Effiziente Entwicklung eines menschenzentrierten Querführungsassistenzsystems mit einem Fahrsimulator

Duisburg, Essen (2011), XXV, 159 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Moderne Fahrerassistenzsysteme erhöhen die Fahrzeugsicherheit und reduzieren somit die Unfallzahlen. Während die passiven Maßnahmen weitgehend ausgereizt zu sein scheinen, versprechen aktive Sicherheits- und Assistenzsysteme in zukünftigen Fahrzeuggenerationen eine weitere deutliche Steigerung der Fahrzeugsicherheit. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Fahrzeugumfeldsensorik und der Rechenleistung der Mikrocontroller können zunehmend komplexere Systeme realisiert werden. Die Herausforderung bei der Entwicklung zukünftiger Fahrerassistenzsysteme liegt sowohl in der technischen Umsetzung als auch in der Definition der Schnittstellen zum Menschen. Insbesondere die frühe Integration des Menschens in den Entwicklungsprozess ist von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird ein menschzentriertes Querführungsassistenzsystem, bestehend aus den drei Teilsystemen Bahnführungs-, Spurverlassens- und Spurwechselassistenten, vorgestellt. Weiterhin wird eine Entwicklungsmethode für derartige Systeme gezeigt. Durch den Einsatz moderner Simulationskonzepte können sowohl Entwicklungszeit als auch Kosten reduziert werden. Die Realisierung des Bahnführungsassistenten erfolgt durch die Bestimmung des optimalen Lenkwinkels auf Basis von potentialfeldbasierten Methoden. Dieser Lenkwinkel wird mit dem Fahrerlenkwinkel verglichen und unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrerinteraktion durch ein Überlagerungsmoment am Lenkrad kommuniziert. Der Spurwechselsassistent wird mit einem Fuzzy-basierten Ansatz realisiert. Als Ergebnis resultiert ein kontinuierlich skaliertes Spurwechselgefahrenpotential. Die Systemauslegung und die Auswahl der Regelansätze erfolgt zunächst durch Simulation physikalischer Modelle der Teilsysteme. Es werden geeignete Fahrermodelle ausgewählt und ein Modell für das Gesamtsystem Fahrer, Fahrzeug und Assistenzsystem hergeleitet. Folglich können bereits vor der Prototypenphase regelungstechnisch optimale Assistenzsystemparameter bestimmt sowie die Stabilität des Gesamtsystems im linearen Bereich gewährleistet werden. Im nächsten Entwicklungsschritt wird die Auslegung der Schnittstelle zum Fahrer definiert. Der Bahnführungs- und Spurverlassensassistent interagiert vorrangig durch Überlagerungsmomente am Lenkrad mit dem Fahrer und garantiert eine kontinuierliche Spurführung sowie eine haptische Warnung im Fall des unbeabsichtigten Spurverlassens. Der Spurwechselassistent kommuniziert die mehrstufigen Eskalationsgrade für eine Spurwechselgefahr durch LED-Warnleisten in den Fahrzeugaußenspiegeln. In kritischen Fahrsituationen wird dem Fahrer zusätzlich durch einen haptischen Lenkeingriff und akustische Warnungen assistiert. Die Fusionsstrategie der einzelnen Systeme zum menschzentrierten Querführungsassistenzsystem wird kontinuierlich auf Basis der aktuellen Fahrerintention adaptiert. Dazu wird unter anderem ein Fahrerlenkmomentbeobachter auf Basis des Kalman-Filters implementiert. Das Assistenzsystem wird abschließend in einem für diese Anwendung entwickelten Fahrsimulator experimentell erprobt. Somit kann die Interaktion zwischen Fahrer, Assistenzsystem und Fahrzeug evaluiert werden. Der Simulator verfügt über ein Force-Feedback-Lenkrad und wird mit dem Querführungsassistenzsystem ausgestattet. Der realisierte Sichtwinkel von nahezu 360 Grad ermöglicht einen hohen Immersionsgrad, so dass auf Basis der Simulator-Probandenstudie weitere Systemoptimierungen durchgeführt werden können. Die Auswertung der Probandenstudie erfolgt auf der subjektiven Ebene mit einem Fragebogen und durch die Messung charakteristischer Fahrzeugkenngrößen. Das entwickelte Querführungsassistenzsystem steigert signifikant das Sicherheitsgefühl sowohl in Hinblick auf die Spurführungs- als auch auf die Spurwechselfahraufgabe. Die über die Mensch-Maschine-Schnittstelle definierten Interaktionskanäle werden überwiegend als intuitiv und leicht verständlich bewertet. Die quantitative Analyse im Simulator zeigt, dass die mittlere Querabweichung des Fahrzeugs in der Fahrspur um die Hälfte reduziert werden konnte. Der Einsatz der entwickelten Methode zur Parametrierung menschzentrierter Fahrerassistenzsysteme wurde durch die Studie erfolgreich validiert. Der zukünftige Einsatz des Systems in realen Fahrzeugen leistet einen essentiellen Beitrag zur Steigerung der Fahrzeugsicherheit.