigkeiten. In einem Vergleich zwischen realen Motorprüfstandsmessungen und durchgeführten Simulationsversuchen im Hardware-in-the-Loop-Betrieb mit angeschlossenem Motorsteuergerät konnte eine gute Übereinstimmung in den Signalverläufen der Meßgrößen gezeigt werden.
Der erste Schritt bei der Optimierung der Abgasrückführung bestand in einer Untersuchung des instationären Verhaltens der aktuellen Abgasrückführ-Regelstrategie im Motorsteuergerät durch zahlreiche Echtzeitsimulationsversuche sowie Motorprüfstands – und Fahrzeugmessungen. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse sind zunächst in eine Erweiterung der aktuellen Regelstrategie durch eine dynamische Vorsteuerung des Abgasrückführventils eingeflossen. Simulationsversuche und Messungen zeigten eine Verbesserung des instationären Verhaltens der Abgasrückführung bei schnellen Laständerungen, die jedoch zu keiner Verringerung des Schadstoffausstoßes in den durchgeführten Fahrzeug-Emissionstests führten.
Um eine exakte Zumessung von Frischluft und Kraftstoffmasse im Brennraum während des instationären Motorbetriebes zu gewährleisten, ist auch die erweiterte Abgasrückführ-Regelstrategie nicht mehr ausreichend. Stattdessen ist die Bestimmung der Brennraum-Frischluftmasse unter Berücksichtung des Frischluftspeicherverhaltens des Ansaugtraktes und eine darauf angepaßte Einspritzmassen-Zumessung für ein optimales Kraftstoff-Luftgemisch notwendig. Diese Erkenntnisse führten zu der Realisierung einer modellbasierten Rauchbegrenzung. Mit dieser konnte in Motorprüfstandsmessungen eine starke Verringerung des Partikelausstoßes bei gleichbleibenden Stickoxidemissionen während schneller Lastwechsel nachgewiesen werden.
Die Serienstreuungen im Einspritzsystem und der abgasrelevanten Sensoren bei direkteinspritzenden Pkw-Dieselmotoren führen zu einer Streuung der Emissionsergebnisse in den gesetzlich vorgeschriebenen Rollenprüfstandstests. Für die Einhaltung zukünftiger Abgasnormen ist eine Einengung dieser Emissionsstreuungen unbedingt erforderlich. Zur Lösung dieser Problematik wurden verschiedene lambdabasierte Regelverfahren, die eine Anpassung der Abgasrückführung an die Eigenschaften des individuellen Motors ermöglichen, untersucht. Die Kombination aus Echtzeitsimulation und Rapid-Prototyping zu einem gesamtheitlichen Entwicklungs- und Testsystem führte in diesem Zusammenhang zu einer erheblichen Verkürzung der Realisierungszeiten. In abschließenden Fahrzeugversuchsreihen auf dem Rollenprüfstand konnte die streubandeinengende Wirkung der Regelverfahren in bezug auf die Abgaskomponenten Partikel und Stickoxide nachgewiesen werden.
Abgasrelevante Regelverfahren müssen gemäß den OBD-Richtlinien in Zukunft Diagnose-funktionen enthalten, die einen Ausfall oder Defekt einer oder mehrerer ihrer Komponenten erkennen und dem Fahrer des Fahrzeuges mitteilen. Aufbauend auf den lambdabasierten Regelverfahren wurde deshalb der Ansatz einer Diagnosemöglichkeit entwickelt, die über die Kreuzkorrelation des gemessenen und berechneten Lambdas in den instationären Betriebsphasen des Motors beide Signalverläufe miteinander vergleicht. Emissions- oder Fahrverhaltensbeeinflussungen gegenüber signalaufprägenden Korrelationsanalyseverfahren sind deshalb nicht zu erwarten.
Doktorand bei IAV GmbH Gifhorn
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Müller
Mündliche Prüfung:
08.02.2000
In der Dissertation wurden neue Ansätze für die Regelung der Abgasrückführung sowie einer verbesserten Zumessung von Frischluft, rückgeführter Abgasmasse und Einspritzmenge in den stationären und instationären Betriebsphasen eines direkteinspritzenden Dieselmotors untersucht.
Als Grundlage für die Realisierung der Abgasrückführ-Regelverfahren diente eine neuartige Echtzeitsimulationsumgebung. Mit ihrer Hilfe gelang es, das Systemverhalten der Regelstrecke, bestehend aus Dieselmotor, Abgasrückührung sowie Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, nachzubilden. Das entstandene echtzeitfähige Gesamtmodell basiert auf stationären und instationären Prüfstandsmessungen sowie physikalischen Gesetzmäßigkeiten. In einem Vergleich zwischen realen Motorprüfstandsmessungen und durchgeführten Simulationsversuchen im Hardware-in-the-Loop-Betrieb mit angeschlossenem Motorsteuergerät konnte eine gute Übereinstimmung in den Signalverläufen der Meßgrößen gezeigt werden.
Der erste Schritt bei der Optimierung der Abgasrückführung bestand in einer Untersuchung des instationären Verhaltens der aktuellen Abgasrückführ-Regelstrategie im Motorsteuergerät durch zahlreiche Echtzeitsimulationsversuche sowie Motorprüfstands – und Fahrzeugmessungen. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse sind zunächst in eine Erweiterung der aktuellen Regelstrategie durch eine dynamische Vorsteuerung des Abgasrückführventils eingeflossen. Simulationsversuche und Messungen zeigten eine Verbesserung des instationären Verhaltens der Abgasrückführung bei schnellen Laständerungen, die jedoch zu keiner Verringerung des Schadstoffausstoßes in den durchgeführten Fahrzeug-Emissionstests führten.
Um eine exakte Zumessung von Frischluft und Kraftstoffmasse im Brennraum während des instationären Motorbetriebes zu gewährleisten, ist auch die erweiterte Abgasrückführ-Regelstrategie nicht mehr ausreichend. Stattdessen ist die Bestimmung der Brennraum-Frischluftmasse unter Berücksichtung des Frischluftspeicherverhaltens des Ansaugtraktes und eine darauf angepaßte Einspritzmassen-Zumessung für ein optimales Kraftstoff-Luftgemisch notwendig. Diese Erkenntnisse führten zu der Realisierung einer modellbasierten Rauchbegrenzung. Mit dieser konnte in Motorprüfstandsmessungen eine starke Verringerung des Partikelausstoßes bei gleichbleibenden Stickoxidemissionen während schneller Lastwechsel nachgewiesen werden.
Die Serienstreuungen im Einspritzsystem und der abgasrelevanten Sensoren bei direkteinspritzenden Pkw-Dieselmotoren führen zu einer Streuung der Emissionsergebnisse in den gesetzlich vorgeschriebenen Rollenprüfstandstests. Für die Einhaltung zukünftiger Abgasnormen ist eine Einengung dieser Emissionsstreuungen unbedingt erforderlich. Zur Lösung dieser Problematik wurden verschiedene lambdabasierte Regelverfahren, die eine Anpassung der Abgasrückführung an die Eigenschaften des individuellen Motors ermöglichen, untersucht. Die Kombination aus Echtzeitsimulation und Rapid-Prototyping zu einem gesamtheitlichen Entwicklungs- und Testsystem führte in diesem Zusammenhang zu einer erheblichen Verkürzung der Realisierungszeiten. In abschließenden Fahrzeugversuchsreihen auf dem Rollenprüfstand konnte die streubandeinengende Wirkung der Regelverfahren in bezug auf die Abgaskomponenten Partikel und Stickoxide nachgewiesen werden.
Abgasrelevante Regelverfahren müssen gemäß den OBD-Richtlinien in Zukunft Diagnose-funktionen enthalten, die einen Ausfall oder Defekt einer oder mehrerer ihrer Komponenten erkennen und dem Fahrer des Fahrzeuges mitteilen. Aufbauend auf den lambdabasierten Regelverfahren wurde deshalb der Ansatz einer Diagnosemöglichkeit entwickelt, die über die Kreuzkorrelation des gemessenen und berechneten Lambdas in den instationären Betriebsphasen des Motors beide Signalverläufe miteinander vergleicht. Emissions- oder Fahrverhaltensbeeinflussungen gegenüber signalaufprägenden Korrelationsanalyseverfahren sind deshalb nicht zu erwarten.
Mitarbeiter an der PTB seit 1991
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Kind
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. E. Schnieder
Mündliche Prüfung:
28.07.1999
Heute verfügbare Feldbussysteme unterliegen für explosionsgefährdete Umgebungen starken Einschränkungen. Dieser Zustand spiegelt sich insbesondere in der Anwenderforderung nach einer Erhöhung der eigensicher verfügbaren elektrischen Leistung wider. Die Zahl der heute anschaltbaren Busteilnehmer an eigensichere Feldbusse ist für eine breite kostenoptimale Einführung und Nutzung der Feldbustechnik in verfahrenstechnischen Prozeßanlagen noch zu gering. Wechselstromgespeiste Schaltungen zeigen in Bezug auf ihr Explosionsschutzverhalten einen erhöhten eigensicheren Leistungsumsatz gegenüber Gleichstromsystemen. Diese Arbeit weist mit theoretischen und praktischen Untersuchungen die Leistungserhöhung nach und stellt mögliche Ansätze für eine industrielle Nutzung in Feldbusanwendungen vor. Dabei wird die gegenseitige Abhängigkeit von anwendungsorientierten und zündphysikalischen Anforderungen besonders berücksichtigt.
Doktorand bei VW E/E-Entwicklung von 1995 bis 1998
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. K. Ehlers
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W. Schumacher
Mündliche Prüfung:
29.03.1999
Heutige Kraftfahrzeuge müssen den ständig wachsenden Ansprüchen an Sicherheit, Umwelt-verträglichkeit und Komfort gerecht werden. Viele dieser Anforderungen sind nur durch den Einsatz elektronischer Steuergeräte zu realisieren. Das hat zur Folge, daß der Elektronik im Fahrzeug mittlerweile die Wertigkeit einer Schlüsselfunktion zuzumessen ist. Der Zuwachs der Kraftfahrzeugelektronik mit dem zunehmenden Einsatz von verteilten und sicherheitsrelevanten Funktionen und der Notwendigkeit, diese komplexen Systeme in immer kürzerer Zeit zur Serienreife zu bringen, erfordert zur entwicklungsbegleitenden Prüfung der Funktionsfähigkeit effektive und gleichzeitig sichere Prozeßabläufe und Methoden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Methoden und Werkzeuge für den Funktionstest von Kraft-fahrzeugsteuergeräten zu erarbeiten und zu erproben. Dabei soll neben der Darstellung von benötigten Methoden im Entwicklungsprozeß, ein Schwerpunkt auf die entsprechende Konzeption von rechnergestützten Werkzeugen zur Funktionsüberprüfung gelegt werden. Ein Ziel dabei ist es, eine möglichst weitgehende Automatisierung der Prüfaufgaben sowohl im Fahr-zeug als auch im Labor zu erreichen. Ausgehend vom gegenwärtigen Entwicklungs-prozeß von Fahrzeugsteuergeräten wird aus Sicht des Fahrzeugherstellers für den Prozeß des Verifizierens und Validierens von Steuergerätefunktionen ein Systemkonzept für eine Prüf-um-gebung abgeleitet. Dabei werden u.a. die im automobilen Umfeld entstehenden Schnitt-stellen, wie z.B. ASAM/ASAP, MEDOC, etc. hinsichtlich der Eignung für den Einsatz in einer Prüfumgebung diskutiert. Abschließend wird an mehreren Applikationsbeispielen der effiziente Einsatz der erarbeiteten Methoden und Werkzeuge zur Funktionsprüfung von Kraftfahrzeugsteuergeräten dargestellt.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der FAL Braunschweig Juni 1996 bis Juni 1999
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Sommer
Prof. Dr.-Ing. Munack
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Harms
Mündliche Prüfung:
10.12.1999
Die hohe Streuung bei der Messung bodenphysikalischer Parameter ist seit längerer Zeit Gegenstand der Forschung. Es existieren aber nur für wenige Anwendungsfälle Angaben über das ausmaß der Messwertstreuungen. Die Steuerung der Feldberegnung, als eine sehr praktische Anwendung, wird oft nach statistisch viel zu unsicheren Werten des Bodenwassergehalts versucht, da Angaben über die notwendige Zahl der Wiederholungen fehlen, und der Zusammenhang zwischen Messunsicherheiten und der Regelstrecke Bodenwassergehalt zu wenig beachtet wird. Dazu kommt, dass wissenschaftliche Untersuchungen meist auf Bodenprobeentnahmen beruhen, und dabei nur die Heterogenität des Bodenwassergehaltes selbst zum Tragen kommt. Beim Einsatz von Bodenfeuchtesensoren können noch verschiedenste Effekte die Streubreite der Messungen weiter erhöhen und zwar für verschiedene Verfahren auf unterschiedliche Art und Weise.
Ziel dieser Arbeit war einerseits, die Eigenschaften der Messwertstreuung anhand beispielhafter Messungen kommerziell verfügbarer Bodenfeuchtesesoren zu beschreiben, und andererseits zu untersuchen, ob und nach welchen Ansätzen diese Messwertstreuungen unter Umständen vermieden werden können.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.03.1993 bis 30.04.1999
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. Kind
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. E. Schnieder
Mündliche Prüfung:
28.07.1999
Heute verfügbare Feldbussysteme unterliegen für explosionsgefährdete Umgebungen starken Einschränkungen. Dieser Zustand spiegelt sich insbesondere in der Anwenderforderung nach einer Erhöhung der eigensicher verfügbaren elektrischen Leistung wider. Die Zahl der heute anschaltbaren Busteilnehmer an eigensichere Feldbusse ist für eine breite kostenoptimale Einführung und Nutzung der Feldbustechnik in verfahrenstechnischen Prozeßanlagen noch zu gering. Wechselstromgespeiste Schaltungen zeigen in Bezug auf ihr Explosionsschutzverhalten einen erhöhten eigensicheren Leistungsumsatz gegenüber Gleichstromsystemen. Diese Arbeit weist mit theoretischen und praktischen Untersuchungen die Leistungserhöhung nach und stellt mögliche Ansätze für eine industrielle Nutzung in Feldbusanwendungen vor. Dabei wird die gegenseitige Abhängigkeit von anwendungsorientierten und zündphysikalischen Anforderungen besonders berücksichtigt.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.01.1994 bis 31.12.1999
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. K. Ehlers
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. A. Enders
Mündliche Prüfung:
21.08.1998
Die Erfüllung gestiegener ökonomischer Anforderungen bestimmt die Entwicklung zukünftiger Kraftfahrzeuge. Nicht nur für Sicherheitsfunktionen sondern auch für zahlreiche neuartige Komfortfunktionen steigt der Anteil der elektrischen Verbraucher im Fahrzeug. Als wesentlicher Zielkonflikt bildet sich dabei die Forderung nach einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Sicherung der elektrischen Energieversorgung heraus.
Die drastische Zunahme elektrischer Verbraucher im Kraftfahrzeug macht den Einsatz neuartiger Bordnetze mit integriertem Energiemanagement erforderlich. Neben dem Betrieb von elektrischen Standardverbrauchern wie Lampen, Heizungen und Stellmotoren werden in Zukunft eine Vielzahl neuer Komfortfunktionen verlangt. Ein Teil dieser Komponenten ist schon heute im Fahrzeug in Form von Insellösungen mit Feldbussen vernetzt. Für zukünftige Kraftfahrzeuggenerationen muß aber mit einem noch höheren Vernetzungsgrad gerechnet werden. Hierfür wird eine intelligente Steuerung der neuen Bordnetzkomponenten notwendig.
Mitarbeiter bei Volkswagen AG, Wolfsburg
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. U. Seiffert
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Müller
Mündliche Prüfung:
21.09.1998
Die Möglichkeiten, die sich durch die Entwicklung neuer stufenloser Automatikgetriebe ergeben, bieten Freiheitsgrade die zur Erreichung der hochgesteckten Anforderungen an die Automobile der Zukunft genutzt werden können.
Inhalt der Dissertation ist ein neuartiges Triebstrangmanagement-Verfahren , das den neuen Freiheitsgrad Motordrehzahl, der sich aus der stufenlosen Veränderung der Getriebeübersetzung ergibt, ausnutzt und der Zielsetzung Emissionsreduzierung, Verbrauchsreduzierung und Komfortsteigerung zugute kommt. Der Ansatz einer gesamtheitlichen Betrachtung der Fahrzeugpartner, mit konfigurierbarer Strategie, ist in diesem Verfahren verwirklicht.
Die Ermittlung der besten Motorbetriebspunkte (von einer einstellbaren Strategie abhängig) ist durch einen Ansatz, der die Berücksichtigung verschiedener zu optimierender Größen zuläßt, realisiert worden. Die Optimierung stationärer Motorbetriebspunkte, welche die Grundlage des Verfahrens sind, kann ebenfalls automatisiert durchgeführt werden. Somit lassen sich sowohl die Einstellung eines Motors, als auch die eines stufenlosen Getriebes ermitteln.
Die Beurteilung bezüglich der Zielsetzung Emission, Verbrauch und Fahrleistung erfolgt durch die Hochrechnung, in die umfangreiche Fahrzeugparameter einfließen. Die Verknüpfung der drei Teile Motor- und Getriebeoptimierung sowie Hochrechnung ermöglicht die Abstimmung bzw. Optimierung von Motor und Getriebe im Gesamtfahrzeug auch unter Berücksichtigung der Zielsetzung und der Randbedingungen zur Beurteilung.
Anhand von Messungen an einem Dieselfahrzeug mit stufenlosem Automatikgetriebe konnte der Ansatz des Verfahrens bestätigt werden. Die mit Hilfe des Verfahrens ermittelten Motorbetriebspunkte wurden in einem Fahrzeug dargestellt. Eine deutliche Reduzierung der Emissionsgrößen Stickoxid und Partikel, bei gleichbleibendem Verbrauch, konnte im Vergleich zu einem Stufenautomaten realisiert werden.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Science Management and Engineering München von 1988 bis 1992
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr. rer. nat. H. Lühr
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Rex
Mündliche Prüfung:
27.03.1998
Sonnensensoren gehören zur Standardbestückung von Satelliten und stellen in der Regel das wichtigste Instrument zur Lagebestimmung dar. Durch die Vielfältigkeit der Satellitenmissionen werden sehr unterschiedliche Anforderungen gestellt. Die vorliegende Arbeit bietet eine allgemeine Einführung in die Technik von Sonnensensoren und zeigt detailliert das Konzept und die Analyse einer Spezialentwicklung bis hin zum Einsatz im Weltraum auf.
Der FREJA-Sonnensensor ist ein neuartiges Meßinstrument, das für die Lagebestimmung von einem spinstabilisierten, mit der Spinachse zur Sonne orientierten Satelliten konstruiert wurde. Der Sonnensensor vereinigt in einem Gehäuse zwei unterschiedliche Meßsysteme, deren Kernstück je ein CCD-Zeilensensor ist. Die vollkommen autonome Steuerung des Gesamtsystems erfolgt durch einen Mikrorechner.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.08.1989 bis 31.07.1993
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. K. Ehlers
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Lindmayer
Mündliche Prüfung:
30.05.1997
Zahlreiche Untersuchungen belegen, daß die Energieabnehmer durch Lastmanagement-Maßnahmen auf preisliche Anreize reagieren könnten. Das sich das Engagement vieler Abnehmer trotz günstiger Einsparprognosen in Grenzen hält, liegt u. a. an den im vorhinein schwer, oft gar nicht ermittelbaren Lastmanagementvariablen wie z. B. Schalthäufigkeiten oder Stillstandszeiten einzelner anlagen. Hier setzt die vorliegende Arbeit an.
Nach Darlegung der theoretischen Grundlagen wird zunächst das Profil eines räumlich verteilten Bezugsoptimierungssystems erarbeitet, wobei die Grundsätze der offenen Kommunikation und das Streben nach einer ganzheitlichen Betrachtung der Energieabnahmeprozesse im Vordergrund stehen. Das Profil wird detailliert beschrieben und bildet die Grundlage für ein im Fortgang der Arbeit realisiertes Simulatorkonzept. Die konsequent dezentralisierten Optimierungs- und Entscheidungsfunktionen werden dabei durch eine neuartige Nomenklatur in drei Funktionsgruppen zusammengefaßt. die Aufgaben und Inhalte dieser Gruppen werden im Rahmen einer geschlossenen Methodik dargestellt und beschrieben.
Schwerpunkte bilden die Algorithmen der Lastprogrose und der Verbrauchereinsatzplanung. die Auswertungsmöglichkeiten des Simulators hinsichtlich einer vorgegebenen Leistungsgrenze und der dazu in Wechselwirkung stehenden Lastmanagementvariablen werden ausführlich beschrieben. die zu berücksichtigenden Kostenbestandteile werden typisiert und zu den einsparbaren Kosten ins Verhältnis gesetzt. Anhand eines praktischen Beispiels wird gezeigt, wie man durch Simulationen, die auf die Verhältnisse beim Anwender zugeschnitten sind, konkrete Aussagen über die jeweils möglichen Einsparungen erhalten kann.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.02.1989 bis 31.10.1995
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. H. Schönfelder
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Müller
Mündliche Prüfung:
30.04.1997
Ziel der Dissertation war es, ein neuartiges Werkzeug zu erstellen, das eine schnelle und kostengünstige Entwicklung von Kühlkreislaufregelalgorithmen ermöglicht.
Das Werkzeug besteht aus zwei Teilen: der Simulation des Kühlkreislaufsystems und einem Fahrzeug, dessen Kühlkreislauf bezüglich der Regelbarkeit erweitert wurde.
Die maßgebenden Randbedingungen einer Simulation sind Realitätsnähe, Rechenzeit und Handhabbarkeit, wobei hier insbesondere das zeitliche Verhalten realitätsnah abzubilden war.
Vor diesem Hintergrund wurden die Berechnungen der einzelnen Komponenten so genau wie nötig und so einfach wie noch zulässig ausgelegt, um die Rechnerzeit möglichst gering zu halten. Für die einzelnen Komponenten bedeutet dies:
Bei der Simulation gibt der Nutzer des Werkzeuges den Fahrzeuggeschwindigkeitsverlauf, den Getriebegang und die Steigung vor. Daraus werden als Eingangsgrößen für das Kühlsystem das Motormoment, die Motordrehzahl und der Luftdurchsatz durch den Kühler berechnet. Ausgangsgrößen sind dann die Temperatur vor und hinter jeder Komponente, die Zustände für den Lüfter, den Thermostaten und die Wasserpumpe.
Vergleiche von Simulationsergebnissen mit gemessenen Verläufen ergeben eine gute Übereinstimmung sowohl bei den stationären Werten als auch im zeitlichen Verhalten.
Das modifizierte Fahrzeug ist mit einer elektromotorisch betriebenen Wasserpumpe ausgerüstet. Die Drehzahlen von Wasserpumpe und Kühlerlüfter können durch Pulsweitenmodulation geregelt werden. Der Arbeitspunkt des Thermostaten wird durch Beheizen seiner Wachspille gesteuert. Die Kontrolle über dieses System hat ein speziell hierfür entwickeltes Steuergerät, in dem die am Computer entwickelten Algorithmen abgelegt werden und das Daten aus dem Motorsteuergerät und einem Öltemperatursensor einliest.
Mit diesem Fahrzeug ist es sehr schnell möglich, die in der Theorie erdachten und simulierten Algorithmen durch Versuche zu kontrollieren.
Um die Funktionsfähigkeit des Werkzeugs nachzuweisen, wurden beispielhaft Algorithmen entwickelt, in das Fahrzeug übertragen und getestet. Dabei zeigt sich, daß das vorausberechnete Verhalten des geregelten Kühlkreislaufs im Versuch bestätigt wird. Die erarbeitete Simulation erwies sich als Instrument für die Entwicklung von Fahrzeugen, die sich noch im Planungszustand befinden und real noch nicht existieren, als funktionstüchtig und in der Praxis als handhabbar.
seit 1990 bei PTB Berlin
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. E. Schnieder
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. W. Schumacher
Mündliche Prüfung:
09.02.1996
Die Dissertation beschreibt die Ziele, Ausführungen und Ergebnisse eines dreijährigen Forschungsvorhabens. Es sollte ein offenes Vernetzungskonzept zum Betrieb heutiger und zukünftiger Tankstellen gefunden werden. An ausgewählten wichtigen Geräten des Tankstellenaußenbereichs war der Funktionsnachweis des Konzepts unter Einsatz eines seriellen Feldbusses zu erbringen.
Nach der Darstellung der speziellen Kommunikationsbedingungen im Tankstellenbereich erfolgt die theoretische Betrachtung des Zeitverhaltens verschiedener Feldbusse mit unterschiedlichen Buszugriffsverfahren. Aus der Vielzahl existierender Feldbusse wurde der genormte DIN-Meßbus für die Forschungsarbeiten ausgewählt.
Grundlage der Dissertation sind verständliche Festlegungen zur Nutzung der Manufacturing Message Specification (MMS) im Feldbusbereich, die unverändert auch auf andere Transportsysteme übertragbar sind. Das allgemeine Kommunikationsmodell und die wichtigsten Kommunikationsdienste werden erläutert.
Das neue Vernetzungskonzept für Tankstellen beschreibt allgemein nutzbare Ideen zur Festlegung offener Vernetzungsstrukturen für beliebige Anwendungsgebiete. Es erlaubt die automatische Konfiguration des Busses hinsichtlich Adreßeinstellung und Einstellung der Datenübertragungsrate. Am Beispiel eines Tankstellengeräts (Zapfsäule) wird gezeigt, wie virtuelle Gerätemodelle aufgestellt, Datenobjekte festgelegt und Anwendungsprozesse gesteuert werden können.
Die theoretischen Modelle wurden auf eine Versuchsanlage übertragen. Von besonderem Interesse war das Zusammenwirken verschiedenartiger alter und neuer Geräte. Parallel zu den Untersuchungen wurden Prüfkonzepte und Prüfverfahren entworfen und erprobt. Ein Ergebnis sind theoretische Berechnungsgrundlagen für die Bussteuerung des DIN-Meßbusses unter Berücksichtigung spezieller Betriebszustände.
Den Abschluß der Forschungsarbeiten bildete ein Feldversuch über neun Monate auf einer realen Tankstelle. Dessen Auswertung brachte wichtige Erkenntnisse hinsichtlich des Kommunikationsbedarfs modernen Tankstellen. Es konnte der Nachweis erbracht werden, daß das neue Vernetzungskonzept den heutigen und zukünftigen Tankstellen gerecht wird.
Wichtigstes Ergebnis der Dissertation ist ein Ansatz zur einheitlichen Vernetzung und Steuerung von Tankstellen. Außerdem wurde die Erarbeitung einer neuen Kommunikationsnorm unterstützt. Damit steht eine offene, erprobte und dokumentierte Vernetzungslösung zur Verfügung.
Im Ausblick wird auf die weiteren Forschungsarbeiten hingewiesen und die Perspektiven aufgezeigt. Es ist davon auszugehen, daß ab 1995 erste Tankstellen nach dem neuen Konzept arbeiten werden.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter vom 01.02.1987 bis 31.10.1992
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr. h. c. E. Westkämper
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Paulus
Mündliche Prüfung:
01.08.1995
Für die berührungslose Messung von geometrischen Größen gibt es einfache Systeme, beispielsweise zur Anwesenheitskontrolle von Werkstücken im Arbeitsbereich einer Presse, aber auch komplexe Bildverarbeitungssysteme zur Prüfung der Bestückung von Leiterkarten. Während einfache, optische Meßeinrichtungen, wie z.B. null- oder eindimensionale Systeme sehr hohe Meßgeschwindigkeiten zulassen, sind mit komplexen Bildverarbeitungssystemen zur zwei- bzw. dreidimensionalen Erfassung geometrischer Größen nur relativ geringe Meßraten realisierbar. Der Umfang der zu erfassenden und anschließend zu verarbeitenden Meßdaten steht dabei im umgekehrten Verhältnis zur resultierenden Meßgeschwindigkeit.
Für die Verminderung der zu behandelnden Daten wurden zwei Ansatzpunkte verfolgt. Zum einen kann auf der Seite der Signalquelle, also im Objektraum, durch die Beschränkung auf einige markante Punkte am bewegten Objekt eine Verringerung der zu erfassenden Daten erreicht werden.
Zum anderen hat die Abstimmung der Signalsenke, also der optischen Meßaufnehmer, auf die Aufgabe, nur diese markanten Punkte zu erfassen, eine Minimierung der anfallenden Meßwerte zum Ergebnis. Die praktische Umsetzung dieser zwei theoretischen Ansatzpunkte führt auf die hier vorgestellte und untersuchte optische Meßeinrichtung. Diese setzt sich aus einem Positionsgeber mit Infrarot-Lumineszenzdioden, der an dem zu vermessenden Objekt befestigt ist, einer stereoskopischen Anordnung zweier elektronischer Kameras mit Lateraleffektdioden und der Ansteuer- bzw. Auswertungseinheit zusammen. Die Untersuchungen der statischen und dynamischen Eigenschaften der optischen Meßeinrichtungen haben ergeben, daß sich mit dieser, gegenüber den Verfahren der klassischen Bildverarbeitung, eine deutlich höhere Meßrate bei vergleichbarer Objektraumlösung erzielen läßt. Die konsequente Umsetzung des Ansatzes, die zu erfassenden und im Anschluß auszuwertenden Daten zu reduzieren, ermöglicht diese Beschleunigung. Werden die Einschränkungen hinsichtlich der realisierbaren Entfernungs- und Winkelbereiche beachtet, so kann mit einer Meßrate von etwa 1000 Hz eine Objektraumauflösung von 10-3 erzielt werden. Der zur Positions- und Orientierungsbestimmung benötigte aktive Positionsgeber, der an dem bewegten Objekt zu befestigen ist, weist eine vergleichsweise geringe Masse auf, so daß keine nennenswerte Beeinflussung des Meßobjektes durch zusätzliche Massenträgheiten auftritt.
Die vorgestellte optische Positionsmeßeinrichtung kann im industriellen Bereich beispielsweise für die Überwachung bzw. Verikation vorgegebener Bewegungsabläufe bei Handhabungsgeräten und ggf. die Vermeidung von Kollisionen eingesetzt werden. Bei Verwendung von Infrarotstrahlern mit höherer Strahlungsleistung können größere Meßentfernungen realisiert werden.
Wissenschafltlicher Mitarbeiter vom 01.02.1989 bis 31.10.1995
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. K. Ehlers
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Schumacher
Mündliche Prüfung:
09.02.1996
Wachsende Komplexität und steigender Funktionsumfang kennzeichnen die elektronischen Komponenten in einer Vielzahl technischer Systeme. Die Entwicklung derartiger Elektroniken erfordert Werkzeuge, die sowohl den steigenden Anforderungen gerecht werden als auch zur Zeit- und Kostenersparnis beitragen. die vorliegende Arbeit liefert einen theoretischen sowie einen experimentellen Beitrag zur Echtzeitsimulation arbiträrer Prozeßsignale. Den Schwerpunkt bildet die Entwicklung eines Konzeptes zur Signalsynthese, mit der Intention, die Lücke zwischen Funktionsgeneratoren und Echtzeitsimulationssystemen zu schließen. Die Anwendungsmöglichkeiten des entwickelten Simulatorkonzeptes werden exemplarisch für den Bereich der Automobilelektronik aufgezeigt.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter von Januar 1984 bis September 1989
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. H. Schönfelder
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Wahl
Mündliche Prüfung:
30.05.1990
Die Arbeit liefert einen theoretischen und experimentellen Beitrag zur Beschreibung von Objektsituationen durch Auswertung von Ultraschallsignalen unter Anwendung des Impuls-Echo-Verfahrens. Die Untersuchungen finden im Medium Luft statt und sind nicht bildgebend. Vielmehr ist die Objektlokalisierung durch Auswertung der erforderlichen drei Situationsechos und die anschließende Objektbeschreibung durch Auswertung eines einzelnen Echosignals Gegenstand der Untersuchungen. Der Erfassungsraum der Anordnung umfaßt den Bereich von wenigen Dezimetern.
Die Lokalisierung axial gelegener Objekte ergab für einen Abstandsbereich von 100 – 600mm eine Abweichung des jeweiligen Mittelwerts vom Erwartungswert von maximal 50 µm. Die Abweichung einzelner Meßwerte vom Erwartungswert lag für den genannten Meßbereich unter 200 µm bei einer Standardabweichung, die teils deutlich weniger als 100 µm betrug. Die Angaben beziehen sich auf eine Abtastfrequenz von 2 MHz, die zur Erzielung eines möglichst tiefen Erfassungsbereichs geeignet ist. Eine Erhöhung der Abtastfrequenz auf 20MHz führte für Meßabstände um 200 mm zur Reduzierung der Standardabweichung auf etwa 20 µm.
Das beschränkte Element der Ultraschallmeßtechnik zur Objektlokalisierung und –beschreibung ist der Schallwandler. Der Wunsch nach einer möglichst guten räumlichen Auflösung dicht benachbarter Objekte erfordert kurze Echosignale, die nur von entsprechend breitbandigen Schallwandlern erzeugt werden können. Wie die Untersuchungen zur Objektbeschreibung ergaben, ist darüber hinaus eine möglichst große Ausdehnung des Übertragungsfrequenzbereichs zu tiefen Frequenzen hin vorteilhaft. Die Unsicherheit in der Abstandsbestimmung eines einzelnen Objekts wird hingegen weniger durch die Bandbreite der verwendeten Schallwandler, als durch die Unbestimmtheit der Luftstrecke innerhalb des Erfassungsraums gegeben.
Wissenschaflicher Mitarbeiter von Juli 1985 bis Juni 1989
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. W. Klenke
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Schönfelder
Mündliche Prüfung:
21.07.1989
Die Arbeit stellt ein neues elektrisches Verfahren zur Bestimmung des Wassergehaltes von Erdböden vor; aufgrund seiner Funktion soll es nachfolgend als Thermoimpulsverfahren bezeichnet werden. Sein Prinzip beruht darauf, daß die Dauer der Entladung eines Kondensators über einen, im Erdboden befindlichen Widerstandsdraht ins Verhältnis gesetzt wird zur bestehenden Bodenfeuchte.
Zur Einführung in den Problembereich "Feuchtmessung" erfolgt ein Überblick über etablierte Meßverfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen. Den thermischen Meßverfahren ist an dieser Stelle wegen ihrer inhaltlichen Nähe zum Thermoimpulsverfahren ein eigener Abschnitt gewidmet.
Das Meßprinzip des Verfahrens und der weitere Verlauf auf dem im Labor verwendeten Meßaufbau wird beschrieben.
Da es aufgrund komplexer Zusammenhänge nicht möglich ist, die dem Thermoimpulsverfahren zugrundeliegende Theorie formelmäßig geschlossen darzustellen, wird eine mathematische Modellbildung beschrieben. Ausgehend von einem einfachen Simulationsprogramm wird eine komplexe Modellrechnung entwickelt, die es gestattet, Reaktionen des Thermoimpulsverfahrens auf die verschiedensten Einflüsse und Parameter zu untersuchen.
Anhand der geschaffenen Modellrechnung werden die frei wählbaren Parameter des Meßverfahrens im Hinblick auf ein maximales Ausgangssignal bei gleichzeitig möglichst rückwirkungsarmer Messung optimiert.
Die praktische Anwendung des Thermoimpulsverfahrens: Exemplariasch wird in mehreren Meßreihen der Zusammenhang zwischen dem Meßsignal "Entladezeit" und dem Feuchtegehalt zweier unterschiedlicher Bodenarten bestimmt.
Neben Schaltbildern des Labormeßgerätes sind im Anhang Ergebnisse von Simulationen und Messungen in flüssigen Testmedien mit bekannten thermodynamischen Eigenschaften dargestellt, die es erlauben, Güte und Grenzen der mathematischen Modellrechnung abzuschätzen.
Mitarbeiter am Institut für Netzwerktheorie und Schaltungstechnik von 1983 bis 1986
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. R. Elsner
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Lindmayer
Mündliche Prüfung:
16.10.1987
Diese Arbeit soll ein geschlossenes Konzept für die Dimensionierung von Leistunskonvertern der Klasse E als geschaltete Stromversorgung angeben, bei der alle Arbeitspunkte mit dem Wirkungsgrad von (theoretisch)100% berücksichtigt werden. Dabei werden besonders auch die Grenzdaten, die für die Auslegung des Transistorschalters wichtig sind, behandelt.
Als Dimensionierungsbeispiel wird ein Klasse-E-Konverter mit Mittelpunktgleichrichter als Lastnetzwerk dimensioniert und Hinweise zur Realisierung gegeben. Gemessene Werte der aufgebauten Schaltung werden mit den berechneten verglichen. Hieraus ergibt sich ein Maß für den Grad der Abweichungen, die die Näherungen in der Analyse hervorrufen. Für eine genauere Berechnung des Schaltungsverhaltens wird auf die Möglichkeit einer Simulation der dimensionierten Schaltung eingegangen.
Mitarbeiter am Institut für Netzwerktheorie und Schaltungstechnik von 1983 bis 1986
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. J.-U. Varchmin
Prof. Dr.-Ing. W. Entenmann
Vorsitz:
Prof. Dr.-Ing. Paulus
Mündliche Prüfung:
24.10.1986
Im ersten Teil der Arbeit wird theoretisch untersucht, welche Möglichkeiten Filter bieten, die sich ausschließlich aus DVCCSs und Kondensatoren aufbauen (DVCCS-C-Filter). Dabei werden bereits bekannte, aber auch neue Schaltungen unter ähnlichen Gesichtspunkten wie die in zahlreichen Arbeiten untersuchten Filter mit Operationsverstärkern kategorisiert. Besonderes Interesse wird dabei auf die Möglichkeit einer Verschiebung der Filtercharakteristik bei den DVCCS-C-Filtern gelegt (Duchstimmbarkeit).
Im zweiten Teil werden diejenigen Eigenschaften eines realen OTA vorgestellt, die von besonderer Bedeutung für die Filtersynthese sind. Eine starke Betonung liegt dabei auf der Untersuchung der Frequenzabhängigkeit der Eigenschaften des OTA. Speziell wird die Frequenzabhängigkeit des Übertragungsverhaltens durch eine rationale Übertragungsfunktion beschrieben.
Im dritten Teil wird – unter Berücksichtigung der dargestellten Eigenschaften des OTA – untersucht, inwieweit die im ersten Teil vorgestellten Schaltungen realisierungswürdig sind. Aus der Fülle der Schaltungen wird exemplarisch die Klasse der Bandpaß-Filter zweiter Ordnung herausgegriffen. Es werden Kriterien aufgestellt, mit denen man die Qualität solcher Schaltungen bewerten kann. Die dort erzielten Erkenntnisse lassen sich auch auf andere DVCCS-C-Filter übertragen.