Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit ...
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Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis)
Daniel Lüdicke, DLR Oberpfaffenhofen Torsten Dellmann, RWTH Aachen
• Konventionelle Schienenfahrzeug-Odometrie ist eindimensional und auf den Fahrweg bezogen
• Radimpulsgeber, Encoder, Doppler Radar, Correvit, …
• Navigationssensorik ist auf erdfeste Umgebung bezogen • Satellitennavigation (3D-Position, 3D-Geschwindigkeitsvektor) • Inertialsensorik (Beschleunigungssensoren, Gyroskop, IMU) • (Elektronische) Wegmarken (ETCS-Balisen) • Kompass (Erdmagnetfeld-Sensoren)
• Erweiterte Schienenfahrzeug-Odometrie enthält beide Sensoriken
• Sensorfusion ist intensives Forschungsthema der vergangenen 10 Jahre • Projekte an RWTH Aachen: u.A. Galileo above, SiPoS-Rail, …
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Problemstellung
• Vollbahn-Versuchsfahrzeug „IFS-Erprobungsträger 1“ • Wissenschaftliches Versuchsfahrzeug der RWTH Aachen • Automatisierung: Projekt Galileo above mit Rangierassistenten • Erweiterte Odometrie: Projekt SiPoS-Rail, GNSS-Sensorfusion (Diss. Rütters) • Fahrzeugtechnik, Sensorik, Instandhaltung
• Simulationsumgebung • Erweiterung der Testmöglichkeiten mit virtuellen Testfahrten • Konsistente Szenarien für Schienenfahrzeug- und Navigationsanwendungen • Allgemeine Eisenbahn-Simulation, erste Anwendung ist Odometrie • Software-in-the-Loop Entwicklungsumgebung
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IFS-Erprobungsträger und Simulationsumgebung
© OpenStreetMap, CC-BY-SA © Siemens AG
IFS-Erprobungsträger 1 (EPT) IFS-Erprobungsträger 1 IFS-Gleisanlagen Siemens PCW
• Simulationen im Schienenfahrzeugbereich sind fahrzeugorientiert • Umfangreiche Fahrzeugmodelle, lokale Koordinatensysteme für Fahrweg
• Simulationen im Navigationsbereich sind umgebungsorientiert
• Position/Bewegung in Referenzkoordinatensystemen • Fahrzeugmodell häufig auf einen Punkt (der GPS-Antenne) reduziert
• Anforderungen der Erweiterten Odometrie mit Satellitennavigation
• Realitätsnahes Schienenfahrzeugmodell • Umgebungsmodell mit eindeutigen Raum- und Zeitbezug • Konventionelle und Erweiterte Odometriesensorik
à Kombination der Simulationen von Schienenfzg. und Navigation notwendig à Verbindung mit Referenzfahrzeug (IFS-Erprobungsträger)
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Motivation Eisenbahn-Simulationsumgebung
• Motivation • Versuchsfahrzeug „IFS-Erprobungsträger 1“ • Simulationsumgebung • Konzept der Fahrzeug- und Umgebungskoordinatensysteme • Validierung der Simulationsumgebung • Ergebnisse der Sensoriksimulation • Zusammenfassung
• Wissenschaftlicher Fokus:
• Aufbau und Betrieb eines wissenschaftlichen Versuchsfahrzeuges • Entwicklung einer Simulationsumgebung àWerkzeuge und Methoden für die Entwicklung von Erweiterten Odometrieanwendungen
• (Jetzt kein Positionsalgorithmus, keine Sensorfusion, kein Kalmanfilter, …)
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Inhalt
• Odometrie (im Eisenbahnbereich) • Odometrie ist die signalsichere, hochverfügbare und echtzeitfähige Messung
von Distanz und Geschwindigkeit entlang eines gelegten Fahrweges.
• Erweiterte Odometriesysteme • Erweiterte Sensorik und Sensorfusion, z.B.: Satellitennavigation,
Inertialsensorik, Wegmarkensensorik, Correvit, Wirbelstromsensor, Laser, …
• Navigation • Navigation beschreibt die eigene Ortsbestimmung (Ortung) und Wegfindung
zu einem Ziel. [Wikipedia gekürzt]
• Satellitennavigation (GNSS - global navigation satellite system) • Ein globales Navigationssatellitensystem [] ist ein System zur Positions-
bestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten. [Wikipedia]
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Definitionen
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IFS-Erprobungsträger 1 Versuchsfahrzeug der RWTH Aachen University
Gewicht: rd. 30t vmax = 80 km/h (BOA) / CS: 120 km/h (EBO)
RCP-Fzg.-Steuerung RCP-Bremssteuergeräte
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IFS-Erprobungsträger 1 (EPT1)
RIG 1 RIG 2
RFID Reader FR1
MLR L/R
Elektromagn. Abstandssensor
Laser Abstandssensor
GNSS railGATE
GNSS FR2 GNSS FR1
Acc. 2D
DG1 Winkel DG2 Winkel
Doppler-Radar FR1/2
GNSS 3/4
GSM
Correvit
RIG 3 RIG 4
RFID Reader FR2
GNSS 5
Acc. = Beschleunigungssensor; GNSS = Satellitennavigation; GSM = Mobilfunk; IMU = Inertial Measurement Unit; MLR = Mitlaufendes Rad Sensor; RIG = Radimpulsgeber; FR = Fahrtrichtung; DG = Drehgestell
Erprobungsträger IFS 1
Partner:
gefördert durch: weitere Anwendungsprojekte gefördert durch:
IMU 2g
EPT1 CAD-Modell
• Abstimmung der Körper-Koordinatensysteme zw. Simulation und realem Fzg. • Definition eines sinnvollen Koordinatenursprungs und Ausrichtung • Messanleitung wie das Koordinatensystem definiert ist
• Koordinaten in Körper-KS am Fahrzeug eindeutig messbar • Definition der Relationen (Abstände, Winkel) zwischen Körper-KS
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Umsetzung der Fahrzeug-Koordinatensysteme am realen Versuchsfahrzeug
yWK
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Definition Wagenkasten-Koordinatensystem (KS-WK)
Wagenkasten(CargoSprinter)
Frontblech(CargoMover)
XY - Ebenez = 0 m
Ly,WK
Ly,WK
( Ly,WK / 2 )( Ly,WK / 2 )
xWK
yWK
yWK
• Sensor: GNSS-FR2 • GPS-Einfrequenzempfänger • uBlox EVK-5T mit Patchantenne
• Position der Patchantenne im
Wagenkasten-Koordinatensystem KS-WK
• X = -18.965 mm • Y = 0 mm • Z = -2.375 mm • Richtung gleich zu KS-WK
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Definition von Sensor-Positionen
yGNSS-FR2
zGNSS-FR2
xGNSS-FR2
zGNSS-FR2
• Sekundärfederweg zw. Wiegenträger-KS und Drehgestell-KS
• Anschlusspunkte in KS-WT und KS-DG definiert
• Rollwinkel und Einfederung am Drehgestell • Nickwinkel des Wagenkastens
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Sensorposition zwischen zwei Körperkoordinatensyst.
Drehgestell- rahmen
Punkt unten
Punkt oben
Sekundär-federn
Sekundär-dämpfer
Wiegenträger
Sekundärfederweg
• Ziel: Erweiterung der Testmöglichkeiten des EPT1 für: • Vorbereitung von Testfahrten / Analyse von Testfahrten • Moderne Entwicklungsmethodik, Simulation vor Test • Virtuelle Testfahrten
• Anwendung: Erweiterte Odometriesysteme mit Satellitennavigation
• Assistenzanwendungen • Fahrzeug- und Fahrzeug-Infrastruktur Funktionalität (ETCS) • Software-in-the-Loop
• Modellbildung des Versuchsfahrzeuges mit Umgebungsmodell
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Simulationsumgebung
Containerkörper
Drehgestellkörper FR2
Fahrtrichtung FR2
Fahrtrichtung FR1
Drehgestellkörper FR1
Wagenkastenkörper
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Simulationsumgebung – Software-Architektur
• Realitätsnahes Schienenfahrzeugmodell für Odometrie- und Navigationsanwendung
• Benutzerfreundliche Entwicklungsumgebung für 3D-Modelle • Wiederverwendung vorhandener MKS-Modelle
• Definition von großen, zueinander beweglichen, Fahrzeugteilen (EPT, Sim) • 3D-Starrkörpermodell in Mehrkörpersimulation Simpack • Jeder Körper hat ein eigenes Körper-Koordinatensystem • Verortung der Anbauteile in einem Körper-Koordinatensystem
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Simulationsumgebung Schienenfahrzeugmodell Definition der Körperkoordinatensysteme
Drehgestellkörper FR2
Drehgestellkörper FR1
Wagenkastenkörper
1-Körper Modell 3-Körper Modell
• Gemeinsame Modellvorstellung des Versuchsfahrzeuges
• Zur Messdatenauswertung • Des Simulationsmodells
• Berücksichtigung der Anforderungen von Realität und Simulation
• Starrkörper: • Drehgestell (DG, 2x) • Wiegenträger (WT, 2x) • Wagenkasten (WK)
• Definition von Körper-Koordinaten-
systemen an sinnvollen/markanten/ messbaren Stellen
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Simulationsumgebung 5-Körper Schienenfahrzeugmodell
Wiegenträgerkörper WT2
Drehgestellkörper DG2
Wiegenträgerkörper WT1
Drehgestellkörper DG1
Wagenkastenkörper WK
5-Körper Modell
• Basis-Koordinatensystem ist ECEF (WGS84) • ECEF – Earth Centered, Earth fixed (Kartesisches KS) • WGS84 – World Geodetic System 1984 (NAVSTAR GPS)
• Absolute Zeit Referenz ist UTC • UTC - Universal Time, Coordinated
• Transformation aller Positionen zu ECEF
• MKS Strecke, Balisen • Fzg.-Sensoren, Komponenten • GNSS Sensoren, Satelliten
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Simulationsumgebung Umgebungsmodell und Koordinatensysteme
Quelle: wikipedia.de
x y
z
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Koordinatensystem-Transformationen
[26] Wikipedia: Bahnelement. Datei: BahnelementeEllipse.svg. Ersteller: Modalanalytiker. Lizenz: CC BY-SA 3.0, 2015
ECEF (Earth-centered earth-fixed, WGS84)
DG2
WT2
WK
Sensor1
DG1
WT1
Sensor2
Sens
or3
Earth-centered inertial (ECI)
GNSS Space Segment (ECEF)
Simpack Isys
Streckendefinition
NED-KS (Kugel,
RefEllipsoid) Loka
les K
S
Geografische Koordinaten
LLA – Breitengrad Längengrad
Höhe (RefEl.)
Geografische Abbildungen:Gauß-Krüger,UTM, ETRS89,
DB_REF, ...
Skyp
lot
Loka
les K
S
[26]
LLA – Latitude, Longitude, AltitudeNED – North East DownRefE. – ReferenzellipsoidUTM - Universal Transverse Mercator KSWGS - World Geodetic System 1984WK - WagenkastenWT - Wiegenträger
DG – DrehgestellECEF - Earth-centered earth-fixedECI - Earth-centered inertialETRS89 - European Terrestrial Reference System 1989GNSS - Global Navigation Satellite SystemKS – KoordinatensystemLLA – Latitude, Longitude, Altitude
• Messfahrt im Siemens Prüf- und Validationcenter in Wegberg/Wildenrath (PCW) • Startpunkt, Distanz- und Geschwindigkeitsvorgabe aus Messung • Streckendefinition und Fahrzeugmodell in Simulationsumgebung • Vergleich der Messsignale mit Simulationsergebnissen
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Validierung der Simulationsumgebung anhand einer nachvollzogenen Messfahrt
Endpunkt
Startpunkt
Wegmarke
Fahrzeugposition
12
3
4
5
6
7
8
9
10
à T1 Gleis 110 Bogen 1 à km = 521,090m s_SIMPACK = 702,250m
RFID FR2 GNSS 3, 4 GNSS 5 RFID FR1
IMU GNSS FR1GNSS FR2
Laser
y (KS-PCW)
x (K
S-PC
W)
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Situation an Wegmarke 7
SimU RFID FR2
DG FR2
Wegmarke
DG FR1
SimU RFID FR1
SimU GNSS-3
EPT GNSS-3
EPT GNSS-4
SimU GNSS-5
v
Hilfswegmarke
Hilfswegmarke
SimU GNSS FR1
SimU GNSS FR2
Auf Trajektorie projizierte Wegmarke
RFID Tag
Deckplatte
Ferromag. Platte
Sockel
y (KS-PCW)
x (K
S-PC
W)
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Positionsabweichung an GNSS-3 Sensor zwischen realer Messfahrt und Simulationsumgebung
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Fahrweg [m]
Abst
and
GN
SS-3
, EPT
-Sim
U, i
n KS
-WK
[m]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WM: 10
x
y
z
WM
• 2. Simulationsszenario „auf freier Strecke“, im PCW auf Testring T1 • Erzeugung realistischer Sensorsignale aus physikalischen Simulationssignalen • Physikalische und Technisches Sensorsignal • Ideales, gestörtes und fehlerbehaftetes Sensorsignal
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Virtuelle Testfahrt Simulationsergebnisse von Sensormodellen
Hintergrund: © OpenStreetMap Mitwirkende, CC-BY-SA
Szenario-Live-Viewer • Software-in-the-Loop Schnittstelle zu
Algorithmen für RCP-System
• Signalgeführte Testfahrt (ETCS) in der Simulation
• Trennung in Physik- und Technikmodell • Strukturierung in Sensor-, Störungs- und
Fehlermodell
• Sensormodell modelliert das ideale Verhalten • Störungsmodell prägt Störungen auf
• Messabweichungen, Rauschen, … • Fehlermodell modelliert Fehlfunktionen oder
Ausfall des Sensors
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 23
Struktur der Sensormodelle
Physik Technik
Sen
sor
Stö
rung
Fehl
er
Sen
sor
Stö
rung
Fehl
er
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Radimpulsgeber
0 50 100 150 200 250 2750
200
400
600
Freq
uenz
[Pul
se/s
]
fRIG diskret rausch
fRIG Fehler
fRIG
01F0
01F1
01F2
0 50 100 150 200 250 27501F3
Zeit [s]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50
5
10
15
20
25
30
Zeit [s]
Freq
uenz
[Pul
se/s
]fRIG rausch
fRIG
fRIG diskret rausch
fRIG diskret verzögert rauschZeit [s]
Zeit [s]
Freq
uenz
[Pul
se/s
]
Freq
uenz
[Pul
se/s
]
• 3D-Abstand zu jeder Wegmarke • Abstand bei Überfahrt minimal
• Generierung Sensorverlauf • Vergleich Simulation und Messung
über Kilometrierung
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 25
RFID-Wegmarkensensorik ECEF-Geoposition-basierte Wegmarken
0 50 100 150 200 250 2750
500
1000
1500
2000
Abst
and
Weg
mar
ken
[m]
Wegmarke 3
Wegmarke 4
Wegmarke 5
Wegmarke 6Wegmarke 7
Wegmarke 9
Wegmarke 8
0 50 100 150 200 250 27505
1015202530
RFI
D ID
Zeit [s]
4596 4597 4598 4599 4600 4601 4602 4603 4604 4605 4606-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
RFI
D F
R1
RSS
I [dB
]
SimU ideal
SimU diskretSimU verzögert
EPT1 RFID FR1
4596 4597 4598 4599 4600 4601 4602 4603 4604 4605 460615
20
25
30
RFI
D ID
km T1 [m]
km T1 [m]
RFI
D ID
R
FID
RSS
I [dB
] R
FID
ID
Abst
and
Weg
mar
ken
[m]
Szenario Live Viewer (online im Browser)
• Fahrzeugbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem • Anteile der Erdbeschleunigung im Sensorkoordinatensystem • Erdrotation und Transportrate (Geodäsie) berücksichtigt
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Inertialsensorik-Sensormodell
-1
0
1
2
g (K
S-IM
U) [
m/s
2 ]
8
9
10
11
g z (K
S-IM
U) [
m/s
2 ]
gx
gy
gz
0 50 100 150 200 250 275-1
0
1
2
Zeit [s]
a (K
S-IM
U) [
m/s
2 ]
8
9
10
11
a z (K
S-IM
U) [
m/s
2 ]
ax
ay
az
Zeit [s]
a (K
S-IM
U) [
m/s
2 ] g
(KS-
IMU
) [m
/s2 ]
a z (K
S-IM
U) [
m/s
2 ] g z
(KS-
IMU
) [m
/s2 ]
• Funktionale Modellierung eines GNSS-Sensors
• Störungsmodell mit Positionsabweichung und Zeitverzug
• NMEA-Botschaften erzeugt
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 27
Satellitennavigation Geoposition
0 50 100 150 200 25051.10
51.11
51.12
51.13
WG
S84
Brei
teng
rad
[°]
6.20
6.21
6.22
6.23
WG
S84
Läng
engr
ad [°
]
GNSS-FR1 Breitengrad
GNSS-FR1 Längengrad
0 50 100 150 200 250 275132
134
136
138
Höh
e [m
]
Zeit [s]
GNSS-FR1 Höhe
275
51.1182
51.1184
51.1186
51.1188
Brei
teng
rad
[°]
ideal
gestört
GGA
GLL
RMC
-3-2-10
Stör
ung x (KS-PCW)
y (KS-PCW)
z (KS-PCW)
0
1
RM
C ideal
empfangen
0
1
GLL ideal
empfangen
0
1
GG
A ideal
empfangen
109.5 110 110.5 111 111.5 112 112.50
1
Sec
Zeit [s]Zeit [s]
Sec
GLL
RM
C
GG
A St
ör Br
eite
ngra
d [°
] H
öhe
[m]
Brei
teng
rad
[°]
Läng
engr
ad [°
]
• GPS Space Segment (Satelliten) • Position aus Bahndaten und Zeit • Satelliten- und Empfängerposition
im ECEF • Ideale Länge (Truerange) • Gestörte Länge (Pseudorange) • Weitere Störungsmodelle
(Gebäude, Tunnel, Wald, …)
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 28
Satellitennavigation
-30°
150°
-60°
120°
-90°90°
-120°
60°
-150°
30°
-180°
0°15°30°
45°
60°
75°
90°
1
2
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16 17
18
19
20
21 22
23
24 25 26
27
28
29
30 31
32
Standort
-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180-60
-45
-30
-20
-10
0
10
20
30
45
60
Azimut [°]
Elev
atio
n [°]
1
2
4
5
6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26 27
28
29 30
31
32 Standort
30°
-150°
60°
-120°
90°-90°
120°
-60°
150°
-30°
180°
0°15°30°
45°
60°
75°
90°
1
2
4
5
6 7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
(W) (O)
0° (N)
(S) -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180-90
-60
-45
-30-20-10
0102030
45
60
90
Azimut [°]
Elev
atio
n [°]
1 2 4
5
6
7
8 9
10
11
12
13
14 15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28 29
30
31
32
Skyplot an Empfängerposition
Position der GPS-Satelliten
Azimut [°]
Elev
atio
n [°
] El
evat
ion
[°]
Azimut [°]
Nordpol Südpol
Standort
Standort
• Situationen S0-S3
• S0: Ideal • S1: Hohes Gebäude • S2: Tunnel • S3: Wald
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 29
Satellitennavigation Szenario mit Störungen
0 50 100 150 200 250 2752
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6x 107
Pseu
doab
stan
d [m
]
PRN-2
PRN-3
PRN-6
PRN-12PRN-14
PRN-15
PRN-17
PRN-18PRN-22
PRN-24
PRN-25
PRN-32
50 100 150 200 25001S1
50 100 150 200 25001S2
0 50 100 150 200 250 27501S3
Zeit [s]
0 50 100 150 200 250 2750
5
10
15
Zeit [s]
Anza
hl s
icht
bare
r Sat
ellit
en
Zeit [s]
Anza
hl
sich
tbar
er S
atel
liten
S1
S2
S3
Ps
eudo
abst
and
[m]
x 107
• Alternatives Space-Segment • Pseudo-Satellitensender an
Masten auf/um das PCW • Masten bis 60m hoch
• Antennenposition bekannt • Keine Sendergeschwindigkeit
• Kaum atmosphärische Effekte
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 30
RailGATE-Sensormodell
0 50 100 150 200 250 2750
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Grafik: ARIC mit freundlicher Genehmigung von tim-online NRW Zeit [s]
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• Vollbahn-Versuchsfahrzeug „IFS-Erprobungsträger 1“ • Simulationsumgebung für Erweiterte Odometrieanwendungen
• Simulationsumgebung erzeugt ein physikalisch konsistentes Szenario
• Schienenfahrzeugmodelle und Umgebungsmodelle • Versuchsfahrzeug und Simulationsumgebung
• Validierung der Simulationsumgebung und Genauigkeitsanalyse • Virtuelle Versuchsfahrt mit Simulationsumgebung
• Konsistente Software-in-the-Loop Simulation
• Simulationsergebnisse der Sensorikmodelle • Realistische und konsistente virtuelle Sensorsignale
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 31
Zusammenfassung
• Schienenfahrzeug- und Umgebungssimulation mit absolutem Raum- und Zeitbezug
• 363 Seiten, 153 Abb.
• ISBN: 978-3-8440-6056-0 • DOI: 10.18154/RWTH-2018-225566
• Online verfügbar:
• RWTH Universitätsbibliothek • DLR electronic library (elib)
• Im Buchhandel:
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> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 32
Dissertation Daniel Lüdicke
> Fahrzeugmodelle für erweiterte Odometrie mit Satellitennavigation (in Simulation und Praxis) > Daniel Lüdicke > 14.09.2018 DLR.de • Folie 33
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dipl.-Ing. Daniel Lüdicke
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik Oberpfaffenhofen, Münchener Str. 20 82234 Weßling
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Torsten Dellmann
RWTH Aachen University Institut für Schienenfahrzeuge und Transportsysteme Seffenter Weg 8 52074 Aachen