Optimale aktive Fahreingriffe

für Sicherheits- und Komfortsysteme in Fahrzeugen

Moritz Werling

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2017
• ISBN drucken: 9783110529418
• eBook-ISBN: 9783110529838
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Automatisierung im Maschinenbau

Ein hohes Potential, die Unfallzahlen zukünftig weiter zu reduzieren, wird der Unterstützung des Fahrers durch neue elektronische Zusatzeinrichtungen zugesprochen, den modernen Fahrerassistenzsystemen. So können bereits heute in Serie befindliche Notbremsassistenten überschlägig 28-prozentige Reduktion schwerer Unfälle mit Personenschaden vorweisen. Bei Lkw wird gar die Wirkung eines Spurhalteassistenten auf 49 Prozent weniger Unfälle durch Spurverlassen auf Autobahnen beziffert.

Ungeachtet der Zahlen tritt beim emotionsgeprägten Autokauf allerdings häufig die Bequemlichkeit in den Vordergrund. Die seit einigen Jahren verfügbaren Komfortsysteme wie Einparkassistent und stop-and-go-fähiger Abstandsregeltempomat erfreuen sich immer größerer Beliebtheit und sind längst ein bedeutendes Differenzierungsmerkmal der Fahrzeughersteller geworden. Dabei subventioniert, als bemerkenswerter Nebeneffekt, die für die Komfortassistenzsysteme erforderliche Umfeldsensorik langfristig die Verkehrssicherheit. Schließlich können die bereits im Fahrzeug befindlichen Radare, Kameras und Laserscanner von den Sicherheitssystemen mit genutzt werden. In ähnlicher Weise leisten auch zukünftige Sicherheitssysteme wiederum ihren Beitrag zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts und damit zu einer Effizienzsteigerung, wenn Unfallpräventionssysteme wie der aktive Fußgängerschutz derart verlässlich geworden sind, dass gewichtige passive Sicherheitsmaßnahmen ersetzt werden können.

Das aus technischer Sicht hervorstechendste Merkmal der zuvor aufgeführten Sicherheits- und Komfortassistenzsysteme ist der aktive Fahreingriff. So wird beim Notbremsassistenten zur Beeinflussung der Fahrzeuglängsbewegung automatisch die Bremse betätigt, falls es aufgrund der Reaktionszeit des Fahrers für eine Warnung zu spät ist. Der Parkassistent wiederum steuert die elektromechanische Lenkung an und zirkelt damit selbständig in enge Parklücken.

Noch sind die serienmäßigen Eingriffe entweder auf niedrige Geschwindigkeiten, geringe Intensitäten oder eine kurze Aktivierungsdauer beschränkt. Die nationalen und internationalen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bei Fahrzeugherstellern und Automobilzulieferern zeugen allerdings vom Bestreben, langfristig über eine rein unterstützende Assistenzfunktion hinaus zu einer Teil-, Hoch- oder gar Vollautomatisierung zu gehen. Das erfordert allerdings die Aufhebung der zuvor aufgeführten Fahreingriffsbeschränkungen, sodass das volle Dynamikpotential des Fahrzeugs ausgeschöpft werden kann.

Das Buch behandelt die Optimierung und Realisierung dieser aktiven Fahreingriffe sowie deren Zusammenspiel bei der Umsetzung von Sicherheits- und Komfortfunktionen unterschiedlicher Automatisierungsgrade. Im Fokus stehen hierbei ausgewählte mathematische Methoden und Verfahren aus dem Ingenieursbereich (Regelungstechnik) und der Informatik (Robotik), die eine hochgradige Relevanz für die behandelte Thematik aufweisen oder gar bereits erfolgreich in Serien- und Prototypensystemen zur Anwendung gekommen sind. Anhand ebendieser Anwendungen aber auch neuer Funktionen wird die methodische Umsetzung der Verfahren praktisch erläutert, wodurch parallel ein tiefer Einblick in die Herausforderungen aktueller Forschungssysteme gegeben wird.

1Einleitung

It has often proved true that the dream of yesterday

is the hope of today and the reality of tomorrow.

Robert Goddard

1.1Bedeutung und Einordnung

Trotz steigender Benzinpreise ist die Nachfrage nach motorisiertem Individualverkehr ungebrochen [30]. Besonders in den Industrienationen ist seit vielen Jahrzehnten der Pkw als erschwingliches Mobilitätsmittel etabliert, da er seine Insassen bequem und flexibel zum Ziel bringt. Gleichzeitig trübt jedoch das zunehmende Verkehrsaufkommen, vor allem in Ballungsräumen, die Fahrfreude. Denn wenngleich auch der zähfließende Verkehr eine ermüdende Eintönigkeit nach sich zieht, wird dem Fahrer fortwährend eine hohe Konzentrationsfähigkeit abverlangt, sodass er jederzeit in der Lage ist, ein Notmanöver sicher durchzuführen.

Gesteigerte Alltagsbelastungen wie Zeitdruck, Leistungsverdichtung und Informationsflut stellen, insbesondere vor dem Hintergrund einer alternden Gesellschaft [16], die Konzentrationsfähigkeit allerdings permanent auf die Probe [38]. So wundert es nicht, dass nach 20 Jahren stetig sinkender Opferzahlen in 2011 die Summe der Verkehrstoten auf deutschen Straßen erstmalig wieder anstieg [190]. Auch heute sterben hierzulande noch durchschnittlich neun Menschen täglich und es werden mehr als 180 schwer verletzt.

Ein hohes Potential, die Unfallzahlen zukünftig weiter zu reduzieren, wird der Unterstützung des Fahrers durch neue elektronische Zusatzeinrichtungen zugesprochen, den modernen Fahrerassistenzsystemen [17, 48, 141, 218] (FAS, engl. advanced driver assistance systems, ADAS). So können bereits heute in Serie befindliche Notbremsassistenten überschlägig eine 28-prozentige Reduktion schwerer Unfälle mit Personenschaden vorweisen [70]. Bei Lkw wird gar die Wirkung eines Spurhalteassistenten auf 49 Prozent weniger Unfälle durch Spurverlassen auf Autobahnen beziffert [4].

Ungeachtet der Zahlen tritt beim emotionsgeprägten Autokauf allerdings häufig die Bequemlichkeit in den Vordergrund. Die seit einigen Jahren verfügbaren Komfortsysteme wie Einparkassistent und stop-and-go-fähiger Abstandsregeltempomat erfreuen sich immer größerer Beliebtheit und sind längst ein bedeutendes Differenzierungsmerkmal der Fahrzeughersteller geworden [128]. Dabei subventioniert, als bemerkenswerter Nebeneffekt, die für die Komfortassistenzsysteme erforderliche Umfeldsensorik langfristig die Verkehrssicherheit. Schließlich können die bereits im Fahrzeug befindlichen Radare, Kameras und Laserscanner von den Sicherheitssystemen mit genutzt werden. In ähnlicher Weise leisten auch zukünftige Sicherheitssysteme wiederum ihren Beitrag zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts und damit zu einer Effizienzsteigerung, wenn Unfallpräventionssysteme wie der aktive Fußgängerschutz derart verlässlich geworden sind, dass gewichtige passive Sicherheitsmaßnahmen ersetzt werden können.

Das aus technischer Sicht hervorstechendste Merkmal der zuvor aufgeführten Sicherheits- und Komfortassistenzsysteme ist der aktive Fahreingriff. So wird beim Notbremsassistenten zur Beeinflussung der Fahrzeuglängsbewegung automatisch die Bremse betätigt, falls es aufgrund der Reaktionszeit des Fahrers für eine Warnung zu spät ist. Der Parkassistent wiederum steuert die elektromechanische Lenkung an und zirkelt damit selbständig in enge Parklücken.

Noch sind die serienmäßigen Eingriffe entweder auf niedrige Geschwindigkeiten, geringe Intensitäten oder eine kurze Aktivierungsdauer beschränkt. Die nationalen und internationalen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bei Fahrzeugherstellern und Automobilzulieferern zeugen allerdings vom Bestreben, langfristig über eine rein unterstützende Assistenzfunktion hinaus zu einer Teil-, Hoch- oder gar Vollautomatisierung [27] zu gehen. Das erfordert allerdings die Aufhebung der zuvor aufgeführten Fahreingriffsbeschränkungen, sodass das volle Dynamikpotential des Fahrzeugs ausgeschöpft werden kann.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung und Realisierung dieser aktiven Fahreingriffe sowie deren Zusammenspiel bei der Umsetzung von Sicherheits- und Komfortfunktionen unterschiedlicher Automatisierungsgrade. Im Fokus stehen hierbei ausgewählte mathematische Methoden und Verfahren aus dem Ingenieursbereich (Regelungstechnik) und der Informatik (Robotik), die eine hochgradige Relevanz für die behandelte Thematik aufweisen oder gar bereits erfolgreich in Serien- und Prototypensystemen zur Anwendung gekommen sind. Anhand ebendieser Anwendungen aber auch neuer Funktionen wird die methodische Umsetzung der Verfahren praktisch erläutert, wodurch parallel ein tiefer Einblick in die Herausforderungen aktueller Forschungssysteme gegeben wird.

1.2Entwicklungsstand

Auch wenn das im Jahr 1940 eingeführte Automatikgetriebe, die seit 1952 verfügbare Servolenkung und der seit 1955 verbaute Bremskraftverstärker bereits in die Fahrzeugquer- und -längsdynamik eingreifen, so hat sich bis heute der Fahrer so an sie gewöhnt, dass ihre Unterstützung gar nicht mehr als Assistenzfunktion wahrgenommen wird. Neuland wurde 1978 mit der Einführung des Antiblockiersystems (ABS) betreten, da erstmalig eine elektronische Zusatzeinrichtung zur Anwendung kam, welche Bremseingriffe im Millisekundenbereich ermöglicht. Dank gesteigerter Rechenleistung der sog. Steuergeräte sind seither eine ganze Reihe weiterer Assistenzfunktionen verfügbar, die beispielweise durch aktive Fahreingriffe das Durchdrehen der Räder beim Anfahren (Antischlupfregelung, ASR), das Schleudern des Fahrzeugs beim Ausweichen und in Kurven (Elektronisches Stabilitätsprogramm, ESP), das ungewollte Zurückrollen am Berg (Hill Hold Control) sowie das zu zaghafte Bremsen in Notsituationen (Bremsassistent) verhindern.

Während sich die zuvor aufgeführten Funktionen mit der Messung bzw. Beobachtung des eigenen Fahrzeugzustands begnügen, gehen Systeme wie der Abstandsregeltempomat (Adaptive Cruise Control, ACC), der Notbremsassistent, der Einparkassistent und der aktive Spurhalteassistent einen Schritt weiter. Mittels Radar-, Kamera- und Ultraschallsensorik macht sich das Fahrzeug ein Bild seiner Umgebung und berechnet entsprechend der umzusetzenden Assistenzfunktion die erforderlichen Fahreingriffe. Um aus Wettbewerbsgründen möglichst früh eine bestimmte Funktion in Serie zu bringen, wurde hierbei in den meisten Fällen kein generelles Regelungskonzept umgesetzt, sondern vielmehr eines, das genau auf ein bestimmtes Standardszenario maßgeschneidert ist. Langfristig geht damit nicht nur ein erhöhter Entwicklungsaufwand der Einzelfunktion einher1, es steigt auch der Integrationsaufwand für das Gesamtfahrzeug enorm, sodass generelle Fahreingriffskonzepte gesucht werden.

Für fahrerlose Forschungssysteme im Umfeld der DARPA Urban Challenge2 stellt sich die Situation ganz anders dar. In 2007 demonstrierten die Finalisten des internationalen Wettkampfes eindrucksvoll, s. z.B. [10, 105, 146, 166, 191, 204], wie souverän sich die stimmigen Gesamtkonzepte ihren Weg durch den, wenn auch stilisierten3, Vorstadtverkehr suchten. Jede weitgehend zufällig zu Tage tretende Verkehrssituation stellte nur einen Sonderfall für die implementierten Universalkonzepte dar. So manövrierte derselbe Algorithmus, der das Fahrzeug zwischen seinesgleichen parkierte, zielstrebig durch große Parkplatzanlagen oder ließ es zügig am Sackgassenende wenden. Seither sorgen die Weiterentwicklungen der selbstfahrenden Automobile, insbesondere auf öffentlichen Straßen und dank neuer Gesetzgebungen im definierten Rechtsumfeld [85], häufig für Schlagzeilen [46, 80, 212].

Weniger davon wachgerüttelt als vielmehr in der ohnehin verfolgten Entwicklungsstrategie bestätigt, arbeitet aktuell die wettbewerbsgeprägte Automobilindustrie fieberhaft daran, die neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse aus der Forschung baldmöglichst als kundenwertige Assistenzfunktionen anzubieten. Dabei stellt neben den Kostenaspekten die Anwesenheit des Fahrzeugführers eine große Herausforderung dar. Bei sicherheitskritischen Fahreingriffen will er ja nicht voreilig „unterstützt“ werden, sodass das Assistenzsystem häufig die Situation sich weiter zuspitzen lassen muss, bevor es eingreifen darf. Bei den Komfortsystemen hingegen dient er auf absehbare Zeit als Rückfallebene. Da der Mensch aber nur für kurze Zeiträume seine Aufmerksamkeit automatisierten Abläufen schenken kann, um bei Bedarf korrigierend einzugreifen, muss er mit geeigneten Maßnahmen aktiv in die Regelaufgabe einbezogen werden. Zusätzlich erfolgt der Fahreingriff häufig, insbesondere in den Aktivierungsübergängen, in Kooperation mit dem Fahrzeugführer, sodass viel Entwicklungs- und Applikationsaufwand betrieben werden muss, bis die Systeme auf breite Fahrerakzeptanz stoßen.

Abb. 1.1: Weiterentwicklungstendenzen aus Sicht aktiver Fahreingriffe dargestellt am Drei-Ebenen-Modell [41].

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Fahrerassistenz auf dem Weg ist, sich von reinen Fahrdynamik-Regelsystemen hin zur Vollautomation zu entwickeln (s. Abb. 1.1 und für eine detaillierte Prognose bspw. [205]). Die Primäraufgabe der aktiven Fahreingriffe verlagert sich damit von der Fahrzeugstabilisierungsebene hin zur sog. Fahrzeugführungsebene, dem neuen Themenfeld moderner Assistenzsysteme, vgl. [42]. Hierbei besteht die große Herausforderung darin, den Fahrzeugführer bedarfsgerecht zu unterstützen, ohne ihn zu bevormunden.

Während die Fahrzeugstabilisierung, vereinfacht gesprochen, von den Ingenieurwissenschaften, und die Fahrzeugnavigation (s. Abb....

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• 1 Einleitung
• 2 Problemstellung aktiver Fahreingriffe
• 3 Stabilität und Robustheit optimaler Fahrmanöver
• 4 Trajektorienoptimierung mittels Dynamischer Programmierung
• 5 Trajektorienoptimierung mit direkten Methoden
• 6 Trajektorienoptimierung mit indirekten Methoden
• 7 Empfehlungen für den Entwurf optimaler Fahreingriffe
• 8 Zusammenfassung
• A Herleitungen und Ausführungen
• Abkürzungen und Notationen
• Abbildungsverzeichnis
• Literatur
• Im Rahmen der Arbeit entstandene Veröffentlichungen
• Stichwortverzeichnis