Teil 8

Folie 1 Prof. Dr. T. Form „VL Fahrzeugelektronik 8.ppt“ 02.02.2014 

8 Systeme zum Insassenschutz 

- passive Sicherheit 

- aktive Sicherheit


Steife Zelle 

ESC 

GIDAS 

Stand: 

27.6.2

Fahrzeugsicherheit 

Aufteilung und Entwicklung der Verkehrsopfer in Deutschland 

Folie 8 Prof. Dr. T. Form „VL Fahrzeugelektronik 8.ppt“ 02.02.2014

Sicherheit 

Abbreviated Injury Scale 

AIS 0: no injuries. 

AIS 1: light injuries such as skin-deep wounds, muscle pains etc. 

AIS 2: moderate injuries such as deep flesh wounds, concussion with up to 15 minutes of 

unconsciousness, uncomplicated long bone fractures, uncomplicated rib fractures etc. 

AIS 3: severe but not life-threatening injuries such as skull fractures without brain injury, spinal 

dislocations below the fourth cervical vertebra without damage to the spinal cord, more than 

one fractured rib without paradoxical breathing etc. 

AIS 4: severe injuries (life-threatening, survival probable) such as concussion with or without skull 

fractures with up to 12 hours of unconsciousness, paradoxical breathing. 

AIS 5: critical injuries (life-threatening, survival uncertain) such as spinal fractures below the fourth 

cervical vertebra with damage to the spinal cord, intestinal tears, cardiac tears, more than 

12 hours of unconsciousness including intracranial bleeding. 

AIS 6: extremely critical or fatal injuries such as fractures of the cervical vertebrae above the third 

cervical vertebra with damage to the spinal cord, extremely critical open wounds of body 

cavities (thoracic and abdominal cavities) etc. 

AIS 9: unknown injuries. 

MAIS (Maximum Abbreviated Injury Scale) is the highest AIS of an injured person. 

Quelle: www.unfallforensik.de/body_lexikon.html 




Arbeitsthemen 

Quelle: Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, Vieweg


Einordnung der Systeme 

Aktive Sicherheit 

aktiv 

Fahrzeugführung 

Fußgänger- 

Objekt- 

Erkennung 

Unfallwarnung 

Rückhalte 

-systeme 

Passive Sicherheit 

PreCrash 

passiv 

Sicherheit 

Spurhalte- 

Assistent 

ADR 

stop+go 

Spur- 

Verlassenswarnung 

Kollisionsvermeidun 

g 

Automatische 

Notbremsung 

Tote- 

Winkel- 

Detektion 

ADR 

Nachtsicht- 

Unterstützung 

Aktive 

Einparkhilfe 

Fahrerunterstützung 

Komfort 


Passive Insassenschutzsysteme 

Maßstab zur Beurteilung der Belastung des menschlichen Gehirns 


Quelle: USA DoD, 2000


physikalischer Hintergrund 

Verzögerungs-Zeit, Geschwindigkeits-Zeit Verläufe 

für Fahrzeug und Insassen bei einem 50-km/h 

Aufprall auf ein festes Hindernis 

Beispiel: Selbstversuch Col. Stapp, 1954 

1000 km/h in 1,4s abgebremst = 20g für 1,4s 

Quelle: Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, Vieweg 



Funktion 

Crashversuche 

Schutz der Fahrzeuginsassen vor den Folgen eines 

Unfalls. 

Wird erreicht durch 

• Maßnahmen in der mechanischen Struktur des Fahrzeuges 

(Festigkeit des Rohbaus, gezielter Abbau der Energie bei einem 

Aufprall durch kontrollierte Verformung von Fahrzeugteilen, 

Vermeidung großer nichtverformbarer Bauteile im 

Verformungsbereich beim Fahrzeugpackage) 

• Minimierung des Verletzungsrisikos durch entsprechende 

Gestaltung des Innenraums (Radien von hervorstehenden Teilen auf 

den Oberflächen, Bruchverhalten der Werkstoffe) 

• Mechanische Insassenschutzsysteme 

(Sicherheitsgurte, Procon-ten: Entfernen der Lenksäule aus dem 

Aufprallbereich durch Seilzug) 

• Elektronisch gesteuerte Insassenschutzsysteme 

• Airbag (Front, Seite, Kopf, Knie…) 

• Gurtstraffer, elektrisch gezündet 

• Adaption des Auslöseverhalten abhängig von der 

Crashintensität (stufige Airbags, Sensordaten-Verarbeitung) 

• Precrash: Vorbereitung auf einen Crash mit Hilfe von 

Abstandssensoren (Gurte straffen, Sitze verstellen, 

Auslöseverhalten durch Vorausberechnung optimieren) 



Airbag 



Sensorsignale beim Crash 

AZT Versicherungs Test:: 

keine Auslösung von Gurtstraffer 

und Airbag 

21 km/h 0° Wand: 

keine Airbagauslösung 

64 km/h Offset: 

schnelle Auslösung Gurtstraffer 

und Airbag 

Quelle:Feser, Siemens SVDO 



Prinzipieller Aufbau Airbagsteuergerät (1) 

Quelle:Volkswagen AG 

Passive Insassenschutzsysteme


Prinzipieller Aufbau Airbagsteuergerät (2) 

Sicherheitskonzept mit 

Sicherheitscontroller und unabhängigen 

Hardware Watch-Dogs, z.B.: 

1. Überwachung des Systemtakts mit 

eigenem Oszillator 

2. Überwachung von Realtime-Prozessen 

(schnelles µs-Zeitraster) auf komplette und 

richtige Abfolge 

3. Überwachung der Backgroundprozesse 

im ms-Zeitraster (z.B. Eigendiagnose) 




Applikationsbeispiel Airbagsteuergerät 

Quelle:www.infineon.de 

Passive Insassenschutzsysteme


Beispiel Aufbau eines 1-stufigen Fahrerairbagmoduls 


Rueckhaltesysteme 

Prinzipieller Aufbau eines pyrotechnischen Anzündelements 

Berstelement 

Kappe 

Befestigungselement 


Sockel 

Sekundärsatz 

Primärzündsatz 

Zündement 

Kontaktstifte 

470 pF 

elektr. ESB eines 

Anzündelements für 

Wechselstromzündung: 

Wechselstromzündung mit Wechselstrompulsen typ. 80 kHz zur Vermeidung unerwünschter 

Auslösungen durch Kurzschlüsse im Bordnetz (z.B. fehlerhafte Isolation, Crash oder Einsatz von 

Rettungsscheren) 

2 Ω 



Quelle:Feser, Siemens SVDO 


Crash Impact Sound Sensor


Rueckhaltesysteme 

Sensormatte für Out-of-Position Erkennung 

Quelle:Bosch, Sicherheits- und Komfortsysteme, Vieweg


Ableitung des Körpergewichts aus Sitzprofil bzw. Hüftknochenabstand 

Quelle:Bosch, Sicherheits- und Komfortsysteme, Vieweg 



Glasfaser Biegesensor 

Bei positiver Krümmung tritt weniger Licht durch 

die Öffnung aus 

Bei gerader Ausrichtung tritt eine definierte 

Lichtmenge durch die Öffnung aus 

Bei positiver Krümmung tritt mehr Licht durch die 

Öffnung aus 

Quelle: Handbuch Kraftfahrzeugelektronik, Vieweg 



Entsorgungszündung 

Eine klare Unterscheidung ist hier notwendig, zwischen der 

• sog. „Fireman disposal“ bei zweistufigen Airbageinheiten zur Vermeidung von 

Verletzungen beim Rettungspersonal 

und der 

• Entsorgungszündung bei der Altautoverwertung ab ca. 2007 gesetzliche 

Forderung. 

• Realisierung über ein externes Gerät, welches über das Airbagsteuergerät alle 

vorhandenen Zündkreise gleichzeitig zündet. 


Aktive Insassenschutzsysteme 

Einordnung der Systeme 

Aktive Sicherheit 

aktiv 

Fahrzeugführung 

Fußgänger- 

Objekt- 

Erkennung 

Unfallwarnung 

Automatische 

Notbremsung 

Passive Sicherheit 

PreCrash 

passiv 

Sicherheit 

Spurhalte- 

Assistent 

ADR 

stop+go 

Spur- 

Verlassenswarnung 

Kollisionsvermeidung 

Tote- 

Winkel- 

Detektion 

ADR 

Nachtsicht- 

Unterstützung 

Aktive 

Einparkhilfe 

Fahrerunterstützung 

Komfort 



Entwicklung 

Einsatz von Systemen zur Vermeidung eines Unfalls. 

Bisher verbreitete Systeme können bestenfalls ein Fehlverhalten des Fahrzeugführers 

ausgleichen bzw. dessen Folgen mindern: 

• Antiblockiersystem ABS 

• Bremsassistent 

• Fahrdynamikregelung ESP 

Zukünftig können auch das Verhalten benachbarter Fahrzeuge und die Umgebung erfasst 

werden: 

• Automatische Distanzregelung (heutige Systeme können nur als Komfortsysteme klassifiziert 

werden, da die Zuverlässigkeit in der Zielerkennung nicht ausreichend für ein Sicherheitssystem 

ist) 

• Nachtsichtgeräte (Infrarotkamera in Verbindung mit Head-up Display) 

• Spurhalteassistent (lane departure warning) 

• Tote-Winkel-Erkennung und Spurwechselassistent 



Szenarien 



Abstandsradar mit Doppler-Effekt 

• Abstandsmessung durch Laufzeitmessung 


• Messung der Relativgeschwindigkeit durch 

Dopplereffekt 

• Winkelmessung über 

Phasendifferenzmessung mehrer Antennen 




Auflösungsarten 

Quelle: Dr. Meinecke, VW AG


FMCW-Radar zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung (1) 

Radar sendet mit frequenzmoduliertes 

Dauerstrich (CW) Signal (typ. Sägezahn): 

1. Entfernungsmessung r aus Messung 

der Frequenzdifferenz f r zwischen 

aktuellem Sende- zu Empfangssignal 

r 

 

c 

 

2 

c fr 

T 

2 

B 

Quelle, Musa, IEE, 2000 

B 



FMCW-Radar zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung (2) 

2. Messung der Differenzgeschwindigkeit 

v r aus der geschwindigkeitsabhängigen 

Dopplerverschiebung f d des empfangenen 

Signals 

f 

d 

 

f 

1 

vr 

1 

c 

Quelle, Musa, IEE, 2000 



Winkelmessung 

Eine Winkelmessung kann mit mehreren horizontal nebeneinander platzierten Antennen erfolgen. 

Bedingt durch den Aufbau des Sendeteils werden die Sendesignale gleichphasig abgestrahlt, aus der 

Phasenverschiebung der Empfangssignale lässt sich per Triangulation der Winkel zum Zielobjekt bestimmen. 

Selbst bei einem Antennenabstand b im Millimeterbereich erfolgt bei einer Wellenlänge von 4mm schon eine 

Phasenverschiebung zwischen den empfangenen Signalen, die eine auswertbare Auflösung des horizontalen 

Winkels zum Ziel zulässt. 

sin 

eigenes 

Fahrzeug 

b 

 

2 

b 

φ 

α 

Ziel 



Weiterverarbeitung der Zielinformation 

Mit den vorgenannten Verfahren kann der Sensor Ziele nach 

• relativer Position (Winkel und Abstand) 

• relativer Geschwindigkeit 

zum eigenen Fahrzeug erfassen. 

Diese Objekte sind von der Signalverarbeitung zu klassifizieren in 

• ruhende Objekte: Straßenbegrenzung, Bäume, Gebäude, parkende Fahrzeuge,… 

• bewegte Fahrzeuge 

• Störungen/Fehlziele 

Aus den bewegten Fahrzeugen sind diejenigen auszuwählen, die für die Distanzregelung von 

Bedeutung sind: 

• in eigener Fahrbahn vorausfahrend 

• in benachbarten Fahrbahnen, soweit für Spurwechselmanöver relevant 



Distanzregelung 

Das ADR System prognostiziert dazu den voraussichtlichen Weg des eigenen Fahrzeuges (Fahrschlauch) 

mittels 

• Lenkwinkelsensor (ESP) 

• Gierratensensor (ESP) 

• Position der vom Radarsensor detektierten stehenden Objekte 

In Verbindung mit den bewegten Zielen lassen sich darin die für die Distanzregelung relevanten 

Abstandsinformationen ermitteln 

Der Regelalgorithmus beeinflusst die Beschleunigung mittels 

Eingriff in das Motormanagement Verzögerung über einen 

aktiven Bremsbooster oder das ESP-System. 

Parameter sind: 

• Wunschabstand (in Zeiteinheiten, 

damit Geschwindigkeitsunabhängig) 

• Beschleunigungs- bzw. Verzögerungswerte, 

ggf. situationsabhängig (Autobahnabfahrt u.ä.) 





Prinzipieller Aufbau ACC-System


Kommunikationspartner des ACC-Systems 

Vehicle Stability 

Control 

Infotainment 

System 

Automatic 

Gearbox 

Controller 

INF_status 

VSC_yaw_rate 

VSC_status 

INF_yaw_rate 

AGB_status 

Target 

Environment 

SWP_status 

Switch Pack 

ACC system 

ENV_reflections 

ENV_illumination 

INF_country_code 

VSC_wheel_speeds 

VSC_vsc_interventions 

AGB_gear_selector_position 

SWP_driver_switches 

INP_vehicle_speed 

DSE_diagnostic- 

_information 

EMS_status 

DSE_diagnostic- 

_commands 

Diagnostics 

Service Test 

Equipment 

Engine Management 

System 

BBC_status 

EMS_torque_demand 

EMS_driver_override 

EMS_maximum_moment 

BBC_brake_demand 

BBC_brake_pressed 

INP_driver_information 

INP_status 

Brake Booster 

Controller 

Instrument 

Pack 

Quelle: U Kassel, Prof. Leohold 



Hardware-in-the-Loop Testsystem für Abstandsdistanzregelung 

SMS- 

Radarsimulator 

- Radarzieldarstellung 

- Radarsensormodell 

- Zielauswahlverfahren 

Streckenführung 

Rel.- 

Koordinaten 

Radarziele 

Multifunktionsdisplay 

ACC- 

Ziel 

ACC- 

Bedienpanel 

IPG-Obstacles 

Radarobjektgenerator 

s 

IPG-ROAD 

Fahrbahnmodell 

ACC-Steuergerät 

- Geschwindigkeitsregler 

- Abstandsregler 

- Radarsensor (deakt.) 

- Zielauswahl (deakt.) 

Koordinaten Radarziele 


Fahrzeugposition 

Radpositionen 

IPG-DRIVER 

Fahrermodell 

Motor-Steuergerät 

Booster-Steuergerät 

Boostermodell 

Booster- 

Magnetspule 

Lenkwinkel 

Gaspedalstellung 

Drosselklappen- 

Stellung 

//// 

Momentenanforderung 

Bremsdruckanforderung 

Spulen- 

Strom 

Geschwindigkeit und Gierrate des Radarfahrzeugs 

IPG-TIRE 

Reifenmodell 

IPG-CAR 

Modell Radarfahrzeug 



Stop and Go 

Grenzen der 1. Generation 

• Nahbereich infolge des schmalen Strahls kaum abgedeckt 

(schräg versetzt fahrender Vorderwagen, Fußgänger,…) 

daher Ansprechschwelle ACC auf ca. >30km/h eingestellt 

• Generell als Komfortsystem eingestuft, da signifikante Zahl von Fehlzielen 

(Ziel nicht/zu spät erkannt, Objekte am Fahrbahnrand werden als Ziel interpretiert) 

• Automatisches Anfahren im städtischen Bereich erfordert strengeres Sicherheitskonzept (Szenario 

Fußgänger vorm Auto) als Komfortsystem 

Nächste Generation 

• Funktionalität bis zum Stand (0 km/h) gegeben, automatisches Anfahren 

damit auch Funktion im Stau und im Stadtverkehr 

• Zusatzsensorik zur Abdeckung des Nahbereichs 

mit Reichweite 0,5 …20m und voller Abdeckung der Fahrspur 

• Kopplung mit Brake-by-wire erforderlich (elektrisch gesteuerter Bremsbooster, EHB, EMB) 



Parkassistent 

Mit einer Anzeige kann das System den Fahrer während einer Vorbeifahrt auf passende Parklücken hinweisen und ihm 

beim rückwärts Einparken Lenkmanöver vorgeben. In Verbindung mit steer-by-wire sind automatische Einparkmanöver 

möglich (VW Touran). Aus Sicherheitsgründen wird dabei das Anfahren und Bremsen immer dem Fahrer überlassen 

bleiben. Neben neuen seitwärts gerichteten Sensoren kann eine vorhandene Parkdistanzanzeige sinnvoll mit 

eingebunden werden. 

US-Sensor 

Lenkwinkel 




Parkassistent 

Parklückenvermessung mit Ultraschallsensoren 

Ein Sensor mit horizontal schmalem und vertikal großem Messwinkel erfasst Entfernungen zu Objekten senkrecht zum 

Fahrzeug und ermöglicht so eine genaue Vermessung der Parklücken. Um Störobjekte, z.B. Echos von Split o.ä. auf 

der Fahrbahn, auszublenden, werden die Ergebnisse mittels einer Messung mit einem relativ ungenauer Sensor mit 

breiter Messkeule plausibilisiert. 

Umfelderfassung aus einer Vorbeifahrt: 

Quelle: Pruckner (2003) 




Parkassistent und Bedienoberfläche - Toyota 

Quelle: www.All4Engineers.com



Parkassistent und Bedienoberfläche - Volkswagen 

Quelle: Volkswagen AG


Spurhalteassistent 

Fahrspurerkennung mit 

Kamerasystem 

Anforderungen: 

• Auflösung 

• Hohe Dynamik 

(Gegenlicht, 

Schmutz/Wasser auf 

Fahrbahn, fehlende 

Fahrbahnmarkierung) 

• Bildverarbeitung in 

Echtzeit 

• Bildverarbeitungsalgorithmen 

(fehlende 

Fahrbahnmarkierung) 

Fahrerführung über 

• Tonsignale (Rattermarken) 

oder 

• haptische Rückkopplung 

(Lenkkraftunterstützung) 

Quelle: Rieth/Conti (2003) 



Spurerkennung 



Videoauswertung 

Sensorik zur Erfassung des Fahrzeugumfeldes: 

Dynamikproblematik von CCD-Kameras 

Quelle: Fraunhofer-Institut IMS (2003) 



Nahinfrarot 

Nahinfrarot (NIR) strahlt das Vorfeld des Fahrzeugs mit einer Infrarot-Lichtquelle an. 

Das von Objekten, der Straße und von Personen reflektierte Licht 

wird von einer Infrarot-Kamera aufgenommen. Reichweite ist begrenzt durch die 

Infrarot-Lichtquelle. 

Quelle: Bosch 



Ferninfrarot 

Ferninfrarot (FIR) registriert eine Wärmebildkamera direkt die Abstrahlungswärme von 

Objekten und Personen, deswegen ist eine separate Lichtquelle am Fahrzeug 

überflüssig (Reichweite typ. 300m). 

Quelle: BMW 



Sensorik für autonomes Fahren bzw. unfallvermeidendes Fahrzeug 

Karte 



Umfeldmodellierung 

Fahrbahn-Fusion 

(Weg) 

Quelle: Volkswagen AG 

Kamera 

77 GHz Radar Ultraschall-Sensoren 

Situationsverständnis 

Sensor- 

Datenfusion 

Sensorik 

Belegungs-Gitter-Fusion 

(Freibereiche) 

Objekt-Fusion 

(Hindernisse) 

Cut-In 

Prädiktion


Umfeldmodellierung 

Innerstädtische Umgebungserfassung und Interpretation ist Grundlage für eine 

erfolgreiche Funktionsdarstellung 

Objektbasiertes 

Umfeldmodell 

Gridbasiertes 

Umfeldmodell 

Graphenbasiertes 

Umfeldmodell 




Manöverprädiktion 

Vorhersage von Fahrstreifenwechselmanövern für andere Verkehrsteilnehmer 

unter Betrachtung von : 

- Fahrzeugzustand und Fahrstreifenzuordnung 








- Verkehrsregeln und Geboten 








- Verkehrsregeln und Geboten 

- Interaktion / Beziehung zu anderen Fahrzeugen 




Automatische Notbremsung 

My 

car 

Sensorik: 

Aktorik: 

Funktion: 

Problem: 

Minimaler Abstand für 

stabiles Ausweichmanöver 

Minimaler Abstand s brems für Vollbremsung 

ohne Kollision 

(auf Zeitachse: time to collision / ttc) 

Überwachung der Fahrspur vor dem eigenen Fahrzeug 

Bremsen (EHB, EMB) mit Fahrdynamikregelung zur Stabilisierung 

bei Erreichen von ttc automatische Auslösung einer Notbremsung 

juristisch > Aktion ohne Fahrereingriff, Verantwortlichkeit bei Fehlauslösung 

funktional > wie verläuft Aktion, wenn Fahrer Hindernis umfahren will? 

Ermittlung der möglichen Verzögerung a brems (abh. Fahrbahn, Reifen,..) 

Zielerkennung im Kurvenverlauf 

car1 

t 

v ad v a t 

0 

t 

0 

 

0 brems 

1 

s vd v0 t abrems 

t 

2 

v 

ttc 

a 

v 

2 

0 0 

sbrems 

brems 

2abrems 

2 



Kollisionsvermeidung durch autonomes Fahrmanöver 

car2 

Sensorik: 

Aktorik: 

Funktion: 

Problem: 

My 

car 

Minimaler Abstand für stabiles 

Ausweichmanöver 

Minimaler Abstand s brems für Vollbremsung ohne Kollision 

(auf Zeitachse: time to collision / ttc) 

Überwachung des Umfeldes vor dem eigenen Fahrzeug, 

der Fahrspur hinter/neben dem Fahrzeug (Gefahr durch Überholer?), 

der Umgebung des Hindernisses (freier Raum für Manöver?) 

Lenken (EML) und Bremsen mit Fahrdynamikregelung zur Stabilisierung 

nach Unterschreiten von ttc automatisches Umfahren des Hindernisses 

juristisch > Aktion ohne Fahrereingriff, Verantwortlichkeit bei Fehlauslösung? 

funktional > Ermittlung der möglichen Verzögerung a brems 

Zielerkennung im Kurvenverlauf und 

aller möglichen gefährlichen Ziele um und hinter Hindernis 

car1

Teil 8

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