Mobilitätswandel und Geschwindigkeit: Woher kommt und wohin entwickelt sich die Fahrdynamik-Messtechnik?

Winterthur, Dezember 2020 – Geschwindigkeit und Effizienz sind ein Ausdruck von Fortschritt und Mobilität. Die präzise Erfassung fahrdynamischer Messgrößen hat sich in den letzten Jahrzehnten enorm entwickelt und wird auch zukünftig eine wichtige Rolle für die Fahrzeugoptimierung spielen. Ein Blick zurück und nach vorn am Beispiel der Sensortechnologie Correvit von Kistler.

Die Fortbewegung von Menschen und Gütern bildet das Rückgrat moderner Gesellschaften sowie kultureller und wirtschaftlicher Beziehungen. Der enorme Zugewinn an Geschwindigkeit und Mobilität dank Eisenbahn und Automobil ist ein wesentlicher Treiber für Wachstum und Wohlstand. Entscheidend für die Fahrzeugentwicklung ist die Effizienzsteigerung im Sinne höherer Geschwindigkeit und geringeren Ressourcenverbrauchs. Dabei zeigt jedoch das global steigende Verkehrsaufkommen insbesondere in Ballungsräumen, dass stärker gesteuerter oder automatisierter Verkehr Effizienzgewinne verspricht gegenüber dem herrschenden Individualverkehr.

Welche Auswirkungen haben diese Entwicklungen auf die Fahrzeug-Messtechnik? Am Beispiel der Sensorfamilie Correvit von Kistler werden im Folgenden die Veränderungen im Anwendungsgebiet der mehrdimensionalen Positions- und Geschwindigkeitsmessung aufgezeigt. Die Anfänge der berührungslosen und schlupffreien Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit gegenüber der Fahrbahn liegen fast 30 Jahre zurück. Das zur damaligen Zeit neuartige Korrelationsprinzip ermöglichte bis dato nicht denkbare Messungen, die vornehmlich in der Charakterisierung der Fahrdynamik des Gesamtfahrzeugs Anwendung finden. Im Mittelpunkt steht heute nach wie vor die Erkundung von Grenzbereichen hinsichtlich Agilität, Performance und Lenkung bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an die aktive Fahrsicherheit.

Performance der Reifen optimieren

Mit zunehmender Anwendererfahrung und Systemzuverlässigkeit ist daraus das Applikationsfeld der Reifentests entstanden. Hier wird ergänzend zu Fahrzeug-Trajektorie und Kinematik die dynamische Übertragungsfunktion einzelner Räder bzw. Reifen messtechnisch ermittelt. Der nun direkt an einer Felge des Testwagens befestigte Sensorkopf liefert Daten, die die bisherigen (Haft-)Grenzen ausdehnen und höhere Geschwindigkeiten ermöglichen. Einer der entscheidenden Faktoren ist dabei wiederum die direkte und schlupffreie Messung der Bewegung zwischen Felge und Fahrbahn.

Reifenperformance spielt insbesondere im Motorsport eine große Rolle. Nicht selten sind der Grip im entsprechenden Temperaturfenster einerseits sowie der einsetzende Reifenverschleiß andererseits rennentscheidend. Auch hier ist eine präzise Charakterisierung der kinematischen Systemeigenschaften im Vorfeld essenziell und mittlerweile fester Bestandteil des Rennkalenders. Zum Stand der Technik gehört ebenfalls die auf dem Versuchsergebnis basierende Herleitung von physikalischen Parametern für virtuelle Reifenmodelle. Leistungsfähige Simulationswerkzeuge eröffnen mit Hilfe entsprechender Kalibriermessungen neue Möglichkeiten zum Vergleich von Fahrwerk- und Reifensetups sowie zur Optimierung von Rundenzeit und Rennstrategie. Ohne die genaue ‒ mit Correvit-Sensoren wie dem neuen SF-Motion erlangte ‒ Kenntnis sowohl der Fahrzeug-Quergeschwindigkeit (bzw. des Schwimmwinkels) als auch des Schlupfs einzelner Reifen ist kein professionelles Rennen mehr zu gewinnen.

Vom Testfahrer zum Passagier-Proband

Sind die bisherigen Anwendungsbeispiele durch eine starke Fahrerorientierung geprägt, eröffnet das sich rasch entwickelnde Feld des (teil-)automatisierten und autonomen Fahrens ein völlig neues Kapitel. Nun gewinnen andere Kriterien und Fahrzeugparameter an Bedeutung; Agilität und Lenkgefühl werden durch Fahrkomfort und Stresslevel ergänzt. Umfangreiche Untersuchungen von Probanden, zum Beispiel bezüglich Kinetose (Reisekrankheit), verdrängen den klassischen Performance-Ansatz samt Testfahrer-Fragenbogen. Generell ist eine Fokusverschiebung vom Fahrer zum Passagier zu verzeichnen, gerade in der Hinsicht, dass beide gegensätzliche subjektive Wahrnehmungen desselben objektiven Ereignisses (Fahrmanöver) haben können.

Damit steht die objektive Bemessung von dynamischen Fahreigenschaften erneut im Fokus der Entwicklung sowie der funktionalen Absicherung von autonomen Fahrerassistenzsystemen (ADAS). Die Kenntnis der aktuellen sowie der in unmittelbarer Zukunft eintretenden Fahrzeugposition ist die wichtigste Basis für die nun zunehmend durch maschinelle Algorithmen unterstützten Fahrerentscheidungen. Was das menschliche Auge wahrnimmt und das Hirn in Echtzeit während des Fahrens verarbeitet, muss durch entsprechende Sensoren und Rechensysteme zuverlässig abgebildet werden. Messfehler oder Abweichungen können zu fatalen Folgen für die Fahrzeuginsassen und die Umwelt führen.

Das Vertrauen in die fahrdynamischen Messdaten gewinnt dadurch neben der Genauigkeit eine neue Dimension, die sich auch auf die Wahl der Bezugsreferenz auswirkt. Satelliten- bzw. Horizont-basierte Messsysteme setzen eine präzische kartographische Dokumentation der Fahrumgebung voraus oder benötigen eine zusätzliche ortsfeste Referenz. Eine schlupffreie Messung gegenüber der Fahrbahn, wie sie mit Correvit-Sensoren umgesetzt wird, liefert dagegen einen direkten Bezug zur sogenannten „ground truth“. Idealerweise können beide Messprinzipien kombiniert eingesetzt werden, um sowohl die Genauigkeit als auch die Vertrauensbasis zu verbessern. Erreicht wies dies mit der  Sensorfamilie S-Motion von Kistler, die die Vorteile einer derartigen Sensor-Fusion bereits umsetzt und damit eine erhebliche Verbesserung der Signalqualität erreicht.

In die Luft gehen – aber sicher

Über die Geschwindigkeitsmessung für die Straße hinaus stellt sich die nächste Herausforderung in der dritten Dimension: Roboter-Flugtaxis und autonome Drohnen könnten die zunehmende Raumknappheit und kilometerlange Staus deutlich entschärfen. Eine präzise Steuerung auf Basis von exakten Raumkoordinaten ist dabei unverzichtbar, so dass sich erneut völlig neue messtechnische Fragestellungen ergeben. Nichtsdestotrotz können auch sie mit dem von Kistler gewählten multisensorischen Ansatz verfolgt werden. Allerdings stellt die ökonomisch-ökologische Gesamtbilanz derartiger Flugvehikel nach wie vor eine erhebliche Hürde dar, um über das Konzept- bzw. Prototypenstadium hinauszukommen. Bis entsprechende Voraussetzungen erfüllt sind, bleibt die Correvit-basierte Geschwindigkeitsmessung das Referenzmaß bei sämtlichen Fahrzeugtests.