Studiengang Technische Kybernetik
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ESP®

 

Die Automobilindustrie ist mit vielen Problemstellungen konfrontiert, bei denen eine systemorientierte Sichtweise unabdingbar ist. Ein sehr bekanntes Beispiel ist das elektronische Stabilitätsprogramm ESP®. Die Robert Bosch GmbH hat es in den 90er Jahren entwickelt und erstmals 1995 für die Mercedes S-Klasse in Serie gefertigt. Ziel des ESP® ist es, durch gezieltes Bremsen einzelner Räder das Fahrzeug in Grenzsituationen zu stabilisieren, damit der Fahrer selbst bei kritischen Manövern die Kontrolle über das Fahrzeug behält. Beim Übersteuern, also dem Ausbrechen der Hinterräder in einer Kurve, wird beispielsweise das kurvenäußere Vorderrad gebremst und damit ein Giermoment erzeugt, das der Schleuderbewegung entgegen wirkt. Beim Untersteuern, also wenn das Fahrzeug in einer Kurve über die Vorderräder rutscht, wird das kurveninnere Hinterrad gebremst, um ebenfalls ein entgegenwirkendes Giermoment zu erzeugen.

Übersteuern

Untersteuer

 

Zur Realisierung eines Fahrerassistenzsystems wie dem ESP® oder auch ABS werden zusätzliche Hardware- und Softwarekomponenten benötigt. Sensoren ermitteln den Zustand des Fahrzeugs und das Verhalten des Fahrers. Die Bremsen werden nicht mehr rein mechanisch, sondern elektronisch angesteuert, damit das ESP® selbsttätig eingreifen kann. Zwischen diesen Komponenten steht eine signalverarbeitende Elektronik mit geeigneter Software. Die Kybernetik beschäftigt sich vor allem mit der Entwicklung dieser Software, da hier eine systemorientierte Sichtweise viele Vorteile bringt.

Der Entwurf eines stabilisierenden Programms wie dem ESP® lässt sich durch folgende Schritte skizzieren: Zunächst wird das dynamische Verhalten des Fahrzeugs mathematisch nachgebildet. Die sogenannten Modellgleichungen sollten alle für die Fahrdynamik relevanten Aspekte beschreiben. Dabei ist es oft sinnvoll, das Gesamtmodell aus einzelnen Teilmodellen zusammenzubauen. Hierzu wird um eine bestimmte Komponente, wie zum Beispiel den Bremsstrang, eine virtuelle Systemgrenze gezogen und an den Schnittstellen zu anderen Komponenten werden sogenannte Signaleingänge und -ausgänge definiert. Im Fall des Bremsstrangs wäre beispielsweise ein Signaleingang das elektronische Signal, das an die Ventile des Hydraulikaggregats gegeben wird, und ein Signalausgang das resultierende Bremsmoment an dem entsprechenden Rad. Auf diese Weise kann das gesamte Dynamikmodell modular aus Teilsystemen aufgebaut werden.

 

Auf der Basis des modellierten Ein-/Ausgangsverhalten wird nun untersucht, wie die ermittelten Ausgangsgrößen sinnvoll dazu verwendet werden können, einen stabilisierenden Eingriff an den Eingangsgrößen zu tätigen. Das ESP® schließt sozusagen den Informationskreis zwischen den Systemausgängen und den Systemeingängen. Das resultierende Gesamtsystem wird als Regelkreis bezeichnet und besitzt in seiner geschlossenen Form ein neues dynamisches Verhalten. Die Freiheitsgrade im Entwurf des Reglers ermöglichen es nun, das Verhalten des Gesamtsystems in Richtung eines Wunschverhaltens zu beeinflussen.

Die Ermittlung des Wunschverhaltens ist im Fall des ESP® jedoch nicht trivial, da es schwierig ist, die Intention des Fahrers (absolut sicher) zu erfassen und mit der vom Fahrzeug durchführbaren Dynamik zu vereinen. Als Referenz gilt die Differenz zwischen dem Lenksignal, das die vom Fahrer angestrebte Richtung angibt, und der tatsächlichen Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Ziel ist es, diese Differenz zu minimieren ohne dabei das Fahrzeug in eine instabile Situation zu überführen.

Die systemorientierte Sichtweise der äußerst komplexen Aufgabenstellung ermöglicht es, einen klaren Zusammenhang zwischen Eingriff und Wirkung herzustellen, und spaltet das Problem in lösbare Teilaufgaben auf. Diese Vorgehensweise ist eines der Kernpunkte der technischen Kybernetik. Tatsächlich waren in dem Entwicklerteam bei Bosch einige Kybernetikabsolventen der Universität Stuttgart mit dieser Aufgabe betraut.

 

Öffnet einen externen Link in einem neuen FensterWeitere Informationen zum ESP® (Robert Bosch GmbH)

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