Fraunhofer-Institut: Virtueller Prüfstand für Lenksysteme

An die mechatronischen Systeme von morgen werden hohe Ansprüche gestellt: Sie sollen mit ihrem Umfeld interagieren und sich diesem autonom anpassen; sie sollen unerwartete Situationen flexibel bewältigen und dabei auch zukünftige Einflüsse voraussehen können. Gleichzeitig sollen sie benutzerfreundlich bleiben und auf die zunehmende Komplexität des Gesamtsystems reagieren können, vor allem intelligenter und stärker vernetzt werden. Das Fraunhofer IEM setzt hier an und bietet Unternehmen am Paderborner Technologiestandort Zukunftsmeile Fürstenallee Expertise für intelligente Mechatronik im Kontext Industrie 4.0. Das umfangreiche Know-how des Fraunhofer IEM im Bereich von Methoden und Werkzeugen für die Entwicklung mechatronischer Systeme wird durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Heinz Nixdorf Institut und der Universität Paderborn gestärkt. Als Teil der Fraunhofer-Gesellschaft, Europas größter Organisation für anwendungsorientierte Forschung, ist das IEM weltweit vernetzt und fördert die internationale Zusammenarbeit.

Modellbasierter Prüfstandsentwurf

Aktuell wird am Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik (IEM) in Paderborn unter anderem an einem modellbasierten Entwurf eines Prüfstandes für die Entwicklung und den Test von Lenksystemen gearbeitet. Durch die Virtualisierung des Prüfstandes können sowohl sein Aufbau als auch die Prüfstandsumgebung vorab überprüft werden.

Da Lenksysteme zu den sicherheitskritischen Systemen in einem Fahrzeug gehören, betreiben Automobilhersteller einen beträchtlichen Aufwand, um die entsprechenden Funktionen und Eigenschaften intensiv zu testen. Der virtuelle Prüfstand des Fraunhofer IEM soll primär für die Untersuchungen des dynamischen Führungs- und Störverhaltens unterschiedlicher Lenkkonzepte eingesetzt werden. Weiterhin ist geplant, in der Umgebung diverse Regelungsansätze für hydraulische Anregungseinheiten zu erproben und zu optimieren.

Vorgehen

Zunächst wird im Rahmen der Konzeption der Prüfstandsumgebung ein System kohärenter Partialmodelle festgelegt, das die Prüfstandsumgebung ganzheitlich beschreibt. Aus definierten Anwendungsszenarien werden Forderungen an den Prüfstand abgeleitet und in Form einer Anforderungsliste festgehalten, die später automatisch überprüft werden kann. Um das Konzept frühzeitig im Entwicklungsprozess abzusichern, werden die zu entwickelnde Prüfstandsumgebung entsprechend der Wirkstruktur modellbasiert abgebildet und die für die Informationsverarbeitung erforderlichen Fahrzeugmodelle erstellt. Mit Hilfe der dSPACE Werkzeugkette folgen die Model-in-the-Loop (MiL)-Tests, wodurch sich das korrekte Verhalten der Prüfstandsumgebung in Verbindung mit der Auswertung des Fahrzeugmodells frühzeitig virtuell absichern lässt. Durch die PC-basierte Simulationsplattform dSPACE VEOS® ist es möglich, Simulationen ohne zusätzliche Hardware durchzuführen, um die entworfene Regelung für die Prüfstandsumgebung in einem frühen Entwicklungsstadium zu validieren, abzusichern und zu testen. So kann ein kompletter Prüfstand bereits in Betrieb genommen werden, ohne dass er real vorhanden ist. Des Weiteren lassen sich HiL-Tests, -szenarien und -abläufe vorbereiten und auf den PC vorverlagern. Das Ergebnis ist ein virtuell abgesichertes Modell der Prüfstandsumgebung inklusive der benötigten Regelung und einer bereits implementierten Testautomatisierung.

Ausblick

Im weiteren Verlauf des Projektes werden die festgelegten Lösungsmuster durch konkrete Lösungselemente ersetzt und so die Prüfstandsumgebung weiter virtuell konkretisiert. Um das System anschließend real aufzubauen, werden die zuvor virtuell erstellten Prüfstandskomponenten durch reale Elemente ersetzt. Die entworfene Prüfstandsregelung wird übernommen und um hardwarespezifische Schnittstellen erweitert, so dass diese in die Prüfstandsumgebung eingebunden werden kann.

Dipl.-Ing. Alexander Gense ist Senior Expert in der Abteilung Regelungstechnik des Fraunhofer-Instituts für Entwurfstechnik Mechatronik (IEM).

Stefan Schütz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Regelungstechnik am Fraunhofer-Institut IEM.