MMIs: vom mechanischen Tachometer bis zum integrierten Cockpit

Das Cockpit hinter dem Lenkrad ist vermutlich die wichtigste Mensch-Maschine-Schnittstelle im Automobil, denn es zeigt grundlegende Fahr- und Fahrzeuginformationen an. Aus heutiger Sicht muss dieses System sicher, ergonomisch optimal und echtzeitfähig gestaltet sein.

Den ersten Tachometer erfand 1888 der kroatische Professor Josip Belusic. Um 1900 tauchten Tachometer in den damaligen Fahrzeugen auf, schon etwa zehn Jahre später avancierten sie zur Standardausrüstung. Sie waren damit die erste flächendeckend verbreitete Mensch-Maschine-Schnittstelle im Automobil.

Das hybride Anzeigecluster, das im Cadillac ATS 2 verbaut ist, während des Tages.Delphi

Delphi ist ein Pionier bei Instrumentenclustern, die das Autofahren nicht nur sicherer, sondern auch komfortabler und anwendungsfreundlicher machen. Beispielsweise führte Delphi bei der Chevrolet Corvette 1984 das erste großflächige LCD-Display ein. Fünf Jahre später erfolgte der nächste logische Schritt, die Ablenkung des Fahrers weiter zu minimieren: damals lieferte Delphi für das Buick Cutlass 1989 das weltweit erste serienmäßige Head-Up-Display, das Informationen auf die Windschutzscheibe eines Automobils projizierte. Als Basis diente dafür ein monochromes 12,3-Zoll-VFD-Display mit einem Kontrast von 300:1 und 7000 cd/m2 Helligkeit. Heute ist Delphi ein so genannter „Fullliner“ und liefert Instrumentencluster vom Basisgerät bis hin zu Premiumsystemen.

Skalierbare Instrumentenplattform

Eine Grundeigenschaft der Cockpitsysteme von Delphi ist ihr skalierbarer Aufbau vom Einstiegs- bis zum High-End-System. Die Einstiegsgeräte beispielsweise sind besonders an die Bedürfnisse des wachsenden Low-Cost-Car-Segments angepasst. Sie weisen einen einfachen erweiterbaren technischen Aufbau auf, der eine sehr kostengünstige Produktion ermöglicht. Bestandteile sind beispielsweise mechanische Standardanzeigen in Verbindung mit einem LCD-Display, eine LED-Beleuchtung und mikroprozessorgestützte Schnittstellen wie CAN, LIN und andere gebräuchliche Protokolle.

Das hybride Anzeigecluster, das im Cadillac ATS 2 verbaut ist, im Nachtbetrieb.Delphi

Die Instrumentencluster für gehobene Ansprüche arbeiten mit bewährten Anzeigetechniken wie TFT- oder Matrix-Displays, die den Automobilherstellern weitgehende Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen. Diese Techniken werden mit optischen Gestaltungselementen wie farbigen Umrandungen, Chromringen und Multifunktionsanzeigen kombiniert. Eine patentierte Beschichtung der Cockpitoberflächen bietet einen hohen Schutz vor mechanischen Einwirkungen.

Bei Premium- und Luxusfahrzeugen haben vor einiger Zeit die ersten völlig frei konfigurierbaren Cockpits Premiere gefeiert. Inzwischen sind sie bereits vereinzelt in Mittelklassefahrzeugen zu finden. Delphi hat sein erstes frei konfigurierbares Cockpit 2010 in einem Cadillac präsentiert. Diese erste Produktgeneration verfügt über ein 12,3 Zoll großes Display mit einer Auflösung von 1280 x 480 Pixeln. Das Instrumentencluster verfügt über einen Grafik- und einen Hauptprozessor und bietet eine Vielzahl von Kommunikationsschnittstellen wie etwa CAN, LIN, LVDS und MOST.

Zentrales Element eines vollständig rekonfigurierbaren Cockpit-Clusterelements, wie es in der Cadillac-CUE-Plattform zum Einsatz kommt, ist ein NW-Display (NW: normally white) mit einer Auflösung von 1280 x 480 Pixel.Delphi

Die zweite Produktgeneration wird in naher Zukunft in Serienproduktion gehen. Auf der Consumer Electronics Show (CES) 2014 in Las Vegas hat Delphi bereits die dritte Produktgeneration vorgestellt und auf der Nutzfahrzeug-IAA 2014 in Hannover in einer erneut aktualisierten Form dem Publikum präsentiert. Dort war das frei konfigurierbare Cockpit von Delphi speziell auf die inhaltlichen und optischen Bedürfnisse der Nutzfahrzeuglenker ausgerichtet. Die dritte Generation bietet ein farbiges, hochauflösendes Display mit über 160 Pixel pro Inch in Kombination mit einem Hochleistungsprozessor, was die Darstellung fotorealistischer 3D-Bilder ermöglicht. Die Hardware-Architektur dieser frei konfigurierbaren Cockpits von Delphi ist skalierbar, sodass sie sich auf OEM-spezifische Bedürfnisse maßschneidern und erweitern lassen.

Anforderungen an die Basis-Technologien

Künftig müssen Premium-Cockpits über ein optisch hochwertiges Design, einen durchdachten mechanischen Aufbau und große, frei konfigurierbare Displays verfügen. Um diesen hohen Standard zu erreichen, müssen erstens bereits verfügbare Komponenten und Techniken verbessert werden. Ergänzend dazu sind gänzlich neue Techniken erforderlich. Beispielsweise müssen die elektrischen Schrittmotoren bezüglich ihres Drehmoments und ihrer Verstellgeschwindigkeit den hohen Beschleunigungs- und Querkräften moderner Pkws angepasst werden. Auch die Hersteller der Displays müssen ihre Produkte in punkto Auflösung optimieren und die Displays auch in nicht standardisierten Größen und Formen anbieten. Die Prozessoren schließlich müssen mit den gestiegenen Ansprüchen an benutzerfreundliche Grafiken Schritt halten.

Bedeutungswandel für das Instrumentencluster

Da die Automobilelektronik immer komplexer wird, verliert auch das Cockpit seinen Status als solitäre Schnittstelle zum Fahrer. Vielmehr wird es immer intensiver in ein Netzwerk miteinander kommunizierender Systeme und Schnittstellen eingebunden, die den Fahrer und die anderen Insassen mit allen erforderlichen Fahr- und Sicherheitsinformationen versorgen.

Um diesen hohen Ansprüchen der Sicherheits- und Umfeldsysteme zu genügen, hat Delphi eine neue Familie von vernetzten Systemen entwickelt: Die MyFi-Lösungen erhöhen die Benutzerfreundlichkeit und bieten dem Fahrer ein völlig neues Erlebnis von Informationsvermittlung und Unterhaltungsmöglichkeiten, ohne dass er den Blick von der Straße abwenden oder die Hände vom Lenkrad nehmen muss. Schlüsseltechniken dafür sind Spracherkennung, sprachbasierte Wiedergabe von Texten, große berührungsempfindliche Bildschirme, frei konfigurierbare Displays und Algorithmen, die für den Fahrer wichtige Informationen situationsgerecht und priorisiert anzeigen. Damit entstehen maßgeschneiderte und vom aktuellen Fahrzustand abhängige Informationsumgebungen. Sind sie zusätzlich mit der Sensorik der Sicherheits- und Assistenzsysteme verbunden, dann können die MyFi-Lösungen auch akustische und optische Warnungen an den Fahrer adressieren, damit dieser auf eventuell kritische Fahrsituationen schneller aufmerksam wird und bei Bedarf rasch Gegenmaßnahmen einleiten kann, wenn beispielsweise der Verkehr vor ihm abbremst oder das Fahrzeug droht, die Fahrbahn zu verlassen.

Höchste Sicherheit bei Prozessen und Standards

Bei der Entwicklung seiner Informationscluster berücksichtigt Delphi alle aktuellen und künftigen Anforderungen. Eine der wichtigsten ist sicherlich funktionale Sicherheit, da der wachsende Umfang von elektronischen Systemen und Softwarekomponenten im Automobil viele Fragen nach Sicherheit und Verträglichkeit aufwirft. Eine Lösung ist die Secure Hardware Extension (SHE), spezifiziert von der Herstellerinitiative Software, einer Arbeitsgruppe um die deutschen Automobilhersteller BMW, Daimler und Volkswagen. SHE avanciert derzeit zu einem De-Facto-Standard und sieht innerhalb der Steuergerätearchitektur eine besonders geschützte, sichere Zone vor, in der zum Beispiel Verschlüsselungs- und Entschlüsselungs-Algorithmen, Sicherheitscodes und andere sensible Daten abgelegt werden. Der Zugang zu dieser Zone ist besonders streng geschützt – sowohl hardware- als auch softwareseitig.

Um die Anforderungen von SHE zu erfüllen und gleichzeitig eine skalierbare Architektur zu bieten, bevorzugt Delphi eine Single-Chip-Lösung. Sie hat den Vorteil, dass mit ihr sowohl Einstiegs- (ohne Grafikdisplay) als auch High-End-Cockpits (mit großem, frei konfigurierbarem Display) darstellbar sind. Bei der High-End-Lösung ist unter Umständen noch ein separater Grafikprozessor erforderlich. Der Hauptprozessor entspricht den SHE-Spezifikationen und ermöglicht Funktionen wie beispielsweise die Wegfahrsperre, den schlüssellosen Zugang und die Verschlüsselungsprozeduren im Zusammenspiel mit der Funkfernbedienung.

Schlüsselparameter bei der Entwicklung von Instrumentenclustern

Schon 1976 bot der Aston Martin Lagonda erstmals ein Cockpit mit einem konfigurierbaren Display auf Basis der Kathodenstrahl-Technik an. Trotz der immensen Aufwendungen waren im Serienbetrieb hohe Garantie- und Reparaturkosten für das Cockpit zu verzeichnen. Heute hingegen müssen bei allen Komponenten eines Automobils schon vor dem Serienanlauf wettbewerbsfähige Kostenstrukturen, eine hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit unbedingt sichergestellt sein. An diesen Grundvoraussetzungen müssen sich auch Instrumentencluster messen lassen.

Links ist ein laserbasiertes diffraktives HUD mit einem Volumen von 0,5 l, rechts ein konventionelles HUD auf Basis aspherischer Spiegel (Volumen: 3,2 l) zu sehen.Delphi

Heute treffen die Menschen an vielen Orten und in vielen Situationen auf grafische Mensch-Maschine-Schnittstellen. Deshalb sind die Erwartungen und Nutzungsmuster der Autofahrer auch hochgradig von den Strukturen der Consumer-Elektronik beeinflusst. Beispielsweise sind dort die Produktlebenszyklen ungleich kürzer, was die Automobilentwickler vor vielfältige Herausforderungen stellt. So wäre eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die bei Serienanlauf durch die rasche technische Entwicklung bereits wieder veraltet ist, völlig inakzeptabel. Gleichzeitig müssen die Displays aber den hohen Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie genügen und über die Fahrzeuglebensdauer hinweg eine hohe Zuverlässigkeit und Qualität aufweisen. Um dies zu garantieren, werden die Displays vielfältigen Tests und Sicherheitsanalysen unterzogen, bei denen unter anderem die Resistenz gegen extreme Temperaturschwankungen, harte Stöße und dauerhafte Vibrationen geprüft wird. Aus diesem Grund müssen die wichtigsten Komponenten eines Displays – wie etwa die Hintergrundbeleuchtung, die Steckverbindungen, die Polarisatoren und Leuchtkristalle – eine deutlich höhere Qualität als beim Einsatz in Consumer-Elektronikprodukten aufweisen.

Bezüglich Auflösung und Helligkeit spielen wiederum Faktoren wie Kontrast, Ansprechzeit und Sichtwinkel eine sehr wichtige Rolle bei der Konstruktion und Auslegung eines Display-basierten Cockpits. Die erste Generation frei konfigurierbarer Cockpitdisplays hat eine Auflösung von 112 Pixeln pro Inch, die zweite und dritte Generation wird 167 Pixel pro Inch aufweisen. Für die vierte Produktgeneration lautet das Ziel 250 Pixel pro Inch. Diese höhere Auflösung ist nicht nur von der Grafik getrieben, sondern auch von der Vielzahl neuer Funktionen, die auf den Displays dargestellt werden. Paradebeispiel ist etwa die Überwachung der Fahreraktivitäten mithilfe einer Kamera, die sich hinter einer dreidimensionalen Cockpitoberfläche verbirgt. Bei diesem Anwendungsfall ist eine Bildauflösung von maximal der Hälfte der Nenn-Auflösung des Displays möglich. Bei einer Display-Auflösung von 250 Pixeln pro Inch ist somit ein dreidimensionales Bild mit einer maximalen Auflösung von 125 Pixeln pro Inch erzielbar.

Neue Techniken für künftige Instrumentencluster

Das integrierte Cockpit-Konzept von Delphi nutzt Mikrosystem-Technologie sowie hybride optische Technologie, die jeweils mit unterschiedlichen Interface-Funktionalitäten zum Fahrer (Cluster, Center-Stack, HUD etc.) verbunden ist.Ronald Dybalski/Delphi

Für die weitere Entwicklung von Cockpitdisplays bieten sich interessante technische Neuerungen an: Etwa neue Tendenzen bei der Lasertechnik, bei opto-mechatronischen Anwendungen oder Zukunftsthemen wie miniaturisierte Head-Up-Displays und die lasergestützte rückwärtige Projektion auf die Displayoberfläche. Ein weiterer Trend ist die Verwendung von hochwertigen, edel wirkenden Oberflächen und organischen fließenden Geometrien in der Instrumententafel und Mittelkonsole. In diese Optik und Formensprache müssen sich auch die Anzeigeninstrumente harmonisch einpassen. Allerdings stoßen hier konventionelle Anzeigetechniken und -formen allmählich an ihre Grenzen.

Neue Ansätze wie gekrümmte LCD-Displays oder OLED können hier nur bedingt Abhilfe schaffen, da bei ihnen nur bestimmte Krümmungsradien in nur einer Richtung möglich sind. Eine rückwärtige Projektion per Laserstrahl auf die Displayoberfläche in Zusammenspiel mit mikromechatronischen Schaltelementen benötigt hingegen nur eine geringe Bautiefe und lässt sich auch für komplex geformte Oberflächen adaptieren. Dies hat die Vorentwicklung von Delphi bereits mit Versuchsträgern bewiesen, die einen besonders großen Austrittswinkel des Laserstrahls und speziell geformte Optiken für die Korrektur von Abbildungsfehlern aufweisen. Diese Technik bietet großes Potenzial zur Darstellung von großflächigen Displays, die sich perfekt in komplexe Oberflächengeometrien einfügen.

Neben solchen gestalterischen Herausforderungen stellen auch das autonome Fahren und die Entwicklung von neuen skalierbaren Hardware- und Softwarearchitekturen, die offen sind für immer neue Formen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, besondere Ansprüche an die Entwickler. Solche neuartigen, höchst vielseitigen und komplexen Instrumentencluster bündeln Informationen aus verschiedenen Quellen, verarbeiten sie in Echtzeit und zeigen sie dem Fahrer in ergonomisch möglichst optimaler Weise an. Hier gilt es beispielsweise jeweils für den Einzelfall zu definieren, welche Information der Fahrer auf welchem Display, in welcher Form und zu welchem Zeitpunkt erhält, um die bestmögliche Verkehrssicherheit zu erzielen. Für die Hard- und Software sind ebenfalls neue Ansätze erforderlich. Schnittstellen wie das Cockpit, das Head-Up-Display, die Mittelkonsole, Displays in den Rückenlehnen oder im Dach dürfen nicht mehr als Einzelelemente aufgefasst werden, sondern als ein integriertes, multilokales und multifunktionales Gesamtsystem.

Eine neue Anzeige-Architektur könnte so aussehen, dass jedes Anzeige- und Eingabemodul eine gewisse Rechenintelligenz aufweist, die Gesamtsteuerung des Systemverbunds aber in einem separaten leistungsfähigen Rechner konzentriert ist. Das zuvor angesprochene Cockpitsystem mit gewölbter Displayfläche und Kamera zur Überwachung der Fahreraktivität ließe sich sehr gut in eine solche Architektur einfügen. Die bildgenerierenden Module (Kamera, Laser) verfügen jeweils über opto-mechatronische Komponenten und eine gewisse Rechenintelligenz. Ihre Informationen senden sie jeweils an die optimal dafür definierten Anzeigeinstrumente, etwa das Cockpit, das Head-Up-Display oder ein Display auf der Mittelkonsole. Die zentrale Steuerung kann entweder in einem dieser Module – etwa dem Cockpit – oder gänzlich woanders platziert sein. Die Verknüpfung von Opto-Mechatronik und dezentraler Rechenintelligenz ermöglicht nicht nur extrem platzsparende Cockpits, sondern auch Display-Oberflächengeometrien, die sich perfekt an die generelle Formgebung der Instrumententafel anpassen.

(av)