Fahrerzentrierter Kriterienkatalog zur Außensichtbeurteilung im PKW

189 Pages·2014·9.64 MB·German

by  Lars Woyna

Fahrerzentrierter Kriterienkatalog zur Außensichtbeurteilung
im PKW

Vom Fachbereich Maschinenbau
der Technischen Universität Darmstadt
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte

D i s s e r t a t i o n

vorgelegt von

Dipl.-Ing. Lars Woyna

aus Darmstadt

Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Ralph Bruder
Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Uwe Klingauf
Tag der Einreichung: 01.07.2013
Tag der mündlichen Prüfung: 13.11.2013

Darmstadt, 2014

D17
Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit, abgesehen von den in ihr ausdrücklich genannten
Hilfen, selbständig verfasst habe

ii
Danksagung
Im Rahmen der Projektbearbeitung, die diese Promotion begleitet hat, wurden viele hervorragende
studentische Arbeiten initiiert, durchgeführt und betreut, ohne deren Arbeitsleistung und inhaltlichen
Ertrag die Erstellung der vorliegenden Arbeit in dieser Form nicht möglich gewesen wäre. Daher gilt
mein persönlicher Dank ganz besonders den folgenden Studenten, die mit ihrem unermüdlichen
Einsatz, ihrem Durchhaltewillen, ihrer Kreativität und Interesse sowie ihrer Zielstrebigkeit und Sorgfalt
bei der Bearbeitung und Zielerreichung maßgeblich zum Gelingen beigetragen haben:
Bastian Brandt, Lutz Cloos, Felix Crößmann, Songyan Di, Özgür Eyigoz, Christian Faustmann, Jens
Focke, Thorsten Groß, Zhihong Guo, Martin Hesse, Serkan Koltuk, Ingmar Langer, Jens Meister,
Roland Nattermann, Markus Penner.Johannes Pfeiffer, Daniel Prein, Peter Rieser, Philipp Roßmann,
Jochen Ruhl, Christopher Seib, Philip Skribanowitz, Akira Tarumi, Serhat Umar, Shanshan Yu, Silvia-
Luna Yzaguirre Sanchez, Lei Zhang, Ilka Zöller,
Weiterhin gilt mein Dank für die Unterstützung durch ein offenes Ohr und der Bereitschaft für viele
fruchtbare Diskussionen meinen Kollegen:
Dr. Bettina Abendroth, Max Bierwirth, Klaus Fuchs, Michaela Kauer, sowie ganz besonders Michael
Schreiber.
Für das mir entgegengebrachte Vertrauen und die tatkräftige Unterstützung seitens des industriellen
Projektpartners danke ich der Adam Opel AG, insbesondere persönlich Herrn Dr. Stefan Gloger und
Herrn Marc Schmidt, Herrn Holger Klein und Herrn Friedrich Kirchner.
Für die inhaltliche Betreuung meiner Dissertation, herzlich bedanken möchte ich mich überdies bei
meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Ralph Bruder, der mich über die gesamte Promotionsphase hinweg
fachlich hervorragend begleitet und gelenkt hat. Ebenso sei Herrn Prof. Dr.-Ing Uwe Klingauf für die
Übernahme des Korreferats gedankt.
Darüber hinaus möchte ich mich bei meiner gesamten Familie für die persönlich Unterstützung, das
Verständnis und die ausdauernden Ermutigungen während meiner gesamten Promotionszeit und
insbesondere während der Verschriftlichungsphase bedanken.

Besonders hervorgehoben sei das stets freundliche, konstruktive, kooperative und unkomplizierte
Arbeitsklima und der nette Umgang am Institut für Arbeitswissenschaft der TU Darmstadt, ohne das
eine erfolgreiche Forschungsarbeit nicht erfolgreich hätte stattfinden können. Meinen (ehemaligen)
Institutskollegen sei dafür herzlichst gedankt.

iii
Zusammenfassung
Die Berücksichtigung der Sichtverhältnisse des Fahrer eines Kraftfahrzeugs innerhalb der Fahrzeug-
entwicklung lässt sich im Hinblick auf eine verkehrssichere und komfortabel / angenehme Teilnahme
am Straßenverkehr aus vielerlei Gründen motivieren. Um der hohen Relevanz des visuellen Sinnes-
bzw. Informationskanals für die Bewältigung der Fahraufgabe Rechnung zu tragen und diese vor
allem gegenüber den zahlreichen konkurrierenden Anforderungen im Fahrzeugentwicklungsprozess
zu stärken, bedarf es belastbarer, nachvollziehbarer Beurteilungskriterien und -methoden. So ist das
Ziel der vorliegenden Arbeit die Erarbeitung eines derartigen Kriterienkatalogs zur Sichtbeurteilung.
Einer Analyse zum Stand der Technik bzw. Forschung hinsichtlich Sichtbeurteilungsmethoden bzw.
Wechselwirkungen zwischen Sichtbeeinträchtigung und potentiellen Folgewirkungen auf das Fahr-
geschehen, folgt die Entwicklung eines Modells zur Unterteilung und gleichzeitigen Gewichtung von
Teilsichtbereichen, welche sich auf das Datenfundament einer hochdetaillierten Unfalldatenbank
(GIDAS) stützt. Basierend auf dieser werden gezielt jene Unfallereignisse analysiert und statistisch
ausgewertet, für die ein ursächlicher Zusammenhang mit einem (karosserieinduzierten) visuellen
Informationsdefizit aufgezeigt sowie ein assoziierter Sichtbereich zugeordnet werden kann.
Dieser gewichteten Einteilung in vier Teilsichtbereiche, welche die unterschiedliche Relevanz der
Sichtbereiche für die Fahrzeugführungsaufgabe reflektiert, folgt die spezifische, detaillierte Unter-
suchung der einzelnen Teilsichtbereiche zu deren Feinunterteilung bzw. zur Schaffung teilsicht-
bereichsspezifischer Kriterien. Dieses modulare Untersuchungskonzept (Superpositionsprinzip), das
die Sichtanforderungen innerhalb des Teilsichtbereichs von der globalen Relevanz des jeweiligen
kompletten Teilsichtbereiches entkoppelt betrachtet, ermöglicht die spätere Erweiterung um zusätz-
liche Kriterien sowie die Aktualisierung des Gewichtungsfundamentes (Unfalldatenanalyse) der
Teilsichtbereiche. Innerhalb der Teilsichtbereiche werden die Sichtanforderungen als „Sichtbedarf“
des Fahrzeugführers interpretiert und als solche sukzessive ermittelt.
Zur Feinunterteilung der Frontsicht wird daher in einer umfangreichen Probandenstudie im realen
Straßenverkehr die reale, situationsspezifische Blickverteilung - referenziert auf das Fahrzeugkoor-
dinatensystem - ermittelt. Daraus resultiert eine raumwinkelkodierte Feingewichtungsmatrix, welche in
eine anschließende Methodenentwicklung zur Anwendung in der Fahrzeugentwicklung als Beur-
teilungskriterium einfließt. Eine Korrelationsanalyse hiermit ermittelter Frontsichtbeurteilungen mit den
Ergebnissen einer subjektiven, dynamischen Beurteilungsreihe gleicher Fahrzeuge kann die
Aussagefähigkeit der entwickelten Methode für die subjektive Sichtbeurteilung für herkömmliche
Fahrzeugkonzepte aufzeigen.
Der Untersuchungsansatz für die Seitensicht stützt sich auf eine Parameterstudie mit Probanden
hinsichtlich der Positionierung der sog. B-Säule. Diese kann sowohl statistisch-sicherheitstechnisch
als auch subjektiv als das dominante Bauteil bzgl. einer Sichtbeeinträchtigung im Seitensichtbereich
iv
identifiziert werden. Aus dem Ergebnis wird eine Beurteilungsmethode für den Seitensichtbereich
herkömmlicher PKW-Konzepte abgeleitet, die sich am Anteil des erwarteten Fahrerkollektivs
orientiert, für welches die als akzeptabel erhobenen, augpunktabhängigen Sichtbedingungen
vorliegen.
Die Beurteilung des Teilsichtbereichs im Heck gliedert sich in einen Nah- und Fernsichtbereich bzw.
einen direkten und indirekten Hecksichtbereich auf, für den jeweils unterschiedliche Bewertungs-
kriterien entwickelt werden, die den Rahmen gesetzlicher Anforderungen übersteigen und einen
Erkenntnisgewinn generieren. Aus empirischen, in der Literatur vorliegenden, Ergebnissen von
Fahrversuchen zur relativen Position nachfolgender Fahrzeuge im rückwärtigen Fernbereich wird ein
Bewertungskriterium der indirekten Rücksichtverhältnisse (Innenspiegel) übernommen und in eine
Bewertungsmethode integriert. Das Beurteilungskriterium für den direkten rückwärtigen Nahsichtbereich wird
aus theoretischen Betrachtungen zu typischen Bewegungstrajektorien des rückwärtsbewegten Egofahrzeugs
abgeleitet und ebenfalls in eine Bewertungsmethode überführt.
Abschließend wird anhand einer exemplarischen Anwendung der entwickelten Methoden das
Konzept einer Gesamtbewertung der Sichtbedingungen unter Berücksichtigung des Erfüllungsgrades
des Sichtbedarfs der Teilsichtbereiche und der unterschiedlichen Relevanz der Teilsichtbereiche
verdeutlicht sowie der Weg für eine ausstehende Validierung der vorgeschlagenen Methode
aufgezeigt.
Basierend auf den beschriebenen, realitätsbezogen ermittelten Kriterien soll die vorliegende Arbeit
gemäß Ihrer Motivation als Beitrag zur Schaffung verbesserter, stärker objektiver und
nachvollziehbarer Sichtbeurteilungsmethoden im Fahrzeugentwicklungsprozess verstanden werden.
Darüber hinaus ermöglicht Ihr modularer Untersuchungs- und Gewichtungsansatz die kontinuierliche
Aktualisierung oder Erweiterung der einzelnen Bewertungskriterien.

v
Abstract
There are several reasons why the outward visibility of a passenger car driver should be considered
during the vehicle development process. Providing for the tremendous importance of the visual
information channel for safe and comfortable vehicle driving, valid and comprehensible evaluation
criteria and methodology are required. Even more, when the broad range of competitive development
requirements is taken into account. Related to that the ambition of this thesis is to create a catalogue
of geometrical criteria for the evaluation of outward visibility in passenger cars.
Starting with the state of the art concerning outward visibility evaluation and interaction between sight
impairment and potential side effects on driving, a model is developed which allows a subdivision of
the outward vision field into four weighted main vision subsectors. Therefore this approach is based
on a highly detailed – so called `in-depth´ - accident database which is analyzed for accidents which
occurred verifiably due to vehicle body induced sight obstructions in an associated vision sector.
Within those four subsectors whose weighting reflect their different importance for the driving task,
separate individual studies are conducted in order to analyze the driver’s geometrical visual demand
for adequate driving which will later on serve as partial, vision sector internal, criteria. This modular
(super positioning / coarse to fine) approach allows continuous updates of revised vision criteria
section wise since it regards the sector internal vision requirements independent from the global
relevance of the particular sector.
In terms of forward visibility the actual driver gaze distribution with regards to the vehicle fixed coor-
dinate system is recorded in well assorted driving / traffic situations in realistic driving conditions on
public roads. The result of this is a dihedral angularly coded matrix of fine weightings for a further sub-
division of the forward visibility subsector. Based on that, a methodology is presented using this for-
ward visual demand to create geometrical criteria for the vehicle development. In addition a
correlation study comparing this method with subjective evaluation for the same subset of vehicles
gained in a realistic drive clinic shows a high confidence level for this methodology in terms of
predicting subjective driver sight evaluation.
In order to investigate side visibility, a parameter study with probands is conducted focusing on the
location angle of the vehicle’s driver side B-pillar as the dominant component in terms of vision
impairment. Its importance concerning side visibility is supported by vehicle safety statistics as well as
by a subjective survey prior to the actual study. As a result of this study a methodology for side vision
evaluation in passenger cars is developed combining the gained acceptance margin with the range of
eyepoints of the expected driver population.
Rear visibility is treated and investigated separately in two subsectors: A short-range and a long-
range sector respective direct- and indirect rear vision sector. For both sectors evaluation methodo-
logy is created which exceeds the legal requirements and therefore provides significant benefits for
vi
rear vision assessment. In terms of indirect rear vision a metric is derived based on published results
of empirical studies concerning the distribution of relative locations of following vehicles in real traffic
environment. This methodology enables an assessment of the rear window based on objective data.
The direct rear vision / short range zone is analyzed theoretically with regards to typical motion paths
of passenger cars during reversing situations. Though, the actual evaluation criterion is based on the
ground floor area which is in a reversing vehicle’s reach. The higher the percentage of visibility of this
area provided by the vehicle to be assessed, the higher the individual score for direct rear vision is.
Finally, the complete method is applied exemplarily, emphasizing the approach of an overall passen-
ger car outward visibility evaluation based on the degree of fulfillment of the visibility demand per sight
section. In addition, recommendations are presented showing the way how the validation of the
methodology could be conducted.
In summary, this thesis provides a tool that is to be understood as a measure to evaluate outward
visibility geometrically based on real driver vision behavior related criteria in a more objective and
understandable manner during the vehicle development process. Furthermore, the modular
investigation and weighting approach empowers to constantly update or extend the range of criteria.

vii
Inhaltsverzeichnis

Erklärung ................................................................................................................................................... ii
Danksagung ............................................................................................................................................. iii
Zusammenfassung .................................................................................................................................. iv
Abstract .................................................................................................................................................... vi
Inhaltsverzeichnis................................................................................................................................... viii
1. Einleitung ...........................................................................................................................................1
1.1. Motivation .......................................................................................................................................1
1.2. Abgeleitete Fragestellung ..............................................................................................................7
1.3. Aufbau der Arbeit ...........................................................................................................................7
2. Stand der Forschung und Technik ....................................................................................................9
2.1. Informationsaufnahme über den visuellen Sinneskanal ...............................................................9
2.2. Fahrzeugtechnische & fahrzeugergonomische Grundbegriffe ...................................................12
Fahrzeugkoordinatensystem ..................................................................................................................................... 12
Sichtrelevante Fahrzeugbauteile ............................................................................................................................... 12
Positionierungsmaße des Fahrers im Fahrzeug ......................................................................................................... 13
Fahrzeugsichtergonomische Grundbegriffe ............................................................................................................... 14
2.3. Methoden zur Sichtbeurteilung ....................................................................................................15
2.3.1. Gesetzliche Rahmenbedingungen und Richtlinien ..................................................................15
Regelwerke zur Auslegung des Frontsichtbereichs .................................................................................................... 17
Regelwerke zur Auslegung des Hecksichtbereichs ..................................................................................................... 22
Regelwerke zur Auslegung des Seitensichtbereichs ................................................................................................... 24
2.3.2. Nichtgesetzesrelevante Beurteilungsmethoden .......................................................................25
Physikalisch - objektive Methoden ............................................................................................................................ 27
Physikalisch - subjektive Methoden .......................................................................................................................... 30
Virtuelle Methoden ................................................................................................................................................... 31
Virtuell - Objektive Beurteilungsverfahren ................................................................................................................ 31
Virtuell - subjektive Beurteilungsverfahren ............................................................................................................... 32
2.3.3. Zusammenfassende Bewertung existierender Methoden .......................................................35
3. Modell zur Ermittlung des Sichtbedarfs des Fahrers ......................................................................40
3.1. Modell zur Einteilung der Rundumsicht .......................................................................................40
3.1.1. Ansätze zur Sichtbereichseinteilung ........................................................................................40
Top-Down-Ansatz zur Einteilung der Sichtbereiche ................................................................................................... 40
Bottom-Up-Ansatz zur Einteilung der Sichtbereiche .................................................................................................. 43
viii
Hybrider Ansatz ........................................................................................................................................................ 44
3.1.2. Einteilungskriterium zur Grobeinteilung der Rundumsicht .......................................................44
3.1.3. Abgrenzung und Gewichtung der Teilsichtbereiche ................................................................46
Auswahl der verwendeten Datenquelle .................................................................................................................... 46
Ableitung einer gewichteten Sichtbereichseinteilung ................................................................................................ 49
3.2. Modell einer sichtbedarfsorientierten Gesamtbewertung............................................................53
4. Bestimmung des Frontsichtbedarfs .................................................................................................54
4.1. Untersuchungskonzept ................................................................................................................55
4.2. Versuchsaufbau ...........................................................................................................................58
4.2.1. Versuchsfahrzeug .....................................................................................................................58
4.2.2. Messausrüstung........................................................................................................................60
4.2.3. Blickrichtungsanalyse ...............................................................................................................61
4.2.4. Einfluss der Augpunktposition ..................................................................................................62
4.2.5. Probandenkollektiv ...................................................................................................................64
4.2.6. Versuchsstrecke .......................................................................................................................67
4.2.7. Situationsidentifikation ..............................................................................................................70
4.3. Ergebnisse ...................................................................................................................................70
4.4. Ableitung einer Frontsicht-Beurteilungsmethode ........................................................................75
4.4.1. Praktische Umsetzung der 15-Feld-Methode & exemplarische Anwendung ..........................75
4.4.2. Gegenüberstellung subjektiver & objektiver Bewertung ..........................................................78
4.5. Abgrenzung von ähnlichen Methoden .........................................................................................79
4.6. Zusammenfassende Betrachtung der Frontsichtbeurteilung ......................................................84
5. Bestimmung des Seitensichtbedarfs ...............................................................................................85
5.1. Untersuchungskonzept ................................................................................................................89
5.2. Variationsbereich der Sichtparameter .........................................................................................90
5.3. Versuchsaufbau ...........................................................................................................................91
5.3.1. Versuchsstrecke .......................................................................................................................92
5.3.2. Probandenkollektiv ...................................................................................................................93
5.3.3. Erhebungsmethode ..................................................................................................................94
5.3.4. Hypothesen ...............................................................................................................................94
5.4. Ergebnisse ...................................................................................................................................95
5.5. Ableitung einer Seitensicht-Bewertungsmethode .................................................................... 106
6. Bestimmung des Hecksichtbedarfs .............................................................................................. 108
6.1. Systematisierung der Hecksichtbereiche ................................................................................. 108
6.2. Bestimmung des Sichtbedarfs im rückwärtigen Fernbereich ................................................... 108
6.3. Bestimmung des Sichtbedarfs im rückwärtigen Nahbereich ................................................... 113
6.4. Ableitung einer Hecksicht-Beurteilungsmethode ..................................................................... 117
7. Methode zur Gesamtsichtbeurteilung .......................................................................................... 121
7.1. Definition der Erfüllungsgrade der Teilsichtbereichskriterien ................................................... 121
7.1.1. Frontsicht ............................................................................................................................... 121
7.1.2. Seitensicht.............................................................................................................................. 122
7.1.3. Hecksicht ................................................................................................................................ 122
ix
7.2. Exemplarische Anwendung der Gesamtsichtbewertung ......................................................... 122
7.3. Validierung der entwickelten Methode...................................................................................... 127
8. Ausblick ......................................................................................................................................... 128
8.1. Kritische Betrachtung von Umfang und Aktualität der verwendeten Datenbasis .................... 128
8.2. Optimierungspotential ............................................................................................................... 128
8.2.1. Seitensicht.............................................................................................................................. 128
8.2.2. Hecksicht ................................................................................................................................ 129
8.3. Anwendung in der industriellen Praxis ..................................................................................... 129
Literaturverzeichnis .............................................................................................................................. 131
Literaturquellen .................................................................................................................................... 131
Normen, Gesetze und Richtlinien: ....................................................................................................... 138
Internetquellen ..................................................................................................................................... 138
Patente & Offenlegungsschriften: ........................................................................................................ 138
Studentische Arbeiten .......................................................................................................................... 139
Studienarbeiten ...................................................................................................................................................... 139
Diplomarbeiten ....................................................................................................................................................... 139
Bachelorthesis ........................................................................................................................................................ 139
Anhang ................................................................................................................................................. 140
A. GIDAS-Unfalltypenbeschreibung .............................................................................................. 140
B. Algorithmus Blickrichtungsanalyse ........................................................................................... 145
C. Probandenfragebogen Blickdichteverteilung in Anlehnung an Rieser & Zöller (2011) ........... 151
D. Probandenkollektiv der Hauptversuchsreihe zur Ermittlung der Blickdichteverteilung ........... 155
E. Situationsspezifische Blickdichteverteilungen zur Überlagerung............................................. 156
F. Gesamtblickdichteverteilung durch Überlagerung der situationsspezifischen Verteilungen ... 157
G. Exemplarische Anwendung der Frontsichtbeurteilung ............................................................. 159
H. Fahrstrecke GME-Visibility Driving Clinic ................................................................................. 160
I. Fragebogen für die dynamische B-Säulen-Beurteilung ........................................................... 161
J. Fragebogen für die statische B-Säulen-Beurteilung ................................................................ 162
K. Einzel Ergebnisse der B-Säulen-Beurteilung ........................................................................... 163
L. Testschrankentabelle ................................................................................................................ 164
M. Probandenkollektiv Augellipsenversuche WAHL 2008 ............................................................ 164
N. Übersichtsmatrix: Untersuchungsschwerpunkte & Methodik ................................................... 165
O. Versuchsmatrix: Erhebung Fahrerbeanspruchung und –Reaktion vs verwendete
Erhebungsmethoden je Untersuchungsreihe im Forschungsprojekt .................................................. 166
Abbildungsverzeichnis ......................................................................................................................... 167
Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................................ 176
Variablenverzeichnis ............................................................................................................................ 177
Lebenslauf ............................................................................................................................................ 178
x