Robuste Verkehrsüberwachung Radarsensoren und Signalverarbeitung in einem SoC

Radaranwendungen, einfacher und schneller mit Radarsensor-SoCs.
Radaranwendungen, einfacher und schneller entwickeln mit einem Radarsensor-System-on-Chip.

Radar kann sich bewegende Objekte auch bei schlechter Sicht detektieren. Die dafür nötige Sende-, Empfangs- und Signalverarbeitungstechnik war bisher aufwendig und teuer. Mit den Radarsensor-SoCs von Texas Instruments lassen sich Radaranwendungen einfacher und schneller entwickeln.

Verkehrssysteme sind ein wichtiger Bestandteil der Infrastruktur, die nötig ist, um Personen und Fracht schnell, effizient und sicher zu transportieren. Diese Infrastrukturelemente konzentrieren sich auf das Erfassen der Bedingungen auf den Verkehrsflächen und auf das Erfassen von Daten, die helfen können, um auf Veränderungen zu reagieren. Verkehrstechnik-Ingenieure nutzen diese Daten zum Erstellen von Statistiken und für die zielgerichtete Verwendung künftiger Investitionen in die Infrastruktur. Den Autofahrern wiederum helfen diese Angaben bei der Routenplanung. Angesichts des offensichtlichen Nutzens dieser Informationen wird dem Markt für intelligente Verkehrssysteme bis zum Jahr 2022 ein Wachstum auf ein Volumen von mehr als 63,6 Mrd. US-Dollar vorhergesagt.

Mit der Millimeterwellen-Radarsensortechnik können Fahrzeuge wie zum Beispiel Autos, Motorrad- und Fahrradfahrer in größerer Entfernung und unabhängig von Umgebungseinflüssen wie etwa Regen, Nebel oder Staub detektiert werden. Für die Millimeterwellen-Radarsensor-SoCs hat Texas Instruments Radarsender und -Empfänger, die im Bereich 76 bis 81 GHz arbeiten, mit einem ARM-Mikrocontroller- und TI-DSP-Kernen zu einem System-on-Chip kombiniert. Diese Radarsensor-SoCs können die Entfernung, die Geschwindigkeit und den Winkel von Objekten messen. Auf ihnen laufen fortschrittliche Algorithmen zur Verfolgung und Klassifizierung von Objekten oder applikationsspezifische Funktionen.

Anwendungen in der Verkehrsüberwachung

Staus entstehen vornehmlich an Engstellen oder in Bereichen mit hohem Verkehrsaufkommen. Ein großer Teil der Verkehrsüberwachungs-Systeme widmet sich deshalb der Überwachung des Fahrzeugverhaltens und des Verkehrsflusses im Bereich von Straßenkreuzungen und Schnellstraßen.

In der Nähe von Kreuzungen geht es den Verkehrstechnikern darum, bestimmte Informationen und Telemetriedaten über die Fahrzeuge zu verstehen, um auf die Bedingungen an den Kreuzungen zu reagieren und Verkehrsstatistiken einzuholen. Bei den fahrzeugspezifischen Informationen kann es sich um die Entfernung bis zur Haltelinie der Kreuzung, die Geschwindigkeit, die benutzte Fahrspur und die Fahrzeuggröße handeln. Verschiedene Anwendungen können diese fahrzeugspezifischen Daten nutzen, wie zum Beispiel:

  • Dynamische Grünphasensteuerung: Hierunter versteht man die Anpassung der Grünphasendauer, damit abhängig von der Verkehrsdichte mehr Fahrzeuge die Kreuzung in bestimmten Richtungen passieren können.
  • Erfassung von Statistiken: Es geht um die fortlaufende Überwachung des Verkehrsflusses und der Verkehrsart. Werden die Statistiken für mehrere Kreuzungen erstellt, lässt sich mit ihrer Hilfe einfacher verstehen, welche Verbesserungen oder Modifikationen an der Infrastruktur notwendig sind.
  • Dauer der Gelbphase (Vermeidung von Problemzonen): Anpassung der Gelbphasendauer abhängig von Geschwindigkeit und Art des Verkehrs.

Bild 1 zeigt die typische Anordnung eines Kreuzungsüberwachungssystems, die eine bestmögliche Sicht auf den zulaufenden Verkehr ermöglichen soll. Nahbereichs-Sensoren wie etwa Induktionsschleifen müssen in der Regel in die Fahrbahn eingebaut werden.

Bei kontaktlosen Verfahren wie etwa optischen Kameras oder Millimeterwellen-Sensoren werden die Sensoren dagegen meist auf Masten oder nahe der Mitte der Kreuzung platziert, und zwar mehrere Meter oberhalb der Fahrbahnen, um freie Sicht zu haben. Die Mastmontage hat den Vorteil, dass keine Sensoren in die Fahrbahn eingebaut werden müssen, sodass auch Wartungsarbeiten am Straßenbelag keine Auswirkungen haben.

Auf Schnellstraßen wollen die Verkehrstechniker Informationen über die durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit einholen, um besondere Vorkommnisse erkennen zu können. Per Fahrzeugverfolgung und Fußgängererkennung werden Staus oder potenzielle Problembereiche für die Autofahrer detektiert.

Zweck der Verkehrsüberwachungs-Systeme ist es, die Effizienz und Sicherheit des Verkehrs unter den unterschiedlichsten Bedingungen zu verbessern. Dabei sehen sich die Entwickler allerdings mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert.

  • Messung von Position und Geschwindigkeit: Belastbare Verkehrsdaten setzen Informationen über Ort und Richtung des Verkehrs voraus. Zu den wichtigen Faktoren in Kreuzungsbereichen gehört das Messen der Entfernung von der Haltelinie und der Geschwindigkeit des ankommenden Verkehrs. Um in maximalem Umfang aussagefähige Daten zu erfassen, sollte ein Messsystem also sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit des Straßenverkehrs detektieren können.
  • Funktionsfähigkeit unter allen Wetterbedingungen: Ein Verkehrsinfrastruktur-Sensor wird zwangsläufig unter freiem Himmel eingesetzt und muss deshalb bei allen denkbaren Umgebungsbedingungen funktionsfähig sein. Dazu gehören nächtliche Dunkelheit und hellstes Sonnenlicht sowie widrige Bedingungen wie etwa Regen, Schnee, Nebel oder Staub.
  • Detektierung schneller Objekte über große Entfernungen: Je besser ein Sensor in der Lage ist, das Verkehrsverhalten zu antizipieren, umso effizienter ist das Gesamtsystem. Die Sensoren müssen deshalb die Fähigkeit haben, schnelleren Verkehr über größere Distanzen zu messen. Je weiter entfernt von der Kreuzung der Verkehr erfasst werden kann, umso besser lässt sich die Dauer der Grün- und Gelbphasen entsprechend dem ankommenden Verkehr steuern.
  • Genauigkeit und Leistungsfähigkeit der Messtechnik: Erfolgt die Messung von Position und Geschwindigkeit nicht mit hinreichender Genauigkeit, sind die erfassten Verkehrsdaten wertlos. Erst wenn exakte Informationen über die von einem Fahrzeug benutzte Fahrspur, seine Distanz zum Sensor und seine Geschwindigkeit vorliegen, sind die Voraussetzungen für einen effektiven Betrieb der Verkehrsüberwachungs-Infrastruktur gegeben.