Hochauflösendes Full-Range-Radar für AD: Imaging Radar

Das automatisierte Fahren stellt die Mobilitätsindustrie vor viele technologische Herausforderungen – von der notwendigen Rechenleistung bis hin zum Bedarf nach vollständig mechatronischen Aktuatoren. Eine der größten Hürden ist jedoch die Umgebungserkennung: Soll ein Fahrzeug in der Lage sein, immer zuverlässig die richtige Fahrentscheidung zu treffen, muss es auch sehr komplexe Verkehrssituationen schnell und vollumfänglich erfassen können. Das bedeutet insbesondere, jederzeit einen 360-Grad-Rundumblick auf das Umfeld zu haben. Radarsensoren stellen in diesem Kontext eine wichtige Technologie dar, denn anders als optische Sensoren funktionieren sie in der Regel auch bei ungünstigen Licht- und Wetterverhältnissen wie Gegenlicht, Regen, Dunkelheit oder Nebel unverändert gut. Doch auch sie hatten bisher einen Nachteil: Im Gegensatz zu Kameras und Lidar-Sensoren sind aktuelle Radarsysteme nicht in der Lage, ihre Umgebung als dreidimensionalen Raum und in ausreichend feiner Auflösung zu erfassen. Standardmäßig bilden sie neben Geschwindigkeit und Entfernung den Horizontalwinkel (Azimuth) und damit die Breite eines Gegenstandes ab. Über die Höhe (Elevation) sind je nach Technologie nur grobe Abschätzungen möglich.

Bild 1a: Das Full-Range-Radar erkennt die Grünstreifen, die Verkehrsinsel und sogar mit rund 20 Datenpunkten das Verkehrsschild rechts. ZF

Bild 1b: Die Unterführung ist deutlich zu erkennen. ZF

Bild 1c: Die Punktwolke zeigt eine beachtliche Detailauflösung. ZF

Um diese Lücke zu schließen, entwickelt ZF mit dem Full-Range-Radar eine hochauflösende Alternative für automobile Anwendungen, die neben einer deutlich verbesserten Auflösung auch den Elevationswinkel genau erfasst. Ziel ist, Radarsysteme damit als vollwertige bildgebende Technologie zu etablieren, die neben einer räumlichen Darstellung der Umgebung zusätzlich die Geschwindigkeit als vierte Dimension abbildet.

Mehr Kanäle erlauben detaillierte Messungen

Bestimmend für die Auflösung eines Radars sind die verfügbare Antennenfläche sowie die Anzahl der Kanäle, die sich aus der Multiplikation der eingesetzten Sender und Empfänger ergibt. Im Automotive-Bereich verfügen aktuelle Mid-Range-Radarsensoren typischerweise über zwölf Kanäle (drei Sender, vier Empfänger). Beim Full-Range-Radar von ZF ist die Kanalzahl 16 Mal so hoch: In dem hochauflösenden Sensor sind mehrere MWIC-Chips (Microwave IC) kaskadiert verbaut. Damit stehen in Summe 192 Kanäle zur Verfügung.

Mit der großen Zahl an Kanälen steigt auch die Anzahl der erfassbaren Messpunkte: So kommt das hochauflösende Radar auf mehrere Tausend Datenpunkte pro Messzyklus, während heute übliche Radarsensoren wenige hundert Punkte erfassen. Ein zentraler Vorteil dieser Neuentwicklung ist die zusätzliche Erfassung des Elevationswinkels: Anstatt einer zweidimensionalen Projektion der vorausliegenden Verkehrssituation erzeugt die neue Technologie ein quasi dreidimensionales Bild, das auch Aufschluss über die Höhe von Objekten gibt. Dabei erfasst das System selbst solche Ziele separat und in hoher Auflösung, die sich in gleicher Entfernung befinden und die gleiche Relativgeschwindigkeit haben. Ein Fahrzeug kann so beispielsweise auf einer Landstraße ein Stauende unter einer Brücke frühzeitig erkennen und entsprechend abbremsen. Zusätzlich liefert der Sensor Informationen darüber, wo die Fahrbahn endet und ob am Straßenrand freie Ausweichflächen vorhanden sind.

Bild 2: Das Full-Range-Radar passt an die üblichen Einbauorte. ZF

Die hohe Informationsdichte ermöglicht außerdem eine sehr detaillierte Objekterkennung. Von einem Fußgänger etwa empfängt das hochauflösende Radar ungefähr zehn Datenpunkte anstatt wie bislang nur ein bis zwei. Das erlaubt deutlich genauere Angaben zur Form: Das Full-Range-Radar von ZF kann unterscheiden, ob es sich um zum Beispiel um eine Getränkedose oder einen Menschen handelt, wogegen aktuelle Radare nur ein Objekt einer gewissen Breite erfassen. Da Radarsensoren für jeden Messpunkt als zusätzliche Dimension zur räumlichen Lage auch die Geschwindigkeit des vermessenen Gegenstandes registrieren, lassen sich mit der neuen Entwicklung sogar einzelne Gliedmaßen in ihrer Bewegung auflösen: der Sensor kann erkennen, in welche Richtung der Fußgänger läuft.

Das neue ZF-Radar ist mit einem Öffnungswinkel von +/-60 Grad auf eine Vielzahl von Situationen ausgelegt: vom langsamen Stadtverkehr bis zum Fahren auf Landstraßen und Autobahnen. Mit über 300 m liegt die Reichweite deutlich über dem aktuellen Stand der Technik. Die Trägerfrequenz von 77 GHz und die Modulation als FMCW (Fast Ramp Frequency Modulated Continuous Wave) teilt das Full-Range-Radar mit anderen Radarsensoren von ZF.

Hohe Auflösung: Voraussetzung für autonomes Fahren nach Level 4

Bild 3: "Sicht" eines Fahrzeugs auf Basis eines Radarsensors. ZF

Eines der Hauptanwendungsgebiete für das Full-Range-Radar wird der Einbau in automatisierte Fahrzeuge ab Level 4 sein, bei denen kein menschlicher Fahrer mehr vorgesehen ist, denn das System ist allein für die Fahrzeugführung verantwortlich. Vom vollständig autonomen Fahren (Level 5) unterscheidet sich Level 4 dadurch, dass das Einsatzgebiet des Fahrzeugs in der Regel noch fest definiert ist – beispielsweise als Cargo-Mover für die letzte Liefermeile oder als People-Mover (Minibus) für den öffentlichen Personentransport. Diese Eingrenzung der Anwendungsfälle erleichtert die Validierung von Level-4-Systemen deutlich dadurch, dass die Strecken und damit die erforderlichen Fahrmanöver bekannt sind.

Durch den völligen Wegfall des Fahrers als Kontrollebene, der das Steuer übernimmt, wenn das System an seine Grenzen stößt, steigen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Sensorik enorm. Kann das System eine Situation nicht eindeutig identifizieren, ist auch das Fahrzeug nicht einsatzfähig. Um eine bestmögliche Verfügbarkeit und Sicherheit der Fahrzeuge zu erreichen, sind mehrere redundante Sensortechnologien notwendig, die das Ergebnis unabhängig voneinander verifizieren. Hochauflösende Radarsensoren bilden zusammen mit Lidarsensoren eine hochperformante redudante dreidimensionale Erfassung und ergänzen mit einer präzisen Geschwindigkeitserfassung.

Insgesamt betrachtet sind Level-4-Systeme für kommerzielle Anwendungen von Interesse. Dazu zählen etwa People- oder Cargo-Mover auf abgegrenzten Arealen wie Firmengeländen oder Flughäfen sowie öffentliche Verkehrsmittel in Innenstädten oder die Last Mile Delivery. Hier gleichen die Einsparungen für den Fahrer die höheren Anschaffungskosten aus. Gleichzeitig wirken die autonomen Systeme dem Fahrermangel entgegen, der in vielen Bereichen vorherrscht und weiter steigt.

Auch für Level 2+ in Pkw von Interesse

Aber auch im Pkw-Bereich besteht Bedarf für hochauflösende Radarsysteme mit maximaler Leistung und Zuverlässigkeit. Allerdings geht es hier primär darum, die Fahrer durch fortschrittliche, miteinander kooperierende Fahrerassistenzsysteme (ADAS) zu entlasten und ihnen mehr Komfort zu bieten.

ZF definiert diese Automatisierungsstufe als „Level 2+“: Ein KI-fähiger Zentralcomputer, ZF ProAI genannt, übernimmt hier die ganzheitliche Koordination aller Assistenzsysteme. Mit einem solchen System – bei ZF Copilot genannt (Eigenschreibweise: coPILOT) – ausgestattete Pkw können dabei verschiedene Fahrmanöver komplett eigenständig ausführen, etwa das Auf- und Abfahren von Autobahnen, Spurwechsel und sogar Überholmanöver. Das bietet dem Fahrer mehr Komfort bei längeren Fahrten. Und sogar mehr Sicherheit, denn das umfassende 360°-Sensor-Set mit fünf Radarsensoren, sieben Kameras und einer Innenraumkamera behält die Umgebung sowie den Fahrer im Blick und gibt im Notfall Warnmeldungen aus. Steuerbar ist der gemeinsam mit Technologiepartner Nvidia entwickelte Copilot durch Sprachbefehle. Premiere feierte das System im vergangenen April auf der Auto Shanghai und stieß bei den Herstellern auf reges Interesse, denn es bietet den Verbrauchern aufgrund seiner Funktionsvielfalt einen deutlichen Mehrwert in Sachen Sicherheit und Komfort – und das zu einem wettbewerbsfähigen Preis.

Integration in ADAS-Architektur

Bild 5: ZF Proai im Einsatz im ZF Copilot. ZF

Dieses Beispiel unterstreicht: Um das Radar optimal auf diese späteren Einsatzgebiete auslegen zu können, setzt ZF auf einen Systemansatz, um Fahrzeuge so sehen, denken und handeln zu lassen, zumal das Produktportfolio das gesamte Spektrum der automobilen Sensorik abdeckt und auch die Software-Expertise für Fahrassistenzsysteme vorhanden ist. So arbeiten die Entwickler des Full-Range-Radars zum Beispiel Hand in Hand mit den ADAS-Ingenieuren. Die enorme Menge an generierten Informationen stellt schließlich große Herausforderungen an die Signalverarbeitung und -auswertung, was bei der Software-Architektur idealerweise von vornherein berücksichtigt wird.

Zusammenfassung und Ausblick

Das Full-Range-Radar von ZF ist eine wichtige Ergänzung der Sensorpalette für automatisierte Fahrfunktionen bei dem Zulieferer. Es entsteht mit dem Anspruch, das Radar als vollwertige bildgebende Technologie parallel zu optischen Sensoren wie Kameras und Lidar zu etablieren. Im Zusammenspiel mit diesen Technologien kann das hochauflösende Radar für die notwendige Sicherheit und Zuverlässigkeit für hochautomatisiertes Fahren ab Level 4 sorgen, aber auch aktuelle Anwendungen wie fortschrittliche Fahrassistenzsysteme ab Level 2 bleiben im Fokus. Für den Standard-Einsatz nach Euro-NCAP hat ZF auf Basis der gleichen Technologie bereits ein Mid-Range-Radar entwickelt. Das neue bildgebende Radar befindet sich aktuell in der Validierungsphase; der Start der Serienproduktion ist für das Jahr 2021 geplant.

(av)