ELEKTRONIK Assistenzsysteme

214 ATZ 3/2005 Jahrgang 107

Nach dem Insassenschutz tritt jetzt der Fußgängerschutz in den Fokusder Gesetzgeber und der Automobilindustrie. Ab Oktober 2005 müs-sen in der Europäischen Union Neufahrzeuge sukzessive mit Fußgän-gerschutzsystemen ausgestattet werden. Das Intelligent PedestrianProtection System (IPPS) der Siemens VDO Automotive AG bietet mitfaseroptischem Sensor zu attraktiven Kosten eine hohe Auslösesicher-heit, konstruktive Flexibilität und einfache Skalierbarkeit.

Fußgängerschutz-system mit faser-optischem Sensor

sifiziert – allerdings nur mit bis zu vier Ster-nen. Und innerhalb des europäischen Auto-mobilhersteller-Verbandes ACEA hat eineArbeitsgruppe Richtlinien festgelegt, wieaktive Fußgängerschutzsysteme zu testensind.

2 Allgemeine Systemparameter

Fußgängerschutzsysteme werden in zweiKategorien eingeteilt: in passive, die aus-schließlich mit Strukturmaßnahmen wieetwa einem „weichen“ Frontend und genü-gend Verformungsraum zwischen Motor-haube und Motor den Aufprall abmildern.Aktive Systeme wie das von Siemens VDOhingegen registrieren mit Sensoren denAufprall eines Fußgängers. Dann lösen siemit Aktuatoren die Schutzmaßnahmen aus– etwa ein Anheben der Motorhaube. Manunterscheidet zwischen reversiblen (mitMagnetschalter ausgelösten) und irreversi-blen (mit Pyrotechnik ausgelösten) Aktua-toren. Besonders ein irreversibles Systemerfordert sehr zuverlässig auslösende Sen-soren und Algorithmen, während reversi-ble Aktuatoren auch mit einfacheren Er-kennungstechniken kombinierbar sind.

Die Entscheidung zwischen aktivemund passivem Schutz ist unter anderemdurch die Position des Motors beeinflusst.Quer eingebaute Aggregate bieten wenigerVerformungsraum für die Motorhaube alslängs angeordnete. Auch das Außendesignan der Fahrzeugfront spielt in dieser Hin-

1 Einleitung

Rückhaltesysteme wie Airbags und Gurtesowie steifere Karosseriekonstruktionenhaben in den letzten Jahrzehnten die Insas-sensicherheit nachhaltig erhöht. Diesschlägt sich in der Verkehrsstatistik nichtnur in einem Rückgang der Todesfälle nie-der, sondern auch in einer Verlagerung derSchwerpunkte. So waren im Jahr 2002 inEuropa 12 % aller Verkehrstoten Fußgänger,in den USA 11 %. In Staaten mit hoher Be-völkerungsdichte wie Japan und Südkoreabetrugen die entsprechenden Werte imJahr 2001 sogar 29 und 38 %, Bild 1. Somitkommt dem Fußgängerschutz in den näch-sten Jahren eine herausragende Rolle zu.

In Deutschland verunglücken die Fuß-gänger zu etwa drei Vierteln mit einemPkw als Unfallgegner. Bei mehr als der Hälf-te dieser Situationen handelt es sich um„klassische“ Frontalunfälle, bei der die Fuß-gänger zuerst mit der Fahrzeugfront in Be-rührung kommen. Dabei entstehen amhäufigsten Verletzungen der Beine und amKopf, Bild 2.

Die Europäische Union forciert den Fuß-gängerschutz durch die Verordnung2003/102/EC, die seit dem 1. Januar 2004 inKraft ist. Dort sind vier verschiedene Auf-prallszenarien mit unterschiedlichen Para-metern detailliert definiert: ein dem Unter-oder Oberschenkel (je nach Körpergrößedes simulierten Kindes oder Erwachsenen)nachempfundener Impaktor prallt auf denStoßfänger, ein Oberschenkel-Impaktor aufdie vordere Kante der Motorhaube, sowieein Kinderkopf und Erwachsenen-Impaktorauf die Motorhaube. Die Impaktoren sindjeweils mit Sensoren bestückt. Für die beimAufprall auf die Körperpartien wirkendenKräfte sind Höchstwerte festgelegt, Bild 3.

Die Verordnung schreibt vor, dass – abOktober 2005 beginnend – bis Ende 2012 je-de neue Fahrzeugplattform für Pkw undleichte Nutzfahrzeuge mit weniger als 2,5Tonnen Gesamtgewicht die Anforderun-gen der Unterschenkel- und Kinderkopf-Tests erfüllen muss. Ab September 2010 be-ginnt die Phase 2. Dann müssen die Spezifi-kationen für den Oberschenkelaufprall undden Kopf eines Erwachsenen bis September2015 ebenfalls komplett erfüllt werden.

Japan hat ein ähnliches Gesetz mit ver-gleichbaren zeitlichen Fristen verabschie-det. Allerdings muss das Fahrzeug dort nurzwei Testfälle für den Kopfaufprall erfüllen,Messkriterien für den Aufprall des Unter-schenkels werden erst in einem zweitenSchritt Gesetzeskraft erlangen. Auch dasEuro-NCAP-Konsortium hat Richtlinien fürden Fußgängerschutz entwickelt und führtbereits Tests durch. Deren Resultate wer-den ähnlich wie beim Insassenschutz klas-

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sicht eine Rolle. Wahrscheinlich werden dieAutomobilhersteller pro Fahrzeugplatt-form ein Konzept bevorzugen, da die paral-lele Entwicklung beider Alternativen zukostenintensiv wäre.

Die aktiven Schutzsysteme müssen beiden Tests drei Hauptanforderungen genü-gen:■ Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben■ Sensoren und Auswertealgorithmenmüssen die verschiedenen Dummys (sechs-jähriges Kind, 5-%-, 50-%- und 95-%-Er-wachsener) einwandfrei klassifizieren■ Erkennung anderer Hindernisse wie Vö-gel, Mülltonnen oder aufgewirbelte Steine,um Fehlauslösungen zu vermeiden.

Dipl.-Ing. HerbertSchober ist bei Sie-mens VDO in Regens-burg für die System-und Funktionsentwick-lung Fußgängerschutzverantwortlich.

Mathias Miedreich istLeiter des Geschäfts-segments „PedestrianProtection Sensors“bei Siemens VDO inRegensburg.

Die Autoren

1 Einleitung

Bild 1: Todesfälle nach Verkehrsteilnehmern im Jahr 2000Figure 1: Fatalities per road user group in 2000

Wichtige technische Randbedingungender hierfür notwendigen Sensoren sind:■ Temperaturadaptivität, da das Frontendbei Frost und Hitze ein unterschiedlichesSteifigkeits- und Biegeverhalten zeigt■ Materialadaptivität, Sensoren müssenunterschiedlich steife Materialien (etwaKunststoffe und Bleche) abbilden■ Unempfindlichkeit gegenüber Einbauto-leranzen oder geometrischen Veränderun-gen des Frontends, etwa nach einem leich-ten Parkrempler■ beständig gegen Alterung, raue Umge-bungsbedingungen, Vibrationen■ gute elektromagnetische Verträglichkeit■ keine Beeinträchtigung des Fahrzeug-De-signs.

Die ersten drei Kriterien haben eine be-sondere Relevanz für die Erkennung vonFußgängern und die Vermeidung von Feh-lauslösungen.

3 Das Intelligent PedestrianProtection System

Siemens VDO integriert beim IPPS (Intelli-gent Pedestrian Protection System) denSensor abhängig von den Herstellervorga-ben entweder im so genannten Lower-Leg-Schaum oder klebt beziehungsweise clipstihn direkt an die Außenhaut des Stoßfän-gers – allerdings unsichtbar auf der Innen-seite. Das Besondere: Siemens VDO ver-wendet als Sensorelement einen optischenLichtwellenleiter, an dem ein Koppelungs-element die Lichtimpulse in die optischeFaser sendet und am anderen Ende wiederausliest. Die ebenfalls im Frontend einge-baute Elektronik wertet die Signale mit Hil-fe von Algorithmen aus und fällt die Zünd-entscheidung. Diese Information wird an-schließend entweder an ein separates Steu-ergerät oder ein zentrales – wie etwa dasAirbagsteuergerät – weitergeleitet, diedann die Aktuatorik auslösen, Bild 4.

Das Sensorsystem ist von der MOST-Da-tenbustechnik abgeleitet, der optische Licht-wellenleiter besteht aus Kunststoff. Insge-samt vier in einem Bändchen gebündeltePOF (plastic optical fibers) verlaufen in einemBand quer über den Stoßfänger direkt unterder elastischen Oberfläche. Verformt einFremdkörper den gleichmäßig gekrümmtenVerlauf des Bändchens, registriert das Koppe-lungselement eine Differenz zwischen der indie Fasern eingebrachten und daraus wiederempfangenen Lichtmenge.

Im Vergleich dazu messen andere Fuß-gängerschutzsysteme die Verformung indi-rekt über einen Druckunterschied, derdurch die Verformung entsteht. Eine weite-re Variante sind Beschleunigungssensoren.Der Vorteil des optischen Systems ist dieRobustheit gegenüber den teilweise extrem

schwankenden Umgebungsbedingungenim Frontend. Außerdem lässt sich einDrucksensor nicht so flexibel an die unter-schiedlichen Frontendstrukturen anpassen.

Der Lichtwellenleiter hat die Eigen-schaft, dass die Menge des ankommendenLichts im Verhältnis zum ausgestrahltenLicht abhängig von der Biegung des Leiters-trangs ist. Je stärker das Bändchen an derAufprallstelle gebogen ist, desto größer istder Widerstand und desto geringer die amKoppelungselement empfangene Licht-menge. Allerdings ist aus dem Dämpfungs-effekt die Biegerichtung noch nicht ersicht-lich. Um ein räumlich interpretierbares Sig-

nal zu generieren, markiert Siemens VDOjede der vier Lichtwellenfasern an be-stimmten Punkten. Dazu schneidet manper Laser kleine Schlitze in die den Leiter-kern umgebende Cladding-Schicht. DieserMantel reflektiert die Lichtstrahlen bei ih-rem Weg durch den Lichtleiter. An denSchlitzen tritt eine geringe Lichtmenge aus.Ist die markierte Stelle im Innenbogen desBändchens, tritt nur eine geringere, amAußenbogen eine größere Menge Licht aus,Bild 5. Aus dem am Kabelende empfange-nen Lichtsignal berechnet die Elektronik ei-ne proportionale Funktion, aus der im Ver-gleich zum unbeschädigten Lichtleiter ein-

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1 Einleitung

Bild 2: Art der Verletzung bei verunglückten FußgängernFigure 2: Types of injuries sustained by pedestrians involved in accidents

Bild 3: Lastfälle für Fußgängerschutz-Tests (nach Verordnung 2003/102/EC – Phase 1)Figure 3: Load types for pedestrian safety tests (in compliance with EC directive 2003/102/EC – phase 1)

deutig ein negativer oder positiver Biege-winkel bestimmt und als Spannungssignalan das Steuergerät geschickt wird.

3.1 RegelungstechnikAbhängig von der Temperatur misst dasSensorelement unterschiedliche Signalver-läufe, da die Frontend-Materialien bei zu-nehmender Temperatur elastischer wer-den. Beispielsweise verändert sich die Ein-dringtiefe eines Bein-Impaktors bei denbeiden Testfällen -40 und +85 °C um bis zu54 %, Bild 6. Deshalb korreliert SiemensVDO den Signalalgorithmus mit den Umge-bungsbedingungen, um bei großer Hitze

nicht vorschnell die Aktuatoren auszulö-sen. Der Algorithmus rechnet die Tempera-tur in Form von drei Klassen (-40 °C, Raum-temperatur und +85 °C) mit ein.

Die Ingenieure haben außerdem eineeventuell Beschädigung des Stoßfängersund Toleranzen berücksichtigt. Die aktiveOffset-Regelung in der Auswertesoftwarekompensiert konstruktions- oder unfallbe-dingte Radien des Bandes sowie produk-tionsbedingte Streuungen der Sensoreninnerhalb eines gewissen Toleranzbandes,Bild 7. Damit bleibt die Signalamplitudenach einem leichten Schadensfall kontinu-ierlich im nicht auslösenden Regelbereich.

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3 Das Intelligent Pedestrian Protection System

Bild 4: Systemvergleich der IPPS-EinbindungFigure 4: System comparison of IPPS integration

Bild 5: Physikalischer Effekt der Perforation derLichtwellenleiterFigure 5: Physical effect of perforated fibre opticsheathing

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Um diese Funktion abzusichern, hat Sie-mens VDO Tests mit Impaktoren und Stahl-kugeln sowie einem Vorschädigungsgradvon fünf, zehn und 15 % durchgeführt.

Dadurch ist das optische System voll di-agnosefähig, während Drucksensor-Syste-me keinerlei Kompensationsfunktion er-lauben. Führt der aufprallende Fremdkör-per zu einer größeren Vorschädigung desFrontends, überschreitet die Signalabwei-

chung einen Grenzwert und hat eine Feh-lermeldung (Warnlampe) zur Folge.

Die Prozessgeschwindigkeit des Sie-mens VDO-Systems liegt oberhalb der vonden Automobilherstellern geforderten Aus-lösung innerhalb von 10 bis 15 ms nach demersten Kontakt des Hindernisses mit demFrontend. Die Elektronik tastet den Stoß-fänger im ms-Takt ab, so dass im Crashfalleine Datenreihe mit etwa zehn bis 15 Mess-

werten für die Auslöseentscheidung zurVerfügung steht.

3.2 Komponenten undProduktionInsgesamt besteht der Lichtwellenleiter ausden vier in dem Band integrierten POF (plas-tic optical fibers) und zwei zusätzlichen Zu-gentlastungselementen. Die mit dem Lasermarkierten Zonen sind versetzt auf den vierFasern angebracht, so dass der genaue Auf-prallort eines Hindernisses auf das Frontendschnell lokalisierbar ist, Bild 8. Der nur 1,5 x12 mm schmale Sensor verläuft schlaufen-förmig quer durch das Frontend und ist flexi-bel der Fahrzeugbreite anzupassen. Fast diegesamte Fahrzeugbreite ist durch die ver-setzt aufgebrachten perforierten Zonen ab-gedeckt, nur an beiden Enden befinden sichkurze nicht sensitive Abschnitte. Die beidenEnden der Schlaufe münden in die Lichtquel-le, beziehungsweise in das Koppelungsele-ment und die Elektronik. Um den geschlos-senen Kreislauf herzustellen, wird das Bandauf der anderen Fahrzeugseite an einer Rollemit 30 mm Durchmesser umgelenkt. Diedoppelte Verlegung des Bändchens machtSinn, da ein Layout mit Lichtquelle auf der ei-nen und Empfangs- und Auswerteeinheitauf der anderen Seite zuviel Bauraum undVerkabelungsaufwand erfordert hätte.

Die vier in Kunststoff eingelegten Licht-wellenleiter kauft Siemens VDO von einemLieferanten als Flachbandkabel zu. Das Per-forieren der Schutzhülle um die Fasernübernimmt Siemens VDO selbst, ebensodas anschließende Verschweißen der Lei-terbahn mit den beiden Zugentlastungsele-menten im Extrudierverfahren. Das Koppe-lungselement zwischen dem optischen undelektronischen Teilsystem arbeitet mitTechnik, die im MOST-Datenbus-System ih-re Leistungsfähigkeit bereits bewiesen hat.

Das Lasern der Perforation in die Fasernhat sich Siemens VDO schützen lassen. Be-sonders das exakt geometrische und jeder-zeit reproduzierbare Anbringen der Schlitzeerfordert viel Know-how und ist der Schlüs-selprozess der gesamten Fertigung. Dievieradrige Leiterbahn läuft von einer Rollein die Bearbeitungsstation und wird dortan definierten Stellen aufgeschnitten. An-schließend werden diese Stellen markiert,mit einem absorbierenden Füllmaterialwieder verschlossen und getrocknet, Bild 9.

In einem zweiten Bearbeitungsprozesswird die Leiterbahn in einen Extruder ge-führt und dort mit den beiden Zugentlas-tungselementen zum endgültigen Sensor-band umhüllt, Bild 10. Anschließend wirdes in etwa vier Meter lange Stücke pro Fahr-zeug geschnitten, mit dem Koppelungsele-ment bestückt, getestet und zum Schlussmit der Elektronik verbunden.

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Bild 7: Einfluss der Offset-Regelung auf den SignalverlaufFigure 7: Effect of offset control on the signal waveform

3.1 Regelungstechnik

Bild 6: Streuung der Sensor-signale bei unterschiedlichenUmgebungstemperaturen (Lastfall Kinderbein)Figure 6: Sensor signalvariances at different ambienttemperatures (load type: child’s leg)

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3.2 Komponenten und Produktion

Bild 9: Produktionslinie zum Aufbringen der PerforationFigure 9: Production line for cutting the perforations

Bild 8: Prinzipskizze des SensorbandesFigure 8: Schematic diagram of sensor band

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Bild 10: Produktionslinie zum Extrudieren des endgültigen SensorbandesFigure 10: Production line for extruding the finished sensor band

4 Entwicklungskompetenz und Markteintritt

Der Unternehmensteil Siemens RestraintSystems validiert das IPPS in seinem Test-zentrum Alzenau bei Aschaffenburg fürden Serieneinsatz im Fahrzeug. Die Validie-rung umfasst den Fallturm, Impaktorenund Rollversuche, Bild 11. Im Fallturm tref-fen einfache Impaktoren auf die ersten Sen-sor-Prototypen in den Frontends. Aus denSensorsignalen ermitteln die Ingenieureweiterführende Systemparameter, die inder zweiten Stufe mit realitätsnahen Im-paktoren – sie bilden den Unterschenkeloder Kopf eines Fußgängers ab – konfron-tiert werden. Die Rollversuche schließlicherfolgen sehr realitätsnah mit bewegtenFahrzeugen und Ganzkörper-Dummys.

Siemens VDO profitierte dabei von sei-nem umfassenden Prozesswissen, das diekomplette Entwicklungskette von der CAD-Konstruktion des Frontends und des Ge-samtfahrzeugs über das Sensormodell bishin zu Hardware- und Softwaremodellensowie Algorithmen mit Ausgabe der Zünd-zeiten umfasst. Außerdem entwickelt manauch die Kontaktsensorik, die Elektronikund die Algorithmen im eigenen Hauseund erledigt die Systemintegration und Va-lidierung in Eigenregie. Zusätzlich unter-stützt Siemens VDO die Zulieferer bei derEntwicklung der Aktuatoren und legt bei-spielsweise zusammen mit dem Frontend-Lieferanten den Schaum für den Beinauf-prall hinter dem Stoßfänger fest.

Die Markteinführung des Systems ist fürAnfang 2007 vorgesehen, etwa drei Jahrespäter plant Siemens VDO eine optimierte

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3.2 Komponenten und Produktion

Bild 11: Kompetenzkette von Siemens Restraint SystemsFigure 11: Siemens Restraint Systems' competence chain

Version. IPPS wird zu einem sehr attrakti-ven Preis angeboten und ist mit seiner opti-schen Sensierung bisher eines der wenigenSysteme, das die Anforderungen der Ge-setzgeber und Automobilhersteller sichererfüllt. Da die Adaption an die Fahrzeug-umgebung weitgehend in der Software er-folgt, ist es einfacher, als vergleichbareDrucksensor-Systeme an neue Frontend-Umgebungen anzupassen. Seine hohe dy-namische Sensorauflösung garantiert diesichere Unterscheidung zwischen einemLastfall, aufgewirbelten Steinen, überfahre-nen Pylonen oder etwa einem Ast. DieKompensation einer vorhandenen Beschä-digung und der Umgebungstemperatur er-folgt mit ausgeklügelter Software. Trotz sei-ner geringen Dimensionen ist das Sensor-band sehr robust gegenüber Umweltein-flüssen und dank der optischen Signale ab-solut unempfindlich gegen elektromagne-tische Störungen. Die Inhouse-Fertigunggarantiert dank des umfassenden Entwick-lungs- und Fertigungs-Know-hows eine ho-he Qualität.

Diese Produktvorteile des IPPS haben be-reits einen großen deutschen Automobilher-steller überzeugt. Der Auftrag mit einem ho-hen Volumen hat Signalwirkung, inzwi-schen zeigen auch andere große Automobil-hersteller großes Interesse an dem Fußgän-gerschutzsystem mit optischem Sensor vonSiemens VDO. ■

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