Infotainmentsysteme im Kraftfahrzeug. Grundlagen, Komponenten, Systeme und Anwendungen

373 Pages·2007·14.99 MB·German

by  Ansgar Meroth

Ansgar Meroth
Boris Tolg
Infotainmentsysteme
im Kraftfahrzeug
Weitere Bücher
aus dem Programm Elektronik
Sensorschaltungen
von P. Baumann
Elektroniksimulation mit PSPICE
von B. Beetz
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Böhmer, D. Ehrhardt und W. Oberschelp
Elemente der Elektronik – Repetitorium
und Prüfungstrainer
von E. Böhmer
Mechatronik
herausgegeben von B. Heinrich
Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation
herausgegeben von S. Hesse und G. Schnell
Hochfrequenztechnik
von H. Heuermann
Informatik für Ingenieure 1 und 2
von G. Küveler und D. Schwoch
Automobilelektronik
von K. Reif
Grundkurs Leistungselektronik
von J. Specovius
Handbuch Kraftfahrzeugelektronik
herausgegeben von H. Wallentowitz und K. Reif
Elektronik
von D. Zastrow
Bussysteme in der Fahrzeugtechnik
von W. Zimmermann und R. Schmidgall
vieweg
Ansgar Meroth
Boris Tolg
Infotainmentsysteme
im Kraftfahrzeug
Grundlagen, Komponenten,
Systeme und Anwendungen
Mit 219 Abbildungen und 15 Tabellen
Vieweg Praxiswissen
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Liste der Mitarbeiter:
Prof. Dr. Michael Burmester
Dr. Ralf Graf
Prof. Dr. Jürgen Hellbrück
Lothar Krank
Christian Plappert
Jörg Reisinger
Dr. Andreas Streit
Prof. Dr.-Ing. Jörg Wild
1. Auflage 2008
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2008
Lektorat: Reinhard Dapper
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Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm &Adam, Heusenstamm
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0285-9
V
Vorwort
InfotainmentsystemeimKraftfahrzeuggeho¨renzudenkomplexestenSystemenderKonsumelek-
tronik.DerWunschnachinnovativerTechnikundneuestenMultimedia-Trendsmischtsichmit
denQualita¨ts-,Sicherheits-undLebensdaueranforderungenderAutomobilindustrie.DieSchnitt-
stellen zu umgebendenSystemen sind vielfa¨ltig und die Schnittstelle zu den Fahrzeuginsassen
indenModalita¨tenAkustik,OptikundHaptikistsokomplexwiesonstnirgendwoimFahrzeug
undselteninanderenLebensbereichen.
EinhandlichesBuchu¨berInfotainmentsystemeimKraftfahrzeugaufdemStandderTechnikzu
schreibenistdeshalbeineHerausforderung,dienurzumeisternist,wennmaneinigeKompro-
misseeingeht.Zubreitundinterdisziplina¨ristdiePalettevonThemen,dieinderTiefebehandelt
werdenmu¨ssten.VieletechnischeLo¨sungensindEigentumderHerstellerundderO¨ffentlichkeit
nichtzuga¨nglich.DasvorliegendeBuchistderVersuch,sichdieserHerausforderungzustellen.
Essoll:
• einen breiten technischen U¨berblick u¨ber Komponentenund Systeme im Bereich Kraft-
fahrzeug-Infotainmentgeben.
• einenStartpunktbietenfu¨rLeser,dieindasThemaeinsteigenundsich–z.B.mittelsder
LesetippsundderBibliographie–ineinSpezialgebietweitervorarbeitenwollen.
• StudierendenundinteressiertenTechnikerndieVielfa¨ltigkeitdesGebietserschließen.
• Entscheidernund Personen, die in die Entwicklungs-,Fertigungs-und Vertriebskettein-
volviertsind,notwendigesterminologischesundfachlichesRu¨stzeugvermitteln.
• einNachschlagewerkdernotwendigenBegriffesein.
WirhabenunsbewusstaufdreigroßeThemenbereichekonzentriert:dietechnischen(Kapitel2
bis 4) und psychologischen (Kapitel 8) Grundlagen der Mensch-Maschine-Interaktionvon In-
fotainmentsystemen,dietechnischenGrundlagenderRechnernetzeim(Kapitel5)undrundum
(Kapitel 6) das Fahrzeug und die Software-Architektur (Kapitel 7) eines modernen Infotain-
mentsystems. Hardware-Aspekte sind, soweit zum Versta¨ndnis notwendig, in den technischen
Kapitelnaufgegriffen.
An einigen Stellen haben wir es fu¨r notwendig befunden, in die Tiefe zu gehen, um eine ge-
schlosseneVersta¨ndnisketteaufbauenzuko¨nnen.Dafu¨rmusstenwirinvielenanderenThemen
anderOberfla¨chebleibenundunsderGefahraussetzen,nichtfu¨rExpertenzuschreiben.
Im Interesse des Schreib- und letztlich auch des Leseflusses haben wir uns bewusst dafu¨r ent-
schieden, Fahrer“, Benutzer“, Entwickler“und Proband“zuschreibenaber Fahrerinnenund
” ” ” ” ”
Fahrer“, BenutzerinnenundBenutzer“ usw.zumeinen.
”
VI Vorwort
UmderInterdisziplinarita¨tdesThemasgerechtzuwerden,habenwirausgewieseneExpertenin
ihren Gebieten um Unterstu¨tzungund Beitra¨ge gebeten.Auf diesem Wege wollen wir unseren
MitautorenunserenherzlichstenDankundunserenRespektaussprechen.Eine kurzeBeschrei-
bungderMitautorenfindetsichvordemInhaltsverzeichnis.
Wir wurden in vielfa¨ltiger Weise von Kollegen, Mitarbeitern, Studenten, Freunden und nicht
zuletztvonunserenFamilienunterstu¨tzt.IhnenebensoherzlichenDank,insbesondere:
• GerhardMautervonderAudiAG,der durchseine wertvollenBeitra¨ge undAnregungen
derHaptikforschunganderHochschuleHeilbronnentscheidendeImpulsegab.
• Den Firmen Audi AG, Ehmann&PartnerGmbH sowie Schunk GmbH & Co.KG Spann-
undGreiftechnikfu¨rdieUnterstu¨tzungderHochschuleHeilbronninderHaptikforschung.
• DerLandesstiftungBaden-Wu¨rttembergalsTra¨gerindes AutomotiveCompetenceCen-
”
ter“ (ACC)anderHochschuleHeilbronn.
• Prof. Gerhard Gruhler, Alexander Treiber, Prof. Dr. Wolfgang Wehl, Sebastian George
Sa˘la˘janundPetreSorafu¨rvieleguteTipps,AnregungenundUnterstu¨tzung.
• DenMedienbeauftragtenderFirmen,dieBildmaterialfu¨rdiesesBuchzurVerfu¨gungge-
stellthaben.
• Prof.Dr.PeterKnollfu¨rdieU¨berlassungvonMaterialundWissenzuAnzeigetechnikin
vielfa¨ltigerForm.
• ChristianPlappert,ohnedendasBuchu¨berhauptnichtbegonnenwordenwa¨re,fu¨rseine
InitiativeundseineRecherche-Unterstu¨tzung.
• MonikaBrandenstein,HeinzKreft,HedwigMerettig,Dr.OskarMeroth,Dr.SimonWin-
kelbachundanderenfu¨rsorgfa¨ltigesKorrekturlesen.
• Andrea,Christine,MirjamundJeanLucfu¨rausgefalleneundausgeglicheneAbendeund
Wochenenden.
ZudiesemBuchgibteseinInternetangebotaufdenSeitendesViewegVerlags
http://www.vieweg.de/tu/8u
BesuchenSieunsdort!
LeonbergundBraunschweig,September2007
AnsgarMerothundBorisTolg
imNamenallerKoautoren
VII
Autorenverzeichnis
Prof. Dr.-Ing. Ansgar Meroth lehrt Informatik und Informationssysteme im Kraftfahrzeug
im Studiengang Automotive Systems Engineering an der Hochschule Heilbronn. Nach seiner
Promotion an der Universita¨t Karlsruhe hatte er verschiedeneAufgaben in der Forschung, der
SerienentwicklungundinderZentralebeiderRobertBoschGmbHinne.
Dr.-Ing. Boris Tolg studierte Informatik an der Technischen Universita¨t Braunschweig.
SeitseinerPromotionarbeiteterimBereichCarMultimediaeinesgroßenAutomobilzulieferers.
Prof. Dr. Michael Burmester ist Professor fu¨r Ergonomie und Usability im Studiengang
Informationsdesign an der Hochschule der Medien in Stuttgart und war zuvor nach seinem
Studium an der Universita¨t Regensburg in verschiedenen Forschungseinrichtungenund Unter-
nehmenderMensch-Maschine-Kommunikationta¨tig.
Dr. Ralf Graf ist akademischer Rat am Lehrstuhl fu¨r Arbeits-, Umwelt- und Gesund-
heitspsychologie der Katholischen Universita¨t Eichsta¨tt-Ingolstadt. Zuvor forschte er an den
Universita¨tenMannheimundMarburg.
Prof. Dr. Ju¨rgen Hellbru¨ck leitet die Professur fu¨r Arbeits-, Umwelt- und Gesundheits-
psychologie der Katholischen Universita¨t Eichsta¨tt-Ingolstadt. Zuvor forschte er u.a. an den
Universita¨teninWu¨rzburg,Osaka(Japan),OldenburgundKonstanz.
Dipl.-Ing. Lothar Krank ist als Gescha¨ftsfu¨hrer bei der mm-lab GmbH in Kornwestheim
ta¨tig.ZuvorhatteerverschiedenePositionenindenBereichenNetzstrategie,BusinessDevelop-
mentundTelematikbeiderAlcatelSELAGinStuttgartinne.
Dipl.-Ing. (FH) Jo¨rg Reisinger ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Automotive Com-
petence Center der Hochschule Heilbronn und bereitet seine Promotion am Lehrstuhl fu¨r
ErgonomieanderTechnischenUniversita¨tMu¨nchenvor.
Dr. rer. nat. Andreas Streit ist als technischer Gescha¨ftsfu¨hrer und Entwicklungsleiter der
mm-lab GmbH in Kornwestheim fu¨r die Entwicklung von Telematiklo¨sungen verantwortlich.
ZuvorwareralsEntwicklungs-undProjektleiterfu¨rTelematiksystemesowieinderEntwicklung
optischerU¨bertragungssystemebeiderAlcatelSELAGinStuttgartta¨tig.
Prof. Dr.-Ing. Jo¨rg Wild ist Professor fu¨r Feinwerktechnik/Mechatronik am Studiengang
MechatronikundMikrosystemtechnikderHochschuleHeilbronn.NachseinerPromotionander
TechnischenUniversita¨tMu¨nchenarbeiteteeranderEntwicklungvonABS/ASRSystemenbei
derRobertBoschGmbH.
IX
Beitra¨ge und Mitarbeiter
Einfu¨hrung Prof.Dr.-Ing.AnsgarMeroth
Dr.-Ing.BorisTolg
ChristianPlappert
AkustikundAudiotechnik Prof.Dr.-Ing.AnsgarMeroth
Anzeigetechnik Prof.Dr.-Ing.AnsgarMeroth
HaptischeBedienschnittstellen Jo¨rgReisinger
Prof.Dr.-Ing.Jo¨rgWild
NetzwerkeimFahrzeug LotharKrank
Prof.Dr.-Ing.AnsgarMeroth
Dr.rer.nat.AndreasStreit
Dr.-Ing.BorisTolg
Konnektivita¨t LotharKrank
Dr.rer.nat.AndreasStreit
Plattform-Software Dr.-Ing.BorisTolg
Usability–DerMenschimFahrzeug Prof.Dr.MichaelBurmester
Dr.RalfGraf
Prof.Dr.Ju¨rgenHellbru¨ck
Prof.Dr.-Ing.AnsgarMeroth
XI
Inhaltsverzeichnis
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Autorenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
Beitra¨geundMitarbeiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
1 Einfu¨hrung 1
1.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Entertainment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Assistenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 AkustikundAudiotechnik 7
2.1 SchallundHo¨ren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Grundgro¨ßenderAkustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 SchallausbreitungimRaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3 Ho¨ren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.4 Raumwahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.5 MaskierungundSto¨rgera¨usche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 SignaleundSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 LinearezeitinvarianteSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 Faltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 SignaleimFrequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.5 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 DigitaleAudioelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 DigitaleZahlendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 AbtastungundDigitalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 D/A-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.4 Deltamodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.5 Sigma-Deltamodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.6 Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.7 DiskreteTransformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.8 DigitaleFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.9 DarstellungvonAudiosignalenbeiSpeicherungundU¨bertragung . . . . . . . . . . 46
2.4 Versta¨rker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.1 StetigeEndstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 GeschalteteEndstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5 WiedergabevonakustischenSignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
XII Inhaltsverzeichnis
2.5.2 WeitereWandlerprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.3 BauformenundAusfu¨hrungenvonLautsprechern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5.4 EinbauundGeha¨use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.5 Frequenzweichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.6 AnforderungenanAudiosystemeimAutomobil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.7 IntegrationinsFahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.6 Mikrophone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.6.1 WirkungundBauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.7 Sprachverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.7.1 Sprachausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.7.2 Spracheingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.8 ZumWeiterlesen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.9 LiteraturzuAudiotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3 Anzeigetechnik 79
3.1 LichtundSehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.1 Sehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.2 Lichtmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.1.3 Ra¨umlichesSehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1.4 MaterialundFarbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1.5 FarbmessungundFarbsynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2 Displaytechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.1 AufbauvonBildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.2 Display-Layoutund-Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.3 Anzeigetechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.4 Flu¨ssigkristallanzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.5 EmissiveAnzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.6 FlatPanelMonitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3 EinsatzvonAnzeigenimFahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.3.1 Kombiinstrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.3.2 DisplaysamFahrerarbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.3 WeitereDisplays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.4 ZumWeiterlesen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.5 LiteraturzuAnzeigetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4 HaptischeBedienschnittstellen 115
4.1 Einfu¨hrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.1.1 GrundlagenzurHaptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.1.2 Beta¨tigungshaptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2 AnalyseexistierenderBedienelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1 BedienelementeimMarkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.2 TechnischeBeschreibungvonBedienelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.3 Schaltgera¨usch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.2.4 FunktionsprinzipienvonTouchscreen-Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.3 HaptischesDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3.1 HaptischeGrundlagenuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139