Autonomes Fahren Wenn Sensoren menschliche Sinne ersetzen

Beispiele für Fahrerassistenzsysteme im Automobil

Die „Menschlichen Sensoren“  wie Sehen und Hören sowie die Datenverarbeitung im menschlichen Gehirn müssen beim autonomen Fahren ersetzt werden. Diese Aufgaben übernehmen in einem autonomen Fahrzeug die Sensoren und die dazugehörige Recheneinheit (ECU).

  • Spurhalteassistent oder auch Lenkpilot: Eine der Grundvoraussetzungen hierfür ist ein Kamerasystem, um die Umgebung auszuwerten, und ein Winkelgeber, damit die aktuelle Lenkposition ausgelesen werden kann. Auf Basis der von der Kamera erkannten Spurmarkierungen wird ein fahrbahnmittenorientierter Sollkurs bestimmt und der Lenkung übermittelt. Dabei kann diese Übermittelung aktiv (Eingriff in die Lenkung) oder passiv (akustisches oder haptisches Warnsignal) ausfallen.
    Modernste Kamerasysteme verwenden Stereokameras, die aus zwei hoch auflösenden CMOS-Monokameras bestehen und mit einem Abstand von circa 20 Zentimetern in einem Gehäuse hinter der Windschutzscheibe installiert sind. Während eine Monokamera Distanzen lediglich schätzt, kann die Stereokamera den Abstand zu einem Objekt und dessen Höhe über der Straße messen. Auf eine mittlere Distanz von 20 bis 30 m kann die Stereokamera die Entfernung bis zum Objekt auf 20 bis 30 cm genau bestimmen.
    Verbaut ist ein solcher Lenkpilot in der neuen E-Klasse von Mercedes-Benz (Baureihe 213). Der Lenkpilot unterstützt bei der Fahrzeugquerführung und hilft dem Fahrer, auf gerader Straße und bei moderater Kurvenfahrt in der Mitte der Fahrspur zu bleiben.
     
  • Abstands-Assistent: Der Abstands-Assistent misst per Abstandssensor die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit zu vorausfahrenden Fahrzeugen. Als Abstandssensoren werden RADAR-Systeme verbaut. Bei etwa 75 bis 76 GHz (W-Band) sind RADAR-Systeme geringer Reichweite bis 250 m im Automobilbau als Einparkhilfe, Bremsassistent und Abstandswarnung im Einsatz. Zusätzlich können die Bilder einer Stereokamera durch Objektfusion eine verbesserte Objekt- und Abstandserkennung gewährleisten.
    Der hochmoderne und Automotive-qualifizierte RADAR-Sensor von STMicroelectronics STRADA431 überzeugt durch eine kompakte Bauform im QFN Package mit 6 x 6 mm². Die Versorgungsspannung von 3,3 V und der On-Chip-Power-Sensor sowie der zusätzliche Temperatur-Sensor ermöglichen es, ein ASIL-B-fähiges System aufzubauen. Die AEC-Q100-Zertifizierung garantiert den Automotive-Einsatz.
  • Geschwindigkeitsregelanlage (GRA): Im Rahmen des autonomen Fahrens übernimmt die Geschwindigkeitsregelanlage eine zentrale Rolle. Da der Fahrer nicht mehr aktiv am Geschehen teilnimmt, muss das Beschleunigen und Bremsen des Fahrzeugs automatisch erfolgen. Hierzu wird die aktuelle Geschwindigkeit mit Sensorik gemessen und dementsprechend die Öffnungszeit der Drosselklappe geregelt.

Der Magnet-Geschwindigkeits-Sensor TLE4941plusC von Infineon kann nicht nur zur Bestimmung der Geschwindigkeit verwendet werden, sondern ebenfalls als ABS- und ESP-Sensoren. Hierfür muss ein Sensor an allen vier Rädern installiert werden. Der verbaute differenzielle Hallsensor liefert nicht nur exakte Werte, sondern ist auch sehr robust. Der im Blockschaltbild dargestellte Preamplifier (dt. Vorverstärker) ist notwendig, um das differenzielle Signal der beiden Hall-Sensoren für eine Signalverarbeitung zu verstärken. Der Sensor bietet eine ESD-Schutz bis 12 kV und hat eine Qualifizierung für Automobilanwendungen nach AEC-Q. Er kann mit einer Spannung bis 20 V versorgt werden, was intern über einen Spannungsregler in eine 3-V-Spannung gewandelt wird.

Herausforderungen und Vorteile von ADAS

Der Trend im Automobilbereich geht von der dezentralen Verarbeitung der Sensordaten hin zu einer zentralen Verarbeitung aller Sensordaten. Hierfür ist eine „Super-ECU“ notwendig. Der Automobilzulieferer Continental AG, ein Tier-1, rechnet bei der Anzahl von notwendigen Sensoren mit einer erzeugten Datenmenge von 1 Gb/min. Aktuell gibt es noch keine ECU, die diese Menge an anfallenden Daten in Echtzeit verarbeiten kann, was bei sicherheitsrelevanten Systemen unvermeidbar ist. Für echtzeitfähige Systeme sind drei Schlagwörter von großer Bedeutung: Rechtzeitigkeit, Gleichzeitigkeit und Verfügbarkeit.

Ein weiterer Punkt ist die Sicherheit im doppelten Sinne: Die Funktionale Sicherheit (engl. safety) als auch die Datensicherheit (engl. security) müssen sichergestellt sein. Spätestens wenn eine Car-to-X-Kommunikation im Automobil implementiert wird, muss das Problem der Datensicherheit gelöst sein. Hacker könnten sich sonst in das Auto einwählen und durch Fernsteuerung großen Schaden anrichten.

Das autonom fahrende Automobil bietet nicht nur Vorteile im Fahrkomfort, sondern ganz entscheidend ist der Punkt der Sicherheit. Durch das autonome Fahren sollen Verkehrsunfälle vermieden werden, die durch Unachtsamkeit entstehen.

Ein weiterer wichtiger Punkt sind die CO2-Einsparungen: Das autonom fahrende Fahrzeug, soll durch Car-to-Car- und Car-to-X-Kommunikation fähig sein, möglichst effizient und umweltschonend zu fahren. Das Auto weiß, dass die Ampel in wenigen Sekunden auf Rot schaltet und ein Beschleunigen nicht reicht, sondern das frühzeitige Bremsen oder Segeln (Nutzen der Bewegungsenergie ohne aktiven Motoreingriff) deutlich sinnvoller ist.