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Analog Devices

Derzeit werden Stimmen laut, die in Zusammenhang mit ADAS von unfallfreiem Fahren in naher Zukunft sprechen. Blickt man auf bereits fest etablierte Sicherheitstechnologien wie etwa  ABS, Airbags oder ESP/ESC zurück, präsentieren  sich ADAS-Systeme als die  konsequente Fortsetzung mit dem Ziel, Verkehrsunfälle weiter zu reduzieren oder wenigstens die negativen Auswirkungen zu minimieren. In Zukunft werden  ADAS-Systeme auch die notwendige Grundlage für autonomes Fahren bereitstellen. Mit über 20 Jahren Erfahrung ist Sicherheitstechnologie das Herzstück der Automobil-Aktivitäten von Analog Devices, und auch im sich noch entwickelnden ADAS-Bereich war Analog Devices von Anfang an dabei.

Bei ADAS  steht die Fahrzeugumfelderkennung und dadurch Gefahrenabwehr mit Hilfe geeigneter Sensoren im Mittelpunkt. Objekte außerhalb des eigenen Fahrzeugs müssen erkannt, klassifiziert und verfolgt werden, um im Idealfall eine imaginäre 360-Grad-Karte von relevanten Objekten um das Fahrzeug herum erstellen zu können.

Auf einen Blick

ADAS-Technologie ist auf dem besten Weg, sowohl die Sicherheit der Fahrzeuginsassen als auch die der anderen Verkehrsteilnehmer stark zu verbessern und damit Verletzungen, wirtschaftlichen Schaden und Todesfälle abzuwenden.

Das primäre Ziel von ADAS besteht darin, die Sicherheit für Verkehrsteilnehmer zu erhöhen. Gesteigerter Komfort für den Fahrer ist ein willkommener Nebeneffekt einiger Funktionen. Die Einparkhilfe, automatisches Fernlicht oder die automatische Geschwindigkeitsregelung sind gute Beispiele hierfür. Letztendlich kann man auch argumentieren, dass eine Entlastung des Fahrers ebenfalls der gesteigerten Sicherheit dienlich ist.

Wo treten Gefahren überhaupt auf?

Mit heute weltweit 900 Millionen Pkws  auf den Straßen ist der prozentuale Anteil der Verkehrstoten seit Einführung von Airbag, ABS und Stabilitätssystemen schon beträchtlich gesunken.  Waren es vor der Einführung von ABS noch 360 Tausend Tote pro 100 Millionen Pkws ist die Zahl heute auf 44 Tausend Verkehrstote pro 100 Millionen Pkws geschrumpft. 100 Millionen Fahrzeuge ist auch momentan die weltweite Jahresproduktion von Neufahrzeugen.

Damit Fahrerassistenzsysteme die Zahl der Unfälle weiter reduzieren,  muss zunächst erkannt werden, welche Situationen im Straßenverkehr heute besonders häufig zu Unfällen beitragen. Hierzu zählen unbeabsichtigtes Verlassen der Fahrspur, Spurwechsel oder Ab-/Einbiege-Manöver, bei denen ein anderer Verkehrsteilnehmer übersehen wird, Auffahrunfälle überwiegend bei niedrigen Geschwindigkeiten, Übersehen eines Fußgängers, der zunächst verdeckt hinter parkenden Fahrzeugen auf die Straße tritt, Gefahr durch unterschätzte Geschwindigkeit, Blenden anderer Verkehrsteilnehmer und Kollisionen beim Rangieren oder Parken. Auch übermüdete Fahrer stellen eine nicht unbeträchtliche Gefahr dar, und zu guter letzt auch Unfälle bei Dunkelheit, bei denen eine Person, ein Tier oder ein Hindernis zu spät gesehen wird.

Relevante ADAS-Sensoren und Aktuatoren

Zur Bewertung von Gefahren,  die zu den beschriebenen Unfallsituationen führen können, steht eine Reihe unterschiedlicher Sensoren zur Verfügung. Um die Treffsicherheit und Zuverlässigkeit von ADAS-Systemen zu erhöhen, werden in Zukunft auch vermehrt Daten mehrerer Sensoren fusioniert. Kein Autohersteller würde sich bei einer automatischen Notbremsung auf einen einzigen Sensor verlassen wollen.

Radarsensoren  messen die Laufzeit der Reflexionen eines ausgesendeten Hochfrequenzsignals. Diese Radarsensoren, die bereits heute in ADAS weit verbreitet sind, unterscheiden sich in Frequenz, Anzahl der Antennen, Antennencharakteristik, Entfernungs-, Geschwindigkeits- und Winkel-Auflösung. Radarsensoren eignen sich für automatische Geschwindigkeitsregelung (ACC) mit Stopp & Go, Erkennung von Objekten im toten Winkel (BSD), Spurwechselassistent (LCA),  Kreuzungsassistent, Ein- oder Abbiegeassistent (XA), Auffahrschutz (FCW, FCM), Fußgängerschutz (PD) und als Einparkhilfe/Einparkautomatik (>100 GHz, PA).

Lidar

Lidarsensoren arbeiten nach dem gleichen Laufzeitprinzip wie Radarsensoren, senden allerdings infrarotes Laserlicht statt Radiowellen aus. Im Rahmen von ADAS kommen Lidar-Sensoren beispielsweise beim Auffahrschutz (FCW, FCM) zum Einsatz, aber diese Sensoren eigenen sich auch für die automatische Geschwindigkeitsregelung (ACC) mit Stopp & Go.

Ultraschallsensoren messen auch die Laufzeit und kommen im Nahbereich zum Einsatz. Sie sind heute bei Parksystemen weit verbreitet, spielen für ADAS aber nur einen Nebenrolle. In Zukunft wird versucht werden, diese Funktion durch ohnehin installierte Radarsysteme mit abzudecken. Mögliche Einsatzgebiete von Ultraschallsensoren sind Einparkhilfe (PA) und Einparkautomatik.

PMD

PMD (Photomischdetektoren) sind optische Sensoren, die einem CMOS-Bildsensor mit geringer Auflösung ähneln. Ein PMD-Sensor sendet jedoch durch eine zusätzliche Lichtquelle moduliertes Licht aus, um durch das Laufzeitverfahren zusätzlich zum optischen Abbild die Entfernungsinformation zu gewinnen. Die Rolle dieses 3D-Sensors für ADAS ist heute noch nicht klar, aber Anwendungen zum Fußgängerschutz sind bereits angekündigt. Mögliche Einsatzgebiete von PMD-Sensoren sind Fußgängerschutz (PD) und Auffahrschutz (FCW, FCM).

CMOS-Kameras

CMOS Sensoren (Kameras) bis zu Megapixel-Auflösung sind heute neben den Radarsensoren die am weitesten verbreiteten ADAS-Sensoren. Um etwa Fahrspuren  oder Verkehrszeichen zu erkennen oder dem Fahrer ein Rückfahr- oder 360-Grad-Bild ins Cockpit zu liefern, gibt es momentan noch keine Alternative zum CMOS-Sensor. Auch die Fußgängererkennung erfolgt heute hauptsächlich mit einem CMOS-Sensor, obwohl in naher Zukunft auch Radar- und PMD-Sensoren diese Funktion übernehmen können. Hochauflösende 3D-(Stereo-)Abbilder werden heute bereits mit zwei CMOS-Sensoren realisiert; der Rechenaufwand ist allerdings im Vergleich zur Mono-Kamera oder zum 3D-PMD-Sensor ungleich höher (> 4x).

Mögliche Einsatzgebiete von CMOS-Sensoren sind Fußgängerschutz (PD), Auffahrschutz (FCW, FCM), Fahrspurerkennung, Spurwechselassistent (LDW, LCA), Erkennung von Objekten im toten Winkel (BSD), Kreuzungsassistent, Ein- oder Abbiegen (XA), Geschwindigkeitsassistent (SA), Verkehrszeichenerkennung (TSR), Fernlichtautomatik (HB/LB), Rückfahrkamera (RV), Rundumsichtkamera (SV), Fahrersituationsanalyse, Warnung vor „Sekundenschlaf“ (DM) und Parkautomatik.

Nachtsicht

Nachtbildsensoren (Nachtkameras) unterteilen sich heute in zwei Systemgruppen. Die erste Gruppe kommt ohne zusätzliche Lichtquelle aus, indem sie über eine Wärmebildkamera die Reflexionswärme von Objekten, Personen oder Tieren registriert sowie auf einem Bildschirm anzeigt. Die Systeme der anderen Gruppe beleuchten die Objekte mit einer Infrarot-Lichtquelle und erfassen dann das reflektierte Licht. Aufgrund der relativ hohen Kosten derartiger Systeme ist deren generelle Verbreitung allerdings (noch) beschränkt, aber es wird aktiv nach günstigeren Sensoren gesucht. Neben der bildlichen Darstellung der Objekte findet auch hier bei neueren Systemen eine Objekterkennung statt, die den Fahrer aktiv vor Gefahren warnt oder durch die gewonnene Information autonom in die Bremsung des Fahrzeugs eingreifen kann. Mögliche Einsatzgebiete von Nachtbildsensoren sind der Fußgängerschutz (PD) sowie die Erkennung von Tieren und Objekten (AD, OD).

GPS-Sensoren

GPS-Sensoren/ADAS-Karten können am weitesten „voraussehen“ und, etwa abhängig von der zu erwartenden Straßenführung, vor zu hohen Geschwindigkeiten warnen. Ein mögliches Einsatzgebiet von GPS-Sensoren (in ADAS) sind Geschwindigkeitsassistenten (SA).

Bild 1: Unfallsituationen, die sich mit ADAS vermeiden lassen.

Bild 1: Unfallsituationen, die sich mit ADAS vermeiden lassen.Analog Devices

Abhängig von der gesammelten Sensor-Information trifft das System Entscheidungen und  gibt diese an den Fahrer/  das Fahrzeug weiter. Im einfachsten Fall sind das heute nur Warnmeldungen, die über ein Display, eine Warn-LED und/oder akustisch ausgegeben werden. In der Zukunft werden sicherheitsrelevante Systeme auf Basis der Sensordaten aber vermehrt über Brems- und/oder Lenkaktuatoren direkt in das Fahrgeschehen eingreifen, um den negativen Effekt von menschlicher Reaktionszeit aus der Gleichung zu nehmen.

ADAS Trends – Markttreiber

Euro NCAP bewertet die Sicherheit der in Europa vermarkteten Fahrzeuge. Ein nachvollziehbares Bewertungsschema beurteilt zurzeit vier Kategorien wie Insassensicherheit für Erwachsene und Kinder, Fußgängerschutz und Systeme zur aktiven Sicherheitsunterstützung wie etwa ESP. Als Ergebnis werden bis zu fünf Sicherheitssterne vergeben und auf der Euro-NCAP-Webseite sortiert nach Fahrzeugherstellern veröffentlicht.  Jede Sicherheitsstufe (1 bis 5 Sterne) erfordert eine Mindestpunktezahl in jeder der einzelnen Kategorien und zusätzlich eine mindestens zu erreichende Gesamtpunktzahl. Es wird davon ausgegangen, dass ab 2017 Fahrzeuge ohne Fahrerassistenzsysteme nicht mehr mit fünf Sternen bewertet werden und deshalb Hersteller bis zu diesem Zeitpunkt ihre Fahrzeuge mit mindestens einem Fahrerassistenzsystem serienmäßig ausstatten werden.

Vergleicht man die NCAP-Bewertungskriterien und deren Änderungen über die Jahre, bekommt man ein Gespür für deren Prioritäten. Kürzlich wurden die Anforderungen in der Kategorie Fußgängerschutz um 50% angehoben. Hier erhalten Kamerasysteme durch ihre Fähigkeit, auch teilweise verdeckte Fußgänger zu erkennen und zu klassifizieren, eine zunehmende Wichtigkeit im Reigen der Fahrerassistenzsensoren. Außerhalb Europas deuten sich ähnliche Treiber an. Auch ist das gesteigerte Sicherheitsbewusstsein der Fahrer der beste Garant für eine weite Verbreitung von Fahrerassistenzsystemen. (Eine Anmerkung der Redaktion: Mehr zum Thema Euro NCAP und dessen Bedeutung für ADAS finden Sie in einem separaten Beitrag auf Seite 32.)

Kommerzielle Verträglichkeit

Lösungsansätze für ADAS-Systeme sind heute mannigfaltig. Die Notwendigkeit und die Markttreiber sind verstanden, und ADAS steht ein breiter Einsatz im Standardverbau bevor. Damit geht dann aber auch sofort der Kostendruck einher und damit die Anforderung, Systeme kommerziell verträglich für den Massenverbau bereitzustellen. Durch die Vielfältigkeit der einzelnen Lösungen bleibt dann aber das Volumen jedes einzelnen Ansatzes weiterhin moderat, was dem Ziel nach niedrigeren Kosten entgegenwirkt. Eine Möglichkeit besteht darin, in intelligente Sensoren zu investieren, die sich für mehrere Aufgaben einsetzen lassen, um so das Volumen zu erhöhen.

Regionale Besonderheiten

Die Forderung der Autohersteller an die Industrie, Systeme anzubieten, die sich auf allen ihren Zielmärkten ohne Veränderungen einsetzen lassen, ist nicht nur volumenrelevant. Hier sollen zusätzliche, regionsspezifische Entwicklungen vermieden werden, was natürlich auch dem logistischen Aufwand zugute kommt.

Radarsysteme etwa sind darauf angewiesen, in einem bestimmten Frequenzband zu arbeiten. Frequenzbänder sind aber regional unterschiedlich reguliert und freigegeben, so dass der Einsatz von Radarsystemen heute teilweise noch regional limitiert ist. Zwei weitgehend weltweit freigegebene Bänder sind das bei 24 GHz arbeitende ISM-Band und das 77-GHz-Band. Letzteres bietet den Vorteil, eine Bandbreite bis zu 1 GHz zuzulassen, was sich bei Radarsystemen auf die zur Verfügung stehende Auflösung auswirkt. Einfach gesprochen bedeutet dies folgendes: je höher die Bandbreite, desto mehr Objektdetails können aus dem Radarecho extrahiert werden. Frequenzbänder, die noch höhere Bandbreiten zulassen, etwa das 79-GHz-Band mit 4 GHz sind bereits im Gespräch.

Aber auch ganz andere regional bedingte Gegebenheiten gilt es zu berücksichtigen. Verkehrszeichen variieren zum Teil stark von Region zu Region, und selbst dort, wo gleiche Zeichen zum Einsatz kommen, kann die variable Positionierung der Verkehrszeichen einen Unterschied ausmachen. Regionalbedingte Fahrbahnmarkierungen, unterschiedliche Verwendung von Fahrbahnbegrenzungsreflektoren, aber auch unterschiedliches Fahrerverhalten müssen berücksichtigt werden und lassen sich schlecht regulieren. Es wird ersichtlich, dass neben der Hardware auch die Software eine erhebliche Rolle zum Erfolg von ADAS-Systemen beitragen muss.

Skalierbarkeit

Fahrzeughersteller sprechen mittlerweile davon, sicherheitsrelevante ADAS-Systeme mit gleicher Funktionalität von der Premium- bis zur Entry-Klasse zu verbauen. Dennoch müssen Systeme nach oben skalierbar bleiben, um etwa für das Mittel- und Premiumsegment optionale Funktionen wie zum Beispiel Nachtsichtsysteme oder automatische Geschwindigkeitsregelung als Option zur ADAS-Grundausstattung  anbieten zu können.

Die Partitionierung zukünftiger ADAS-Systeme im Fahrzeug ist heute noch von Fall zu Fall verschieden. Einmal findet die gesamte Auswertung direkt am Sensor statt, der dann die Ergebnisse über den Fahrzeugbus kommuniziert. Es zeichnen sich aber vermehrt Konzepte ab, welche die Auswertung mehrerer Sensoren im Fahrzeug an einer Stelle zentralisieren möchten. Bei der Entwicklung von Halbleiterkomponenten müssen auch diese unterschiedlichen Systempartitionierungen frühzeitig mit berücksichtigt werden.

Fehlauslösung und Akzeptanz

Einen Fehlalarm kann man sich bei ADAS-Systemen nicht leisten. Gleichzeitig muss die Erkennungsrate tatsächlicher Gefahren ein Höchstmaß erreichen. Neben ausgeklügelten Algorithmen spielt auch hier die Auswahl der richtigen Sensoren, die sich gegenseitig ergänzen, eine entscheidende Rolle. Umwelteinflüsse wie nasse reflektierende Straßen, schlechte Sicht  durch Regen, Nebel oder Schneefall, wechselnde Lichtverhältnisse wie etwa beim Hinein/Herausfahren in/aus Tunnels oder verschmutze Radarsensoren muss das System mit berücksichtigen.

Fehlfunktionen der Hardware müssen erkannt werden, um notfalls die Systeme zu deaktivieren und in einen sicheren Zustand zu bringen. Eine nicht notwendige Notbremsung könnte fatale Folgen haben.

Auswirkungen auf den Fahrer

Mit der Zunahme intelligenter Systeme im Fahrzeug muss aber auch darauf geachtet werden, dass nur relevante Warnhinweise den Fahrer erreichen und dieser nicht unnötig bevormundet wird. Zu diesem Zweck kommen im Fahrzeuginnenraum zukünftig vermehrt Kamerasysteme zur Fahrersituationsbewertung zum Einsatz, um Warnmeldungen der Umfeldsensoren besser auf die jeweilige Fahrersituation anzupassen und damit eine Überflutung von Warnmeldungen zu vermeiden. Wird etwa festgestellt, dass ein agiler Fahrer aufmerksam den Verkehr beobachtet, ist es störend, ihn zu früh vor einem „Auffahren“ auf ein vorausfahrendes Fahrzeug zu warnen. Stellt das System dagegen fest, dass sich der Fahrer gerade mit dem Telefon beschäftigt oder schlicht übermüdet erscheint, ist eine frühzeitige Warnung sicher wünschenswert und trägt zur dauerhaften Akzeptanz des Systems durch den Fahrer bei.