Radarzielsimulationen für autonome Autos Objekte aus dem Hut zaubern

Das Fraunhofer FHR entwickelt im Rahmen des Projekts »Automobile Testumgebung für Radar In-the-loop Untersuchungen und Messungen« (ATRIUM) einen Radarzielsimulator, der die Funktionsfähigkeit von künftigen Automobil-Radarsensoren überprüft und dabei selbst kritische Verkehrsszenarien simuliert.

Das autonome Fahren zählt aufgrund vieler Nutzungsmöglichkeiten (Individual- und Güterverkehr) und zahlreicher Vorteile (Steigerung des Fahrkomforts, ökonomischer und ökologischer Nutzen) zu einer vielversprechenden Zukunftstechnik. Um dabei die Verkehrsteilnehmer nicht zu gefährden und eine gesellschaftliche Akzeptanz herbeizuführen, muss der Fokus auf die Sicherheit der autonomen Kraftfahrzeuge gelegt werden. Das betrifft auch die Funktionstüchtigkeit aktueller Fahrerassistenzsysteme, die bereits heute sicherheitsrelevante Funktionen von Autos übernehmen. Insbesondere die Zuverlässigkeit von Radarsensoren muss dabei gewährleistet werden, da sie oftmals ein wichtiger Bestandteil derartiger Assistenzsysteme sind und in kommenden Fahrzeuggenerationen eine noch wichtigere Rolle einnehmen werden.

Testfahrten im Straßenverkehr

Die Radarsensoren werden bereits aktuell umfassend getestet, indem sie in Fahrzeugen verbaut und im Rahmen von Testfahrten für mehrere hunderttausend Kilometer dem regulären Straßenverkehr ausgesetzt werden. Hier müssen derzeit alle Automobilradare ihre fehlerfreie Funktion unter Beweis stellen. Durch das autonome Fahren werden die Anforderungen weiter zunehmen, da in der höchsten Stufe des autonomen Fahrens (SAE-Level 5) ein Eingreifen des Fahrzeugführers nicht mehr vorgesehen ist. Durch die damit einhergehenden Sicherheitsanforderungen werden für jede Sensorgeneration Testfahrten von voraussichtlich mehreren zehn Millionen Kilometern erforderlich – ein Aufwand, der auf herkömmlichem Wege nicht mehr zu bewältigen ist. Somit sind neuartige Testverfahren erforderlich, die eine umfassende und effiziente Qualifizierung von Automobilradaren ermöglichen.

Radarzielsimulation im Prüfstand

Mit Radarzielsimulatoren werden solche Tests künftig möglich. Die Radarzielsimulatoren nutzen die Funktionsweise von Radaren aus, die zur Umgebungswahrnehmung elektromagnetische Wellen aussenden. Die an Objekten auftretenden Wellenechos werden von Radaren erfasst und Entfernung, Geschwindigkeit und Richtung jedes Objekts definiert. Radarzielsimulatoren erzeugen künstlich derartige Echos, indem sie die von Radaren abgestrahlten Wellen empfangen, modifizieren und wieder zurücksenden. Somit lässt sich dem Radar eine virtuelle Umgebung vorspielen.

Die Technik ermöglicht daher unterbrechungsfreie Langzeittests von Automobilradaren und eignet sich zur Reduzierung des Umfangs von Testfahrten. Zudem lässt sich jede Testfahrt wiederholen, ohne dabei von äußeren Umständen wie Witterungsbedingungen und anderen Verkehrsteilnehmern abhängig zu sein. Die Zeitersparnis bei den Sensortests ermöglicht beispielsweise mehr Entwicklungszyklen bei der Radarentwicklung – ein weiterer Schritt in Richtung intelligenter, zuverlässiger und sicherer Sensoren.

So vielversprechend die Radarzielsimulation auch klingt, so eingeschränkt sind derzeit die technologischen Möglichkeiten. Viele derzeit auf dem Markt befindliche Radarzielsimulatoren können lediglich eine einstellige Anzahl an Echos erzeugen. Zudem lassen die meisten Systeme keine winkelabhängige Darstellung von Objekten zu, sodass die virtuellen Echos aus immer derselben Richtung wahrgenommen werden. Automobilradare der aktuellen und nächsten Generation, die Verkehrsteilnehmer als aus mehreren Teilen (beispielsweise Heck, Stoßstange und Räder) zusammengesetzte Objekte wahrnehmen, können daher mit den derzeitigen Systemen nur unzureichend getestet werden.

Radarzielsimulation mit ATRIUM

Am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR wird derzeit eine umfangreiche Testumgebung für Automobilradare aufgebaut. Der Zielsimulator namens ATRIUM ist als Prüfstand konzipiert, vor dem ein mit Radarsensoren ausgestattetes Testfahrzeug positioniert werden kann (Bild 1).

Mit der Simulationstechnik soll es bald möglich sein, bis zu 300 Echos zu erzeugen – mit frei wählbaren Geschwindigkeiten bei nahezu beliebigen Entfernungen und Winkeln. Die große Anzahl an künstlichen Reflektionen soll es dabei ermöglichen, virtuelle Verkehrsszenarien möglichst realitätsgetreu wiederzugeben.

Innovative Technologien

Um die virtuelle Positionierung von Radarzielen entlang verschiedener Raumdimensionen zu ermöglichen, werden mit FPGAs ausgerüstete Digitalboards eingesetzt, die mit Sende- und Empfangseinheiten ausgestattet sind. Der Digitalteil wird künftig die Generierung von mehr als 100 doppler- und zeitverschobenen, amplituden- und phasenvariierten Kopien des Sendesignals ermöglichen. Durch die Modifikation kann das Signal unter Anderem zeitlich verzögert werden, wodurch sich die Entfernung der Radarziele verändern lässt. Eine Besonderheit stellt dabei ein speziell entwickeltes Signalanalyse- und -syntheseverfahren dar, welches die Generierung einer hohen Anzahl an Echos ermöglicht und bereits zum Patent angemeldet wurde. Da derzeit die Generierung von bis zu 300 künstlichen Echos angestrebt wird, werden in der finalen Ausbauphase des Systems insgesamt drei Digitalboards parallel zum Einsatz kommen.

Zudem stellt die Anordnung der Sendeantennen ein wichtiges Kriterium dar, denn erst die geschickte Verteilung im Raum ermöglicht die Generierung von Reflektionen, die vom Radar aus verschiedenen Richtungen wahrgenommen werden. Das Fraunhofer FHR hat eine kompakte Antennenanordnung konzipiert, die eine gleichmäßige Beleuchtung des getesteten Radars über einen großen Winkelbereich hinweg ermöglicht. Die zum Patent angemeldete Anordnung hat das Potenzial, das elektromagnetische Verhalten von Verkehrssituationen realistischer als bisher möglich nachzubilden.

Die hohe Anzahl an generierbaren Echos bringt zusätzlich eine neue Herausforderung mit sich, denn die Erstellung eines Verkehrsszenarios für ATRIUM erfordert die Programmierung der Position und Geschwindigkeit von bis zu 300 Echos pro Zeitschritt – der Aufwand ist manuell nicht zu bewältigen. Daher wurden zwei neuartige Software-Workflows entwickelt, die auf einem Top-Down-Ansatz beruhen (Bild 2).

  • Basierend auf einer High-Level-Beschreibung eines Verkehrsszenarios wird mit Hilfe einer speziell entwickelten elektromagnetischen Simulationssoftware ein so genanntes Punktstreumodell extrahiert. Das Modell ermittelt für Verkehrsteilnehmer und Umgebung Reflektionsstellen (Punktstreuer), die für eine naturgetreue Wiedergabe der Verkehrssituation berücksichtigt werden müssen. Basierend auf dem Modell können automatisiert die Parameter der zu erzeugenden Echos abgeleitet werden. Die Parameterliste lässt sich anschließend direkt vom ATRIUM-System wiedergeben.
  • Auf die elektromagnetische Simulation kann verzichtet werden, wenn alternativ mit einem Radar aufgezeichnete Messdaten zur Verfügung stehen. In dem Fall können die Messdaten dazu genutzt werden, um aus ihnen erneut ein Punktstreumodell abzuleiten, welches auf dem zuvor beschriebenem Weg aufbereitet und dem Radarzielsimulator übergeben wird.

Somit stehen zwei Workflows zur Verfügung, die realistische Verkehrsszenarien wiedergeben und dem Nutzer die zeitaufwendige Programmierung der entsprechenden Echos ersparen.

Verifikation von Radarsystemen für komplexe Verkehrs-Szenarien

Die Vorteile der zuvor beschriebenen Technologien lassen sich an einem Szenario verdeutlichen. Beispielsweise stellen an Landstraßen die Straßeneinmündungen und -kreuzungen eine große Gefahr dar, sodass die Radarsysteme für solche Verkehrssituationen verifiziert werden müssen. Exemplarisch wird der Einsatz von ATRIUM an folgendem Kreuzungs-Szenario demonstriert:

  • Ego-Fahrzeug nähert sich einer Kreuzung.
  • Ein von rechts kommender Lastwagen nähert sich ebenfalls der Kreuzung.
  • Rechts vom Ego-Fahrzeug befindet sich eine Bebauung, sodass die Sicht auf den Lkw verhindert wird.

Der Nutzer überträgt daher zunächst in die elektromagnetische Simulationssoftware von ATRIUM die CAD-Modelle des Nutzfahrzeugs und der Bebauung. Unterhalb der Modelle wird eine Straßenoberfläche angeordnet. Des Weiteren wird für jeden Simulationsschritt Position und Geschwindigkeit der Fahrzeuge definiert. Durch Starten der elektromagnetischen Simulation wird ein Punktstreumodell bestehend aus bis zu 300 Punktstreuern generiert, das anschließend in die ATRIUM-Steuersoftware geladen wird. Nachdem der Radarsensor vor dem Radarzielsimulator platziert wurde, kann die Radarzielsimulation durch Auswahl des berechneten Verkehrsszenarios gestartet werden – beliebig oft und mit höchster Wiederholgenauigkeit.

Finale Ausbaustufe des Simulators

Die Entwicklung des ATRIUM-Radarzielsimulators erfolgt in drei Schritten:

  • Zunächst wird ein einkanaliges System realisiert, welches aus klassisch aufgebauten Sende- und Empfangsteilen besteht (Bild 3). Das System ermöglicht die Erzeugung von bis zu 16 Echos, deren Entfernung und Geschwindigkeit individuell eingestellt werden kann. Die Steuersoftware ermöglicht bereits, High-Level-Beschreibungen von Verkehrsszenarien sowie Radarmessdaten einzuspeisen und wiederzugeben.
  • In einem zweiten Schritt werden Sende- und Digitalteil modifiziert, sodass über 100 Echos generiert werden können. Damit steht ein erweiterter einkanaliger Radarzielsimulator zur Verfügung, der die bisher mögliche Anzahl generierbarer Echos weit übertrifft. Von den Echos können allerdings weiterhin lediglich Entfernung und Geschwindigkeit verändert werden.
  • Die winkelabhängige Darstellung von Objekten wird in der letzten Ausbaustufe des Projekts umgesetzt. In der Phase wird die beschriebene Antennenanordnung realisiert sowie Teile der Hardware in die Anordnung integriert. Das im zweiten Schritt aufgebaute Hardwaresystem wird vervielfacht, wodurch mit dem Gesamtaufbau bis zu 300 Echos erzeugt werden können. Durch Erweiterung der Steuersoftware lassen sich zur Wiedergabe virtueller Verkehrsszenarien erneut High-Level-Beschreibungen und Radarmessdaten einsetzen, welche nun auch Winkelinformationen enthalten können.

Der erste Entwicklungsschritt ist bereits abgeschlossen, wodurch bereits eine erste Version des Radarzielsimulators mit 16 Echos zur Verfügung steht. Das erweiterte einkanalige System befindet sich derzeit in der Entwicklung und wird bis Ende 2019 fertiggestellt. Im Herbst 2020 wird das Projekt ATRIUM die finale Ausbaustufe erreichen.

Auswirkungen auf das autonome Fahren

Mit ATRIUM wird dem Fraunhofer FHR ein Radarzielsimulator zur Verfügung stehen, der sich vom derzeitigen Stand der Technik abhebt. Durch das Verfolgen neuer, innovativer Konzepte der Radarzielsimulation und deren systematischer Weiterentwicklung wird ATRIUM die Verbesserung von Sicherheit und Funktionstüchtigkeit autonomer Fahrzeuge ermöglichen. Das Institut befindet sich derzeit in Gesprächen mit verschiedenen Messgeräteherstellern, um das System in marktreife Produkte zu überführen. Auch an weiteren Verwertungspartnern zeigt sich das Fraunhofer FHR jederzeit interessiert.

Der Autor

Dr.-Ing. Thomas Dallmann
ist Leiter der Forschungsgruppe Aachen des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR. Er studierte an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen Elektrotechnik/Informationstechnik und schloss dort 2017 seine Promotion am Institut für Hochfrequenztechnik IHF ab. Am Institut forschte er an Verfahren zur Messung und Analyse des Rückstreuquerschnitts von Radarzielen. Seit 2016 leitet er die Forschungsgruppe Aachen des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR. Zusammen mit seinem Team erkundet er neue Konzepte und Technologien für Automobilradarsysteme und entwickelt Methoden und Testverfahren zur Verifikation von Automobilradaren.