Fortschritte in der Sensortechnik

Sensortechnik wird in den Fahrzeugen, die wir in Zukunft fahren, eine zunehmend wichtigere Rolle spielen. Sowohl die Zahl der Sensoren als auch ihre Vielfalt nehmen fortwährend zu. Schätzungen zufolge werden die Automobilhersteller bis zum Jahr 2020 jedes Jahr mehr als zehn Milliarden Sensoren verbauen. Um die Automobilbranche bei dieser Entwicklung zu unterstützen, muss auch die Halbleiterindustrie tätig werden.

Mehrere Faktoren beeinflussen derzeit den Automobilsektor. Energieeffizienz, die Verkleinerung von Motoren, der Übergang auf Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) und Elektrofahrzeuge (EV) sowie ein erhöhtes Sicherheitsbedürfnis zählen zu den treibenden Größen. So unterschiedlich sie auf den ersten Blick erscheinen, eines haben sie gemeinsam: Jeder dieser Sachverhalte baut auf eine präzise, wiederholbare, zuverlässige und zeitnahe Erfassung von Daten.

Einfluss auf Sensorsysteme

Den größten Einfluss auf die Energieeffizienz haben hauptsächlich internationale Umweltgesetzgebungen. Dazu zählen etwa grundlegende Änderungen in der Art und Weise, wie die OEMs ihre Autos bauen müssen, um sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch das Fahrzeuggewicht zu verringern. Sie ersetzen dabei die herkömmlichen, mechanisch basierten Systeme durch ein entsprechendes, elektronisches Gegenstück. Etwa müssen Hersteller Magnetsensoren mit hoher Linearität so spezifizieren, dass der vom Fahrer auf das Pedal ausgeübte Druck dem der Drosselklappe entspricht. Zudem sind Magnetsensoren mit hoher Winkelauflösung erforderlich, um die Position des Lenkrads zu bestimmen.

Erhebliche Auswirkungen auf die Sensoren, die sich unterhalb der Motorhaube befinden, hat die Verkleinerung der Motoren. Um den Kraftstoffverbrauch zu senken, nutzen die Automobilhersteller Turbolader und direkte Kraftstoffeinspritzung, um so aus einem kleineren Verbrennungsvolumen mehr Leistung erzielen zu können. Die daraus resultierenden kleineren Motorabmessungen führen jedoch zu einer höheren Wärmeentwicklung. Motormanagementsysteme fordern bei höheren Temperaturen enge Toleranzen und stellen Sensorsysteme vor neue Herausforderungen.

Auch der zunehmende Übergang von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf HEVs und EVs geht nicht ohne weiteres an den Sensorherstellern vorbei. Studien von Strategy Analysts deuten darauf hin, dass HEVs und EVs bis zum Jahr 2025 fast 15 Prozent aller Neuwagenkäufe ausmachen, während andere Studien davon ausgehen, dass sich diese Zahl bis zum Jahr 2040 mehr als verdreifacht. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf den Betrieb von Fahrzeugsystemen. Da Entwickler Wechselrichter immer kompakter entwerfen, müssen sie in der Lage sein, höhere Stromdichten zu bewältigen. Sensorenhersteller müssen deshalb ihre Stromsensoren an die erhöhten Anforderungen anpassen.

Gerade in Fahrzeugen der Oberklasse kommen zunehmend komplexe Sicherheitsfeatures zum Einsatz, die den Einbau von umfangreicher Sensorik erfordern. Dazu zählt beispielsweise die ToF-Technik (Time of Flight). ToF-basierte Gestenerkennung findet sich bereits in einigen Autos der Oberklasse. Allerdings ist dies aber erst der Anfang und die Technik bietet noch Spielraum nach oben. ToF-Lösungen bieten sich aber auch für den Einsatz in der Fahrerüberwachung an. Auf diese Weise kann das Fahrerassistenzsystem (ADAS) des Fahrzeugs prüfen, ob sich der Fahrer tatsächlich auf die Straße konzentriert oder ob er abgelenkt oder ermüdet ist. Gegebenenfalls kann das Fahrerassistenzsystem auf irgendeine Art intervenieren. Dies verbessert nicht nur die Sicherheit von Fahrgästen, Fußgängern und Fahrern, sondern führt langfristig auch zum Ziel des autonomen Fahrens.

Erfahren Sie auf der nächsten Seite, wie Sensorsysteme autonomes Fahren möglich machen.

Enabler für autonomes Fahren

Neben neuen Sensormechanismen wie etwa ToF, die bisher nicht im Automotive-Bereich zum Einsatz kamen, sorgt die Weiterentwicklung des autonomen Fahrens für eine Anpassung bestehender Automotive-Sensortechniken. Derzeit finden sich Ultraschallsensoren lediglich in den Stoßstangen, um beim Einparken Hilfe zu leisten. In diesem Fall müssen sie nur bei sehr niedrigen Fahrgeschwindigkeiten arbeiten und geringe Entfernungen nicht zu 100 Prozent genau messen. Autonomes Fahren wird hingegen wesentlich anspruchsvoller sein. Hier kann es zu einer Kombination aus verschiedenen anderen Sensortechniken kommen, um eine genaue Entfernungsmessung bei höheren Geschwindigkeiten zu ermöglichen.

Es besteht kein Zweifel daran, dass autonomes Fahren das Potenzial hat, unsere Straßen sicherer zu machen, da autonome Systeme Fahrerfehler, die bei weitem die größte Ursache von Autounfällen ist, verhindern können. Ein solches System kann wesentlich mehr Informationen verarbeiten, um Entscheidungen zu treffen, mit denen es schneller auf mögliche lebensbedrohliche Situationen reagieren kann. Autonomes Fahren wird eines Tages Realität – allerdings nicht so schnell wie es der aktuelle Hype in den Medien suggeriert.

Mit dem TOF-Sensor MLX75123A von Melexis lassen sich die Anforderungen der Automobilindustrie in Sachen Sicherheit erreichen. Melexis

OEMs müssen autonome Fahrzeuge mit einer Vielzahl an Sensoren ausstatten, die die notwendigen Daten liefern und so eine Entscheidungsfindung unterstützen. Ein Großteil dieser Sensoren ist bereits erhältlich oder wird in absehbarer Zukunft zur Verfügung stehen. Jedoch stellt die Verarbeitung der erfassten Daten die größere Herausforderung dar. Die derzeitige Bildverarbeitungstechnik ist nicht in der Lage, die komplexen Umgebungen rund um ein Fahrzeug innerhalb eines kurzen Zeitraums zu analysieren, um echtes autonomes Fahren zu ermöglichen. Lidar wird daher in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Die adaptive Geschwindigkeitsregelung, die sich heute in modernen Fahrzeugen findet, ist radarbasiert, um die Entfernung zum vorausfahrenden Fahrzeug zu messen. Dies ist ausreichend, sofern sich das Fahrzeug auf der Autobahn befindet. In einer städtischen Umgebung sind die Entfernungen jedoch viel kürzer, und Fußgänger sowie Fahrzeuge können sich aus anderen Richtungen nähern. Wie die Radartechnik basiert Lidar auf der Messung der Reflexion und Absorption eines übertragenen Signals. Während Radar jedoch auf Funkwellen basiert, setzt Lidar einen Laser ein. Die Zeit, die zwischen der Übertragung eines Laserpulses und dem Empfang seiner Reflexion vergeht, ermöglicht die Berechnung der Entfernung zum Objekt. Lidar deckt nicht nur mehrere Richtungen ab, sondern auch viel kleinere Objekte als Radar.

Im Gegensatz zu Kamerasystemen, die die Umgebung in Fokusebenen betrachten, liefert Lidar ein detailgenaues 3D-Profil. Dadurch ist es wesentlich einfacher, Objekte zu unterscheiden und zu lokalisieren, was sich vor oder hinter dem Fahrzeug befindet. Dabei spielen die Lichtverhältnisse keine Rolle. Darüber hinaus lassen sich die Bilddaten mit Lidar schneller erfassen und verarbeiten. Da Lidar immer ausgereifter wird und die Kosten sinken, steigt auch das Interesse an dieser Technik in der Fahrzeugentwicklung.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich im Laufe der nächsten Jahre erhebliche Verbesserungen bei wichtigen Leistungsparametern von Sensoren ergeben müssen wie etwa hinsichtlich des Dynamikbereichs, der Genauigkeit oder der Reaktionsfähigkeit. Gleichzeitig müssen diese Sensoren robuster und einfacher zu integrieren sein. Es wird nicht mehr nur darum gehen, die Sensoren an sich bereitzustellen, sondern komplette Lösungen zu liefern. Es spielt dabei keine Rolle, ob diese maßgeschneidert oder standardmäßig sind.

Bei engeren Toleranzen und einem kritischen Signal-Rauschabstand benötigen Automobilhersteller bessere Sensorschnittstellen für das eigentliche Sensorelement. Hierfür bietet sich beispielsweise die Sensor-Fusion. Damit lassen sich Daten aus mehreren Quellen gleichzeitig analysieren. Durch die Fortschritte, die die Hersteller derzeit bei Sensoren machen, können die Fahrzeughersteller Modelle auf den Markt bringen, die sowohl sicherer als auch sparsamer sind als aktuelle Modelle und zusätzlich mehr Komfort bieten. Damit werden sich im Laufe der Zeit auch die unbestreitbaren Vorteile des autonomen Fahrens weiterentwickeln.

(prm)