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; Abel, Dirk (Thesis advisor); Rumpe, Bernhard (Thesis advisor)

Aachen : RWTH University Aachen (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

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.