Sichtweitensensor steuert automatisches Fahrlicht bei Nebel

Laut Statistischem Bundesamt ereigneten sich alleine im Jahr 2015 über 450 Unfälle durch eingeschränkte Sicht, hauptsächlich bei Nebel. Die Monate Oktober bis Dezember gelten mit knapp 64 Prozent aller Nebelunfälle als die Hauptsaison.

Bild 1: Das Funktionsprinzip des Sichtweitensensors basiert auf optischer Rückstreuung. Preh

Einstige Sonderfunktionen, wie Reifendrucksensoren, Regensensor oder auch automatisches Fahrlicht gehören heute bereits teilweise zur Grundausstattung von Neufahrzeugen. Regen-Licht-Sensoren basieren jedoch nicht ausschließlich auf detektierten Messwerten, sondern verfügen zusätzlich über eine komplexe Auswertungssoftware, die für eine korrekte Ergebnisbildung viele unterschiedliche Faktoren einbezieht.

Nebel irritiert die gewöhnliche Lichtautomatik

Allerdings kann es beim automatischen Fahrlicht zu systemimmanenten Fehlinterpretationen kommen. Dessen Funktion basiert zwar auf einer korrekten Messung der Umgebungshelligkeit, aber es kommen auch spezielle Umgebungsbedingungen vor, die keine heute in Serie befindliche, automatische Lichtsteuerungen korrekt erfassen kann. So bleiben bei der Reaktion auf Helligkeitsunterschiede etwaige Sichtbehinderungen durch Nebel, Rauch oder Smog unberücksichtigt. Vor allem Sichteinschränkungen durch Nebel bergen ein besonderes Gefahrenpotenzial und stehen hier im Fokus. Bei Nebel muss es nicht zwangsläufig sehr dunkel sein, Nebel kann auch am Tag oder bei Dämmerung auftreten.

Arbeitet das automatische Fahrlicht in solchen Fällen nicht zuverlässig, bleibt das vom Fahrer oft unbemerkt. Bei zwei der am häufigsten auftretenden Nebelsituationen, dem Morgennebel und dem Hochnebel, strahlt die Sonne beispielsweise von oben durch den Nebel und gaukelt der Sensorik eine hohe Helligkeit vor. In diesem Fall schaltet das  Fahrlicht aus oder wird gar nicht erst aktiviert. Ursache dafür ist die mehrfache Lichtstreuung an den im Nebel befindlichen kleinen und kleinsten Wassertropfen. So kann eine von der Sonne angestrahlte Nebelbank deutlich heller erscheinen, als ein blauer Himmel. Im Extremfall führt das zu einer paradoxen Situation, denn das automatische Fahrlicht schaltet sich genau dann aus, wenn man in den Nebel einfährt und es unbedingt benötigt.

Funktionsprinzip der Sichtweitenerkennung

Auch wenn sich der Automatisierungsgrad der zahlreichen Lichtfunktionen in den unterschiedlichen Ausstattungsvarianten, wie auch von Hersteller zu Hersteller unterscheidet – die am meisten verbreitete Variante ist das automatisierte Fahrlicht. Dieses schaltet sich ein, wenn entsprechende Messwerte eine signifikante Verminderung in der Umgebungshelligkeit ausweisen. Die Steuerung von Nebelschlussleuchte und Nebelscheinwerfer erfolgt bis heute noch immer manuell durch den Fahrer, weil die Lichtsensorik entsprechende Wetterbedingungen nicht klar erkennen kann. Genau hier setzt der neu entwickelte Sichtweitensensor an.

Bild 2: Das Sensorgehäuse mit Elektronik und optischer Ankopplung an die Windschutzscheibe. Preh

Er arbeitet nach dem Prinzip der optischen Rückstreuung. Bei einer Wellenlänge von 850 nm wird Licht im nahen Infrarotbereich ausgesendet. Aerosole und kleine Staubpartikel, wie sie im Nebel oder auch bei Rauch und Smog vorkommen, reflektieren das Licht. Der zurückgestreute Anteil des Lichts gelangt zu einer Photodiode und generiert einen Photostrom (Bild 1).

Physikalische Gesetze und die Anforderung, dass das ausgesendete Licht für das menschliche Auge nicht erkennbar sein soll, bedingen eine Messwellenlänge im Bereich von 800 bis 900 nm. Die für das Sensorsystem ausgewählte Fotodiode hat eine Emissionswellenlänge von 850 nm. Etwaige Störeinflüsse, wie sie im realen Fahrbetrieb auftreten können, werden mittels aufwändiger Software im Sensor eliminiert. Zur entsprechenden Plausibilisierung werden weitere Sensorsignale und Fahrzeugdaten ausgewertet und berücksichtigt. Der Sensor wird hinter der Windschutzscheibe des Fahrzeugs platziert und nach vorn ausgerichtet (Bild 2 und 3).

Thema auf der nächsten Seite: Die Sichtweite zuverlässig erfassen.

Bild 3: Der Sensor sitzt hinter der Windschutzscheibe und ist so nach vorn ausgerichtet, dass die Sichtkegel von Sende- und Empfangsdiode überlappen. Preh

Die Sichtweite zuverlässig erfassen

In Tests hat sich der relativ flache Neigungswinkel der Frontscheiben als vorteilhaft erwiesen. Denn so lassen sich Störeinflüsse von Hindernissen in Fahrtrichtung unterdrücken. Der detektierte Bereich, der durch die Überlappung der Sichtkegel von Sende- und Empfangsdiode bestimmt wird beginnt einige Zentimeter über der Windschutzscheibe und endet wenige Meter vor dem Fahrzeug. Die nunmehr vom Sensor gemessene Intensität der Rückstreuung erlaubt Rückschlüsse auf die Konzentration von feinen Partikeln und somit auch auf die Konzentration der Wassertröpfchen, aus denen Nebel besteht.

Das von Preh entwickelte seriennahe Sensorsystem erlaubt einen Messbereich von unter 50 m bis etwa 500 m Sichtweite. Der entsprechende Bereich kurz vor dem Fahrzeug, leicht oberhalb der Straße, zeigte sich während der umfänglichen Testläufe als ideal. Die Verwirbelungen des Fahrtwindes beeinflussten die Messungen im relevanten Luftvolumen nicht.

Nebel ist eine Naturerscheinung, die sich wegen ihrer Inhomogenität nie hundertprozentig messtechnisch erfassen lässt. Geringfügigen systemimmanenten Messtoleranzen ist jedoch durch eine zeitliche Mittelwertbildung gut entgegenzuwirken. Es ergibt sich nach der Messdatenverarbeitung ein Ausgangssignal, das dem subjektiven Empfinden der Sichtweite im Nebel sehr nahe kommt.

Bild 4: Messungen im realen Fahrbetrieb zeigte eine deutliche Überlegenheit des Sichtweitensensors im Vergleich zum Referenzsensor. Preh

Besser als der Referenzsensor

Die Evaluierung des Sichtweitensensors erfolgte sowohl durch umfangreiche Testfahrten, wie auch in Labormessungen. Für Testfahrten kam ein Sichtweiten-Referenzsensor zum Einsatz, wie er beispielsweise auf Flughäfen im stationären Betrieb arbeitet. Die beste Vergleichbarkeit zu diesem Sensor hatten entsprechend die Messungen am stehenden Fahrzeug unter realen Nebelbedingungen. Bei Messungen im Fahrbetrieb zeigte sich der Preh-Sensor dem Referenzsensor deutlich überlegen (Bild 4).

Da beliebig viele unterschiedliche Szenarien denkbar sind, in denen der Sichtweitensensor zuverlässig arbeiten muss, erschien die Erstellung eine Matrix von Anwendungsfällen als sinnvoll (Bild 5).

Unter all diesen Bedingungen und Störeinflüssen wie Tunnel, Wald, Hecken, Schnee, Regen und weitere, ließ sich die volle Funktionsfähigkeit des Sensors mit einer sehr hohen Testabdeckung nachweisen. Die entsprechenden Fahrten fanden dabei in verschiedenen Ländern und Regionen Europas, in Asien und in Nordamerika statt.

Bild 5: Die Use-Case Matrix diente als Basis für umfassende Tests des Sichtweitensensors unter verschiedensten Umweltbedingungen und Störeinflüssen. Preh

Messdaten mit anderen Fahrzeugen teilen

Prehs neuer Sichtweitensensor komplettiert heutige Lichtautomatikfunktionen für Fahrsituationen im Nebel und sorgt damit für mehr Sicherheit.

Weitere Vorteile ergeben sich auch für das Innenraumdesign, wenn bislang notwendige Schalter für Nebelscheinwerfer und Nebelschlussleuchte entfallen können. In Verbindung mit einer Preh-Connectivity-Box und einer entsprechenden Car-2-X-Kommunikation können Sensormessdaten auch für nachfolgende Fahrzeuge die Sicherheit im Straßenverkehr erhöhen.

Künftig vernetzte Fahrzeuge werden nicht nur Informationen über die Verkehrsdichte untereinander austauschen, sondern auch über die Wetterbedingungen und den Fahrbahnzustand. Bei einem ausreichenden Bestand an Fahrzeugen, die mit einem Sichtweitensensor ausgestattet sind, können Informationen über die Nebeldichte im Bereich der Fahrbahn an nachfolgende Fahrzeuge weitergegeben werden. So werden Warnhinweise möglich, die auf realistischen Messungen basieren.

(jwa)