Zustandsüberwachung automatisiert fahrender Fahrzeuge

Autonomes Fahren, Sensornetzwerk, Digitaler Zwilling, Zustandsdiagnose, Königszapfen

Der Fahrer eines konventionellen Fahrzeugs lenkt dieses sicher vom Start- zum Zielort und hat dabei auch den Zustand seines Fahrzeuges im Blick. Doch wer überwacht den Fahrzeugzustand, bei autonom fahrenden Vehikeln, wenn der Fahrer nicht mehr an Board ist? Im Forschungsprojekt »IdenT« arbeiten Forschende aus dem Fraunhofer LBF gemeinsam mit Projektpartnern an der Umsetzung von Konzepten zur Zustandsbestimmung fahrdynamischer und sicherheitsrelevanter Komponenten eines Trailers, der Trailerdynamik und der Umgebung. Diese Informationen können automatisierte Fahrfunktionen der Zugmaschine verwenden, um die Fahraufgaben zu optimieren und autonomes Fahren sicher zu machen. 

MKS-Modell der Achsen im Offline-Zwilling IdenT-Trailer
KingPin mit Messplattform zur Erfassung der Anbindungskräfte zwischen Trailer und Zugmaschine

Digitaler Offline-Zwilling

Das IdenT-System baut auf einer cloudbasierten Datenplattform auf, die im regelmäßigen Datenaustausch zwischen Trailer-Datennetzwerk, digitalem Online-Zwilling und digitalem Offline-Zwilling steht.

Der digitale Offline-Zwilling dient zur numerischen Simulation betriebsfestigkeitsrelevanter Fahrsequenzen sowie zur Plausibilisierung von Messdaten und Daten eines Online-Zwillings. Zentrales Element des Offline-Zwillings bildet ein detailliertes MKS-Modell eines LKW-Trailers, bei dem spezifische Modellparameter durch unterschiedliche Identifikationsverfahren einem regelmäßigem Update-Prozess unterliegen. Das Ziel besteht einerseits darin, ein zeitvariantes Verhalten beispielsweise an der Ladung sowie Verschleiß bzw. Defekte an Fahrwerkskomponenten zu identifizieren und dieses auf das Simulationsmodell zu projizieren. Andererseits werden durch die numerische Simulation einzelner Fahrsequenzen das dynamische Verhalten des Trailers und damit der Komponentenschnittlasten bestimmt, aus denen eine Prognose des Betriebsfestigkeitszustandes abgeleitet werden kann.

Sensornetzwerk

Was der menschliche LKW-Fahrer über Augen, Ohren und Fahrgefühl wahrnimmt, müssen in einem autonomen Fahrzeug Sensoren übernehmen. Im Ident-Trailer wird daher ein Sensornetzwerk installiert, dass die relevanten physikalischen Größen erfasst und den digitalen Zwillingen zur Interpretation bereitstellt. Der Fokus liegt hierbei auf energiesparsamen, Sensorkonzepten, die im realen Betrieb wirtschaftlich und mit hoher Zuverlässigkeit eingesetzt werden können. Um dies zu realisieren werden die Messdaten im Sensorknoten bereits vorverarbeitet, um das übertragene Datenvolumen zu reduzieren und die zur Funkübertragung benötigte Energie zu minimieren. Weiterhin wird untersucht, welche Mindestanforderungen an die Sensordatenqualität gestellt werden müssen, um ein solches System kostengünstig aber dennoch zuverlässig aufzubauen.

Sensierter KingPin

Der KingPin ist die Anhängekupplung zwischen Zugmaschine und Trailer. Über dieses Element werden alle Kräfte übertragen die beim Bremsen, Beschleunigen oder bei der Kurvenfahrt entstehen. Gerne würde man jeden KingPin mit Sensorik ausstatten, um die wichtigen Schnittkräfte durch das Sensornetzwerk zu erfassen, jedoch ist die exakte Kraftmessung eine Herausforderung. Im Ident Projekt wird daher einmalig eine hochgenaue Kraftmesseinrichtung aufgebaut. Damit werden im Fahrversuch Messdaten gesammelt. Mit diesen Daten werden die Digitalen Zwillinge abgeglichen, so dass diese Schnittkräfte zukünftig durch Modelle bestimmt werden können. Als Messelemente kommt für die Kraftmessung am KingPin eine Messplattform zum Einsatz, die alle Kräfte und Momente am Pin erfasst.

Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

»Wir erleben heute, dass beim Thema autonomes Fahren die Zugmaschine im Mittelpunkt steht. Der Trailer wird bislang kaum berücksichtigt. Mit unserem Projekt IdenT ändern wir das: Wir sind davon überzeugt, dass das sichere und wirtschaftliche autonome Fahren von Sattelzügen nur unter Einbeziehung des Trailers möglich sein wird und sind dankbar für den wertvollen Beitrag des Fraunhofer LBF zu diesem anspruchsvollen Vorhaben.«

Dr.-Ing. Jan-Philipp Kobler, BPW Bergische Achsen

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