Neue Form der Sensorfusion erkennt Regen, Schnee und Eis auf der Fahrbahn

Der internationale Automobilzulieferer Continental nutzt sein breites Know-how in der Entwicklung von unterschiedlichsten Sensoren, um zukünftig den Fahrer frühzeitig auf möglicherweise gefährliche Straßenabschnitte hinzuweisen. Da auch das wirkungsvollste System der aktiven Fahrsicherheit die Gesetze der Physik nicht außer Kraft setzen kann, hat Continental mit Kooperationspartnern eine neue Strategie der Sensorfusion entwickelt. Dieses neue System dient dazu, den Fahrer frühzeitig vor glatten Straßenverhältnissen zu warnen. Das System wurde im Rahmen des europäischen „Friction" Projektes innerhalb des „6th Framework Programme" entwickelt und wird zum Teil von der Europäischen Kommission gefördert.

Ohne ausreichende Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn (auch als „Grip" bezeichnet) lässt sich ein Fahrzeug nicht kontrollieren. Systeme der aktiven Fahrsicherheit, wie ABS (Antiblockiersystem) und ESC (Elektronische Stabilitätskontrolle), helfen dann, wenn Vollbremsungen oder ein drohendes Ausbrechen des Fahrzeugs den Menschen am Steuer in den Grenzbereich seiner Fähigkeiten zu bringen drohen. Aber selbst derart hilfreiche Systeme wie ABS und ESC greifen erst dann ein, wenn das Fahrzeug bereits akut in Gefahr ist, außer Kontrolle zu geraten. In der Fahrpraxis bleibt es alleine der Einschätzung des Fahrers überlassen, ob die herrschenden Reifenhaftungsverhältnisse die aktuelle Geschwindigkeit erlauben.

Fusion zahlreicher Sensordaten aus dem Fahrzeug und der Fahrzeugumgebung

Die neue Strategie der Sensorfusion nutzt Informationen von Fahrdynamiksensoren und wertet diese zusammen mit Informationen aus, die von zusätzlich eingebauten Umgebungs- und Reifensensoren stammen. Auf einen kurzen Nenner gebracht, soll das System den Menschen am Steuer warnen, sobald die Grenze der Haftung zwischen Reifen und Fahrbahn erreicht ist.

Zu diesem Zweck berechnet das System die Reifenhaftung, die ein bestimmtes Fahrmanöver erfordert (nötige Reibung / friction used), schätzt die jeweils maximal zur Verfügung stehende Reifenhaftung ab (Reibungspotenzial / friction potential) und berechnet die verbleibende Differenz zwischen beiden Werten. Auch wenn das Prinzip einfach klingt, ergaben sich bei der Zusammenführung der Fahrzeug- und Umgebungssensorsignale sowie einer zuverlässigen Interpretationsstrategie zur Bewertung der Ergebnisse ausgesprochen komplexe Aufgabenstellungen.

Fahrdynamiksensoren

Im Fahrzeug vorhandene Sensoren liefern die Datengrundlage, um die Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn zu berechnen. Im Forschungsfahrzeug dienen zwei Strategien dazu, die aktuellen Reibungsverhältnisse auf der Grundlage des dynamischen Fahrzeugverhaltens zu berechnen. Die Strategie von Continental verarbeitet unter anderem die Längs- und Querbeschleunigung, die Raddrehgeschwindigkeit, die Gierrate und den Lenkwinkel. Ein mathematisches Modell der Querbeschleunigung dient nun dazu, das unter Idealbedingungen zu erwartende Fahrzeugverhalten zu berechnen. Ein Abgleich mit den Informationen über das tatsächliche Fahrzeugverhalten liefert einen Hinweis auf die herrschenden Reifenhaftungsverhältnisse. Während der Entwicklung des Systems zur Sensorfusion wurde diese Strategie mit einem zweiten Verfahren zur Reibungsberechnung kombiniert, das auf der Lenkkraft basiert. Diese alternative Strategie wurde im Centro Ricerche Fiat entwickelt.

Umgebungs- und Reifensensoren

Umgebungssensoren liefern Informationen über das Umfeld des Fahrzeugs an das zweite Teilmodul zur Fusion der Umgebungsmerkmale:

- Ein optischer Sensor erfasst Veränderungen der Menge an Licht, das von der Fahrbahnoberfläche unmittelbar vor dem Vorderrad (im Bereich zwischen 0,4 und 1,5 Meter voraus) reflektiert wird.

- Eine Polarisationskamera erkennt Verschiebungen zwischen den Anteilen der vertikalen und horizontalen Polarisation des Lichts, das von der Straßenoberfläche im Bereich zwischen 5 und 20 Meter vor dem Fahrzeug zurückgeworfen wird.

- Schließlich dient ein Laserscanner dazu, kleine Objekte wie Schneeflocken oder Regentropfen in einem Bereich zwischen 50 und 100 Meter vor dem Fahrzeug zu erkennen und daraus die herrschenden Wetterverhältnisse abzuleiten.

- Ein Thermometer misst die Temperatur der Fahrbahnoberfläche.

- Die Temperatur der Umgebungsluft wird von einem weiteren Thermometer erfasst.

Zusätzlich liefern intelligente im Reifen integrierte Reifensensoren die Informationen über die aktuelle Reifenverformung beim Abrollen. Das System erkennt beginnendes Aquaplaning und liefert ein entsprechendes Warnsignal. Durch Verarbeitung der Informationen von den Umgebungssensoren und eine Plausibilitätsprüfung anhand der Thermometermesswerte kann das System die Straßenverhältnisse erkennen - und damit auch drohende Probleme für die Reifenhaftung.

Für eine Warnung des Fahrers werden sämtliche Sensorausgangssignale und die Rechenergebnisse der Teilmodule zu einem Gesamtwert für die Haftung zwischen Reifen und Fahrbahn integriert. Diese Information kann den Fahrer rechtzeitig warnen und kann darüber hinaus dazu dienen, Systeme zur Minderung der Unfallschwere oder Systeme zur Kollisionsvermeidung gerade bei ungünstigen Witterungsbedingungen wirkungsvoller zu machen.

Optische Darstellung der Informationen für den Fahrer

Über die Entwicklung der neuen Strategie zur Sensorfusion hinaus ist Continental als Spezialist für die Fahrerinformation in der Lage, den Fahrer schnell und der Fahrsituation entsprechend über die Straßenlage dann auch zu informieren. Continental kann dafür auf sein Portfolio an Instrumentierungslösungen zurückgreifen, um eine ergonomisch günstige, optische, akustische und möglicherweise auch haptische (also fühlbare) Warnbotschaft für den Fahrer zu definieren. Zusätzlich zum Kombinationsinstrument bietet beispielsweise das Head-up-Display ergonomische Vorteile für die hochgradig sicherheitsrelevante Warnung vor drohendem Reifenhaftungsverlust.