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S Perebner:
"Modellbasierte Methode zur Schätzung des Lenkwinkels bei Motorrädern";
Supervisor: H. Ecker, F Harnischmacher; Institut für Mechanik und Mechatronik, 2020; final examination: 2020-11-19.

The measurement of the steering angle during practical test drives is associated with
additional effort if the number of sensors used in the vehicle should be kept low. Therefore,
a motorcycle is usually not equipped with a steering angle sensor. However, the steering
angle is an important parameter to describe the dynamic behaviour of a motorcycle in the
field of vehicle dynamics research.
Within this master thesis, a steering angle estimator was established. Simulation data was
used to develop the estimator. The calculation of the steering angle is not performed in
real-time, but is determined in a post processing step.
The estimation of the steering angle can be executed in different ways. Within this thesis,
various approaches were evaluated using roll angle, pitch angle, roll rate and the curvature
of the driven trajectory. However, those approaches exceeded the required accuracy. Better
results for the estimation of the steering angle can be achieved by using two inertial
measurement units. The sensors are attached to the frame and the handlebar assembly
and can easily be exchanged between different motorcycles. The position and orientation
of the sensors can be almost arbitrary. The comparison of the acceleration and angular
velocity signals of both sensors were used to calculate the steering angle by a coordinate
transformation. An integration of the difference of both angular velocities along the
steering axis can also be used to calculate the steering angle. A calibration to determine
the orientation of both sensors is mandatory to perform the steering angle estimation.
The approach of using two inertial measurement units to estimate the steering angle
led to a rather precise calculation of the steering angle with simulation data. Therefore,
practical experiments with two inertial measurement units and a rotary potentiometer for
the measurement of the steering angle were performed. A low pass filtering of the sensor
data is mandatory to reduce the noise of the sensors in practical tests. The estimation of
the steering angle was performed employing an Unscented Kalman-Filter. The accuracy
of the estimation was determined by comparing the estimation with the measurement of
the potentiometer. The implementation of the steering angle estimator led to a satisfying
accuracy of the steering angle in a practical test drive.

Die Messung des Lenkwinkels von Motorrädern ist bei praktischen Versuchsfahrten mit
einem zusätzlichen Aufwand verbunden, wenn die Anzahl der verwendeten Sensoren im
Fahrzeug gering gehalten werden soll. Üblicherweise wird bei Motorrädern kein Lenkwinkelsensor
eingebaut. Im Forschungsgebiet der Fahrzeugdynamik stellt der Lenkwinkel eine
wichtige Größe zur dynamischen Betrachtung eines Motorrades und dessen Fahrverhalten
dar.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Lenkwinkelschätzers auf Basis von Modellen
und Messdaten. Bei der Entwicklung des Lenkwinkelschätzers werden Simulationsdaten
eingesetzt. Die Schätzung des Lenkwinkels erfolgt nicht in Echtzeit, sondern wird in der
Nachbearbeitung ermittelt.
Eine Lenkwinkelschätzung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. In dieser Arbeit
wurden Ansätze zur Schätzung des Lenkwinkels auf Basis der Messgrößen Rollwinkel,
Nickwinkel, Rollrate und Kurvenkrümmung untersucht. Diese Ansätze erreichen allerdings
die geforderte Genauigkeit der Lenkwinkelschätzung nicht. Durch den Einsatz von zwei
inertialen Messeinheiten zur Ermittlung des Lenkwinkels kann ein portables Messsystem
realisiert werden. Die beiden Sensoren werden jeweils am Rahmen und Lenker des Motorrades
angebracht, wobei die Positionierung der Sensoren weitestgehend beliebig erfolgen kann.
Durch einen Abgleich der Beschleunigungen und Drehraten beider Sensoren zueinander
kann der Lenkwinkel mit Hilfe einer Koordinatentransformation ermittelt werden. Des
Weiteren wird die Integration der Drehratendifferenz um die Lenkachse zur Berechnung des
Lenkwinkels eingesetzt. Aufgrund der beliebigen Position der Sensoren ist eine Kalibrierung
zur Ermittlung der Orientierung der inertialen Messeinheiten notwendig.
Nachdem die entwickelte Methodik der Lenkwinkelschätzung für simulierte fahrdynamische
Daten Resultate im Bereich der geforderten Genauigkeit lieferte, wurden praktische
Versuchsfahrten durchgeführt. Eine Aufbereitung der Messdaten, in Form einer Tiefpassfilterung
zur Reduktion der Störeinflüsse, ist bei praktischen Testfahrten unbedingt
erforderlich. Die Schätzung des Lenkwinkels erfolgt in einem adaptiven Unscented Kalman-
Filter. Zur Abschätzung der Genauigkeit der Lenkwinkelschätzung dient ein Abgleich mit
den Messdaten eines, am Messmotorrad angebrachten, Drehpotentiometers zur Lenkwinkelmessung.
Bei der Durchführung der Lenkwinkelschätzung einer praktischen Versuchsfahrt
konnten zufriedenstellende Ergebnisse der Genauigkeit der Lenkwinkelschätzung erreicht
werden.