Kapazitive Lenkrad-Sensoren Das Lenkrad weiß alles

Das FAS-System greift ein, wenn der Fahrer die Kontrolle verliert.
Das FAS-System greift ein, wenn der Fahrer die Kontrolle verliert.

Sobald der Fahrer einen Fehler macht, soll das FAS eingreifen. Doch es darf zu keiner Zeit über dem Fahrer stehen. Das System braucht also eine zuverlässige Handerkennungsfunktion, mit der es sofort feststellen kann, ob der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug verloren hat.

Personenkraftwagen sind außergewöhnlich sichere Maschinen. Das weitaus größte Sicherheitsrisiko ist also der Mensch selbst. Tatsächlich werden laut US National Highway Traffic Safety Administration 94 Prozent der Unfälle im Straßenverkehr vom Fahrzeugführer verursacht. Aus dem Grund hat die Automobilindustrie Fahrerassistenzsysteme (FAS) entwickelt, um Fehler des Fahrers zu verhindern. Angefangen bei der adaptiven Steuerung und den elektronischen Stabilitäts-systemen, gehören inzwischen auch Spurhalteassistenten und aktive Gefahrenbremsung zu den Assistenzsystemen. Das eigentliche Ziel der Autohersteller ist dabei natürlich das selbstfahrende Auto. Aber bis dahin muss das FAS gewährleisten, dass der Fahrer die Kontrolle behält und über der Automatisierungstechnik steht. Theoretisch könnte ein Auto mit Spurassistent und automatischem Abstandsregler schon jetzt unter bestimmten Bedingungen autonom fahren – z.B. auf der Autobahn, da es nur eine Fahrtrichtung gibt. Will der Fahrer die Funktion nutzen und lässt er das Lenkrad los, verstößt er damit jedoch gegen die geltenden Gesetze. Artikel 8 des Wiener Übereinkommens über den Straßenverkehr von 1968, das fast überall in Europa gilt, schreibt nämlich vor:

  • „Jedes Fahrzeug und miteinander verbundene Fahrzeuge müssen, wenn sie in Bewegung sind, einen Führer haben.“

Außerdem gilt:

  • „Jeder Führer muss dauernd sein Fahrzeug beherrschen oder seine Tiere führen können.“

Die Autohersteller müssen heute also gewährleisten, dass ihr FAS feststellen kann, ob der Fahrer das Fahrzeug tatsächlich unter Kontrolle hat. Am besten feststellbar ist das, indem geprüft wird, ob der Fahrer das Lenkrad festhält. Dafür ist eine Handerkennungsfunktion erforderlich. Für die Umsetzung hat die Industrie verschiedene Methoden getestet:

  • mechanische Abtastung
  • resistive Abtastung
  • kapazitive Abtastung

Die attraktivste Kombination aus zuverlässiger Abtastung und Benutzerfreundlichkeit bietet die kapazitive Methode. Aber die konventionellen digitalen, mikrocontrollerbasierten, kapazitiven Abtastungsmethoden – etwa in Endprodukten wie Smartphones und Haushaltsgeräten – sind kaum für die anspruchsvollen Spezifikationen von Fahrzeugsystemen geeignet.

Mechanische und resistive Abtastung

Die mechanische Handerkennungsmethode nutzt die Komponenten der elektrischen Servolenkung (EPS). In seiner Hauptfunktion verstärkt der Elektromotor die vom Fahrer auf das Lenkrad ausgeübte Drehkraft. Er kann aber auch genutzt werden, um im Lenkrad ein Störungssignal mit hoher Frequenz und niedriger Amplitude zu induzieren. Die Störung ist zu gering, um die Fahrtrichtung zu verändern, aber groß genug, um von einem Lenkwinkelsensor erkannt zu werden. Wenn die Hände des Fahrers auf dem Lenkrad liegen, dämpfen sie die Vibrationen des Lenkrads. Können Motor und Sensor solche feinen, hochfrequenten Bewegungen bereits erzeugen und erkennen, ist es relativ einfach, ein solches System mit minimalen Änderungen an vorhandenen EPS-Designs zu implementieren. Doch es ist schwierig, das Störungssignal nicht zu hoch einzustellen, damit es den Fahrer nicht ablenkt. In der Praxis wird dem Fahrer die Lenkradbewegung immer als schwache Vibration auffallen, was ablenkend und unerwünscht zugleich ist.

Im Gegensatz dazu kommt ein resistives Abtastungssystem ohne mechanische Störung aus. Resistive Lenkradsensoren sind ähnlich konstruiert wie resistive Touchscreens: Die Einheit besteht aus zwei leitfähigen Folien, die durch einen resistiven Abstandhalter voneinander getrennt sind. Sie werden unter dem Bezugmaterial des Lenkrads platziert. Am Ende der Produktionslinie wird der berührungsfreie Druck im System kalibriert. Das System erkennt somit den Unterschied, sobald der Normaldruck der Hand auf das Lenkrad ausgeübt wird. Ist die Sensoreinheit segmentiert, kann sie sogar die Position der Hände erkennen. Ein aus Herstellersicht unattraktives Merkmal der Methode ist jedoch das veränderte Herstellungsverfahren für das Lenkrad. Das Sensormaterial muss zwischen Aluminiumgussrahmen und Bezug untergebracht werden. Zudem sind Fahrer vermutlich nicht dazu bereit, ständig einen bestimmten Mindestdruck auf das Lenkrad auszuüben. Die Verbraucher lieben Touchscreen-Smartphones, die nur eine leichte Berührung erfordern, um einen virtuellen Knopf zu drücken. Druck ausüben zu müssen fühlt sich dagegen altmodisch an. Weitaus attraktiver ist wohl das Touch-to-detect-Konzept. Hierbei erkennt ein kapazitiver Sensor entweder die absolute Kapazität oder die Änderung der Kapazität, wenn eine Hand das Lenkrad berührt, wofür weder Kraft noch Druck benötigt wird.