Adaptive Cruise Control

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1 Adaptive Cruise Control Daniel Espen 1 Einleitung Die nun folgende Seminararbeit befasst sich mit dem im Jahre 1999 in den Markt eingeführten Adaptive Cruise Control (ACC). Dabei handelt es sich um ein modernes Fahrassistenzsystem zur automatischen Geschwindigkeits- und Abstandsregelung während einer Autofahrt. Nachdem eine Geschwindigkeit festgelegt wurde, mit der sich das Fahrzeug bewegen soll, regelt es das System automatisch ein und verlangsamt dabei gegebenenfalls das Fahrzeug, falls ein vorausfahrendes Fahrzeug erkannt wurde. In diesem Fall wird ein sinnvoller Abstand abhängig von der aktuellen Fahrgeschwindigkeit eingeregelt. Das ACC- System entbindet den Fahrer nicht von seiner Fahrverantwortung, sondern unterstützt diesen lediglich und dient als Komfortsystem. 2 Übersicht Fahrassistenzsysteme Heutzutage gibt es eine große Anzahl elektronischer Systeme im Automobil, Tendenz steigend, wobei der Einsatzbereich sehr vielfältig ist. Fahrassistenzsysteme reichen von passiven Komfortsystemen wie der Spurverlassenswarnung, bei der die befahrene Spur bis 100m Entfernung erkannt wird und der Fahrer gewarnt wird, wenn dem Fahrzeug droht, diese zu verlassen, bis hin zu aktiven Sicherheitssystemen (siehe Abbildung 1). Darunter findet sich beispielsweise die Notbremsung. Wirkungsbereiche Um eine sinnvolle Systematik von Fahrassistenzsystemen zu erstellen, kann man sie in verschiedene Wirkungsbereiche einteilen. Jeder wirkt dabei in einem bestimmtem zeitlichen und/oder räumlichen Bereich. Die zu dem mit Abstand größtem, dem Vorausschau-Bereich, zugeordneten Systeme sind die Fahrerinformationssysteme. Es handelt sich zum Beispiel um moderne Navigationssysteme, welche über GPS-Satellit (Global Positioning System) die Fahrzeugposition ermitteln und per TMC (Traffic Message Channel) aktuelle Verkehrsinformationen bezüglich der zu fahrenden Route empfangen können. Dabei wird diese komplett geplant und kann schnell neu berechnet werden, sobald der Fahrer sie verlässt. Fahrzeugkommunikationssysteme wirken im Kommunikationsbereich und befinden sich noch in der Entwicklung. Mithilfe solcher Systeme lassen sich Informationen zwischen Fahrzeugen oder Einrichtungen austauschen (C2CC, Car to Car Communication / C2IC, Car to Infrastructure Communication). Die Kommunikation funktioniert dabei mittels WLAN (Wireless LAN). Die im Zusammenhang mit ACC wichtigsten Fahrassistenzsysteme, zu denen dieses ebenfalls gehört, sind die prädiktiven. Dabei wird mithilfe von Sensoren die unmittelbare Umgebung wahrgenommen damit potentiell gefährliche Situationen frühzeitig erkannt werden können. Daraufhin kann entweder der Fahrer gewarnt werden, sodass er rechtzeitig reagieren kann, oder falls nötig, auch aktiv in den To appear in EPTCS.

2 ACC Abbildung 1: [3] Einteilung in Sicherheits- und Komfortsysteme Steuerungsprozess eingegriffen werden. Ein weiteres Beispiel, welches darin eingeordnet wird, ist die Ultraschall-Einparkhilfe. Das bekanntere Antiblockiersystem, das ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) und die ASR (Antischlupfregelung) werden unter Systemen zur Fahrzeugstabilisierung eingeordnet. Hier werden kritische Fahrzeugzustände erkannt, in denen das Fahrzeug droht, außer Kontrolle zu geraten. So können präventive Maßnahmen eingeleitet werden, die verhindern, dass der Fahrer die Kontrolle tatsächlich verliert. Im schlimmsten Fall werden Unfallfolgen vermindert, wie es zum Beispiel der Airbag ermöglicht. Letztlich befinden sich auch Systeme zur Erkennung des Fahrerzustandes in einem frühen Entwicklungsstadium. Bei diesen wird versucht, den Fahrerzustand festzustellen und darauf zu reagieren. So kann Müdigkeit erfasst werden, um dann den Fahrer zu warnen. 3 Funktionsweise Das ACC-System funktioniert ähnlich wie der bereits länger verfügbare Tempomat. Die aktuelle Fahrgeschwindigkeit wird auf eine vom Fahrer vorgegebene Sollgeschwindigkeit eingeregelt, ohne dabei sehr stark zu beschleunigen oder abzubremsen. Zusätzlich dazu wird der Abstand und die Relativgeschwindigkeit zu vorausfahrenden Fahrzeugen, wie in Kapitel beschrieben, berechnet. Mithilfe dieser Informationen kann dann ein bestimmter Zeitabstand eingehalten werden. Somit wird immer ein angemessener Sicherheitsabstand eingehalten. Nachdem vor dem Fahrzeug, beispielsweise durch einen Abbiegevorgang des vorausfahrenden Fahrzeugs, wieder eine freie Spur vorhanden ist, beschleunigt das ACC-System automatisch wieder auf die Sollgeschwindigkeit. Dieses Szenario wird in Abbildung 2 demonstriert.

3 Abbildung 2: [3] Funktionsweise des ACC-Systems 3.1 Benutzerschnittstelle Der Fahrer hat die Möglichkeit, zwei Variablen manuell zu konfigurieren. Einerseits kann er die Sollgeschwindigkeit vorgeben, mit der sich das Fahrzeug fortbewegt, wenn sich kein anderes direkt davor befindet. Dabei werden üblicherweise grobe Geschwindigkeitsabstufungen von 10 km h angeboten, mit denen es leichter fällt die Wunschgeschwindigkeit anzupassen. Andererseits muss ein bestimmter Zeitabstand eingestellt werden, der im Bereich von circa ein bis zwei Sekunden liegt. Auch bei diesem gibt es lediglich grobe Abstufungen, da ein feines Raster wenig intuitiv ist. Die Aktivierung des Systems erfolgt aktiv vom Benutzer. Erst nach dem manuellen Einschalten wird die Fahrgeschwindigkeit vom ACC-System geregelt. Die Deaktivierung ist der bei herkömmlichen Fahrgeschwindigkeitsreglern sehr ähnlich. Der Benutzer kann das System ausschalten, indem er einen Ausschalter benutzt, oder indem er das Fahrzeug manuell über das Bremspedal verlangsamt. Auch wird das System ausgesetzt, wenn der Fahrer die Steuerung über das Gaspedal übernimmt. In diesem Fall kann das Fahrzeug wieder über die zuvor eingestellte Wunschgeschwindigkeit beschleunigt werden. Neben diesen vom Benutzer bewusst gesteuerten Vorgängen wird das System ausgeschaltet, wenn das ESP oder die ASR in den Fahrprozess eingreifen muss. Neben diesen Bedienelementen zu dem ACC-System gibt es noch verschiedene zwingend notwendige Anzeigeelemente. Abgesehen vom Einschaltzustand muss der Fahrer sowohl über die eingestellte Sollgeschwindigkeit, als auch über den Zeitabstand informiert werden. Außerdem hat sich eine Anzeige zum aktuellen Folgezustand bewährt, die angibt, ob die Geschwindigkeit gerade an ein anderes Fahrzeug angepasst wird. 3.2 Regelung Das ACC-System kann insgesamt drei verschiedene Grundzustände annehmen, in denen die Geschwindigkeit unterschiedlich geregelt wird. Die bei den verschiedenen Systemzuständen beschriebenen Komponenten und deren Zusammenhänge sind in Abbildung 3 dargestellt.

4 ACC Abbildung 3: [2] Aufbau des ACC-Systems Geschwindigkeitsregelung Gibt es kein vorausfahrendes Fahrzeug, befindet sich das ACC-System im Zustand der Fahrgeschwindigkeitsregelung. Es verhält sich wie ein gewöhnlicher Tempomat. Die aktuelle Geschwindigkeit wird auf die zuvor vom Benutzer eingestellte Wunschgeschwindigkeit eingeregelt, wobei mögliche Steigungen ausgeglichen werden, damit sie konstant gehalten wird. Der Zugriff zur Regelung der Geschwindigkeit erfolgt über die elektronische Motorsteuerung. Bei einer negativen Ist-Soll-Geschwindigkeitsdifferenz kann es unter Umständen dazu kommen, dass ein Motoreingriff nicht mehr ausreicht, um das Fahrzeug ausreichen schnell zu verzögern. In diesem Fall ist ein Bremseingriff notwendig, welcher über das ESP erfolgt. Hierbei wird die maximal mögliche Bremswirkung auf circa 2 bis 3 m begrenzt, was daran liegt, dass das ACC-System als Komfortsystem s 2 und nicht als Sicherheitssystem ausgelegt ist. Falls diese Bremswirkung unzureichend für die aktuelle Situation ist, wird dem Fahrer rechtzeitig eine Warnung ausgegeben, sodass er manuell eingreifen kann. Eine Notbremsung ist in aktuellen ACC-Systemen nicht enthalten. Sobald ein anderes Fahrzeug erkannt wird, wechselt das System zur Folgeregelung Folgeregelung Bei der Folgeregelung wird ein vorausfahrendes Fahrzeug von der Sensorik erfasst. Die aktuelle Geschwindigkeit wird so geregelt, dass ein zuvor eingestellter Zeitabstand konstant eingehalten wird. Ziel der Regelung ist eine Vermeidung kritischer Fahrsituationen. Ein besonderes Augenmerk ist hier noch auf stehende Objekte zu legen. Das ACC-System kann zwar prinzipiell zwischen sich bewegenden und stehenden Objekten unterscheiden, jedoch werden letztere ausgeschlossen. Das liegt einerseits daran, dass das System ein Komfortsystem ist und nur auf Geschwindigkeiten größer als 30 km h ausgelegt ist, andererseits gestaltet sich die Unterscheidung zwischen stehenden Objekten außerhalb und innerhalb der Fahrspur als schwierig. Da ein ungewolltes Verzögern des Fahrzeugs bei außenstehenden Objekten vermieden werden soll, werden stehende Objekte bei der Sensorerkennung generell ausgeschlossen.

5 3.2.3 Kurvenfahrt Ob sich das Fahrzeug momentan in einer Kurvenfahrt befindet, wird über die Auswertung verschiedener Sensoren festgestellt. Es werden Informationen des ESP über Gierrate, Lenkwinkel, Raddrehzahl und Querbeschleunigung herangezogen, um den Kurvenzustand zu ermitteln. Wegen des eingeschränkten Blickwinkels der in Abschnitt beschriebenen Abstandsmessung ist auch der Sichtbereich in einer Kurvenfahrt eingeschränkt. Da es hier dazu kommen kann, dass ein vorausfahrendes Fahrzeug nicht mehr richtig erkannt, oder eine korrekte Erkennung unterbrochen wird, werden je nach Hersteller unterschiedliche Maßnahmen eingeleitet, um darauf zu reagieren. So kann etwa die Geschwindigkeit beibehalten werden, oder das ACC-System komplett ausgeschaltet werden Abstandsmessung Wie man im vorigen Kapitel bereits feststellen konnte, wird bei vielen Assistenzsystemen der Gebrauch von Sensorik zwingend benötigt. Sei es zur Erkennung der befahrenen Spur oder einem möglichen Hindernis. Die im modernen Automobil verwendeten Sensoren zur Erkennung von Abständen reichen von Ultraschallsensoren über Radarsensoren bis hin zu (Infrarot-)Kameras und Lasertechnik. Beim ACC-System werden Informationen zum Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug bei hohen Geschwindigkeiten benötigt. Abstände von mehreren Metern sind damit unzureichend. Somit bietet sich der Einsatz eines Radarsensors an, der hauptsächlich für diese Anwendung herangezogen wird. Neben diesem werden auch Lidarsensoren (Light Detection and Ranging) eingesetzt, deren Signalqualität allerdings bei schlechten Sichtverhältnissen stark abnimmt. Aufgrund der hohen Verbreitung wird hier der Einsatz der Radartechnik beschrieben. Radar (Radio Detecting and Ranging) wird hauptsächlich bei der Luftfahrt und Schifffahrt eingesetzt, findet jedoch seit 1999 auch im Straßenverkehr Verwendung. Mithilfe von Radarsensoren kann die Entfernung, die Relativgeschwindigkeit und der Winkel zu einem vorausfahrenden Fahrzeug bestimmt werden. Das geschieht, indem die von Radargerät ausgesendeten elektromagnetischen Wellen von einer Metalloberfläche reflektiert und beim Empfänger bezüglich der Signallaufzeit, der Frequenzverschiebung und des Querversatzes analysiert werden. Dabei gibt es unterschiedliche eingesetzte Messprinzipien, die sicherstellen, dass die empfangenen Signale eindeutig den zuvor gesendeten zugeordnet werden können. Bei der Pulsmodulation werden kurze Signalimpulse zwischen 0.5ns und 30ns erstellt, deren Signallaufzeit τ direkt gemessen werden kann. Über τ lässt sich dann der Abstand d zum vorausfahrenden Fahrzeug berechnen: τ = 2d c c km s ist dabei die Lichtgeschwindigkeit, mit der sich die elektromagnetischen Wellen fortbewegen. Die FMCW-Modulation (Frequency Modulated Continuous Wave, siehe Abbildung 4) ist ein Verfahren, bei dem die Laufzeit indirekt über den Vergleich der Sende- und Empfangsfrequenzen f S und f E erfolgt. Die ausgesendeten Wellen werden linear im Bereich von circa 76-77GHz abwechselnd ansteigend und absteigend moduliert. So entstehen ansteigende und absteigende Rampen, deren Verschiebung zur Berechnung des Abstandes herangezogen werden kann. Die Relativgeschwindigkeit kann in jedem Fall ermittelt werden, indem zeitlich versetzt gemessen wird und aus der Differenz des Abstandes die Geschwindigkeit berechnet wird. Eine wesentlich schnellere und präzisere Bestimmung erfolgt mithilfe des sogenannten Doppler-Effekts. Dieser macht sich die Eigenschaft der Wellen zunutze, dass die Empfangsfrequenz gegenüber der Sendefrequenz bei einer

6 ACC Abbildung 4: [2] FMCW f s : Sendesignal f e : Empfangssignal bei gleicher Geschwindigkeit f e : Empfangssignal bei vorhandener Relativgeschwindigkeit Differenzgeschwindigkeit v rel > 0 eine Verschiebung erfährt. Diese Frequenzverschiebung f D lässt sich wie folgt berechnen: f D = 2 f C v rel c f C ist die Trägerfrequenz des Signals und liegt wie bereits beschrieben typischerweise bei circa 76-77GHz. Um den Winkel zum Radarobjekt bestimmen zu können, werden mehr als nur eine Empfangsantenne benötigt. Über mehrere Radarstrahlen, entstanden durch Schwenken oder eine mehrstrahlige Anordnung, kann die seitliche Lage des Objektes bestimmt werden. 4 Auswirkungen Um die Auswirkungen des ACC-Systems und anderen Fahrassistenzsystemen festzustellen wurden innerhalb des eurofot-feldversuchs acht verschiedene Fahrassistenzsysteme auf ihre Auswirkungen hin getestet. Die in [4] vorgestellten Analyse berücksichtigt 100 verschiedener Fahrzeuge, die über ein Jahr mit Datenloggern ausgestattet wurden. Dabei liegt der Fokus aufgrund des Nutzungsverhaltens auf Autobahnfahrten. Die Auswirkungen von ACC im Bezug auf Fahrerakzeptanz, Spritverbrauch und Fahrsicherheit werden in diesem Kapitel ausgeführt. 4.1 Akzeptanz Innerhalb der Feldstudie, in der die beteiligten Fahrer selbst entscheiden konnten, ob und wann sie das ACC-System nutzen, lag die Nutzungsrate über alle gefahrenen Autobahnkilometer bei knapp 50%. Dabei wurde festgestellt, über den Zeitraum der Studie die zeitliche Nutzung um insgesamt circa 31% zugenommen hat. Dies zeigt eine höhere Akzeptanz des Systems je länger ein Fahrer damit vertraut ist und lässt damit auch für die Zukunft eine hohe Akzeptanz solcher Systeme erwarten, da in immer mehr Automobilen solche Fahrassistenzsysteme standardmäßig eingebaut sind. 4.2 Kraftstoffverbrauch Obwohl sich die gefahrene Strecke mit Nutzung des ACC-Systems nicht von der ohne dessen Nutzung unterscheidet, gibt es damit eine signifikante Einsparung von Kraftstoff. Diese liegt bei circa 2.8% und ist

7 durch die gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung erklärbar. Das Fahrassistenzsystem hält auch bei Steigungen eine gleiche Geschwindigkeit bei und hält bei Folgefahrten immer den gleichen Abstand ein. Somit werden Brems- und Beschleunigungsvorgänge vermieden, die zusätzlichen Kraftstoffverbrauch zur Folge haben. 4.3 Sicherheit Systeme zur Fahrzeugstabilisierung haben einen positivien Einfluss auf die Fahrsicherheit. Die Häufigkeit von Fahrunfällen sinkt mit dem Einsatz von ESP deutlich und Systeme wie Airbag oder Gurtstraffer mindern die Unfallfolgen erheblich. Dabei werden solche Systeme erst ausgelöst, wenn bereits eine Größe des Fahrzeugs außer Kontrolle geraten ist. Die Reaktionszeit liegt dabei typischerweise bei circa 5ms. Das in Abbildung 5 gezeigte Bremsverhalten bei Unfällen zeigt deutlich, dass mind. die Hälfte aller Unfälle vermieden werden könnten, indem überhaupt ein Bremsvorgang eingeleitet wird. Abbildung 5: [3] Bremsverhalten bei Unfällen Daraus allein lässt sich schließen, dass prädiktive Fahrassistenzsysteme ein großes Unfallvermeidungspotential besitzen, da der Zeitintervall, in dem sie reagieren können, deutlich größer ist. Diese These wurde bestätigt, denn innerhalb des Feldtests sank allein die Anzahl starker Bremsvorgänge um circa 67%. Dies liegt am vom ACC-System dauerhaft eingehaltenen Sicherheitsabstand, der von vielen Fahrern durch zu dichtes Auffahren nicht immer eingehalten wird. 5 Weiterentwicklungen Neben der immer besseren entwickelten Sensorik und Algorithmen hinter dem ACC-System, wie z.b. einer besseren Erkennung von stehenden Objekten (in Abschnitt beschrieben) gibt es noch weitere bereits in Serie befindliche Weiterentwicklungen und noch sich in Entwicklung befindliche Erweiterungen. Ziel ist eine immer autonomere und damit komfortablere Autofahrt, bei der der Fahrer immer mehr entlastet wird. Diese Automatisierung wird immer weiter vorangetrieben. Bis 2017 sind bereits Ferngesteuerte Einparksysteme geplant, 2020 soll der Autobahnpilot kommen und in naher Zukunft dann ein Ausfahrt-zu-Ausfahrt-Assistent. Es gibt bereits erste Tests mit komplett autonomen Fahrzeugen. Irgendwann werden solche uns durch den Straßenverkehr bringen. 5.1 ACCplus Das ACC-System der ersten Generation ist lediglich in der Lage, das Fahrzeug bei Geschwindigkeiten über 30 km h zu führen. Beim ACCplus, das sich seit 2009 in Serie befindet, kann das Fahrzeug bis

8 ACC zum Stillstand geregelt werden. Dazu ist ein komfortoptimiertes Bremssystem vonnöten. Aufgrund der Haftungsfrage ist es jedoch der Fahrer, der die Fahrt wiederaufnehmen muss. 5.2 ACC mit Staufolgefahren Beim LSF (Low Speed Following) wird zusätzlich noch die Mittelbereichs- oder Nahsensorik miteinbezogen. Hierbei ist eine vollständige Längsführung möglich. Das Fahrzeug kann ebenfalls bis zum Stillstand geregelt werden und fährt innerhalb eines gesetzten Zeitlimits automatisch wieder an. 5.3 Sensordatenfusion Eine zusätzliche Erweiterung zum ACC-System stellt die Sensordatenfusion mit einer Videokamera dar. Diese erlaubt eine robuste Erkennung von stehenden Objekten und eine vollständige Längsführung in allen Geschwindigkeitsbereichen auch bei Stadtfahrten. Zusätzlich gibt es dahingehend ACC-Systeme, die bei kritischen Situationen unfallvermeidend eingreifen und automatisch ausweichen. 6 Zusammenfassung Das ACC-System ist ein Fahrassistenzsystem, das zu den aktiven Komfortssystemen zählt. Es erleichtert die Längsführung des Fahrzeugs durch automatische Geschwindigkeitsregelung und Regelung eines festen Zeitabstands beim Folgen eines anderen Fahrzeugs mithilfe von Fernbereichssensorik. Damit einher geht eine starke Unfallverminderung bei Autofahrten und eine kleine Einsparung von Kraftstoff. Das System wird rasant weiterentwickelt und ist auf dem Weg, in Kombination mit anderen Fahrassistenzsystemen, das Führen eines Fahrzeugs immer weiter zu automatisieren. Literatur [1] BOSCH, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 28. Auflage, Mai [2] Konrad Reif, Bosch Autoelektrik und Autoelektronik. 6. Auflage, [3] Wallentowitz/Reif, Handbuch Kraftfahrzeugelektronik. 1. Auflage, [4] Wolfgang Siebenpfeiffer, Vernetztes Automobil