Handbuch Fahrerassistenzsysteme: Grundlagen, Komponenten und Systeme für aktive Sicherheit und Komfort

1221 Pages·2015·44.01 MB·German

by  Hermann Winner

ATZ/MTZ-Fachbuch
Hermann Winner
Stephan Hakuli
Felix Lotz
Christina Singer Hrsg.
Handbuch
Fahrer-
assistenzsysteme
Grundlagen, Komponenten und Systeme
für aktive Sicherheit und Komfort
3. Auflage
ATZ / MTZ-Fachbuch
Die komplexe Technik heutiger Kraftfahrzeuge und Motoren macht einen immer größer werdenden Fundus
an Informationen notwendig, um die Funktion und die Arbeitsweise von Komponenten oder Systemen zu
verstehen. Den raschen und sicheren Zugriff auf diese Informationen bietet die regelmäßig aktualisierte Reihe
ATZ/MTZ-Fachbuch, welche die zum Verständnis erforderlichen Grundlagen, Daten und Erklärungen anschau-
lich, systematisch und anwendungsorientiert zusammenstellt.
Die Reihe wendet sich an Fahrzeug- und Motoreningenieure sowie Studierende, die Nachschlagebedarf ha-
ben und im Zusammenhang Fragestellungen ihres Arbeitsfeldes verstehen müssen und an Professoren und
Dozenten an Universitäten und Hochschulen mit Schwerpunkt Kraftfahrzeug- und Motorentechnik. Sie liefert
gleichzeitig das theoretische Rüstzeug für das Verständnis wie auch die Anwendungen, wie sie für Gutachter,
Forscher und Entwicklungsingenieure in der Automobil- und Zulieferindustrie sowie bei Dienstleistern benö-
tigt werden.
Hermann Winner
Stephan Hakuli
Felix Lotz
Christina Singer
(Hrsg.)
Handbuch Fahrer­
assistenzsysteme
Grundlagen, Komponenten und Systeme für aktive
Sicherheit und Komfort
3., überarbeitete und ergänzte Auflage
Herausgeber
Prof. Dr. rer. nat. Hermann Winner Dipl.-Ing. Felix Lotz
Technische Universität Darmstadt Technische Universität Darmstadt
Fachgebiet Fahrzeugtechnik Fachgebiet Fahrzeugtechnik
Darmstadt, Deutschland Darmstadt, Deutschland
Dipl.-Ing. Stephan Hakuli Christina Singer, M.Sc.
IPG Automotive GmbH Technische Universität Darmstadt
Karlsruhe, Deutschland Fachgebiet Fahrzeugtechnik
Darmstadt, Deutschland
ISBN 978-3-658-05733-6 ISBN 978-3-658-05734-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-05734-3
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V
Einleitung
Ein Handbuch Fahrerassistenzsysteme soll selbstverständlich alle relevanten Aspekte adres-
sieren, die mit Fahrerassistenzsystemen verbunden sind. Doch welche sind das und wie lassen
sich diese ordnen? Diese Frage stellt sich für das Herausgeberteam mit jeder Auflage. Da ist
zum einen die Wahl, welche Assistenzfunktionalitäten vorkommen und mit welcher Detail-
liertheit sie beschrieben werden sollen. Der mit der ersten Auflage begonnene Weg einer Auf-
teilung der Funktionen in Stabilisierungs-, Bahnführungs- und Navigationsassistenz gemäß
dem 3-Ebenen-Modell von Donges aus dem Jahr 1982 und die Beschränkung auf Funktio-
nen, die die primäre Fahraufgabe unterstützen, konnte auch in der dritten Auflage fortgesetzt
werden. Allerdings zeigen sich auch erste Probleme mit der Aufteilung, wenn die Funktionen
mit einem hohen Automatisierungsgrad, die heute noch unter Zukunft der Fahrerassistenz-
systeme geführt werden, Realität werden. In jedem Fall lassen sich aber auch dann weiterhin
funktionsübergreifende technische Grundlagen wie Sensorik, Sensordatenfusion, Aktorik und
Mensch-Maschine-Schnittstelle jeweils in einer eigenen Kategorie behandeln. Mindestens
genauso wichtig wie die Darstellung der technischen Lösungen ist eine Einordnung über die
Grundlagen zur Assistenzsystementwicklung. Aufgrund der gewachsenen Bedeutung der Ent-
wicklungs- und Testmethodik wird diesen ab der dritten Auflage jeweils ein eigener Bereich
gewidmet. Somit ergibt sich folgende Gliederung der Kapitel:
Ausgangspunkt der Betrachtungen ist der Fahrer, der durch die Assistenzsysteme unterstützt
werden soll. In Teil I: Grundlagen der Fahrerassistenzsystem-Entwicklung wird daher die
Leistungsfähigkeit des Menschen und sein Verhalten bei der Fahrzeugführung beschrieben
sowie dargelegt, welche Auswirkungen auf die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen sich
daraus ergeben. Weitere Grundlagen, die im ersten Teil behandelt werden, sind rechtliche
Rahmenbedingungen sowie verkehrssicherheitstechnische und verhaltenswissenschaftliche
Aspekte von FAS sowie die Themen funktionale Sicherheit und AUTOSAR.
Teile II und III betrachten virtuelle Entwicklungs- und Testumgebungen für FAS sowie Test-
verfahren, die bei der Entwicklung und Bewertung von FAS zum Einsatz kommen.
Teil IV des Buches behandelt Sensorik für FAS und beschreibt die Herausforderungen, die sich
auf dem Gebiet des maschinellen Sehens stellen, während Teil V Konzepte für Datenfusion
und Umfeldrepräsentation vorstellt.
Brems- und Lenkstellsysteme bilden wesentliche Teile der Aktorik für Fahrerassistenzsys-
teme. Sie werden in Teil VI beschrieben.
Aufbauend auf Teil I beschäftigt sich Teil VII: Mensch-Maschine-Schnittstelle für Fahrer-
assistenzsysteme mit den Anforderungen an eine nutzergerechte Gestaltung der Mensch-
Maschine-Schnittstelle sowie der Anzeigetechnologien, die dabei zum Einsatz kommen.
Die Teile VIII und IX: Fahrerassistenz auf Stabilisierungsebene bzw. Fahrerassistenz auf
Bahnführungs- und Navigationsebene enthalten eine detaillierte Darstellung von Systemen,
wie sie derzeit im Pkw- und Lkw-Bereich sowie bei Motorrädern und in der Landtechnik zum
Einsatz kommen.
VI Einleitung
Teil X: Zukunft der Fahrerassistenzsysteme schildert aktuelle Herausforderungen, denen
sich Forschung und Entwicklung im Bereich Fahrerassistenzsysteme stellen müssen, stellt
Forschungskonzepte vor und wagt mit einem abschließenden „Quo vadis, FAS?“ einen Blick
auf die zukünftigen Entwicklungen.
Wir wünschen allen Lesern viel Freude mit diesem Handbuch und hoffen, dass es sich für all
jene als nützlich erweisen wird, die es als Nachschlagewerk nutzen oder sich mit seiner Hilfe
in das spannende Thema der Fahrerassistenzsysteme einarbeiten wollen.
Darmstadt im März 2015
Prof. Dr. rer. nat. Hermann Winner
Dipl.-Ing. Stephan Hakuli
Dipl.-Ing. Felix Lotz
Christina Singer M. Sc.
VII
Vorwort zur dritten Auflage
Zwischen dieser dritten Auflage und der ersten liegen gerade erst etwas mehr als fünf Jahre.
Trotzdem wurde in der ersten Besprechung im umgebildeten Herausgeberteam schnell deut-
lich, dass die dritte Auflage weitaus mehr als eine inkrementelle Weiterentwicklung ist. Die
hohe Dynamik der Fahrerassistenzentwicklung lässt vormals wichtig erscheinende Aspekte in
den Hintergrund treten, während sich viele neue Themen aufdrängen. So haben wir viele der
bisherigen Autoren gebeten, dieser Entwicklung Rechnung zu tragen und zum Teil größere
Änderungen durchzuführen. Dies reichte aber noch nicht aus: Es gab schlichtweg zu viele
Fortschritte in diesem Bereich, die in die neue Auflage ebenfalls einfließen mussten. Daher
freute es uns, noch weitere Autoren gewinnen zu können, die die Gebiete genauso hervorra-
gend vertreten können wie die bisherigen im Fall der beibehaltenen Themen. Leider standen
wir aber auch vor der Herausforderung, die neue Auflage nicht im gleichen Umfang wachsen
zu lassen, wie neue Themen hinzukamen. Wir mussten uns daher entschließen, Kapitel her-
auszunehmen oder erheblich zu kürzen, wenn wir den Eindruck hatten, dass die Inhalte nach
Jahren der dynamischen Entwicklung nicht mehr im Fokus stehen. Wir danken den Autoren
dieser Kapitel für das Verständnis hierfür, ebenso wie für die Beiträge in den beiden ersten
Auflagen, die auch weiterhin ihren eigenständigen Wert behalten.
Auch das Herausgeberteam wurde umgebildet und erweitert, um die vielfältigen administ-
rativen und qualitätssichernden Arbeiten zu schultern. Gabriele Wolf ist seit Längerem nicht
mehr im Themengebiet tätig und schied folglich auf eigenen Wunsch aus dem Team aus. Ich
danke ihr sehr für die große Unterstützung bei den ersten Auflagen und insbesondere für die
Initiative, das Wagnis des Handbuchs anzugehen. Stephan Hakuli hat trotz starker Einbindung
in seine aktuelle berufliche Tätigkeit die Kontinuität gehalten. Christina Singer und Felix Lotz
danke ich im Besonderen für die oft in den Abend- und Wochenendstunden durchgeführten,
unglaublich umfangreichen Arbeiten zur Koordination und Qualitätssicherung, um auch die
dritte Auflage mit dem gleichen Anspruch wie zuvor herauszugeben. Dabei konnten sich beide
auf die Zuverlässigkeit und Tatkraft von Herrn Yannick Ryma verlassen, der als studentische
Hilfskraft sowohl die Autoren als auch die Herausgeber in erheblichem Maße unterstützt hat.
Ganz besonders zu Dank verpflichtet bin ich den vielen Autoren, die bei der Erstellung dieser
Auflage mitgewirkt haben.
Dem Verlag Springer Vieweg danke ich für die Bereitschaft, dieses Handbuch herauszugeben
und den gewachsenen Umfang mitzutragen. Für die angenehme Zusammenarbeit und kom-
petente Betreuung in allen organisatorischen Fragen seien insbesondere Frau Elisabeth Lange,
Frau Gabriele McLemore und Herrn Ewald Schmitt gedankt. Das Lektorat für dieses Buch
wurde von Susanne Mitteldorf durchgeführt. Ihre sorgfältige und aufmerksame Prüfung hat
die hohe sprachliche Qualität der Texte ermöglicht, dafür sowie für die angenehme Zusam-
menarbeit bedanke ich mich sehr herzlich bei Ihnen.
VIII Vorwort zur dritten Auflage
Abschließend möchte ich mich bei allen FZD-Mitarbeitern bedanken, die durch Korrektur-
lesen, fachliche Diskussionen oder sonstige hilfreiche Beiträge an der Entstehung dieses Buchs
mitgewirkt haben.
Darmstadt im August 2014
Prof. Dr. rer. nat. Hermann Winner
Vorwort zur zweiten Auflage
Die erste Auflage des Handbuchs Fahrerassistenzsysteme erschien im Juli 2009 und aufgrund
des großen Erfolges, den das Buch erzielte, konnten bereits im September 2010 die Arbeiten an
der nun vorliegenden zweiten Auflage beginnen. Hierfür wurden die Inhalte der ersten Auflage
überprüft, einige kleinere Fehler korrigiert und notwendige Aktualisierungen vorgenommen.
Ich danke allen Autoren für die kritische Durchsicht ihrer Texte und meinen Mit-Herausge-
bern Herrn Stephan Hakuli und Frau Dr.-Ing. Gabriele Wolf, in deren Händen auch dieses
Mal die organisatorischen und operativen Aufgaben lagen.
Darmstadt im März 2011
Prof. Dr. rer. nat. Hermann Winner
Vorwort zur ersten Auflage
Fahrerassistenzsysteme haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und sind fester
Bestandteil in vielen heutigen Fahrzeugmodellen aller Fahrzeugklassen. Forschung und Ent-
wicklung in Unternehmen und Universitäten beschäftigen sich mit der Optimierung der be-
stehenden Systeme und mit Weiterentwicklungen, die dem Fahrer ein noch höheres Maß an
Assistenz und Unterstützung bieten sollen. Zeugnis dieser Arbeiten legen die vielen wissen-
schaftlichen Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge ab, doch eine umfassende Darstellung
des heutigen Stands der Technik sowie der Grundlagen für die Entwicklung solcher Systeme
suchte man bisher im deutschsprachigen Raum vergeblich. Zwar existieren einige Fachbücher,
die sich mit Fahrerassistenzsystemen beschäftigen, doch sind diese stark auf einzelne Aspekte
wie z. B. die Regelung solcher Systeme fokussiert. Aufbauend auf den Inhalten der Vorlesung
Fahrerassistenzsysteme, die ich seit 2002 am Fachgebiet Fahrzeugtechnik der Technischen
Universität Darmstadt (FZD) halte (seit dem Sommersemester 2008 mit erweitertem Umfang
unter dem Titel Mechatronik und Assistenzsysteme im Automobil), wurde die Gliederung des
vorliegenden Handbuchs Fahrerassistenzsysteme entwickelt.
Der Umfang der Thematik machte es erforderlich, die inhaltliche Arbeit auf viele Schultern
zu verteilen, und so halten Sie nun ein Werk in Händen, dessen 44 Kapitel von insgesamt
96 Experten aus Industrie und Wissenschaft geschrieben wurden. Diese Autoren sind es,
denen ich in erster Linie zu Dank verpflichtet bin, denn ohne ihre Bereitschaft, Zeit und
Mühen in die Erstellung der Manuskripte zu investieren, hätte dieses Buch nicht entstehen
können.
IX
Vorwort zur ersten Auflage
An einem solchen Projekt sind jedoch noch mehr Menschen beteiligt, und ich möchte es nicht
versäumen, allen in diesem Vorwort für ihren Beitrag zu danken.
Ganz besonders zu Dank verpflichtet bin ich meinen beiden Mit-Herausgebern Herrn Stephan
Hakuli und Frau Gabriele Wolf, in deren Händen die Organisation und alle operativen Auf-
gaben dieses Projekts von der Autorenbetreuung über die Zusammenarbeit mit dem Verlag
bis zur Erstellung des Gesamtmanuskripts lagen. Für ihr ausgezeichnetes Projektmanagement
und ihre Bereitschaft, diese zusätzlichen Aufgaben neben ihrer Arbeit als wissenschaftliche
Mitarbeiter am Fachgebiet Fahrzeugtechnik auf sich zu nehmen, danke ich ihnen sehr herz-
lich. Frau Wolf danke ich darüber hinaus, dass sie den Anstoß dazu gab, dieses von mir in
Gedanken schon länger gehegte Projekt in die Tat umzusetzen.
Dem Verlag Vieweg+Teubner danke ich für die Bereitschaft, dieses Handbuch herauszugeben.
Für die angenehme Zusammenarbeit und kompetente Betreuung in allen organisatorischen
Fragen sei insbesondere sei Frau Elisabeth Lange gedankt.
Das Lektorat für dieses Buch wurde von Susanne und Katharina Mitteldorf durchgeführt. Ihre
sorgfältige und aufmerksame Prüfung hat die hohe sprachliche Qualität der Texte ermöglicht,
und dafür sowie die angenehme Zusammenarbeit bedanke ich mich sehr herzlich bei ihnen.
Herrn Danijel Pusic danke ich für seine Mitarbeit bei der Konzeption des Buches und der Er-
arbeitung der Gliederung. Unterstützt wurden die Arbeiten an diesem Handbuch in vielfältiger
Weise durch die studentischen Hilfskräfte Herrn Johannes Götzelmann, Herrn Richard Hurst,
Frau Hyuliya Rashidova und Herrn Philip Weickgenannt. Auch ihnen sei gedankt.
Ich bedanke mich außerdem bei allen FZD-Mitarbeitern, die durch Korrekturlesen, fachliche
Diskussionen oder sonstige hilfreiche Beiträge an der Entstehung dieses Buchs mitgewirkt
haben.
Darmstadt im August 2008
Prof. Dr. rer. nat. Hermann Winner