ZF: Erstes Pre-Crash-System mit externem Seitenairbag

Auf dem Weg zur Vision Zero, dem Ziel von null Emissionen und Unfällen, sind immer fortschrittlichere elektronische Assistenten sowie automatisierte Fahrfunktionen erforderlich. Bisher berichtete AUTOMOBIL-ELEKTRONIK primär über die entsprechenden ADAS- und AD-Systeme, aber noch für lange Zeit werden diese Systeme jedoch nicht alle Unfälle verhindern können, so dass unvermeidliche Kollisionen Teil des Verkehrsalltags bleiben. Folglich gilt es, auch den Insassenschutz weiter zu verbessern, sodass insbesondere Pre-Crash-Systeme hier neue Möglichkeiten eröffnen.

Das Pre-Crash-System mit externem Seitenairbag im Rahmen der Crashdemo für die Redaktion. ZF

Eines jedoch gleich vorweg: Bei einer Crash-Demo waren Mitglieder unserer Redaktion von der Funktion des Seitenaufprallschutzes rundum beeindruckt.

Wie der Name impliziert, lösen diese Schutzsysteme bereits wenige Millisekunden vor dem Aufprall des Unfallgegners aus und nicht erst danach. Daraus ergibt sich ein großes Potenzial, die Unfallschwere und damit die Folgen für Fahrzeuginsassen zu mindern. Darüber hinaus bilden Pre-Crash-Systeme eine Voraussetzung für neue Rückhaltesysteme und flexiblere Innenraumkonzepte wie zum Beispiel für jene, die für hochautomatisierte und autonome Fahrzeuge in Aussicht gestellt sind.

Bild 1: Das von ZF entwickelte Pre-Crash-Insassenschutzsystem mit externem Seitenairbag kann unmittelbar vor dem Crash eine zusätzliche seitliche Knautschzone bereitstellen. So lassen sich bei einem Seitenaufprall die Unfallfolgen für die Insassen um bis zu 40 Prozent mindern. ZF

ZF präsentierte kürzlich den Prototyp des weltweit ersten vor dem Crash ausgelösten Insassenschutzsystems mit externem Seitenairbag. Zugleich demonstrierte das Unternehmen die Wirksamkeit einer solchen Lösung: Die Unfallfolgen für Insassen kann diese Pre-Crash-Anwendung um bis zu 40 Prozent mindern, das Eindringen des Unfallgegners in die Karosserie um bis zu 30 Prozent reduzieren.

Die Entscheidung, mit einem neuen Pre-Crash-System gerade beim Unfalltyp Seitenaufprall zu starten, fällte ZF auch angesichts statistischer Daten, denn aus Sicht des Pkw-Insassen ist es eine der gefährlichsten Arten von Verkehrsunfällen. Fast 700 Menschen pro Jahr (Quelle: GIDAS 2015, gewichtet nach Destatis) kommen dabei allein auf deutschen Straßen in einem Pkw ums Leben; das entspricht einem Drittel der getöteten Fahrzeuginsassen überhaupt. Ein Grund dafür ist die vergleichsweise geringe laterale Knautschzone bei Pkw. Der externe Pre-Crash-Airbag ist darauf ausgelegt, eben diese direkt vor der Kollision aktiv zu vergrößern.

Neue Anforderungen an die Umfeldsensorik

Bild 2: Wirkkette des pre-crash ausgelösten Insassenschutzsystems mit externem Seitenairbag. ZF

Damit einhergehen neue Anforderungen an die Umfeldsensorik. In punkto Leistungsfähigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit ist für die Auslösung der irreversiblen Aktuatoren wie dem externen Seitenairbag in etwa jenes Niveau gefragt, das assistierte und automatisierte Fahrfunktionen der nächsten Generation im Pkw mitbringen. Die Sensorinformationen müssen qualitativ so gut sein, dass Pre-Crash-Systeme auf dieser Basis eine zweifelsfreie Unfallvorhersage und Auslöseentscheidung treffen können.

ZF entwickelte auch dieses Gesamtsystem entlang der Wirkkette See-Think-Act. Letztere folgt dem Entscheidungsmuster des Menschen (Bild 2).

Systematisch zum Pre-Crash-System

Am Anfang des Projekts standen umfassende Auswertungen von Daten über reale Crashs, generiert aus den ausführlichen Unfalldokumentationen der GIDAS-Datenbank. Die Analyse ergab unter anderem, dass den meisten Unfällen mit ernsthafter oder höherer Verletzungsschwere auf Level MAIS 2+ eine Fahrzeugdeformation zwischen der A- und C-Säule zugrunde liegt. Dort ist daher auch der Hauptwirkungsbereich des externen Seitenairbags verortet und damit auch sein größtes Potenzial zur Minderung der Unfallfolgen für Insassen. Ausgelegt ist das System auf Kollisionen mit anderen Pkw, mit leichten und schweren Lkw sowie mit pfahlförmigen Objekten.

Für die detailliertere Konzeption des Außenairbags wurden in den Simulations-Szenarien zudem jeweils folgende Parameter definiert: Sollgeschwindigkeit und Typ des getroffenen Fahrzeugs – im konkreten Fall wurde für die Simulation eine bekannte Mittelklasselimousine herangezogen – sowie Geschwindigkeit, Fahrzeugmasse, Typ, Aufprallwinkel und Aufprallpunkt des Unfallgegners. Bei Kollisionen mit einem Pfahl berücksichtigten die Modelle auch dessen Durchmesser. Die Verletzungsrisiken für Insassen wurden anhand eines WorldSID-50th-Percentile-Dummys eruiert. Insgesamt griff ZF für das neue integrierte Sicherheitssystem auf einen Pool mit mehr als 28.000 Szenarien zu. Diese beinhalten auch Situationen mit negativer Auslöseentscheidung. Das wäre zum Beispiel bei Aufprallpunkten außerhalb des Wirkbereiches, bei Kollisionen mit geringer Energie oder bei Beinahe-Unfällen der Fall.

Handeln: Auf Zeitpunkt und Tempo kommt es an

Bei den Situationen mit positiver Auslöseentscheidung erwies es sich als guter Kompromiss zwischen Wirksamkeit und Auslösedauer, den Airbag so zu timen, dass sein Maximaldruck 60 ms nach dem Zünden anliegt. Anders gesagt: Idealerweise löst der Airbag exakt diese Sekundenbruchteile vor der unvermeidbaren Kollision aus. Hinsichtlich der Airbag-Ausführung erwies sich ein Einkammer-System mit 280 bis 400 l Volumen (fahrzeugabhängig) und 1,2 bar Innendruck als am besten geeignet, die Anforderungen zu erfüllen.

Denken: Blitzschnell von der Prognose zur Entscheidung

Bild 3: Die Zündentscheidung ist abhängig vom vorhergesagten Kollisionsbereich. ZF

Die engen Zeiträume verdeutlichen, wie wichtig eine zuverlässige und exakte Crash-Prognose durch das System ist. Da diese Prognose jedoch auf elektronischer Umfelderkennung basiert, gibt es für jeden berechneten Prognosewert Toleranzen. Es gilt daher, zu definieren, wie mit diesen Ungenauigkeiten umzugehen ist. Eine Strategie besteht darin, auch Toleranzen für die Sollwerte wie für den Kollisionspunkt beziehungsweise Kollisionsbereich zu definieren (Bild 3).

Fahrerreaktionen wie ungewöhnliche Lenk- oder Bremsmanöver innerhalb des vorhergesagten Zeitbereichs können nicht in eine Prognose einbezogen werden. Das bedeutet, dass es auch in jeder vorhergesagten Trajektorie die Möglichkeit einer Ungenauigkeit geben kann. Unter der Annahme einer maximalen Querbeschleunigung von ±1,0 g und einer Längsbeschleunigung von -1,0 g bis 0,4 g von Unfallgegner und Zielfahrzeug wurden daher für jedes Szenario 81 mögliche Trajektorien für unterschiedliche Prognosezeiträume berechnet. Daraus ergeben sich zum Beispiel die Größe der prognostizierten Kollisionsbereiche abhängig vom Prognosezeitraum und Szenario.

Fest steht dabei: Je weiter die Prognose vorausblickt, umso größer wird der potenzielle Kollisionsbereich. Folglich ist das Zeitfenster, für das eine Trajektorie vorausberechnet werden muss, einer der wichtigsten Parameter für eine präzise Crash-Prognose und damit für eine zuverlässige Zündentscheidung. Dieser Zeitbereich setzt sich zusammen aus der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Sensorik- und Wahrnehmungssystems, der Prognosedauer, der Zündentscheidung und der Auslösezeit des Airbags. Insgesamt stehen dem Pre-Crash-System für das Entscheiden und Bereitstellen nur rund 150 ms zur Verfügung.

Bild 4: Die Einzelschritte im Auslöseprozess – von der Sensierung über die Beurteilung des Pre-Crash-Szenarios bis zum Triggern. ZF

Die Auslöseentscheidung hängt ebenfalls von verschiedenen Aspekten ab (Bild 4). Den ersten beschreibt die Frage, ob es tatsächlich eine Kollision geben wird. In diesem Fall gilt es somit, zu prüfen, ob die Wahrscheinlichkeit für einen Crash ausreichend hoch ist, um im Entscheidungspfad einen Schritt weiter zu gehen, oder ob das nicht der Fall ist.

Zweitens muss beantwortet werden, ob in der konkreten Situation auch gewollt ist, dass das Pre-Crash-System auslöst. Soll also der externe Seitenairbag (oder ein anderer irreversibler Aktuator) nur dann zünden, wenn tatsächlich eine Verringerung der Insassenverletzungen zu erwarten ist? Als Parameter für diese Entscheidung dienen beispielsweise der Kollisionsbereich, die relative Aufprallgeschwindigkeit zwischen Zielfahrzeug und Unfallgegner, der Kollisionswinkel sowie der Fahrzeugtyp.

Der dritte Punkt „Darf man auslösen?“ betrachtet ergänzende Sicherheitsaspekte. Beim Auslösen des Airbags nach außen ist sicherzustellen, dass dies niemanden in der unmittelbaren Fahrzeugumgebung gefährdet. Es muss klar sein, dass sich dort beim Entfalten keine Menschen oder Objekte befinden.

Den abschließenden vierten Schritt der Zündentscheidung bildet die Überprüfung des Systemzustands. Schließlich muss auch aus technischer Sicht alles bereit sein. Das bedeutet beispielsweise, die Integrität zu kontrollieren. Darüber hinaus ist sicherzustellen, dass noch ausreichend Zeit zum Auslösen zur Verfügung steht, bevor Airbag und Unfallgegner aufeinandertreffen (siehe auch Abschnitt „Handeln“).

Sensorik: Strategischer 360-Grad-Blick

Bild 5: Vereinfachtes Sensorik- und Wahrnehmungsmodell mit einstellbaren Parametern und dem entsprechenden Optimierungsprozess. ZF

Eine gute Sensorik- und Wahrnehmungsstrategie ist für ein Pre-Crash-System ebenfalls elementar. Um jene zu definieren, die zur bestmöglichen Systemwirkung führt, nutzte ZF zunächst ein strahlenbasiertes, vereinfachtes Simulationsmodell mit einem Satz einstellbarer Parameter (Bild 5).

Dies hat zur Konfiguration eines hochleistungsfähigen Sensor-Sets geführt, das Kamera-, Radar- und Lidar-Technologien kombiniert. Damit sind beispielsweise bereits 99,9 Prozent der Referenzszenarien jener Unfälle abgedeckt, in denen sich der externe Airbag vor einem Crash entfalten muss. Bei entsprechenden Kollisionen des Pkw mit Lkw oder mit statischen Objekten erreichte dieses Sensorset sogar 100 Prozent. Entscheidend für diese guten Resultate ist die Fusion aller drei Sensortypen zur Umfelderkennung. Der Verzicht beispielsweise auf Lidar, welcher die kürzeste Zyklus- und Verarbeitungszeit hat, ließe die jeweiligen Abdeckungs-Prozentsätze deutlich fallen auf rund 22, 23 und 18 Prozent (Bild 6).

Bild 6: Diese Gegenüberstellung erläutert, wie viele Unfallszenarien, bei denen der externe Seitenairbag auslösen soll, eine Kombination aus Kamera/Radar/Lidar beziehungsweise Kamera/Radar abdeckt. ZF

Systemleistung: Summe aus See, Think, Act

Die Leistungsfähigkeit des Pre-Crash-Systems mit externem Außenairbag lässt sich anhand der Richtig-Positiv-Rate der Zündentscheidungen beschreiben. Berechnet wird diese mithilfe des GIDAS-basierten Szenario-Pools: Für jedes Szenario erfolgt eine Systemsimulation, beginnend beim Erfassen der Gefahr bis hin zur Entscheidung, den Airbag zu zünden. Die Resultate daraus und die Berücksichtigung der Szenario-Relevanz gemäß GIDAS-Unfallstatistik liefern schließlich das Endergebnis. Die szenariobasierte Simulation ermöglicht es, das System vorab hinsichtlich seiner primären Parameter wie Sensorik, Wahrnehmungsleistung oder Prognosealgorithmen zu analysieren.

Einer der bedeutendsten Parameter ist schließlich die Latenzzeit des Gesamtsystems, inklusive der Zeiten für das Erfassen der Sensorsignale, die Wahrnehmung, die Prognose, das Entscheiden und Auslösen des Airbags: Die theoretische Mindestverzögerung ist definiert durch die Auslösedauer des Airbags. Stiege die Latenzzeit durch andere Faktoren weiter, ließe das die True-Positive-Rate exponentiell abnehmen.

Die Zukunft der Pre-Crash-Systeme

Um – wie an diesem Innovationsbeispiel gezeigt – einen unvermeidbaren Unfall zweifelsfrei vorab zu erkennen und die Aktuatoren zuverlässig auszulösen, sind mehrere Faktoren entscheidend: Allen voran muss das System insgesamt hocheffizient arbeiten, alle Subkomponenten und Algorithmen im Sinne integrierter Sicherheit sehr gut zusammenspielen. Auch stellen Pre-Crash-Lösungen neue Anforderungen an die Präzision und Leistungsfähigkeit der Umfeldsensorik. ZF löste dies mit der Fusion von Kamera, Radar und Lidar. Ebenso maßgeblich ist eine insgesamt kurze Latenzzeit. Für die Entwicklung des Pre-Crash-Konzepts nutzte das Unternehmen eine szenariobasierte Top-Down-Methode, orientiert an der Wirkkette See-Think-Act.

Dem externen Seitenairbag will ZF weitere fortschrittliche Pre-Crash-Systeme folgen lassen, denn schließlich sieht der Konzern in dieser Technologie eine Grundvoraussetzung auch für neue Rückhaltesysteme im Innenraum von Fahrzeugen. Erst diese werden Insassen beim Fahren tatsächlich jene Bewegungsfreiheiten gestatten, die ihnen heutige Studien von autonomen Fahrzeugen suggerieren.