Vehicle Dynamics Model of Demonstrator Vehicle "elf++"

# Vehicle Dynamics Model of Demonstrator Vehicle "elf++" English version see below. ## Einleitung Dies ist ein Fahrdynamik-Simulationsmodell für das Demonstratorfahrzeug „elf++“, das mit CarMaker 8.0 und Matlab 2018b kompatibel ist. Das CarMaker-Projekt umfasst das Fahrzeugmodell *Demonstrator_vehicle_ELFpp* und den Testrun *Test_Runs_DrivingDynamicsArea*. Das Modell ermöglicht die Simulation von Fahrmanövern durch Vorgabe des zeitlichen Verlaufs von Lenkradwinkel und Geschwindigkeit. Weitere Funktionalitäten können im Simulink-Modell modular ergänzt und angepasst werden. Beispielhaft wurde ihm Rahmen folgender Veröffentlichung ein Fahrzeugführungsregler in das Modell integriert: [Pragmatic and Effective Enhancements for Stanley Path-Tracking Controller by Considering System Delay](https://doi.org/10.3390/vehicles5020034). Bei dem Demonstratorfahrzeug „elf++“ handelt es sich um ein Fahrzeug im Maßstab 1:1,5, das über eine Ackermannlenkung mit redundant verbautem Lenkaktor und radselektive Antriebe an der gelenkten Vorderachse verfügt. ## Aufbau des integrierten Simulink-Modells *Demonstrator_vehicle_ELFpp* ### *Vehicle_Control* Dieser Block umfasst die Funktionen der Fahrzeugregelung von der Sollwertvorgabe bis zur Ausgabe der Aktorstellgrößen. - #### *Target* Vorgabe des Lenkradwinkelverlaufs in rad und der Geschwindigkeit in m/s des zu fahrenden Manövers. - #### *Steering_controller* Lenkradwinkelregelung zur Vorgabe des Gesamtlenkmomentes. - #### *Steering_Actuator_Allocation* Aufteilung des Gesamtlenkmomentes auf die redundant verbauten Lenkaktoren. - #### *Velocity_controller* Geschwindigkeitsregelung zur Vorgabe des Gesamtantriebsmomentes. - #### *Driving_Actuator_Allocation* Aufteilung des Gesamtantriebsmomentes auf die radindividuellen Antriebe der Vorderachse. ### *CarMaker* Dieser Block stellt die Schnittstelle zu CarMaker dar. Die Aktorstellgrößen, die die Regler vorgeben, werden im *Torque_Limiter* den physikalischen Limits entsprechend beschränkt. Weitere Modifikationen gegenüber der CarMaker-Vorlage betreffen die Modellierung des Lenksystems. Ausgehend von den Aktormomenten und den Spurstangenkräften wird mittels eines 2DOF Modells die resultierende Lenkbewegung berechnet. ### *Localization* Zur Abbildung des auf dem Fahrzeug verbauten GNSS RTK Systems werden in diesem Block die Positionsmessgrößen in ihrer Frequenz reduziert. ## Parameter und Einstellungen ### *sim_settings.m* Mit den Vorgaben in dieser Dateikönnen die Dauer des Simulationsdurchlaufes, sowie die Parameter des Modells angepasst werden, die die Einstelllungen der Regler und die fahrdynamischen Grenzen des Manövers betreffen. ### *init_parameter* in Ordner *vehicle_control_data* Diese Datei definiert Konstanten und enthält fahrzeugspezifische Parameter. ## Verwendung Um dieses Simulationsmodell zu verwenden, öffnen Sie das Simulink-Modell *Demonstrator_vehicle_ELFpp* und starten daraus CarMaker durch Klicken auf das CarMaker Symbol. In CarMaker öffnen Sie den Testrun *Test_Runs_DrivingDynamicsArea*. Definieren Sie dann die Fahrmanöver im *Target* Block, indem Sie den zeitlichen Verlauf von Lenkradwinkel und Geschwindigkeit angeben. Starten Sie die Simulation über die CarMaker GUI. ## English version: ## Introduction This is a driving dynamics simulation model for the demonstrator vehicle “elf++” compatible with CarMaker 8.0 and Matlab 2018b. The CarMaker project includes the vehicle model *Demonstrator_vehicle_ELFpp* and the test run *Test_Runs_DrivingDynamicsArea*. The model supports the simulation of driving maneuvers by specifying the course of the steering wheel angle and velocity. Further functionalities can be added and adapted modularly in the Simulink model. For example, a vehicle guidance controller was integrated into the model as part of the following publication: [Pragmatic and Effective Enhancements for Stanley Path-Tracking Controller by Considering System Delay](https://doi.org/10.3390/vehicles5020034). The demonstrator vehicle “elf++” is a vehicle on a scale of 1:1.5 that has Ackermann steering with a redundantly installed steering actuator and wheel-selective drives on the steered front axle. ## Structure of the integrated simulink model *Demonstrator_vehicle_ELFpp* ### *Vehicle_Control* This block includes the functions of the vehicle control from the setpoint specification to the output of the actuator target values. - #### *Target* Specification of the steering wheel angle course in rad and the speed in m/s of the maneuver to be driven. - #### *Steering_controller* Steering wheel angle control that outputs the total steering torque. - #### *Steering_Actuator_Allocation* Allocation of the total steering torque to the redundantly installed steering actuators. - #### *Velocity_controller* Velocity control that outputs the total drive torque. - #### *Driving_Actuator_Allocation* Allocation of the total drive torque to the individual wheel drives of the front axle. ### *CarMaker* This block represents the interface to CarMaker. The actuator target values which the controllers specify are limited in the *Torque_Limiter* according to their physical limits. Further modifications compared to the CarMaker template concern the modeling of the steering system. Starting from the actuator torques and the tie rod forces, the resulting steering movement is calculated by means of a 2DOF model. ### *Localization* To represent the GNSS RTK system installed on the vehicle, the frequency of the position measurement variables is reduced in this block. ## Parameter and Settings #### *sim_settings.m* In this file, the duration of the simulation run can be adjusted, as well as the parameters of the model, which affect the settings of the controllers and the driving dynamic limits of the maneuver input. #### *init_parameter* in Ordner *vehicle_control_data* This file contains constants and parameters specific to the vehicle. ## Usage To use this simulation model, open the Simulink model *Demonstrator_vehicle_ELFpp* and start CarMaker from it by clicking on the CarMaker icon. In CarMaker, open the test run *Test_Runs_DrivingDynamicsArea*. Then define the driving maneuvers in the *Target* block by specifying the course of steering wheel angle and velocity. Start the simulation via the CarMaker GUI.