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Effiziente Entwicklung eines menschzentrierten Querführungsassistenzsystems mit einem Fahrsimulator

Hiesgen, Gregor

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.

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Hiesgen, Gregor: Effiziente Entwicklung eines menschzentrierten Querführungsassistenzsystems mit einem Fahrsimulator. 2012.

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