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2019

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Rundumblick in 4D

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Tags: AutonomesFahren, SeeThinkAct
Dr. Martin Randler, 08. August 2019
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Dr. Martin Randler ist bei ZF als Leiter Sensortechnologien und Perception System tätig.
Vollständig, präzise und zuverlässig erfassen, was um das Fahrzeug herum geschieht – eine Grundvoraussetzung für das autonome Fahren. Daher hat ZF den ersten Radar entwickelt, der ein detailliertes räumliches Abbild seines Umfeldes erzeugt.

Das automatisierte Fahren stellt unsere Branche vor viele technologische Herausforderungen – von der enormen Rechenleistung bis hin zu den notwendigen mechatronischen Aktuatoren. Eine der größten Hürden ist jedoch die Umgebungserkennung: Soll ein Fahrzeug angemessen auf jede noch so komplexe Verkehrssituation reagieren können, braucht es einen zuverlässigen 360-Grad-Rundumblick auf sein Umfeld. Radarsensoren spielen dabei eine wichtige Rolle, denn anders als zum Beispiel Kameras funktionieren sie auch bei ungünstigen Sichtverhältnissen wie Gegenlicht, Regen, Dunkelheit oder Nebel nahezu unverändert gut. Doch bislang sind sie nicht in der Lage, ihre Umgebung als dreidimensionalen Raum zu erfassen. Im Normalfall bilden Radare Geschwindigkeit, Entfernung und Breite eines Gegenstandes ab. Über die Höhe (Elevation) sind allenfalls grobe Abschätzungen möglich.
Um diese Lücke zu schließen, entwickeln wir bei ZF einen hochauflösenden Full-Range Radar, der erstmals auch den Elevationswinkel genau erfasst. Damit wird der Radar quasi ebenfalls zu einer bildgebenden Technologie in 3D – mit der Geschwindigkeit als zusätzlicher vierter Messdimension.
Der ZF Full-Range Radar hat eine Größe von ca. 10 x 10 cm, wird in der Fahrzeugfront verbaut und hat eine Reichweite von über 300 Metern.

Mehr Kanäle für detaillierte Umfelderkennung

Zwei Faktoren bestimmen über die Auflösung eines Radars: zum einen die verfügbare Antennenfläche und zum anderen die Anzahl der Kanäle. Letztere ergibt sich aus der Multiplikation der eingesetzten Sender und Empfänger und entscheidet über die Anzahl der Messpunkte, die erfasst werden können. Im Automotive-Bereich verfügen aktuelle Mid-Range Radarsensoren typischerweise über zwölf Kanäle (drei Sender, vier Empfänger). Bei unserem Full-Range Radar ist diese Zahl mit 192 Kanälen um das sechzehnfache höher. Damit kommt unser Sensor auf mehrere Tausend Datenpunkte pro Messzyklus – heutige Radare erfassen wenige hundert Punkte.
Anstatt einer zweidimensionalen Projektion der Verkehrssituation vor der Windschutzscheibe erzeugt er so ein dreidimensionales Bild, das auch Aufschluss über die Höhe von Objekten gibt. Selbst wenn sich gleich weit entfernte Gegenstände mit der gleichen Relativgeschwindigkeit bewegen, bildet sie unsere hochauflösende Technologie voneinander getrennt ab. So kann das Fahrzeug beispielsweise ein Stauende auch unter einer Brücke frühzeitig erkennen und entsprechend abbremsen. Die hohe Informationsdichte ermöglicht außerdem deutlich detailliertere Angaben zur Form eines Objekts. Von einem Fußgänger etwa empfängt der Full-Range Radar ungefähr zehn Datenpunkte anstatt wie bislang nur ein oder zwei. So kann er Menschen besser von statischen Gegenständen wie beispielsweise Büschen unterscheiden. Über die Geschwindigkeit der Messpunkte lassen sich sogar einzelne Gliedmaßen in ihrer Bewegung auflösen – der Sensor kann erkennen, in welche Richtung der Fußgänger läuft.
192 Kanäle liefern mehrere Tausend Datenpunkte pro Messzyklus, die ein hochauflösendes 3D-Bild der Umgebung erstellen. Im Bild oben ist sogar die Fenster- und Dachstruktur des Gebäudes erkennbar.

Hohe Auflösung: Voraussetzung für automatisierte Fahrfunktionen

Mit einem Öffnungswinkel von +/-60 Grad haben wir unseren Full-Range Radar auf eine Vielzahl von Situationen ausgelegt: vom langsamen Stadtverkehr bis zum Fahren auf Landstraßen und Autobahnen. Mit über 300 Metern liegt die Reichweite deutlich über dem aktuellen Stand der Technik. Damit wird er zu einer leistungsstarken Ergänzung unseres Sensorsets und einer interessanten Option für eine ganze Menge Anwendungsbereiche – mit unterschiedlichen Automatisierungsleveln. So eignet er sich für kommerzielle Level 4- oder Level 5-Systeme ohne zusätzlichen menschlichen Fahrer – wie beispielsweise People- und Cargo Mover auf Firmengeländen, Flughäfen, in Innenstädten oder für die Last Mile Delivery – ebenso wie für fortschrittliche, miteinander vernetzte Fahrerassistenzsysteme im Pkw-Bereich („Level 2+“).

Um den Radarsensor nahtlos in diese automatisierten Funktionen integrieren zu können, nutzen wir die umfassende Systemkompetenz im Konzern. Denn die enorme Menge an generierten Informationen stellt große Herausforderungen an die Signalverarbeitung und -auswertung. Daher haben wir bei der Entwicklung des Full-Range Radars Hand in Hand mit unseren ADAS-Ingenieuren gearbeitet, um die Schnittstellen zur Steuereinheit sowie die Software-Architektur optimal auf die Anforderungen der Technologie auslegen zu können. Aktuell befindet sich unser bildgebender Radar in der Validierungsphase – im Jahr 2021 wollen wir dann die Serienproduktion starten.

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