HEAD-UP-DISPLAY DIE NÄCHSTE GENERATION MIT AUGMENTED-REALITY-TECHNIK TITELTHEMA ASSISTENZSYSTEME

Transkript

1 HEAD-UP-DISPLAY DIE NÄCHSTE GENERATION MIT AUGMENTED-REALITY-TECHNIK Die Technologie des Windschutzscheiben-Head-up-Displays hat inzwischen ein hohes Maß an Standardisierung erreicht. Auf dieser Erfahrungsbasis bereitet Continental aktuell die nächste Evolutionsstufe der ergonomisch günstigen Mensch-Maschine-Schnittstelle vor: Mit der kontaktanalogen Einspiegelung von Hinweisen in die reale Außenansicht des Fahrers lassen sich Fahrerassistenzsysteme in Zukunft noch besser unterstützen. 248

2 AUTOREN DR. JOCHEN BLUME ist Leiter der Basisentwicklung Elektromechanik im Bereich Instrumentation & Driver HMI bei Continental in Babenhausen. DR. THORSTEN ALEXANDER KERN ist Leiter der Head-up- Display- Entwicklung im Bereich Instrumentation & Driver HMI bei Continental in Babenhausen. DR. PABLO RICHTER ist Head-up-Display-Experte im Bereich Instrumentation & Driver HMI bei Continental in Babenhausen. KOMPLEXITÄT STEIGT Eine der Hauptaufgaben in der Instrumentierung des Fahrzeugcockpits ist unverändert die Reduktion von Komplexität. Der Mensch am Steuer verarbeitet inzwischen zusätzlich zu seiner klassischen Fahraufgabe ein Informationsvolumen, das ohne klare Strukturierung und Priorisierung zur Überforderung führen kann. Ausgelöst wird diese Informationsflut von einer ganzen Reihe zeitgleicher Trends: Die Verkehrsdichte steigt weiter und macht das Fahren anstrengender. Glücklicherweise bekommt der Fahrer inzwischen zunehmend Unterstützung durch Sicherheits- und Komfortfunktionen im Fahrzeug, die ihn entlasten. Allerdings benötigen diese Assistenzsysteme zumindest situativ eine Schnittstelle zum Fahrer, wenn er eine Funktion aktivieren und/oder parametrieren möchte. Alternative Antriebe mit Elektrifizierungsanteil stellen ebenfalls neue Anforderungen, denn hier hat der Fahrer zusätzlichen Informationsbedarf, um die optimale Reichweite planen zu können. Aus demselben Grund beginnt man, Navigation, GPS-Positionsbestimmung und Streckendaten zu einem sogenannten ehorizon zu vernetzen, der den Fahrer in ein nochmals erweitertes Kommunikationsnetzwerk mit einbindet. Auch die beginnende Vernetzung von Fahrzeugen (Car-to-X) bringt neue Datenströme mit sich. Gleichzeitig hält die Unterhaltungselektronik Einzug ins Auto, weil die jüngeren Fahrergenerationen selbstverständlich erwarten, dass ihr Auto always on ist. Und welche Tragweite die gerade einsetzende Vernetzung von Dingen, Diensten und Menschen über das Internet haben wird, ist noch gar nicht abzusehen. Das Head-up-Display (HUD) erschließt in dieser Situation zwei zentrale Vorteile: : es schafft zusätzliche Anzeigefläche für fahrrelevante Informationen mit hoher Priorität : diese kostbare Fläche befindet sich an einer ergonomisch besonders günstigen Stelle, um eine Ablenkung des Fahrers zu vermeiden. 04I Jahrgang FUNKTIONSWEISE UND STAND DER TECHNIK Beim Windschutzscheiben-HUD (Windscreen HUD) werden ausgewählte, fahrrelevante Informationen von einem vollfarbigen Aktivmatrix-TFT-Display in die Windschutzscheibe projiziert. Durch den Strahlengang entsteht der Eindruck, als ob sich in zwei bis drei Metern Entfernung eine frei schwebende Anzeige befände. Beim heute erreichten HUD-Standard hat diese Anzeige eine Breite von 6 bei 2 Höhe ( mm Blickfeld). Durch die Positionierung der sichtbaren Anzeige kann der Fahrer Informationen erfassen und den Straßenverkehr im Auge behalten. Aufgrund der Länge des Strahlengangs muss sich das Auge beim HUD lediglich von unendlich auf circa 2,5 m umstellen. Das ist deutlich weniger anstrengend und geschieht schneller als die Akkommodation von unendlich auf den Nahbereich, wo sich das Kombiinstrument befindet. Wegen seiner direkt erlebbaren ergonomischen Vorteile ist das HUD bei höherwertigen Fahrzeugen eine immer häufigere Ausstattungsoption mit steigenden Ausrüstungsraten. Das liegt nicht zuletzt daran, dass es gelang, die Integrationsvoraussetzungen durch zahllose Weiterentwicklungen des optomechanischen Systems zu optimieren [1]. So hat ein Continental-HUD der zweiten Generation (in Serie seit 2010) nur noch ein Volumen von 3 bis 4 l, wiegt etwa 2 kg und kommt mit lediglich zwei 249

3 Spiegeln im Inneren aus, ❶. Die Leistungsfähigkeit der Anzeige ist vor allem der Entwicklungsarbeit an der Bilderzeugungseinheit (Picture Generating Unit, PGU) zu verdanken. Trotz der knappen Bauraumvorgaben erreicht man mittels PGU in der virtuellen Anzeige aktuell bereits eine Leuchtdichte von Candela pro Quadratmeter (Cd/m²) und das bei einem elektrischen Verbrauch von lediglich 8 W. Möglich ist das, weil die HUD-Entwicklung die Fortschritte bei der LED-Effizienz seitens der LED- Hersteller für die Optimierung der LED- Matrix, die Teil der PGU unter dem 1,8"- TFT-Display ist, direkt genutzt hat. In der zweiten Generation erzielt die Matrix eine Effizienz von 1333 Cd/W. Aktuelle Entwicklungsprojekte für Serienanläufe in 2013 basieren bereits auf einer Effizienz von 1714 Cd/W (und damit Cd/m 2 Leuchtdichte der sichtbaren Anzeige). Mittelfristig wird sich die Effizienz der PGU voraussichtlich noch einmal nahezu verdoppeln lassen. Heute wird das HUD genutzt, um ausgewählte Informationen des Kombiins truments anzuzeigen. Dazu zählen je nach Konzept: die aktuell gefahrene Geschwindigkeit, relevante Verkehrszeichen, Warnleuchten, gesetzter Blinker, Hinweispfeile für die Navigation und anderes mehr. Damit erfüllt das HUD die Funktion eines Wahrnehmungsfilters, der sich wegen seiner Vorteile weiter durchsetzen wird. Im Zuge der laufenden Weiterentwicklung geht es beispielsweise darum, das Sehfeld der bisherigen HUD-Anzeige zu verbreitern, um weiteren Raum für wichtige Inhalte zu schaffen. ❶ Explosionszeichnung eines konventionellen HUD-Systems Continental arbeitet deshalb daran, die heute etablierte HUD-Anzeige im Nahfeld um eine zweite, deutlich größere HUD- Anzeige im Fernbereich zu ergänzen, ❷. Damit ist es möglich, die reale Ansicht der Straße vor dem Fahrzeug kontaktanalog (also für den Fahrer optisch passgenau) mit virtuell erzeugten Hinweisen transparent zu überlagern. Bei dieser unterstützten und ergänzten Wirklichkeit (Augmented Reality, AR) hat der Fahrer den Eindruck, als ob auf der Fahrbahn eigens für ihn situativ hilfreiche Markierungen angebracht wären. Das dafür erforderliche größere Anzeigenfeld befindet sich oberhalb der bisherigen HUD-Anzeige, um ins direkte Sichtfeld des Fahrers zu gelangen. Um das AR- Sehfeld kompatibel mit der ständigen Sehschärfenanpassung des Fahrers auf NÄCHSTE HUD-GENERATION MIT AUGMENTED REALITY Sein wirkliches Potenzial hat das HUD mit der bisherigen Nutzungsform jedoch noch längst nicht erreicht. Um den Fahrer zu entlasten und die Verkehrssicherheit weiter zu erhöhen, ist es beispielsweise sinnvoll, die Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface, HMI) gezielt für neue Fahrerassistenzsysteme zu optimieren. Das HUD hat auch für diese Aufgabe den großen Vorteil anzubieten, dass es die Phase der Blickabwendung vom Straßenverkehr verkürzen beziehungsweise erübrigen kann. Allerdings lässt sich das mit dem heutigen, kleinen HUD-Sehfeld mit 6 Breite und 2 in der Höhe nicht optimal realisieren. 250 ❷ Vorschlag zur Strukturierung eines HMI, das Kombiinstrument, Standard-HUD und AR-HUD verbindet

4 unendlich zu machen, muss der Strahlengang bis zur größeren Anzeige länger sein als beim heutigen Standard-HUD. Realistisch sind hier etwa 7,5 m, ❸. Dieser zweite Strahlengang wird von einer zweiten PGU mit 3,1"-TFT-Display im selben Gerät erzeugt. Auch wenn das eine Herausforderung für die räumliche Integration bedeutet, zeigt sich, dass dieser Raum in der Premiumklasse bei entsprechend frühzeitiger Planung zur Verfügung gestellt werden kann. Beide Anzeigen des HUD ergänzen sich in ihrer Funktion: Die Ebene der Augmented Reality erleichtert dem Fahrer die Informationsverarbeitung, weil er nicht erst die Bedeutung einer symbolischen Darstellung für die reale Situation skalieren muss, sondern fahrrelevante Informationen perfekt in die Verkehrssituation eingepasst und intuitiv leicht verständlich geliefert bekommt. Gleichzeitig kann er wichtige Fahrzeugzustände durch minimales Senken des Blicks erfassen. KÜNFTIGE EINSATZBEREICHE DES AR-HUD Augmented Reality dient dazu, den realen Sehbereich des Fahrers und die Ebene der Informationen über das Fahrzeug und seine Umgebung zu verschmel- springer-vieweg.de Ökobilanzen für Personenwagen transparent dargestellt Siebenpfeiffer, Wolfgang Energieeffiziente Antriebstechnologien Hybridisierung - Downsizing - Software und IT XXIII, 243 S. mit 238 Abb. u. 16 Tab. (ATZ/MTZ-Fachbuch) Geb. ISBN (D) 39,99 Im Rahmen des übergeordneten Themas Ökobilanzen für Personenwagen werden neue Wege in der Komponentenentwicklung (insbesondere von Antrieb, Klimaanlage und Aerodynamik) von Elektro- und Hybridfahrzeugen dargestellt. Gleichzeitig werden aber auch die rasanten Entwicklungen in der konventionellen Motorisierung nicht außer Acht gelassen: aktuelle Pkw-Downsizingmotoren werden ebenso beleuchtet wie das Potenzial neuer Verbrennungskonzepte bezüglich C0 2 -Emissionseinsparung. Die neuen spritsparenden Entwicklungen in der Motorisierung überkompensieren den steigenden Verbrauch für stromverbrauchende Komponenten. Informations- und Kommunikationstechnik erobern das Auto und Car-to-X-Themen nehmen Gestalt an. Seit 2012 ist klar, dass das ehemals totgesagte Zweispannungsbordnetz mit 48 Volt kommt, weil das elektrische Bordnetz aus allen Nähten platzt. Einfach bestellen: SpringerDE-service@springer.com Telefon +49 (0)6221 / Änderungen vorbehalten. Erhältlich im Buchhandel oder beim Verlag. Innerhalb Deutschlands liefern wir versandkostenfrei. ❸ Doppelter Strahlengang im AR-HUD mit der großen AR-Anzeige in rund 7,5 m Entfernung und der kleinen HUD-Anzeige in rund 2,5 m Entfernung 04I Jahrgang 251

5 ❹ AR-HUD-Anzeige mit kontaktanalogem Navigationshinweis (gelb) zen. Eine erste prototypische Umsetzung ist die Integration einer Spurverlassenswarnung (Lane Departure Warning, LDW) als kontaktanaloger Hinweis. Prototypisch ebenfalls realisierbar ist auf dem erreichten Stand bereits die Überlagerung von Hinweisen eines adaptiven Tempomats (Adaptive Cruise Control, ACC) mit Bezug auf das vorausfahrende Fahrzeug. Die AR-Anzeige des HUD bestätigt dem Fahrer dabei durch kontaktanaloge Markierungen vom ACC erkannte Fahrzeuge vor ihm und unterstützt damit das Vertrauen in die ACC-Funktion. Je höher der Anteil der Phasen des (teil-) automatisierten Fahrens künftig wird, desto wichtiger wird eine solche Form der Anzeige, weil der Fahrer zu jedem Zeitpunkt in der Lage sein muss, die Fahraufgabe wieder vom Assistenzsystem zu übernehmen, sobald das System an seine Regelgrenze gelangt. Da dieser Übergang schnell erfolgen muss, ist es unabdingbar, dem Fahrer in einer visuell auf einen Blick erfassbaren Darstellungsweise den aktuellen Fahrzustand und die vordringliche Regelaufgabe zu signalisieren. Welche Darstellung könnte sich dazu besser eignen, als die Augmented- Reality-Anzeige in der realen Außenansicht vor dem Fahrzeug? Das AR-HUD erspart dem Fahrer die Notwendigkeit, ausgerechnet in einer sensiblen Phase 252 zwischen der klassischen Instrumentierung im Nahbereich und der Verkehrssituation im Fernbereich hin und her zu sehen. Damit kann das AR-HUD eine wichtige Funktion im sogenannten Workload Management übernehmen. Eine weitere Anwendung besteht darin, Hinweispfeile für die nächste Navigationsanweisung (Turn-by-Turn-Navigation) ins direkte Sehfeld des Fahrers zu verlegen, ❹. Eine voll funktionsfähige Umsetzung solch eines Navigationssystems mit AR-Fahrhinweisen in Form von virtuellen Fahrbahnmarkierungen läuft derzeit. ZUSAMMENFASSUNG Mit der zusätzlichen Ebene der Augmented Reality bietet das Windschutzscheiben- AR-HUD zusätzliches Potenzial für ganz neue Anzeigeinhalte. In Kombination mit der bereits etablierten kleinen HUD- Anzeige gelingt beim AR-HUD vor allem eine noch bessere Visualisierung für Assistenzsysteme, weil der Fahrer beziehungsweise die Fahrerin künftig auch für solche Anzeigen nicht mehr nach unten blicken muss. Statt dessen erfasst der Mensch am Steuer die Bedeutung der für ihn gedachten Informationen oder Hinweise durch Einbindung in die reale Fahrsituation viel schneller und intuitiver. AUSBLICK Zukünftig ist auch die kontaktanaloge Nachtsichtunterstützung im oberen Feld des AR-HUD denkbar. Von einem Night- Vision-System erkannte Personen am Fahrbahnrand etwa lassen sich damit in der realen Außenansicht hervorheben. Im Vergleich zur heutigen Umsetzung von Night-Vision-Anwendungen mit Darstellung im Kombiinstrument entfällt beim AR-HUD die kognitive Transferleistung des Fahrers von der kleinen Bildschirmansicht zur Ortung der Personen in der realen Welt. Auch hier läuft die Entwicklungsarbeit weiter. LITERATURHINWEIS [1] Schumm, T.; Worzischek, R.: Serienfertigung von Head-up-Displays. In: ATZproduktion (2011), Nr. 4, S DOWNLOAD DES BEITRAGS READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: