Entwicklung und Validierung eines Brake-by-Wire Bremsassistenzsystems für E-Scooter

Abstract

E-Scooter erfreuen sich nicht nur bei Privatpersonen zunehmender Beliebtheit, sondern sind laut den Plänen der Stadt Wien und des Bundesministeriums für Innovation, Mobilität und Infrastruktur auch ein integraler Bestandteil der Transformation des Individualverkehrs. Der Ausbau von Scooter-Sharing-Angeboten ist explizit in der „Shared Mobility Strategie“ des Bundes verankert, welche im „Mobilitätsmasterplan 2030“ festgehalten wurde. Vor diesem Hintergrund ist davon auszugehen, dass der E-Scooter-Verkehr in den kommenden Jahren weiter zunehmen wird – ebenso wie die Zahl der damit verbundenen Unfälle. Bedingt durch die aufrechte Körperhaltung der Fahrerinnen und Fahrer und dem vergleichsweise kurzen Radstand von E-Scootern ist die erreichbare Maximalverzögerung zumeist deutlich niedriger als bei Fahrrädern oder Pkw. Zudem ist eine optimale Bremskraftverteilung für ungeübte Personen kaum intuitiv umsetzbar, mit der Folge, dass das volle Bremspotenzial häufig nicht ausgenutzt werden kann. An dieser Stelle setzt das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Bremsassistenzsystem für E-Scooter an. Das System basiert auf dem Brake-by-Wire-Prinzip und ermöglicht die gleichzeitige Betätigung beider Bremsen über nur einen Bremshebel. Auf einem echtzeitfähigen Steuergerät implementierte Funktionen übernehmen dabei automatisch die Verteilung der Bremskräfte auf Vorder- und Hinterrad und passen diese dynamisch an kritische Parameter wie die Standposition, die Fahrermasse und die Beschaffenheit der Fahrbahn an. Darüber hinaus unterstützt es Fahrerinnen und Fahrer dabei, eine optimale Standposition einzunehmen und warnt mittels Displaynachricht vor rutschigen Fahrbedingungen. Die Systementwicklung folgte dem modellbasierten Entwicklungsprozess gemäß V-Modell. In einem ersten Schritt wurden die Anforderungen an das Bremsassistenzsystem auf Basis einer fahrdynamischen Modellierung eines (Not-) Bremsvorgangs spezifiziert. Diese Anforderungen bildeten die Grundlage für die anschließende Systementwicklung, im Zuge derer die Funktionen zur Nässedetektion, Schwerpunktsermittlung und Bremsdruckregelung konzipiert und implementiert wurden. In der darauffolgenden Verifizierungsphase wurde die korrekte Funktion des Bremssystems anhand von im Labor bzw. bei Fahrversuchen generierten Messdaten überprüft und sichergestellt. Abschließend erfolgte im Sinne des V-Modells eine Validierung des Sicherheitsgewinns durch das Bremsassistenzsystem gegenüber einem ungeregelten E-Scooter. Zukünftig soll das am E-Scooter implementierte Bremsassistenzsystem als Basis für weiterführende Untersuchungen zur Fahr- und Verkehrssicherheit von E-Scootern dienen.

E-scooters are becoming increasingly popular not only among private users but are also, according to the plans of the City of Vienna and the Federal Ministry for Innovation, Mobility and Infrastructure, an integral part of the transformation of individual transport. The expansion of scooter-sharing services is explicitly anchored in the Austrian government's “Shared Mobility Strategy”, as outlined in the “Mobilitätsmasterplan 2030”. Given this background, e-scooter traffic is expected to continue increasing in the following years — along with the number of related accidents. Due to the upright riding position and the relatively short wheelbase of the e-scooters, the achievable maximum deceleration is usually significantly lower than that of bicycles or cars. Moreover, optimal brake force distribution is difficult to apply intuitively for inexperienced riders, with the result that the full braking potential often cannot be utilized. This is where the brake assistance system developed within this thesis comes into play. The system is based on the brake-by-wire principle and allows to actuate both brakes simultaneously using a single brake lever. Functions implemented on a real-time-capable rapid prototyping unit automatically handle the distribution of braking forces between the front and rear wheels and dynamically adjust them according to critical parameters such as rider position, rider mass, and road surface conditions. In addition, the system assists the rider in finding an optimal riding position on the e-scooter and uses display messages to warn of slippery road conditions. The system development followed a model-based approach as defined by the V-Model. In a first step, the requirements for the brake assistance system were specified based on a vehicle dynamics model of an (emergency-) braking manoeuvre. These requirements then formed the basis for the subsequent system development, during which functions for wetness detection, centre-of-mass estimation, and brake pressure control were designed and implemented. In the following verification phase, the correct functioning of the braking system was tested and verified using measurement data generated in laboratory and on-road measurements. Finally, in accordance with the V-Model, the safety benefits of the brake assistance system were validated against an uncontrolled e-scooter. In the future, the brake assistance system is intended to serve as a basis for further investigations to enhance the road safety of e-scooters.