Virtueller Zug als mobile Entwicklungs- und Validierungsumgebung für den Galileo Online Navigationsempfänger

Trzuskowsky, Andreas; Rumpe, Bernhard; Abel, Dirk

doi:10.18154/RWTH-2022-02676

Virtueller Zug als mobile Entwicklungs- und Validierungsumgebung für den Galileo Online Navigationsempfänger = Virtual train as mobile development and validation environment for the Galileo Online navigation receiver

Trzuskowsky, Andreas^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Trzuskowsky

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Rumpe, Bernhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-02676
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/842748/files/842748.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Buggy (frei) ; Flachheit (frei) ; Flachheitsbasierte Folgeregelung (frei) ; Galileo Online (frei) ; Pfadregelung (frei) ; flatness (frei) ; flatness-based control (frei) ; path control (frei) ; virtual train (frei) ; virtueller Zug (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der Entwicklung neuer Anwendungen, z.B. in der Automobilindustrie, gibt es zwei verbreitete Herangehensweisen. Auf der einen Seite kann mit Simulationen gearbeitet werden. So kann je nach Güte der Simulation das zu erwartende Ergebnis gut abgeschätzt werden. Auf der anderen Seite steht das vollwertige Experiment mit einem Prototypen. Hiermit können die besten Ergebnisse erzielt werden. Der Prototypenbau ist zeitaufwendig und kostspielig. Daher wird in der Arbeit gezeigt, dass Experimente im Modellmaßstab genutzt werden können, um schnell an nützliche Ergebnisse zu kommen. Als Beispiel hierfür dient in dieser Arbeit die Entwicklung des Satellitennavigationsempfängers für Bahnanwendungen im Rahmen des Projektes Galileo Online. Die Entwicklung wird weitestgehend mit Testfahrzeugen im Modellmaßstab durchgeführt. Als Testfahrzeuge kommen die am Institut für Regelungstechnik der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen University entwickelten sogenannten Buggys zum Einsatz. Sie sind etwa 1 m lang, 90 cm breit sowie 30 cm hoch und in der Lage, durch vorhandene Echtzeithardware automatisiert zu werden. Damit der Galileo Online Navigationsempfänger keine Unterschiede zwischen einem Zug und den Buggys feststellen kann, müssen sich die Buggys wie ein Zug verhalten. Das bedeutet die Fahrzeuge dürfen sich nur auf fest vorgegebenen Pfaden bewegen, um so Schienen nachzubilden (virtuelle Schiene). Außerdem sollen sich mehrere zu einem "Zug" zusammengeschlossene Fahrzeuge so verhalten, als wären sie mechanisch miteinander verbunden. Dazu soll, basierend auf Positionsmessungen und Kommunikation der Buggys untereinander, ein für alle Geschwindigkeiten gleichbleibender Abstand zwischen den Fahrzeugen eingeregelt werden (virtuelle Kupplung). Der Zusammenschluss von virtueller Schiene und virtueller Kupplung wird als virtueller Zug bezeichnet und im Rahmen dieser Arbeit entwickelt sowie vorgestellt. Zur Realisierung des virtuellen Zuges werden zwei Verfahren untersucht: die Pfadregelung und eine Flachheitsbasierte Folgeregelung. Bei der Pfadregelung handelt es sich um ein robustes aber rechenintensives Verfahren, das mit einer Rate von 10 Hz arbeitet. Die Flachheitsbasierte Folgeregelung lässt sich vergleichsweise leicht berechnen, stellt aber höhere Anforderungen an die Sollwerte. Deshalb muss ihr ein Trajektoriengenerator vorangestellt werden. Trotz des Trajektoriengenerators kann die Flachheitsbasierte Folgeregelung mit einer Rate von 100 Hz ausgeführt werden. Es wird gezeigt, dass beide Verfahren den virtuellen Zug umsetzen können. Aufgrund der höheren Rate sind die Ergebnisse der Flachheitsbasierten Folgeregelung leicht besser. Außerdem wird mittels Simulationen und Testfahrten gezeigt, dass das Konzept des virtuellen Zuges an sich zur Entwicklung des Galileo Online Empfängers geeignet ist.

When developing new applications, for example in the automotive industry, there are two common approaches. On the one hand, simulations can be carried out. Depending on the quality of the simulation, the expected result can be well estimated. On the other hand, there is the full-scale experimentation with a prototype. Hereby the best results can be achieved. However, prototyping is time-consuming and costly. Therefore, it is shown in this thesis, that also scaled experiments can be used to obtain useful results quickly. An example for this is the development of the satellite navigation receiver for railroad applications within the project Galileo Online. The development is carried out as far as possible with model-scale test vehicles. The used test vehicles were developed at the Institute of Automatic Control at RWTH Aachen University. They are called Buggys and are about 1 m long, 90 cm wide and 30 cm high and suitable to be automated by existing real-time hardware. The Buggys have to behave like a train, so that the Galileo Online navigation receiver cannot detect a difference between a train and the Buggys. The vehicles are only allowed to move along predefined paths in order to simulate railway tracks (virtual track). In addition, several vehicles combined to form a "train" should behave as if they were mechanically coupled to each other. For this purpose, based on position measurements and inter Buggy communication, a constant distance in between the vehicles shall be maintained at all velocities (virtual coupling). The combination of virtual track and virtual coupling is called virtual train: It is developed and presented in this thesis. Two methods are investigated in order to realize the virtual train: The so-called path control and a flatness-based control. The path control, which operates at a rate of 10 Hz, is robust but computationally intensive. The flatness-based control is comparatively easy to calculate but makes higher demands on the setpoints. Therefore, a trajectory generator must be included. Despite the trajectory generator, the flatness-based control can operate at a rate of 100 Hz. It is shown that both methods can implement the virtual train. Due to the higher rate, the results of the flatness-based control are slightly better. Furthermore, it is shown by means of simulations and test drives that the concept of the virtual train itself, is suitable for the development of the Galileo Online navigation receiver.

OpenAccess:
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