Umfelderkennung dank Sensortechnik

Fahrzeugsensorik: Radar, Laser, Ultraschall – welche Arten beim Auto welche Aufgaben haben

Kamera an der Front des autonom fahrendes Busses CUbE
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Kamera an der Front des autonom fahrendes Busses CUbE
  • Arne Roller
    vonArne Roller
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Arten der Fahrzeugsensorik wie Ultraschall, Kamera, Radar und Lidar bzw. Laser ergänzen Systeme für zahlreiche Aufgaben im Bereich Fahrsicherheit und -komfort.

  • Die Fahrzeugsensorik misst Daten aus dem Umfeld des Wagens und liefert wichtige Informationen für Aufgaben der Fahrzeugsicherheit
  • Zu den etablierten Technologien der Automobilsensorik gehören Ultraschall, Kamera, Radar und Lidar bzw. Laser
  • Die einzelnen Arten der Sensoren ergänzen Assistenzsysteme wie das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) und das Antiblockiersystem (ABS) und ermöglichen das autonome Fahren

München – verschiedene Arten der Fahrzeugsensorik sorgen für Sicherheit. Beim autonomen Fahren erfüllen Ultraschall, Kamera, Radar, Lidar und Laser wichtige Aufgaben.

Fahrzeugsensorik: Was ist das?

Als Fahrzeugsensorik wird die Nutzung von Sensoren bezeichnet, um Daten aus dem Umfeld zu messen und die Veränderung technischer Systeme im Auto zu kontrollieren. Die Sensoren dienen dazu, bestimmte Werte aus dem Umfeld des Fahrzeugs zu erkennen. Die Basis bilden Messprinzipien auf physikalischer Grundlage. Verschiedene Arten von Sensoren erheben die für das Fahrzeug wichtigen Informationen. Sie lassen sich nach ihrem Funktionsprinzip unterteilen. Der Radar ist eine elektromagnetische Sensortechnologie. Nach dem optischen Prinzip funktionieren Kamera, Lidar, Laser und Infrarot. Ultraschall gehört als einzige Technologie zu den akustischen Sensoren im Autobereich. Die Messeinheiten sind im Fahrzeug in technische Systeme integriert und erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Sie folgen einem Prozess von der Eingabe über das Sensorsignal und die Verarbeitung im Steuergerät bis zur Ausgabe über Aktoren. Die Technologie unterstützt Fahrer und macht das Fahren komfortabler und sicherer. Für autonomes Fahren kommt der Fahrzeugsensorik eine besondere Bedeutung zu, denn das System übernimmt die vollständige Steuerung des Wagens. Neben Automobilherstellern verfolgt der Verein deutscher Ingenieure (VDI) in Düsseldorf gemeinsam mit dem Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (VDE) die Weiterentwicklung elektronischer Systeme im Bereich Mess- und Automatisierungstechnik. Zu den Projekten gehören auch autonome Systeme.

Radar: Indikator für Geschwindigkeit und Entfernung

Der Radar (abgeleitet von „Radio Detection and Ranging“) ermöglicht die Messung von Geschwindigkeiten und Entfernungen. Dies gelingt auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten. Allerdings liefert die Winkelauflösung, die eine Erkennung von Objekten links und rechts vom Fahrzeug erlaubt, wenig aussagekräftige Ergebnisse. So wird ein Fußgänger häufig nicht erfasst, weil er zu geringe Reflexionseigenschaften aufweist. Die Fahrzeugsensorik sendet in den meisten Fällen elektromagnetische Wellen auf Frequenzen zwischen 76 und 77 GHz, also einer Bandbreite von einem GHz, und wertet das Echo aus. Sie wird eingesetzt für die Aufgabe der Kollisionsvermeidung. Zwei Arten von Radar kommen zur Anwendung: der Short-Range-Radar für den Nahbereich als Parkhilfe und der Longe-Range-Radar für die adaptive Geschwindigkeitsregulierung. Ein adaptiver Tempomat greift auf Sensoren zurück. Der Abstandsregeltempomat regelt die Distanz zum vorausfahrenden Fahrzeug. Radarstrahlen tasten die die Fahrbahn ab, bei Bedarf wird die Geschwindigkeit verringert oder gebremst. Radarsysteme zeichnen sich durch Robustheit, Wetterunempfindlichkeit und eine kompakte Bauform aus. Die Messfühler gehören neben Ultraschall, Kamera und Lidar bzw. Laser zu den etablierten Sensoren im Fahrzeugbereich.

Ultraschall und Kamera

Ultraschall erlaubt Messungen im Nahbereich. Die Sensoren dienen dazu, die Entfernung zum nächsten Objekt zu ermitteln. Dafür senden sie Schallimpulse aus und ermitteln die Laufzeit, in der sie reflektiert werden. Ultraschallsensoren haben mit unter zehn Metern eine beschränkte Reichweite. Sie werden beim Einparkassistenten eingesetzt. Zu den Aufgaben dieser Fahrzeugsensorik gehört auch der Funktionsbereich als Totwinkelassistent. Fahrer behalten damit die Übersicht und haben mehr Sicherheit beim Spurwechsel. Ultraschallsensoren funktionieren auch bei Nacht und Nebel. Zusammen mit weiteren Arten der Messtechnologien wie Radar, Laser, Kameras und Lidar bilden sie das technologische Gerüst für die 360-Grad-Rundumsicht bei Fahrzeugen. So erfassen Frontkameras Bereiche von 100 bis zu 240 Metern. Die Anwendung reicht von der Fahrbahnmarkierung über die Verkehrszeichenerkennung bis hin zur Wahrnehmung von Fußgängern oder Radfahrern. Die von dem Gerät erfassten Informationen unterstützen den Fahrer und erhöhen die Sicherheit. Der Sensor dient außerdem der Aufgabe des Notbremsassistenten. Diese „Autonomous Emergency Braking“-Systeme (AEB) leiten im Alarmfall vorbeugend eine Notbremsung ein. Unterschiedliche Arten von Kameras eignen sich für die Fahrzeugsensorik. Werden Monokameras mit Radar und Software kombiniert, sind auch dreidimensionale Bilder möglich. Eine Wärmebildkamera dient als Sensor für einen Nachtsicht-Assistenten. Die Technologie identifiziert Fußgänger vor dem Wagen. Das System gibt für den Fahrer eine akustische Warnung ab.

Lidar: Schlüsseltechnologie für das autonome Fahren

Lidar, kurz für „Light Detection and Ranging”, ist eine neue, komplexe Fahrzeugsensorik. Gemessen werden Entfernungen zu Objekten sowohl in Ruhe als auch in Bewegung, indem die Umgebung mithilfe der Lichtimpulse eines Lasers abgetastet wird. Neben herkömmlichen Arten der Fahrzeugsensorik wie Laser, Radar und Ultraschall gilt die Technologie als Schlüssel für autonomes Fahren. Zwar vertreten einige Hersteller die Ansicht, dass Kameras und Radar die Sicherheitsanforderungen dafür ausreichend erfüllen. Elon Musk sprach sich gar grundsätzlich gegen die Sensorik aus: „Jeder, der auf Lidar setzt, wird scheitern.“

Die Mehrheit der Autobauer setzt jedoch auf Lidar. Denn Radar deckt nur einen limitierten Bereich ab. So ist die Kamera für die optimale Erfüllung der Aufgabe auf Lichtbedingungen der Umgebung angewiesen. Schwierige Wetterbedingungen verschlechtern die Bildinformationen. Auch Branchenexperten vertreten die Auffassung, dass Lidar eine sichere Ergänzung für das autonome Fahren darstellt. Im Jahr 2020 erreichen die Sensoren eine hohe Messauflösung von bis zu 0,1 Grad x 0,1 Grad auch bei großer Entfernung. Ihre Reichweite umfasst bis zu 150 Meter. Sie bilden die Umgebung präzise in 3D ab und funktionieren unabhängig vom Tageslicht.

Laser: Hohe Auflösung

Ein Laserscanner erfasst das Umfeld in hoher Auslösung. Das gilt auch für hohe Entfernungen. Er funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Lidar. Zu den in der Fahrzeugsensorik eingesetzten Arten der Lasertechnologie gehören 2D-Laserscanner und Laserdistanzsensoren. Für die Aufgaben der Messung wird ein Laserstrahl über einen rotierenden Polygonspiegel abgelenkt. Die Richtung des Objekts ist mithilfe eines Winkelcodierers bestimmbar. Eine hohe Winkelauflösung und präzise Abstandsmessung zeichnet den Laserscanner aus. Entsprechend fällt eine große Datenmenge an, die eine rechenintensive Auswertung erfordert. Allerdings erweist sich der Laser dem Radar bei der Lokalisierung von Hindernissen als überlegen. Im Vergleich zum Radar ermittelt der Laser die Geschwindigkeit eines Objekts nicht direkt, sondern indem er diese anhand zweier Positionsmessungen errechnet. Einzeln und in Verbindung mit dem Lidar trägt die Technologie zum Schutz vom Fahrer und anderen Verkehrsteilnehmern bei – ebenso wie die Kamera und der Ultraschall. Warnungen vor Hindernissen und das Erkennen kritischer Situationen während der Fahrt kennzeichnen die Funktion.

Fahrzeugsensorik schafft Fahrkomfort und Sicherheit

Im Bereich der Fahrzeugsensorik stehen mit Radar, Laser bzw. Lidar, Ultraschall und Kameras unterschiedliche Arten von Technologien zur Verfügung, die zur Sicherheit im Straßenverkehr beitragen. Zahlreiche Assistenzsysteme, die darauf basieren, bieten Autofahrern hilfreiche Unterstützung in unterschiedlichsten Bereichen. Dazu gehören zum Beispiel die folgenden:

  • Der Aufmerksamkeitsassistent schützt vor dem gefährlichen Ermüden während der Fahrt, indem er die Lenkbewegungen misst oder das Verbleiben auf der Fahrspur überwacht
  • Der Anhänger-Rangierassistent erleichtert das Rückwärtsfahren mit Anhänger
  • Ein Regensensor erkennt Wasser auf der Scheibe, woraufhin die Tätigkeit der Scheibenwischer automatisch angepasst wird. Auch die Regulierung des Fahrtlichts ist möglich

Mit dem Notbremsassistenten, der Verkehrszeichenerkennung, dem adaptiven Tempomaten, dem Nachtsicht-Assistenten sowie ESP und ABS deckt die Sensorelektronik weite Bereiche ab. Besondere Anforderungen an die Aufgaben von Sensoren stellt autonomes Fahren, bei dem die Kombination aus Radar, Kamera und Lidar sichere Lösungen verspricht.

Von Sünje Knutzen        

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