Entwicklung und Erprobung eines kontaktanalogen Head-up ... ?· Head-up-Display..... 95 Abbildung 75:…

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  • TECHNISCHE UNIVERSITT MNCHEN

    Lehrstuhl fr Ergonomie

    Entwicklung und Erprobung eines

    kontaktanalogen Head-up-Displays im

    Fahrzeug

    Dipl.-Ing. (Univ.) Marcus Schneid

    Vollstndiger Abdruck der von der Fakultt fr Maschinenwesen der

    Technischen Universitt Mnchen zur Erlangung des akademischen

    Grades eines

    Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

    genehmigten Dissertation.

    Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. A. Gnthner

    Prfer der Dissertation:

    1. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. H. Bubb, i. R.

    2. Univ.-Prof. Dr.-Ing., Dr. phil. habil. B. Spanner-

    Ulmer, Technische Universitt Chemnitz

    Die Dissertation wurde am 01.07.2008 bei der Technischen Universitt Mnchen

    eingereicht und durch die Fakultt fr Maschinenwesen am 21.01.2009

    angenommen.

  • I

    iucundi acti labores

    Cicero

  • II

    Danksagung

    Diese Arbeit entstand whrend meiner Ttigkeit am INI.TUM, dem

    wissenschaftlichen Kompetenzzentrum der Technischen Universitt Mnchen in

    Ingolstadt. Die enge Zusammenarbeit mit der Abteilung Bedienung und Anzeige der

    AUDI AG in Ingolstadt und mit dem Lehrstuhl fr Ergonomie der Technischen

    Universitt Mnchen gab wesentliche Impulse, die bei der Erreichung der gesteckten

    Ziele halfen. In diesem Zusammenhang mchte ich mich bei Bernhard Senner

    (AUDI AG) bedanken. Die Zusammenarbeit mit ihm sowohl bei fachlichen als auch

    bei organisatorischen Herausforderungen hat einen groen Teil zum erfolgreichen

    Abschluss der Arbeit beigetragen. Mein Dank gilt auch Dr. Werner Hamberger

    (AUDI AG) fr seine wertvollen Ratschlge bei der Umsetzung des Anzeige-

    konzeptes. Besonders mchte ich mich bei Herrn Professor Bubb fr die stets

    offenen Anregungen zur Thematik bedanken, die mir seine jahrelange Erfahrung auf

    dem Gebiet des kontaktanalogen Head-up-Displays offen legten. Ferner mchte ich

    Frau Professor Spanner-Ulmer fr die bernahme des Koreferats und Herrn

    Professor Gnthner fr die Leitung der Prfungskommission danken. Nicht zuletzt gilt

    mein Dank allen Kolleginnen und Kollegen der Abteilung Bedienung und Anzeige

    der AUDI AG in Ingolstadt und meinen Forscherkollegen am INI.TUM und am

    Lehrstuhl fr Ergonomie, die dazu beitrugen, dass die vergangenen drei Jahre nicht

    nur fachlich erfolgreich, sondern auch in sozialer Hinsicht bereichernd waren.

  • III

    Inhaltsverzeichnis

    Danksagung ............................................................................................................... II

    Inhaltsverzeichnis ...................................................................................................... III

    Abbildungsverzeichnis............................................................................................... VI

    Tabellenverzeichnis.................................................................................................... X

    1 Einleitung................................................................................................................. 1

    1.1 Anzeigeorte im Fahrzeug .................................................................................. 1

    1.2 Zur vorliegenden Arbeit..................................................................................... 2

    2 Head-up-Display-Technologie ................................................................................. 3

    2.1 Technische Grundlagen eines Head-up-Displays ............................................. 3

    2.1.1 Physikalisches Prinzip ................................................................................ 3

    2.1.2 Optisches System....................................................................................... 6

    2.1.3 Bilderzeugungseinheit ................................................................................ 7

    2.1.4 Windschutzscheibe................................................................................... 12

    2.1.5 Optische Abbildungsfehler........................................................................ 16

    2.2 Aufbau aktueller Head-up-Displays................................................................. 24

    2.3 Anzeigeinhalte aktueller Head-up-Displays..................................................... 27

    2.3.1 Geschwindigkeitsanzeigen ....................................................................... 27

    2.3.2 Anzeigen von Geschwindigkeitsregelanlagen (GRA) ............................... 30

    2.3.3 Navigationsanzeigen ................................................................................ 31

    2.3.4 Statusanzeigen und Warnungen .............................................................. 32

    2.3.5 Weitere Anzeigen ..................................................................................... 33

    2.3.6 Bewertung ................................................................................................ 34

    2.4 Studie zur Optimierung von Anzeigekonzepten im Head-up-Display.............. 36

  • IV

    2.5 Resmee zum momentanen Stand der Head-up-Display-Technologie in

    Kraftfahrzeugen ............................................................................................. 42

    3 Konzeptauswahl fr die Umsetzung eines kontaktanalogen Head-up-Displays .... 44

    3.1 Begriffsdefinition ............................................................................................. 44

    3.2 Technische Realisierungsmglichkeiten ......................................................... 46

    3.2.1 Technologien mit virtuellem Bild............................................................... 46

    3.2.1.1 Beeinflussung der Wahrnehmung von Tiefenkriterien ....................... 46

    3.2.1.2 Stereoskopische Bilddarstellung........................................................ 49

    3.2.1.3 Schrge Displayebene....................................................................... 50

    3.2.2 Windschutzscheibenprojektion (reales Bild) ............................................. 52

    3.3 Bewertung der Realisierungsmglichkeiten .................................................... 58

    4 Technische Umsetzung der Variante der schrgen Displayebene ........................ 61

    4.1 Randbedingungen........................................................................................... 61

    4.2 Auslegung des virtuellen Bildes ...................................................................... 63

    4.3 Optikauslegung ............................................................................................... 69

    4.4 Bildquelle ........................................................................................................ 72

    4.5 Datenbereitstellung und Ansteuerung............................................................. 73

    4.6 Einbau in den Versuchstrger......................................................................... 75

    5 Anzeigekonzept fr kontaktanaloge Head-up-Displays ......................................... 78

    5.1 Abbildungsfunktion.......................................................................................... 78

    5.2 Einflsse der Fahrdynamik.............................................................................. 80

    5.3 Realisierte Anzeigen ....................................................................................... 84

    5.3.1 Distanzanzeige......................................................................................... 85

    5.3.2 Navigationsanzeige .................................................................................. 88

    5.3.3 Geschwindigkeitsanzeige ......................................................................... 89

    5.3.4 Generierung der Darstellung .................................................................... 90

  • V

    5.4 Weitere mgliche Anzeigen ............................................................................ 92

    5.4.1 berholanzeige ........................................................................................ 92

    5.4.2 Hindernismarkierung ................................................................................ 94

    5.4.3 Ausweichmanver .................................................................................... 95

    6 Validierung der umgesetzten Technologie und des Anzeigekonzeptes................. 98

    6.1 Versuchsdesign .............................................................................................. 98

    6.2 Ergebnisse und Interpretation ....................................................................... 102

    6.2.1 Kontaktanaloger Charakter des Systems ............................................... 102

    6.2.1.1 Erste Eindrcke................................................................................ 102

    6.2.1.2 Wahrnehmung des virtuellen Bildes................................................. 103

    6.2.1.3 Beurteilung von Umwelt- und Fahreinflssen .................................. 105

    6.2.1.4 Einflsse der Bildlage auf das Fahrverhalten................................... 107

    6.2.2 Beurteilung der Distanzanzeige.............................................................. 108

    6.2.3 Beurteilung der Navigationsanzeige ....................................................... 109

    6.2.4 Weitere Ergebnisse ................................................................................ 110

    6.2.4.1 Verwendung des Systems im Stadtverkehr ..................................... 110

    6.2.4.2 Eindrcke zur Sicherheit .........