Autonome Fahrzeuge eignen sich insbesondere für lange und weite Fahrten oder den stockenden Verkehr im Stau, da sie den Fahrer hier von ermüdenden manuellen Tätigkeiten befreien können. Die Hauptidee hierbei ist, die Anzahl der Verkehrsunfälle zu reduzieren. Um dies zu erreichen, benötigt das autonome Fahrzeug jedoch mehr als nur eine Kamera, die als Ersatz für das menschliche Auge fungiert. Zusätzlich kommen also Radar- und Lidar-Systeme zum Einsatz, um Objekte bei starkem Regen, dichtem Nebel oder Schneestürmen zu erkennen. Auf der Automotive World 2019 in Tokio präsentierten zahlreiche Unternehmen ihre Ideen in diesem Bereich (Bild 1).

Bild 1: Stände verschiedener Aussteller auf der Automotive World 2019 in Tokio.

Bild 1: Stände verschiedener Aussteller auf der Automotive World 2019 in Tokio. Kenji Tsuda

Kameras und Bussysteme

Der effektive Einsatz von Kameras erfordert mehr als nur den Blick nach vorne oder hinten. Es sind mindestens vier Einheiten für einen Rundumblick notwendig. Zusätzlich kann auch eine Kamera im Gehäuse der Außenspiegel eingebaut sein, um Fahrzeuge im toten Winkel zu erkennen. Verbindungsleitungen mehrerer Kamerasysteme könnten teure Ethernet-Leitungen durch eine eigene Kommunikationsbusleitung ersetzen. Analog Devices zeigte auf der Messe in Tokio die Bussysteme namens C2B beziehungsweise Car-Camera-Bus, um Video- und Audio­daten von Kameras an Steuergeräte oder Anzeigegeräte zu senden.

Der C2B-Bus verwendet analoge NTSC-Videosignale, um Bilder mit einer Auflösung von bis zu 720p/1080i zu senden, wozu eine unabgeschirmte Twisted-Pair-Leitung (UTP) erforderlich ist. Auf dem Bus lassen sich zwar keine Full-HD-Bilder übertragen, aber er bietet dennoch genügend Auflösung für die kleinen Displays im Auto. Die Kommunikationsreichweite beträgt bis zu 30 m über ein Sideband-Signal mit I2C oder GPIO-Steuerung. Im C2B-Bussystem stellt ADI das C2B-Bus-IC für die Bildkommunikation zur Verfügung.

Eck-Daten

Während der Automotive World 2019 in Tokio präsentierten zahlreiche Unternehmen Technologien, die für ACES (Autonomy, Connectivity, Electricity, Sharing) nützlich sind. Das Ziel hierbei ist, die Kosten der Elektronik im Automobil weiter zu senken und gleichzeitig ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten. Neben 48-V-System-DC/DC-Wandler und Datenanalysetools, wurden auch Systeme zur Kommunikation im Fahrzeug und zur Überwachung des Gesundheitszustands des Fahrers sowie MEMS-Lidar vorgestellt. All diese Anwendungen könnten Schlüsseltechnologien für zukünftige ACES-Systeme sein.

Auf der anderen Seite präsentierte Valens den HDBaseT-Bus für das Senden von hochaufgelösten Bildern und USB-2.0-Highspeed-Digitaldaten. HDBaseT ermöglicht die Übertragung vieler Arten von Video- und Audiodaten-, Ethernet-, USB-2.0- und anderen Steuersignalen mit einem einzigen LAN-Kabel von bis zu 100 Metern Länge. Der Signalbus kommt laut den Angaben eines Firmensprechers bei Videoübertragungen im Automotive- oder industriellen Bereich zum Einsatz.

MEMS-Lidar

Lidar- oder Lichterfassungs- und Entfernungssysteme die aus dem Fahrzeug heraus wie ein Auge in die Ferne sehen können, stellten einen der Schwerpunkte der Messe dar. Die Lidar-Technologie misst Entfernungen mittels der Zeitdifferenz zwischen dem Senden und Empfangen eines Laserstrahls, basierend auf der ToF-Technologie (Time-of-Flight). Während das Radar elektromagnetische Wellen verwendet, setzt Lidar Laserstrahlen ein.

Bild 2: Das system besteht aus einem MEMS-Spiegel zum horizontalen Abtasten mit einem Erfassungswinkel von -15 bis +15 Grad sowie mehreren Lasern für die vertikale Ausrichtung.

Bild 2: Das System besteht aus einem MEMS-Spiegel zum horizontalen Abtasten mit einem Erfassungswinkel von -15 bis +15 Grad sowie mehreren Lasern für die vertikale Ausrichtung. Infineon

Herkömmliche Lidarsysteme bestehen aus sperrigen Polygonspiegeln und einem Drehmechanismus zum Abtasten in horizontaler und vertikaler Richtung. Um das Volumen des Systems zu reduzieren, entwickelte Infineon Technologies ein Lidarsystem, bestehend aus einem MEMS-Spiegel zum horizontalen Abtasten mit einem Erfassungswinkel von -15 bis +15 Grad sowie mehreren Lasern zum Abtasten der vertikalen Richtung (Bild 2). Das MEMS-Lidar verkleinert also das System bei gleichzeitig sinkenden Kosten und trägt somit zur Einführung kleinerer und kostengünstigerer Fahrzeuge bei.

Infineon präsentierte ein Lidar-System mit integrierten MEMS-Spiegeln, zugehörigem Treiber-IC für die MEMS-Spiegel, Lasertreiber-IC, Fotodioden-Steuer-IC und Aurix-Mikrocontroller, welches das Unternehmen eigenständig entwickelt hat. Innoluce konstruierte den ursprünglichen MEMS-Spiegel, den Infineon im Jahr 2016 übernommen hat und dazu dann seine eigenen MEMS-Treiber entwickelte.

Vital-Sensor mit MIMO-Radar

Bild 3: Das Vital-Sensormodul überprüft den Gesundheitszustand des Fahrers in einem Auto.

Bild 3: Das Vital-Sensormodul überprüft den Gesundheitszustand des Fahrers in einem Auto. Kenji Tsuda

Herkömmliche 24-GHz-Radarsysteme kamen originär zur Erkennung von Objekten an der linken und rechten Rückseite von Fahrzeugen zum Einsatz. ADI hat nun eine neue Anwendung für Vital-Sensoren gefunden. Sie sollen den Gesundheitszustand von Autofahrern durch Messung von Herzfrequenz und Atmung in Echtzeit erfassen. Das Radarsystem (Bild 3) erkennt die Vitalwerte durch Nutzung einer MIMO-Antenne (Multiple-Input-Multiple-Output). Das System besteht aus einem Radar und einer Kamera die über maschinelles Lernen in der Lage sind, einen Menschen zu erkennen und seinen Gesundheitszustand zu analysieren. Außerdem kann das Radar geringe Abweichungen zwischen den Herzschlägen und den Atemzügen des Fahrers feststellen.

Das Radarmodul besteht aus einem zweikanaligen Sender-IC, einem 16-Kanal-Empfänger-IC und einem FPGA für die nötigen Berechnungen. Das System misst die Unterschiede des Blutvolumens des menschlichen Herzens bei Aufnahme und Abgabe von Blut. Das gleiche Prinzip kommt bei der Messung des Lungenvolumens zur Anwendung. Herkömmliche Techniken des Bio-Radarsystems wurden durch externe Geräusche wie Karosserievibrationen beeinflusst. Das vorgestellte System nutzt die MIMO-Antenne und die Strahlformungstechnologie, um die Strahlen auf das menschliche Herz und die Lunge zu fokussieren und so den Einfluss externer Geräusche zu minimieren. ADI bietet das Radarmodul in den Varianten „Miradar 32“ mit zwei Sendern und 16 Empfängern sowie das „Miradar 256/1024“ mit je 16 oder 32 Sendern und Empfängern an.

LED-Lampe zur Warnung

ON Semiconductor schlägt die Möglichkeit vor, nachfolgende Fahrzeuge mittels einer durchgehend rot-leuchtenden LED zu warnen. Dabei werden herkömmliche LED-Lampen  gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Eine aus mehreren einzelnen LEDs bestehende Lichtquelle lässt sich so wie eine einzige große LED-Lampe betreiben.

In Japan beispielsweise schaltet sich bei einem überholenden Auto automatisch die Warnblinkleuchte nach dem Einscheren vor das überholte Fahrzeug kurz ein und aus, um auf diesem Wege „Danke“ für einen problemlosen Überholvorgang zu sagen. Die LED-Rückleuchten bestehen aus vielen einzelnen LED-Chips und können das Licht auch nacheinander und nicht immer nur gleichzeitig einschalten. Die Lichtmuster sollen dabei durchaus bestimmte Botschaften enthalten. ON Semiconductor präsentierte zudem  verschiedene sequenzielle Muster, die eine bestimmte Information für das nachfolgende Auto ausdrücken sollen, mit dem Ziel, einen weltweit einheitlichen Standard festzulegen.

Vielfalt an DC/DC-Wandlern

Während Elektrofahrzeuge mit einer Spannung von annähernd 300 V bis 350 V arbeiten, nutzen Mild-Hybridfahrzeuge meist 48-V-Batterien für regeneratives Bremsen. Viele ECUs basieren auf 12-V-Batteriesystemen, so dass DC/DC-Buck-Wandler von 48 V auf 12 V wandeln müssen und daher in Mild-Hybrid-Systemen zum Einsatz kommen.

Analog Devices hat einen DC/DC-Buck-Wandler mit einem Wirkungsgrad von mehr als 97,2 Prozent bei 20 A Last entwickelt, der in zwei Stufen von 48 V auf 12 V wandeln kann: Zuerst von 48 V auf 24 V und dann von 24 V auf 12 V. ADI zeigte außerdem den LTC7821, der mit 500 kHz Schaltfrequenz arbeitet sowie einem integrierten Induktor mit einer Ausgangsspannung von 11,36 V und einem Eingangsstrom von 35,16 V (Bild 4).

Bild 4:  Der LTC7821 arbeitet mit einer 500 kHz Schaltfrequenz sowie einem integrierten Induktor mit einer Ausgangsspannung von 11,36 V.

Bild 4: Der LTC7821 arbeitet mit einer 500 kHz Schaltfrequenz sowie einem integrierten Induktor mit einer Ausgangsspannung von 11,36 V. ADI

ADI zeigte außerdem den LTC7821, der mit einer 500 kHz Schaltfrequenz arbeitet sowie einem integrierten Induktor mit einer Ausgangsspannung von 11,36 V und einem Eingangsstrom von 35,16 V (Bild 4).

Torex Semiconductor integrierte ebenso einen Induktor mit DC/DC-Wandler-Chip in einem einzigen Gehäuse. Die XDL-600-Serie benötigt hierfür nur Kondensatoren als externe Komponenten und bietet drei verschiedene Modelle mit Ausgangsströmen von 1,5 A, 500 mA und 600 mA an.

Ideen zur haptischen Bedienung

Es ist natürlich nicht wünschenswert, wenn der Fahrer zur Bedienung des Displays im Cockpit die Hand vom Lenkrad lösen muss. Um eine höhere Sicherheit zu gewährleisten, hat Nidec eine Anwendung mit haptischem Feedback für Automobile präsentiert, die das Unternehmen bereits in Serie für den Smartphone-Markt produziert hat. Wenn das Auto von der weißen Fahrbahnlinie abweicht, warnt die eingebettete haptische Vorrichtung den Fahrer durch Vibrationen.

Datenanalysetools

Der ACES-Trend generiert eine Vielzahl an Daten im Auto, darunter Geschwindigkeit, Motor- und Reifenumdrehungen, Lenkwinkel, Anzahl der Betätigungen der Gas- oder Bremspedale und andere. Um diese Daten zu aktivieren, hat Aptpod drei neue Anwendungen, bestehend aus Hard- und Software-Tools auf den Markt gebracht: Synchronized-CAN-Transceiver, Visual-M2M-Motion und Python-SDK.

Bild 5: Der Synchronized-CAN-Transceivers erfasst zahlreiche analoge und digitale Daten, einschließlich der Karosserie-Daten

Bild 5: Der Synchronized-CAN-Transceivers erfasst zahlreiche analoge und digitale Daten, einschließlich der Karosserie-Daten Kenji Tsuda

Der Synchronized-CAN-Transceivers (Bild 5) erfasst hierbei zahlreiche analoge und digitale Daten, einschließlich der Karosserie-Daten, während parallel eine Synchronisation mit vielen weiteren Sensordaten erfolgt. Das Visual M2M-Motion ist eine Anwendungssoftware für Smartphones mit neun Achsen-Sensoren, GPS und Kamera im Smartphone. Die Daten vom CAN-Transceiver lassen sich in die Cloud senden und per Smartphone abrufen. Das Unternehmen hat bereits eine IoT-Plattform für die Automobilindustrie namens „Intdash- Automotive-Pro-Cloud“ bereitgestellt. Dort können Fahrzeugdaten gesammelt und gespeichert werden. Python-SDK ist eine Bibliothek zum Aufbau und zur Ausführung verschiedener Möglichkeiten der Datenverarbeitung, einschließlich einer Echtzeit-Datenanalyse, der Datenverarbeitung für Analysezwecke und Methoden mit maschinellem Lernen.

Fazit

Während der Automotive World 2019 wurden Technologien vorgestellt, die für ACES nützlich sind, darunter Kommunikationssysteme im Fahrzeug, MEMS-Lidar, Gesundheitszustandsüberwachung des Fahrers, 48-V-System-DC/DC-Wandler und Datenanalysetools. All diese Anwendungen können Schlüsseltechnologien für zukünftige ACES-Systeme sein.