Bike Safety Assistent

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Autoren: Pia Kostede; Gerrit Wurth; Andreas Mentrup
Betreuer: Marc Ebmeyer

Einleitung

Das Fahrradfahren wird seit Jahren immer beliebter. So nimmt die Anzahl an Fahrrädern in Deutschland kontinuierlich zu. Im Jahr 2005 gab es 67 Mio. Fahrräder. 2020 waren es bereits 79,1 Mio. Dies entspricht einem Anstieg um 18 Prozent ^[1]. Nicht nur der Umweltgedanke, sondern auch die persönliche Fitness spielen dabei eine wichtige Rolle. Allerdings ist das Fahrradfahren, besonders im fließenden Straßenverkehr, nicht gerade ungefährlich. So gab es im Jahr 2020 allein im ersten Jahresquartal 10.200 registrierte Fahrradunfälle mit Personenschaden. Davon waren 8.245 Unfälle mit Leichtverletzen, 1.901 Schwerverletzten und 54 Unfälle endeten tödlich ^[2]. Besonders die schlecht ausgebauten Radwege bzw. Radfahrstreifen werden von den Fahrradfahrern als Risikofaktor wahrgenommen ^[3].
Da auch die Politik dieses Problem erkannt hat, wurde reagiert und die StVO hinsichtlich der geltenden Abstandsregelungen beim Überholen von Fahrrädern mit Kraftfahrzeugen geändert. Seit April 2020 gilt nun ein Mindestabstand innerorts von 1,5 Metern und außerorts von 2 Metern. Diese Vorschrift trägt dazu bei, das Radfahren ein wenig sicherer zu machen. Allerdings wird dieser Abstand von den Autofahrern in den meisten Fällen nicht eingehalten. Daher ist es als Fahrradfahrer notwendig, sich zusätzlich selbst zu schützen. Eine Möglichkeit wird der Bike Safety Assistent, ein Abstandsmesssystem für das Fahrrad, sein. Dieser misst den zu erwartenden Seitenabstand und zeigt diesen dem Fahrradfahrer an. Der Bike Safety Assistent soll im Rahmen dieses Projektes im Fach Angewandte Elektrotechnik im Masterstudiengang Business and Systems Engineering entwickelt und realisiert werden.

Projektplanung

Um das Projekt strukturiert anzugehen, wurde im ersten Schritt ein Gantt-Diagramm erstellt, welches die verschiedenen Aufgaben der einzelnen Phasen das Projektes zeigt und Fristen für die Erledigung setzt.

Projektplan

Der aktuelle Stand der Projektplanung ist in dieser Excel-Tabelle zu finden

Stufenplan

Zudem wurde ein Stufenplan erstellt, welcher bei der Erarbeitung des Prototypen Orientierung geben soll. Dabei werden in der ersten Stufe die "Grundfunktionen" realisiert und diese in den Stufen zwei und drei erweitert. Durch dieses Vorgehen wird die Aufgabe in mehrere kleine Teilabschnitte gegliedert und strukturiert somit die Arbeit.

Anforderungen

Die nachfolgenden Anforderungen wurden zusammengestellt und ist der Grundstein dieses Projektes. Die Anforderungsliste definiert die Ausgangssituation dieses Projektes.

Funktionaler Systementwurf

Ein funktionale Systementwurf soll grundsätzlich die Systemstruktur ermitteln und dabei lösungsneutral sein. Den funktionale Systementwurf zu diesem Projekt wird in die vier Module "Sensorik", "Benutzereingaben", "Berechnung" und "Darstellung" unterteilt.

Sensorik

Die Sensorik erfasst die Messwerte und bildet somit die Berechnungsgrundlage der Ausgangsvariablen des Mikrocontrollers. Es werden drei Ultraschallsensoren und ein Induktiver Näherungssensor verwendet, dessen primäre Funktion es ist, Abstandswerte zu ermitteln und diese Messwerte und Messgrößen zyklisch an den Mikrocontroller zu übergeben.

Benutzereingaben

Die Benutzereingaben lassen sich über einen Taster steuern. Hier besteht zuerst die Möglichkeit das System Ein- und Auszuschalten. Die Eingabe erfolgt über einen Taster, welcher sich am Lenker befindet. Zusätzlich lässt sich über einen weiteren Taster auswählen ob, es sich um eine Fahrt Innerorts oder Außerorts handelt. Der Taster regelt zusätzlich, ob der Fahrer einen Überholvorgang quittieren möchte.

Berechnung

Die Berechnung erfolgt im Mikrocontroller und wird über den Programmablauf im Arduino IDE gesteuert. Nachdem die Eingangsvariablen (Messgrößen) in den Mikrocontroller übergeben, werden die Ausgangsvariablen auf Formelbasis berechnet. Die Ausgangsvariablen sind die Distanz zum überholendem Kraftfahrzeug, die Geschwindigkeit des Fahrrads und die Geschwindigkeit des überholenden Kraftfahrzeugs.

Darstellung

Die Darstellung erfolgt auf einem Display. Dort erfolgt die Ausgabe der berechneten Größen. Diese wurden in dem Mikrocontroller berechnet. Die Ausgabewerte variieren im Sekundentakt. Ausgabegrößen sind die eigene Geschwindigkeit, die zurückgelegte Strecke, Durchschnittsgeschwindigkeit der letzten 2 Kilometer, Dauer der Fahrt, Überholdistanz, Geschwindigkeit des überholenden Kraftfahrzeuges.

Technischer Systementwurf

Der funktionale Systementwurf besteht auf vier Modulgruppen. Die Modulgruppe "Sensorik" beinhaltet die 3 Ultraschallsensoren welche zwischen 3cm und 5m betrieben werden. Der Induktive Näherungssensor misst am Vorderrad die Drehzahl des Rades. Die zweite Modulgruppe "Benutzereingabe" besteht aus dem Schalter, welcher für das Ein- und Ausschalten des Systems zuständig ist. Sowie aus zwei weiteren Tastern, welche den Überholvorgang quittieren und eine Auswahl zwischen Innerhalb und Außerhalb der Ortschaft ermöglichen. In der Modulgruppe "Berechnung" befindet sich der Mikrocontroller, welcher für die Berechnung der Ausgangsvariablen zuständig ist. Die letzte Modulgruppe "Darstellung" gibt die berechneten Variablen auf dem Display aus.

Sensoren

Ultraschallsensoren

Mit den drei Ultraschallsensoren wird die Distanz zum überholenden KFZ gemessen. Ergänzend dazu wird über Sensor 1 und Sensor 3 die Zeit des Überholvorganges erfasst. Mit einem Schalter kann der Bike Safety Assistent ein- und ausgeschaltet werden. Um zwischen einer Fahrt innerhalb oder außerhalb einer Ortschaft zu wählen wird ein zweiter Schalter verwendet. Durch drücken des Tasters wird der Überholvorgang bestätigt.

Induktiver Näherungssensor

Mit den Induktiven Näherungssensor werden die Umdrehungen am Vorderrad gemessen. Mit dem Umfang des Vorderrades wird daraus die eigene Geschwindigkeit ermittelt. Der Induktive Näherungssensor wird am Vorderrad montiert.

Mikrocontroller

Als Mikrocontroller wird ein Funduino Uno benutzt, welcher die Sensordaten von den Ultraschallsensoren sowie den Induktiven Näherungssensor erhält. Diese werden anschließend verarbeitet. Mit dem Programmablauf Code, welcher in Arduino IDE geschrieben wurde, werden verschiedene Variablen nach Formeln berechnet und anschließend erfolgt die Ausgabe auf dem Display.

Auf einem Display kann die eigene Geschwindigkeit, die zurückgelegte Strecke, die Durchschnittsgeschwindigkeit der letzten 2 Kilometer und die Dauer der Fahrt angezeigt werden. Wird ein Überholvorgang erkannt, werden diese Werte durch die Überholdistanz sowie die Geschwindigkeit des überholenden KFZ ergänzt.

Komponentenspezifikation

Die komplette Komponentenspezifikation ist in dieser Excel-Tabelle zu finden

Programmierung

Programmablaufpläne

Die nachfolgenden Programmablaufpläne zeigen die Vorgelagerten und Nachgelagerten Prozesse der einzelnen Modulgruppen um die Abläufe zu visualisieren. Die 3 Modulgruppen lassen sich in Sensoren, Benutzereingabe, Mikrocontroller und Anzeige unterteilen. Anhand der Unterteilungen lassen sich Eingaben und Ausgaben darstellen, welche auf die jeweilige Baugruppe wirken.

Modulgruppe: Sensoren

In der Modulgruppe Sensoren liefern die Sensoren als Eingabe die Messwerte, welche als Ausgabe an den verarbeitenden Mikrocontroller weitergegeben werden.

Modulgruppe: Mikrocontroller

In der nachfolgenden Abbildung erkennt man die Eingaben sowie Ausgaben die im Rahmen der Verarbeitung auf den Mikrocontroller wirken. Der Mikrocontroller erhält Eingaben in Form von Messwerten aus den Sensoren und manuelle Eingaben welche in die Verarbeitung mit einfließen. Anschließend werden im Mikrocontroller Variablen / Ausgangsvariablen berechnet, welche dann über das Display ausgegeben werden.

Modulgruppe: Anzeige

In der Modulgruppe Anzeige wirken die Ausgangsvariablen des Mikrocontrollers als Eingabe des Displays. Die Darstellung erfolgt permanent. Es werden drei Variablen (Fahrradgeschwindigkeit, Distanzberechnung und KFZ Geschwindigkeit) ausgegeben im Display.

Programmcode

Initialisierung

Setup

Komponententest

Aufbau

Projektvideo

Zusammenfassung

Literaturverzeichnis