Entwicklung, Simulation und Erprobung eines Systems zur präzisen Positionierung der Versorgungsleitung einer kabelgespeisten, elektrisch-autonomen Arbeitsmaschine
Der Betrieb mobiler elektrischer Arbeitsmaschinen in der Landtechnik ist auf Grund der Bereitstellung von großen Energiemengen eine Herausforderung. Während heute meist Ansätze verfolgt werden, die Energiespeicher auf dem Fahrzeug mitführen, bildet die Versorgung der Arbeitsmaschine über eine elektrische Leitung eine skalierbare Lösung zur Anbindung an die elektrische Infrastruktur. Dabei stellen die in der Landtechnik typischerweise großen Fahrstrecken und die vielseitigen Arbeitsprozesse eine Herausforderung an den Umgang mit der Leitung während der Fahrt dar. Hier stellt sich grundlegend die Frage, wie und mit welcher Genauigkeit die Versorgungsleitung abgelegt und aufgenommen werden kann, ohne den konventionellen Arbeitsprozess grundlegend zu verändern oder Feldfrüchte zu beschädigen. Zwar fanden bereits erste Betrachtungen leitungsgebundener, elektrischer Arbeitsmaschinen zu Beginn des 20. Jahrhunderts statt, jedoch beschränken sich diese rein auf den Einsatz zur Bodenbearbeitung und wurden mit der steigenden Verbreitung von Verbrennungskraftmaschinen nicht weiterverfolgt. Auch moderne, ähnliche Ansätze beispielsweise zur Ausbringung von Dünger über Schlauchleitungen zeigen den Umgang mit einer Versorgungsleitung, vernachlässigen jedoch die genaue Platzierung der Leitung und sind somit für die in der Landtechnik immer stärker automatisierten Arbeitsprozesse ungeeignet. Während die bekannten Konzepte in erster Linie einfache mechanische Vorrichtungen zur ‚passiven‘ Führung der Leitung einsetzen, motiviert speziell die moderne Antriebs- und Automatisierungstechnik eine weiterführende Untersuchung zur ‚gezielten‘ Führung der Leitung. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Konzept zur präzisen Ablage einer elektrischen Versorgungsleitung entwickelt und auf einem Versuchsträger erprobt. Zentraler Aspekt bei der Ablage der Leitung ist die auf die Fahrzeugbewegung abgestimmte Dosierung der Leitungslänge. Dem zugrunde liegt die numerische Modellierung und Parametrierung der Leitung sowohl bei Verlassen des Fahrzeugs hin zum Ablagepunkt als auch in Interaktion mit dem Untergrund. Ausgehend davon wird das Verhalten der Leitung in verschiedenen Fahrmanövern anhand von Simulationen untersucht und eine dem konventionellen Arbeitsprozess ähnliche Fahrstrategie abgeleitet. Weiterhin werden die Einflussfaktoren zur Positionierung der Leitung und deren Verbleib an der abgelegten Stelle erarbeitet und als Anforderungen an die Aktorik auf dem Versuchsträger formuliert. Dabei zeigt sich, dass der vom Fahrzeug herabhängende Leitungsteil ein schwingungsfähiges System bildet, was beim Entwurf des Reglers zur Einstellung der Bogenweite speziell berücksichtigt wird. Im Rahmen von Feldversuchen werden die an der Leitungsablage beteiligten Aktoren in verschiedenen Szenarien sowohl separat als auch im Gesamtsystem betrachtet und bewertet. Die erreichte Genauigkeit der Leitungsablage zeigt eine Abhängigkeit zur Krümmung des Fahrzeugpfades und liegt zwischen 0,05m auf der Geraden und 0,74m bei einer Kurvenkrümmung mit einem Radius R = 15m. Hierbei ist ein systematischer Fehler durch das Wiederabheben bereits abgelegter Leitung aufgrund von Leitungsschwingungen während der Kurvenfahrt erkennbar. Durch das Nachführen des Sollwertes der Bogenweite entsprechend der momentanen Schwingungsamplitude wird die Ablagegenauigkeit auf 0,23m verbessert. Weiterhin wird gezeigt, dass das Leitungsmodell den Leitungsverlauf bei seitlichem Rutschen der Leitung auf mindestens 0,17m genau abbildet.
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