Alles im Blick - Jederzeit Sensortechnologie

Ob Adleraugen oder Ultraschallortung, die Fledermäuse zielsicher durch die Dunkelheit flattern lässt: Viele Tiere haben besondere Verfahren entwickelt, um ihre Umgebung wahrzunehmen. Die zugrunde liegenden Prinzipien nutzen auch Fahrzeugsensoren zur perfekten Orientierung.

Musca domestica, die Stubenfliege, ist sicher nicht das erste Tier, das jedem von uns als Beispiel für evolutionäre Höchstleistung einfällt. Und doch erahnt vermutlich jeder von uns, dass die kleinen geflügelten Nervtöter einen siebten Sinn haben: Schließlich schaffen sie es im Bruchteil einer Sekunde, sich der herabsausenden Fliegenklatsche zu entziehen. Ihr schnelles Reaktionsvermögen verdankt die Fliege ihrer evolutionär ausgefeilten Sensorik. Verschwimmen für das menschliche Auge bereits etwa 20 Bilder pro Sekunde zu einem Film, können Fliegen bis zu 250 Bilder pro Sekunde noch einzeln aufgelöst wahrnehmen. Sie sehen die Fliegenklatsche tatsächlich wie in Zeitlupe auf sich zukommen – ein Prinzip, das gerade auch im Straßenverkehr nützlich ist. Verglichen mit einem Lidarsensor verblasst aber sogar das zeitliche Auflösungsvermögen des Fliegenauges: Mehrere Tausend Signale pro Sekunde registriert Lidar im Durchschnitt.

Lidar: präzise Echoortung fürs Auto

Dabei macht der Detektor, der passiv Reize aufnimmt, aber nur die Hälfte eines Lidarsensors aus. Insgesamt entspricht dessen Funktionsweise der Echoortung wie dem Biosonar, mit dem Delfine oder Fledermäuse sich im Dunkeln zurechtfinden und ihre Beute lokalisieren. Dazu erzeugen sie Schallwellen, die von Hindernissen oder Beutetieren reflektiert werden. Über die Zeitspanne, die der Ton benötigt, um zurückgeworfen zu werden, können sie die Position des Gegenstandes bestimmen. Dank Dopplereffekt erkennen Fledermäuse sogar, in welche Richtung und mit welcher Flügelschlagfrequenz ein leckerer Falter unterwegs ist. Im Lidarsystem übernehmen milliardstel Sekunden kurze Laserpulse die Funktion der Schallwellen. Das Hamburger Unternehmen Ibeo entwickelt gemeinsam mit ZF eine neue Generation von mobilen Lidarsensoren. Dabei setzt Ibeo auf Laser im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 850 oder 885 Nanometern. Dies ist für das menschliche Auge unsichtbar und aufgrund der Lichtintensität unschädlich. Im Vergleich mit anderen Sensoren punkten Lidarsysteme mit extrem hoher Genauigkeit und Reichweite: Bis zu einer Entfernung von 300 Metern um das Fahrzeug herum haben die Lasersensoren ihre Umwelt im Blick und erkennen statische wie dynamische Objekte.

Radar: sehen bei Nacht und Nebel

Nach dem gleichen Grundprinzip funktionieren auch Radarsensoren. Allerdings arbeiten sie mit deutlich langwelligerer elektromagnetischer Strahlung: Bei den Radarsystemen von ZF liegt die Wellenlänge im Bereich einiger Millimeter. Ihre im Vergleich zu Lidarsystemen geringere Auflösung machen Radarsensoren durch ihre Schlechtwettertauglichkeit wett: Während Nebel und starker Regen einem optischen System im wahrsten Sinne des Wortes den Blick versperren, durchdringen Radiowellen die Wassertröpfchen weitestgehend ungehindert.

Kameras: Blick in Weite und Ferne

Neben den Echoortungssystemen haben auch Kameras ihren festen Platz in der automobilen Umfelderkennung. Mit dem Sehvermögen von Greifvögeln können die automobilen Kamerasysteme nicht mithalten: Das sprichwörtliche Adlerauge erkennt eine Maus aus rund 350 Meter Entfernung. Diese Auflösungsleistung wäre im Straßenverkehr eher hinderlich. Viel wichtiger sind hier ein großer Blickwinkel und eine gute Auflösung, insbesondere quer zur Fahrtrichtung. Die Tri-Cam von ZF hat daher neben einem Tele- auch ein Fisheye-Objektiv für eine bessere Erkennung im Nahbereich.

Gegenüber den Sensorikspezialisten aus der Tierwelt haben die genannten Sensorsysteme einen entscheidenden Vorteil: Sie müssen sich nicht für eine Technologie entscheiden, sondern können auf das Zusammenspiel unterschiedlicher Sensorsysteme setzen. Die jeweiligen Vorteile von Radar, Lidar und Kameras ergänzen sich und decken alle Fahrsituationen ab. Damit hat das Fahrzeug eine 360-Grad-Rundumsicht. Selbst das Chamäleon, Rekordhalter beim größten Blickfeld im Tierreich, kommt „nur“ auf 342 Grad: Ein Totwinkel von 18 Grad im Rücken bleibt trotz der unabhängig voneinander zu bewegenden Augen bestehen.

Rechenpower fürs autonome Fahren

Bei Bedarf lässt sich das Spektrum an Sensortechnologien noch erweitern. Ultraschallsensoren haben zwar nur eine vergleichsweise geringe Reichweite, sind dafür aber eine preisgünstige Option für Einpark- und Spurwechselassistenten. Infrarotgeräte können hilfreich sein, um Hindernisse auch bei blendendem Gegenlicht sicher zu erkennen.

Natürlich ermöglicht auch die umfassendste Sensorik allein noch keinen Fahrassistenten oder gar ein autonom fahrendes Auto. Für schnelles Reaktionsvermögen ist auch die passende Software nötig, die die gewonnenen Daten verarbeitet und auswertet. Das Fledermaushirn etwa ist in der Lage, aus dem zurückgeworfenen Echo die Position der Beute zu errechnen; im Kopf des Chamäleons müssen die beiden praktisch voneinander unabhängigen Bilder der beiden Augen zu einem Gesamteindruck verarbeitet werden.

Im Automobilbereich steigt mit der zunehmenden Datenmenge aus immer ausgereifteren Sensoren auch der Anspruch an die Rechenleistung. Künftige elektronische Kontrolleinheiten wie die in Zusammenarbeit mit Nvidia entwickelte ZF ProAI müssen das Gehirn des Fahrzeugs sein. Nur so kann das autonom fahrende Auto dann auf das plötzlich auf die Straße springende Reh genauso schnell reagieren wie die Fliege auf die sich nähernde Fliegenklatsche.

Sensorvielfalt - Perfekte Rundumsicht garantiert

Je nach Geschwindigkeit haben Frontradarsysteme (1) etwa in Abstandsregeltempomaten eine Reichweite von bis zu 200 Metern. Sie bestimmen Position und Geschwindigkeit eines vorausfahrenden oder entgegenkommenden Verkehrsteilnehmers. Für Spurwechselassistenten bietet ZF den AC2000 auch als seitlichen Radarsensor mit einem Blickfeld von bis zu 150 Grad an. Als preisgünstige und robuste Alternative kommen Kameras wie die Tri-Cam (2) von ZF schon heute in vielen Fahrer- assistenzsystemen wie etwa Spurhalteassistenten
zum Einsatz. Mit bis zu 250 Metern Reichweite gehören sie nicht zu den „weitsichtigsten“
Technologien, erkennen dafür aber Bewegungen quer zur Fahrtrichtung deutlich besser als etwa Radarsensoren.
Lidarsysteme sind recht teuer, punkten aber durch ihre große Reichweite und durch ihre hohe Auflösung. Sie erkennen auch
Fußgänger und Fahrradfahrer problemlos. Allerdings nimmt ihre Sichtweite bei Regen und Nebel deutlich ab. Gemeinsam mit Ibeo entwickelt ZF derzeit einen kompakten Lidarsensor (3), der ohne verschleißanfällige rotierende Spiegel auskommt.
Im Zusammenspiel sorgen die verschiedenen Sensortechnologien dafür, dass das Fahrzeug seine Umgebung zu jeder Zeit vollständig im Blick hat. Ihre Vorteile ergänzen sich gegenseitig und erbringen so die notwendige Redundanz in Fahrzeugen, die für autonome Fahrfunktionen unerlässlich ist.

Weitere Artikel zu dem Thema