Mensch und Fahrzeug
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Aufspaltung zwischen Ausführung und Verantwortung ein, die vom Fahrer eine besondere, andere Aufmerksamkeit erfordert, als wenn er selbst die Längsregelung ununterbrochen und unbewusst erledigen würde. Er hat es mit zwei verschiedenen Fahrzeugen zu tun: eines das eine gegebene Fahrgeschwindigkeit einhält und ein anderes, das ohne sein Zutun je nach Steigung und Gefälle seine Geschwindigkeit ändert.
Beispiel 3 Assistenzsystem: Fahrerassistenzsystem zur abstandsabhängigen Geschwindigkeitsregelung und Einhaltung vorgegebener oder frei gewählter Tempolimits (Werkbild Continental Temic)
Die Schwierigkeit wird noch größer, wenn sein Fahrzeug außerdem einer Abstandsmessung folgt: zu dem Vorausfahrenden Fahrzeug wird automatisch ein zeitlich einstellbarer Abstand gehalten, so lange die Spur nicht frei ist (Automatische Distanzregelung ADR, ADR + F25 ...
bis völligen Stillstand). Wird die Spur wieder frei, beschleunigt der Automat auf die eingestellte Sollgeschwindigkeit. Auch hier wechselt der Fahrer von einer Position als Regler im Regelkreis zu einer beobachtenden Person: er verfolgt die Arbeit des Assistenzsystems, er muss sie verfolgen, denn er ist verantwortlich. Die Frage ist nun, welche Aufgabe leichter ist: das unbewusste Regeln des richtigen, verantwortbaren Abstands oder das beobachten des Assistenzsystems, das noch dazu je nach eingestellter Zeitlücke das Fahrzeug führt. Man kann nun argumentieren, dass das technische System seine Aufgabe genauer und zuverlässiger als der menschliche Fahrer erfüllt. Das trifft in der Regel zu. Aber der Fahrer darf sich nicht darauf verlassen. Er kann z. B. vergessen haben, es zu aktivieren. Er erwartet den Eingriff des Systems und wird vielleicht erst dann aufmerksam, wenn es zu spät ist. Es kann anstrengender sein, das System dauernd zu belauern als die Aufgabe gleich selbst zu lösen. Es kommt auf die Verkehrsdichte an: auf einer wenig befahrenen Autobahn ist die Geschwindigkeitsregelanlage + Abstandssensorik entlastend, im dichten Verkehr eher nicht.
Eine wichtige Funktion hat die automatische Geschwindigkeitsregelung in der Grünen Welle: die altbekannte Grüne Welle funktioniert nicht recht, weil die Beteiligten nicht wissen, wie schnell sie fahren sollen. Die richtige Geschwindigkeit in einem vernetzten System von Straßen mit ungleichen Abständen zwischen den Kreuzungen erfordert nämlich eine von diesen Abständen abhängige Fahrgeschwindigkeit. Die Lösung des Problems liegt darin, dass den Fahrzeugen die Entfernung bis zur nächsten Ampel und die Zeit, wann diese wieder auf grün springen wird, zugespielt werden. Der Automat regelt dann die Geschwindigkeit so, dass das betreffende Fahrzeug gerade dann an der Kreuzung ankommt, wenn die Ampel auf grün springt. Dann kann es ohne Verzug mit relativ hoher Geschwindigkeit die Kreuzung passieren. Das ist deshalb wichtig, weil die Kreuzungen mit doppelt so viel Verkehr belastet sind als die
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anschließenden Straßen. Wir bilden heute fälschlich an den Kreuzungen die Kolonnen, die dann langsam über die Kreuzung fahren und vergeuden dabei Straßenkapazität.
Grundsätzlich problematisch ist der Bremseingriff. Es ist nie vollkommen sicher, dass Bremsen den sichersten Weg aus der Gefahr darstellt. Möglicherweise ist das ungebremste Ausweichen sicherer als die Vollbremsung.
Kaum mehr diskutiert wird das Antiblockiersystem (ABS): Es hat sich die richtige Ansicht durchgesetzt, dass es in der Regel wichtiger ist, das Fahrzeug steuerbar zu halten als die maximale Bremsverzögerung zu erzielen. Das ABS ist zu einer Standardlösung geworden, die außerdem noch andere Eingriffsmöglichkeiten bietet: das elektronische Sperrdifferential oder ein Stabilitätsprogramm.
Assistenzsysteme, die das Fahrzeug auf dem gewünschten Kurs halten, haben sich in den letzten Jahren zunehmend unter verschiedener Bezeichnung eingeführt (Integraler Fahrdynamikregler IFDR). Man geht dabei davon aus, dass der Fahrer durch den Lenkeinschlag die gewünschte Krümmung der Fahrspur vorgibt und versucht das Fahrzeug unabhängig von Störungen von außen (Seitenwind, Glatteis) oder aus dem Fahrzeug (die notwendigen Seitenführungskräfte würden die tatsächlich verfügbaren überschreiten) auf dieser Spur zu halten. Grundsätzlich ist das durch Eingriffe in die Lenkung oder das Aufbringen von Bremskräften möglich. Der IFDR kann dann noch einstellbar gemacht werden: der Fahrer kann für sein Fahrzeug eine sportliche oder komfortable Fahrdynamik einstellen.
Bild 1-15 Beeinflussung des Lenkverhaltens durch Bremseingriff an der Haftgrenze. Gleichmäßige Aufteilung der Bremskraft: Moment um die Hochachse M = 0 Nm
Grundriss eines Fahrzeugs, das mit dem gezeichneten Lenkeinschlag eine Kurve befährt, was zu der eingezeichneten Querkraft und entsprechenden Seitenkräften an den Rädern führt. Außerdem ist angenommen, dass bis an die Haftgrenze gebremst wird. An den Rädern treten
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damit die eingezeichneten Kräfte auf, die in diesem Fall kein Moment um die Fahrzeughochachse zur Folge haben.
Der gefahrene Kurs kann durch Eingriffe in die Lenkung und/oder Bremsen erfolgen. Meist entscheidet man sich für letzteres: das ABS bietet dafür die teuren Hardware Voraussetzungen. Alles andere ist bis auf den allfälligen Kreiselkompass nur mehr relativ billige Software, (Bild 1-15 bis 1-18).
Eingriffe in die Lenkung sind sowohl über das Lenkmoment als auch über den Lenkwinkel möglich. Die übliche Servolenkung (power steering) verstärkt das Moment des Lenkrades. Die neuerdings aufkommende Aktivlenkung vergrößert den Lenkwinkel. Prinzipiell ist es damit möglich, eine Störung (z. B. eine Seitenwindböe) auszugleichen, ohne dass der Fahrer davon überhaupt etwas merkt, und ohne dass eine Spurabweichung auftritt.
Schwieriger ist es, das Fahrzeug ohne Zutun des Fahrers auf der richtigen Spur zu halten. Eine Bildauswertung kann im Prinzip das gleiche wie der Fahrer schaffen, der auch je nach Situation unterschiedliche Merkmale für die Spurführung heranzieht. Zunächst sind es die weiß oder farbig aufgebrachten Leitoder Sperr-Linien, durchgezogen oder unterbrochen. Wenn sie nicht sichtbar sind (abgefahren, von Schnee verdeckt) weicht die Bildauswertung auf weiter entfernte Begrenzungen aus, z. B. auf die Leitplanke. Wenn die Orientierung schwieriger wird, wird der Automat die Geschwindigkeit zurücknehmen.
Muss eine solche Schwierigkeit vermieden werden, dann ist eine durchgehende Leiteinrichtung notwendig. Zum Beispiel eine durchgehende Leitplanke links oder eine Oberleitung über der betreffenden Fahrspur.
Bild 1-16 Beeinflussung des Lenkverhaltens durch Bremseingriff an der Haftgrenze. Bremst hinten stärker als vorn: Moment um die Hochachse M = 2016 Nm
Wie Bild 1-15. Es wird an der Hinterachse stärker als an der Vorderachse gebremst. Dadurch entsteht ein Moment um die Fahrzeughochachse, das das Fahrzeug in die Kurve hinein dreht.
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Bild 1-17 Beeinflussung des Lenkverhaltens durch Bremseingriff an der Haftgrenze. Bremst vorn stärker als hinten: Moment um die Hochachse M = 2016 Nm
Wie Bild 1-15. Es wird an der Hinterachse schwächer als an der Vorderachse gebremst. Dadurch entsteht ein Moment um die Fahrzeughochachse, das das Fahrzeug aus der Kurve heraus dreht.
Bild 1-18 Beeinflussung des Lenkverhaltens durch Bremseingriff an der Haftgrenze. Bremst außen stärker als innen: Moment um die Hochachse M = 1642 Nm
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Wie Bild 1-15. Es wird an den kurvenäußeren Rädern stärker gebremst als an den kurveninneren. Dadurch entsteht ein Moment um die Fahrzeughochachse, das das Fahrzeug in die Kurve hinein dreht.
1.5.3 Automatische Fahrzeugführung
Dabei geht im Gegensatz zu den Assistenzsystemen die Verantwortung vom Fahrer ins System. Wie beim Verladen des Fahrzeugs auf einen Wagon der Eisenbahn übergibt der Fahrer die Verantwortung durch eine eindeutige Handlung (dem Abstellen auf dem Wagon) die Verantwortung für die Fahrzeugführung in ein anderes System.
1.5.4 Zusammenfassung
Ohne Zweifel haben Assistenzsysteme auch im Auto eine große Zukunft vor sich. Welche zum allgemein akzeptierten Standard heranreifen werden, ist noch nicht auszumachen. In jedem Fall scheint ein Schalter, mit dem sie ausgeschaltet werden können wenn ihre Hilfe unerwünscht ist, ein wichtiger Teil zu sein.
Literatur
>1.1 Fiala, E.: Lenkreaktionen bei Seitenwind, Z-VDI 108 (1966), S. 1333
>1.2 Jaspers, K.: Der philosophische Glaube, Piper 1969
>1.3 Jürgensohn, T. und Timpe, K. P.: Kraftfahrzeugführung, Springer Berlin Heidelberg New York 2001
>1.4 McRuer, D. T. und Krendel, E. S.: The Human Operator as a Servo System Element, J. of the Franklin Inst. 267 (1959), S. 381
>1.5 Popper, K. R.: Alles Leben ist Problemlösen, Piper 1994
>1.6 Richter, B.: Unterschiedliches Lenkverhalten verschiedener Versuchspersonen, ATZ 71 (1969)
>1.7 Riedel, R.: Die Strategie der Genesis, Piper 1984
>1.8 Sheridan, T. B.: Vehicle Handling: Mathematical Characteristics of the Driver, SAE-Congress Jan. 1963, 638B
>1.9 Steinbuch, K.: Automat und Mensch
>1.10 Wallner, F.: Das Verhalten des Fahrzeuglenkers als Regeltechnisches Problem, Automob. Ind. 1/67, S. 5462
>1.11 Wiener, N.: Cybernetics, MIT 1949
[1.12] Wittgenstein, L.: Tractatus Logico-Philosophicus, 1922
[1.13] Mitschke, M., Wallentowitz, H.: Dynamik der Kraftfahrzeuge, Springer 2004
[1.14] Braess/Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, Vieweg 2005
[1.15] Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Vieweg 2003
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2 Fahrzeugführung längs
Als die ersten Menschen in einem Auto gefahren sind, mag ihnen bei aller Beglückung durch die ihnen zukommende Kraft und Beweglichkeit zum Bewusstsein gekommen sein, welche Aufgaben ihnen die Zugtiere abgenommen hatten: ein Pferd bringt auch seinen schlafenden Kutscher nach Haus, ein Auto kann das vorläufig noch nicht. Vielmehr muss nun der Fahrer die Aufgabe übernehmen, sein Fahrzeug in Längsund Querrichtung zu steuern. Wir wissen aus der Fahrschule, dass in den ersten Stunden am Steuer die Längsführung die größeren Probleme macht: die Betätigung von Gaspedal und Bremse will sorgfältig koordiniert sein, wenn der Motor nicht aufheulen oder abgewürgt werden soll. Nach dem Anfahren muss die Geschwindigkeit der Straße, den anderen Verkehrsteilnehmern und Hindernissen angepasst werden. Gangwechsel mit dazupassender Kupplungsund Gaspedalbetätigung erfordern Bewegungsabläufe, die eingeübt werden müssen, damit sie dann unterbewusst als bedingte Reflexe ablaufen können. Halbund vollautomatische Getriebe entlasten den Fahrer, aber er muss immer noch mit Gaspedal und Bremse die Längsbewegung kontrollieren, was verwirrend genug ist, weil die Bewegung des rechten Fußes in die gleiche Richtung sowohl Beschleunigen als auch Bremsen bedeutet. Das führt immer wieder zu Unfällen. Trotzdem konnten sich alle vorgeschlagenen Alternativen bisher noch nicht durchsetzen. Vielleicht vereinfacht sich die Situation eines Tages dadurch, dass alle Autos zumindest eine automatische Kupplungsbetätigung haben, und damit der linke Fuß ausschließlich der Bremse und der rechte ausschließlich dem Gaspedal zugeordnet bleibt. Oder die Längsbeschleunigung wird einem Hebel zugeordnet, der nach vorne gedrückt beschleunigt und zurückgezogen bremst. (Oder umgekehrt?) Abgesehen von der Betätigungsproblematik stellt die Längsregelung aber noch andere Anforderungen an die kybernetischen Fähigkeiten des Fahrzeuglenkers.
2.1 Folgen
Eine immer häufiger werdende Aufgabe ist es, einem anderen Fahrzeug in angemessenem Abstand zu folgen, Bild 2-1. Das linke Fahrzeug folgt mit der Geschwindigkeit v dem rechten, das sich mit der Geschwindigkeit u bewegt, mit dem Abstand a. Dieser Abstand verringert sich wenn v größer als u ist und umgekehrt. Die Straßenverkehrsordnung schreibt einen minimalen Abstand vor, der von der Geschwindigkeit v abhängt: 2 Sekunden zeitlichen Abstand oder „die halbe Tachoanzeige“: bei v = 100 km/h also 50 m. Das entspricht einem zeitlichen Abstand von 1.8 Sekunden. Diese Vorschrift ist unzureichend und wird daher häufig verletzt. Wenn der Vordermann mit einer halbwegs konstanten Geschwindigkeit u fährt, kann a kleiner sein. Das passiert im Alltag regelmäßig und wird toleriert, weil es die meist unzureichende Straßenkapazität vergrößert. Andererseits muss a größer sein, wenn v größer als u ist. Der Fahrer muss nicht nur den Abstand a sondern auch den Geschwindigkeitsunterschied (v – u) beachten:
asoll = t1 v + t2 (v – u)
t1 |
ist die schon erwähnte Zeitlücke |
t2 |
die Zeit, mit der der Fahrer den Geschwindigkeitsunterschied bewertet |
Um den richtigen Abstand a einzuhalten, muss der Fahrer sein Fahrzeug beschleunigen, wenn a > asoll, und verzögern, wenn a < asoll:
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dv/dt = c (a – asoll).
cDie Verstärkung c gibt an, mit welcher Beschleunigung dv/dt der Fahrer reagiert: beschleu-
nigt der Fahrer z. B. mit 1 m/s2 wenn der Abstand a 10 m größer als asoll ist, dann ist c = 0.1 (1/s2)
Aus diesen Beziehungen folgt eine Differentialgleichung 2. Ordnung mit einer Kennfrequenz ω0 = SQR(c) und einem Dämpfungsmaß D = ω0 (t1 + t2)/z. Mit den in Bild 2-1 getroffenen Annahmen ist die Kennfrequenz ca. 0.05 Hz und das Dämpfungsmaß 0.27. Es ist also ein relativ langsamer Prozess mit schlechter Dämpfung. Diese hängt ganz wesentlich von t2 ab, der Einschätzung der Geschwindigkeitsdifferenz. Wäre t2 z. B. 4 s, dann wäre das Dämpfungsmaß bereits 0.87.
Bild 2-1 Das Fahrzeug links folgt mit der Geschwindigkeit v dem rechten, das mit der Geschwindigkeit u fährt. Zwischen den Fahrzeugen liegt der Abstand a, der sich mit dem angegebenen Integral ändert.
– Der Fahrer strebt den Sollabstand asoll an, der von seiner Geschwindigkeit v und der Geschwindigkeitsdifferenz v – u abhängt. Der Fahrer beschleunigt sein Fahrzeug abhängig vom Unterschied a – asoll. Die Verstärkung c wählt er aus Erfahrung. Die angegebene Differentialgleichung 2. Ordnung führt zu der Kennfrequenz Ζ0 = SQR(c) und dem Dämpfungsmaß D.
Die Bilder 2-2 bis 2-4 zeigen die Variation von Verstärkung c und den Bewertungszeiten t1 und t2. Befriedigende Verhältnisse ergeben sich für c = 0.1, t1 = 1.8 und t2 = 4.
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Bild 2-2 Es ist angenommen, dass der Vordermann mit einer konstanten Geschwindigkeit u = 30 m/s = 108 km/h fährt. Das Folgefahrzeug kommt mit 45 m/s = 162 km/h heran. Im Zeitpunkt t = 0 beträgt der Abstand a gleich dem Sollabstand asoll = 141 m. Je nach der hier variierten Verstärkung c verzögert das Fahrzeug mit 1.6 bis 2.1 m/s2. Das erfordert je nach Bremsleistung des Motors und eingelegtem Gang meist einen kurzen Wechsel zum Bremspedal. Rechts im Bild ist der Abstand a aufgetragen. Er stellt sich schließlich in jedem Fall auf t1 u = 54 m ein. Bei der Verstärkung c = 0.05 wird dieser Abstand nach 8 s unterschritten. Für c > 0.1 s nähert er sich a asymptotisch seinen Endwert.
Bild 2-3 Wie Bild 2-2, aber Variation von t1 = 1, 2 oder 3 s. Entsprechend stellt sich ein Endwert des Abstands a mit 30,60 oder 90 m ein. Umso kleiner t1 desto größer ist die maximale Verzögerung –dv/dt, und umso schwächer gedämpft ist der Einschwingvorgang.
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Bild 2-4 Wie Bild 2-3, aber Variation von t2 = 2, 4, 6 s. Je größer t2, umso sanfter wird der Endwert von a = 54 m erreicht.
Der Einfluss eines einfachen Fahrermodells ist in Bild 2-5 dargestellt. Weil die Regelstrecke eine Kennfrequenz von 0.05 Hz hat und gut gedämpft ist, haben Verzugszeiten im Fahrermodell bis 1 s wenig Bedeutung. Erst ab tv = 2 s ergibt sich eine schlecht gedämpfte Schwingung. Tritt diese tatsächlich hervor, wird der Fahrer die Verzugszeit sofort verringern und damit wieder in die Schwingung beenden.
Bild 2-5 Wie die vorhergehenden Bilder mit den „guten Mittelwerten“ c = 0.1 s-2, t1 = 1.8 und t2 = 4 s und dem Fahrer mit dem Zeitverzug tv. Erst eine Verzugszeit von 2 s und mehr bringt eine deutlich sichtbare Veränderung. Die Fahrer müssen also nicht besonders aufmerksam sein.
2.2 Anhalten |
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2.2 Anhalten
Wird die Geschwindigkeit des Vorausfahrenden als immer kleiner angenommen (Bild 2-6), so kommt es irgendwann dazu, dass angehalten werden muss (u = 0). Weil die Bremsverzögerung
–dv/dt nicht beliebig groß werden kann, ist bei den getroffenen Randbedingungen in Bild 2-6 eine Begrenzung auf –4 m/s2 angenommen.
Bild 2-6 Annäherung an ein Fahrzeug, das mit der Geschwindigkeit u vorausfährt. Bei u = 0 (also stillstehendem Fahrzeug, z. B. einem Stauende) steigt die notwendige Bremsverzögerung über die vom Fahrer beherrschte. Es ist daher eine Begrenzung auf 4 m/s2 angenommen. Diese muss der Fahrer auch über 10 s einhalten und kann erst die letzten 10 m an das stehende Fahrzeug heranfahren.
Nun spielt eine Verzugszeit tv doch eine prominente Rolle, Bild 2-7. Während bei tv = 0 noch eine scharfe Geschwindigkeitsabnahme bis 12 s und dann eine sanfte Annäherung an den Stillstehenden erfolgt, setzt bei tv = 2 die Verzögerung verspätet ein und führt nach 12 s bereits zur Berührung mit dem Stillstehenden. Der Fahrer wird zwar aufschrecken, aber es ist zu spät: die Berührung erfolgt noch mit der größtmöglichen Bremsverzögerung. Ist man mit 50 m/s = 180 km/h unterwegs, dann darf man sich keine Verzugszeit von 2 s leisten. Oder man muss die Straße noch weiter voraus im Auge haben. Aber bei den hier getroffenen Annahmen sind das ohnehin schon fast 400 m.