Entwicklung eines Modells zur fahrerzentrierten Beschreibung der Integralen Fahrzeugsicherheit. Fallstudie: Car-to-Car und Car-to-Infrastructure Kommunikation

The number of fatal car accidents has been substantially reduced in the past decades with the introduction of passive safety systems. Passive safety measures have though today reached a level of saturation regarding their use for passenger protection. Therefore an increasing number of driver assistance and active safety systems are being developed to further reduce the amount of accidents or their severity. The combination of driver assistance systems with active and passive safety systems is referenced as integrated safety (IS) in the context of this work. A key requirement for the realization of IS systems is the ability of the car to autonomously recognize its environment. Through these mechanisms the vehicle is able to interpret traffic situations and assist the driver where applicable. Because both, the driver and the vehicle, might now concurrently initiate driving tasks, conflicts might arise during their execution. Existing research regarding models of driver, vehicle and environment do not address these issues.Accordingly, the goal of this work is to define a generic, driver-centric model for IS. The model components - driver, vehicle, environment and driving tasks - are systematically classified and analyzed regarding the interdependencies within the information flow. Input variable of this model is among others the driving conditions which can be either "normal", "critical", "accident unavoidable", "accident" and "post crash". Finally the architecture for context-sensitive allocation of driving tasks is derived. Afterwards the driver-centric model of the IS is applied in a case study. Car-to-car and car-to-infrastructure communication is selected for this study as it offers certain advantages over other sensor systems regarding the recognition channel into the vehicle.Furthermore the driver-centric model is evaluated empirically based on a study conducted in a driving simulator which replicates the integral safety functions developed in this work. The study examines the theory of context-sensitive allocation of driving tasks. Additionally the effectivity regarding vehicle safety and user acceptance of the developed applications according to the model are validated. A driving simulation is selected for the empirical study because not even all situations and driving conditions could verify in real environments. Afterwards a verification of the driver-centric model is done.Finally a set of guidelines for the application of the IS model is derived. The goal of these guidelines is to deliver an applicable aid during the specification of next-generation IS systems.Durch Systeme der passiven Sicherheit konnte in den letzten Jahrzehnten die Zahl der tödlichen Unfälle maßgeblich gesenkt werden. Maßnahmen der passiven Sicherheit erreichen bezüglich des Insassen- und Partnerschutzes nun mehr eine Sättigung der Effektivität. Aus diesem Grund werden zunehmend Systeme der Fahrerassistenz und der aktiven Fahrzeugsicherheit entwickelt, um Unfälle zu vermeiden bzw. Unfallfolgen weiterhin zu senken. Die Kombination aus Fahrerassistenz, aktiver und passiver Fahrzeugsicherheit wird im Kontext dieser Arbeit als Integrale Fahrzeugsicherheit (IS) bezeichnet.Um Systeme der IS realisieren zu können, muss das Fahrzeug selbsttätig das umgebende Umfeld wahrnehmen können. Damit ist das Fahrzeug fähig Verkehrssituationen zu interpretieren und gegebenenfalls Fahraufgaben zu übernehmen. Da nun Fahrer und Fahrzeug durch das Konzept der IS Fahraufgaben ausführen können, kann es zu Konflikten bei der Fahraufgabenausführung kommen.Bisherige Untersuchungen zu Fahrer-Fahrzeug-Umfeld Modellen zeigen diesen Sachverhalt jedoch nicht auf. Aus diesem Grund ist das Ziel der vorliegenden Arbeit ein allgemeingültiges, fahrerzentriertes Modell für die Integrale Fahrzeugsicherheit zu entwickeln und zu beschreiben. Die Modellkomponenten - Fahrer, Fahrzeug, Umfeld und Fahraufgabe - werden dafür systematisch klassifiziert und Wechselwirkungen zur Beschreibung des Informationsflusses zwischen den Modellkomponenten werden analysiert. Schlussendlich wird das Konstrukt der kontextadaptiven Fahraufgabenallokation abgeleitet. Anschließend wird das fahrerzentrierte Modell zur Beschreibung der IS anhand einer Fallstudie angewendet. Dazu wird die Car-to-Car und Car-to-Infrastructure Kommunikation gewählt, da diese wesentliche Vorzüge für den Wahrnehmungskanal des Fahrzeuges bietet.Weiterhin wird das fahrerzentrierte Modell anhand einer Fahrsimulatorstudie empirisch überprüft. Dazu werden die in der Fallstudie entwickelten Funktionen in die Fahrsimulation überführt. Die Studie untersucht die zur kontextadaptiven Fahraufgabenallokation aufgestellten Thesen im Rahmen des Modells der IS. Weiterhin werden die fahrsicherheitliche Wirkung und die Nutzerakzeptanz der mit Hilfe des Modells aufgestellten Funktionen geprüft. Zur empirischen Überprüfung des fahrerzentrierten Modells wird die Simulation gewählt, da nicht alle Situationen und Fahrzustände in der Realität überprüft werden können. Nach Überprüfung der Wirksamkeit wird eine Verifikation des Modells durchgeführt.Abschließend wird ein Leitfaden zur Anwendung des Modells der IS abgeleitet. Ziel des Leitfadens ist es, eine Hilfestellung bei der Spezifikation neuer Systeme der IS zu geben

Efficient development of a human centered vehicle lateral guidance system with a driving simulator

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.Modern Driver Assistance Systems raise the level of vehicle safety in an extensive degree and therefore contribute to the decrease of the overall accident number. While passive measures have been addressed for a long time and their prospects to lower accident numbers seem to be depleted, active systems will contribute to traffic safety for future vehicles exceedingly. Due to the continuous development in the sector of environment sensor systems for vehicles and the computing power of modern micro-controllers highly sophisticated systems can be realized. The challenge during the development process of modern Driver Assistance Systems lies in the parallel consideration of the technical implementation and the definition of Human Machine Interfaces. Especially the development of an optimal HMI is of vital importance. In this thesis a human-centered lateral guidance system, composed of the three subsystems lane keeping assistance, lane departure warning and lane change assist, is considered. Furthermore an optimized development process for suchlike systems is suggested. By means of modern powerful simulation systems the overall developmental period can be shortened and costs can be reduced. In order to realize the lateral guidance system an optimal steer angle is calculated with potential field methods. Comparing the current driver steer angle and the optimal steer angle leads to a deviation, which is communicated to the driver by means of an overlay torque at the steering wheel. The lane change assist is realized with a Fuzzy based control approach. The result is a continuously scaled lane change hazard. The initial system design as well as the selection of control approaches results from the simulation of physical models of the subsystems. Suitable driver models are chosen and an overall model (driver, vehicle, assistance system) is affiliated. Consequently optimized control and assistance parameters can be determined ahead of the prototype phase, which assures a good functionality and the stability of the system. The subsequent development step is the design of the Human Machine Interface. The considered lane guidance assistance system primarily interacts by means of overlay torques at the steering wheel. A continuous lane guidance feedback is assured in addition to haptic warnings in the case of unintended lane departure. The lane change assist communicates the different levels of a lane change hazard by means of colored LED in the rear view mirrors on each side. In the event of very critical situations the driver is alerted by a haptic intervention at the steering wheel as well as an acoustic warning. The fusion of the described subsystems for lateral guidance assistance is done with respect to the driver’s intention. The system is continuously adapted to the current intention. Among others a Kalman-filter is used to detect the effective driver steering torque. The final step during this thesis is the experimental validation of the system using a driving simulator. The interaction of driver and assistance system can be closely investigated in a real vehicle. That enables the evaluation of the proposed system. The simulator is equipped with a force feedback steering wheel and the lateral guidance assistance system. Large scale projections and a realized field of view of almost 360 deg lead to a high level of immersion. Experiments in that simulator therefore can be used for further system optimization. The interpretation of the simulator experiments are done on the basis of subjective questionnaires and on objective measurements of vehicle states. The developed lateral guidance assistance system contributes to the safety significantly. The task of lane keeping as well as the task of lane changing is easier using the system. The designed human machine interface was judged as easy to understand and highly intuitive. The quantitative analysis of vehicle states shows a reduction of the mean lateral deviation when using the assistance system of approximately 50 %. The usage of the simulation based method to parameterize human centered assistance systems has been validated successfully. The future use of the develop system is an essential contribution to vehicle safety

Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP 2019 : Stuttgart, 16. Mai 2019, Wissenschaftliche Konferenz

Mit dem Ziel, nationale und internationale Fachleute unterschiedlicher Disziplinen der Produktentwicklung aus Industrie und Wissenschaft in den Dialog zu bringen, organisiert der Verein zur Förderung produktionstechnischer Forschung e.V., das Fraunhofer IAO gemeinsam mit dem Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design IKTD, dem Institut für Maschinenelemente IMA und dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP. Am 15. und 16. Mai 2019 findet das SSP zum fünften Mal im Zentrum für Virtuelles Engineering des Fraunhofer IAO statt. Am Forumstag steht die industrielle Anwendung im Fokus, am zweiten Tag die wissenschaftliche Konferenz. Die Konferenz bietet Wissenschaftlern eine Plattform zur Präsentation und Diskussion ihrer neuesten Forschungsergebnisse im Bereich der Produktentwicklung und fördert so den interdisziplinären Wissenstransfer. Aufgerufen waren in der SSP 2019 Beiträge aus folgenden Kategorien: • Agile Produktentwicklung • Bionische Produktentwicklung / Biologisierung • Digital Engineering • Geschäftsmodelle moderner Produktentwicklung • Industrie 4.0 / Cyber-Physical Products • Innovations- und Technologiemanagement • Konstruktionsmethodiken • Leichtbau in der Produktentwicklung • Nachhaltige Produktentwicklung • Nutzerzentriertes Design • Wissensmanagement in der Produktentwicklung • Zuverlässige Produktentwicklung In den drei Tracks mit je drei Sessions werden 27 Beiträge präsentiert. Der Abstract der Keynote sowie die 27 Volltexte sind mit deutschen und englischen Abstracts sind in diesem Band zusammengefasst

Gezielte Variation und Analyse des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen mittels elektrischer Linearaktuatoren im Fahrwerksbereich

Die Arbeit beschreibt die Konzeption, die Entwicklung und den Einsatz verschiedener Werkzeuge zur gezielten Variation und Analyse des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen. Eine zentrale Rolle spielen hierbei elektrische Linearaktuatoren, welche durch die virtuelle Veränderung der Spezifikationen von Fahrwerksbauteilen mittels der Generierung zusätzlicher Relativkräfte zwischen Rad und Karosserie das Bewegungsverhalten der Fahrzeugkarosserie gezielt verändern können

Gezielte Variation und Analyse des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen mittels elektrischer Linearaktuatoren im Fahrwerksbereich

Die Arbeit beschreibt die Konzeption, die Entwicklung und den Einsatz verschiedener Werkzeuge zur gezielten Variation und Analyse des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen. Eine zentrale Rolle spielen hierbei elektrische Linearaktuatoren, welche durch die virtuelle Veränderung der Spezifikationen von Fahrwerksbauteilen mittels der Generierung zusätzlicher Relativkräfte zwischen Rad und Karosserie das Bewegungsverhalten der Fahrzeugkarosserie gezielt verändern können