Echtzeitsimulation und simulationsgestütztes Monitoring

Echtzeitsimulation

Echtzteitsimulation
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Die Simulation mechatronischer Systemen in Echtzeit wird sowohl in der Entwicklungsphase eines Fahrzeugs immer wichtiger, als auch im Fahrzeugbetrieb selbst, wo sie immer häufiger für den Einsatz von virtuellen Beobachtern und Assistenzsystemen benötigt wird.
 

Bei allen Echtzeitanwendungen ist das Zusammenspiel von Modellierung, Modellkomplexität und Numerik von entscheidender Bedeutung. Neben Standardanwendungen wie der Echtzeitsimulation für HIL-/SIL-Tests beschäftigen wir uns daher auch mit Fragestellungen rund um echtzeitfähige Simulationsprozesse. Es werden insbesondere Ansätze zur Co-Simulation und echtzeitfähige Integrationsverfahren analysiert und evaluiert.

Als Simulationsplattformen werden am ITWM je nach Anwendung sowohl gängige Prototyping-Umgebungen genutzt als auch Echtzeitmodelle direkt auf Mikrocontroller-Boards implementiert.

Neben der numerischen und prozesstechnischen Analyse von Echtzeitverfahren wird Echtzeitsimulation in verschiedenen Anwendungsfeldern im ITWM angewandt, z.B. im Umfeld des am ITWM installierten Human-in-the-Loop Fahrsimulators. Die in einem Fahrzeug auftretenden Lasten hängen stark vom Fahrerverhalten ab, die Reaktion des Fahrers wiederum vom aktuellen Systemverhalten. Um das Ganze realitätsnah im Simulator umzusetzen muss sowohl die Fahrzeugdynamik wie auch die Wechselwirkung des Fahrzeugs mit seiner Umwelt in Echtzeit simuliert werden. Echtzeitfähige physikalische Reifenmodelle und effiziente Boden- und Wechselwirkungssimulationen sind daher weitere Forschungsschwerpunkte am ITWM.

Simulationsgestütztes Monitoring

Laster
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Echtzeitsimulation
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Schema Echtzeitsimulation

Mit dem simulationsgestützten Monitoring werden relevante aber schwer messbare Größen in Echtzeit während des Betriebs aus einfachen, standardmäßig im Fahrzeug erfassten Größen simuliert. Die virtuell gemessenen Systemgrößen können damit als virtueller Beobachter für Fahrerassistenzsysteme, zur Prüfstandsregelung oder als virtuelle Messungen zur Rückkopplung in den Entwicklungsprozess eingesetzt werden.
 

Ein Beispiel, das im Rahmen einer Promotion am Fraunhfoer ITWM entwickelt und veröffentlicht wurde, ist das simulationsgestützte Monitoring von Betriebsbeanspruchungen. Um eine hohe Zuverlässigkeit für Fahrzeuge zu gewährleisten, wird in der Entwickungs- und Auslegungsphase ein Betriebsfestigkeitsnachweis geführt. Damit die im Nachweis prognostizierte Lebensdauer der Realität entspricht, müssen die im Nachweis betrachteten Beanspruchungen die tatsächlichen Betriebsbeanspruchungen realitätsnah abbilden. Aufgrund der hohen Varianten- und Nutzungsvielfalt, insbesondere von Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen, ist das aber nur approximativ möglich.
 

Mit dem simulationsgestützten Monitoring können Beanspruchungen an kritischen Bauteilen während des Betriebs simuliert und dadurch vom Bauteil erfahrene Schädigung berechnet werden. Kern dieser Entwicklung ist die Echtzeitsimulation von Bauteilspannungen mit einem flexiblen MKS-Modell, das auf einem in die Fahrzeugelektronik eingebetteten Embedded PC ausgeführt wird. Eine geeignete Datenaufbereitung und online Klassierungsalgorithmen zur Auswertung der simulierten Beanspruchungen (LDA) sind ebenfalls Bestandteile des simulationsgestützten Monitorings von Beanspruchungen.
 

Die Kenntnis über die im Betrieb auftretenden Beanspruchungen ermöglicht Wartungsintervalle, die der tatsächlichen Bauteilschädigung angepasst sind. Kosten, verursacht durch einen unnötig frühen Bauteilersatz oder durch einen unvorhergesehenen Ausfall, können verringert werden.