Wissenschaftliches Seminar. Sensoren in automotiven Szenarien

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1 Institut für Verteilte Systeme Wissenschaftliches Seminar Sensoren in automotiven Szenarien Wintersemester 2013/14 Autoren: Professor: Betreuer: Betreuer: Martin Dobisch Lars Grotehenne Sören Falkenberg Steffen Janetzki Simon Parlow Ben Rabeler Christof Schmidt Christian Schildwächter Andreas Schulz Christian Speich Prof. Dr. rer. nat. Kaiser Sebastian Zug Christoph Steup

2 2 Wissenschaftliches Seminar- Sensoren in automotiven Szenarien Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Verteilte Systeme, 2013/14

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis vi vii 1 Einleitung Motivation Einordnung der Arbeit Überblick Fahrerassistenzsysteme Einleitung Grundlagen Begriffsdefinition Motivation Geschichte Fahrerassistenzsysteme im Allgemeinen Systemaufbau Klassifikationen Fahrerassistenz aus Sensorsicht Sensorik im Fahrzeug Vorstellung mehrerer Fahrerassistenzsysteme Beispiel einer Klassifikation nach Sensortyp Allgemeine Anforderungen Einleitung Sensoren in Fahrzeugen Arten von Sensoren Anforderungen in automobilen Systemen Niedrige Herstellungskosten Hohe Zuverlässigkeit Harte Betriebsbedingungen i

4 ii Inhaltsverzeichnis Kleine Bauweise Hohe Genauigkeit Optische Sensoren Umsetzung der Anforderungen Nutzung in automotiven System Beschleunigungssensoren Umsetzung der Anforderungen Nutzung in automotiven System Laserscanner Einleitung Aufbau Funktionsweise Bestimmung der Distanz Bestimmung der Relativgeschwindigkeit Signalauswertung Probleme und Genauigkeit Genauigkeit Dämpfung der Atmosphäre Diffuse Reflexion Totale Reflexion Mechanische Teile Vergleich mit anderen Systemen Alasca XT Anwendungen Adaptive Cruise Control Stop & Go Spurhalteassistent Unfallfolgeminderung (Pre-Crash) Automatische Notbremsung Fußgängerschutz Mautbrücken Zukünftige Anwendungen Radarsensoren Einleitung Mechanischer Aufbau eines Radargeräts

5 Inhaltsverzeichnis iii 5.3 Arten von Radarsensoren Long-Range-Radar Mid-Range-Radar Short-Range-Radar Vor- und Nachteile von Radarsystemen Vorteile Nachteile Zwischenfazit Messverfahren Dopplereffekt Puls-Modulation Winkelbestimmung FMCW-Modulation Anwendungen Adaptive Cruise Control Toter-Winkel-Erkennung Radar-basierte Systeme Beispiel für zukünftige Radarsensoren Technische Neuerung Sensordatenfusion Aufbau des Sensors Herstellungskosten und Massenproduktion Alternative zum Long-Range-Radarsensor Fazit Ultraschallsensoren Einleitung Ultraschallsensoren Physikalische Grundlagen Aufbau und Funktion von Ultraschalldistanzsensoren Unsicherheiten und Einschränkungen von Ultraschalldistanzsensoren Anwendungsszenario: Parkassistenzsystem Aufbau und Funktion Vor- und Nachteile der Verwendung von Ultraschallsensoren Alternative Einsatzmöglichkeiten Parklückenvermessung Automatisches Einparken

6 iv Inhaltsverzeichnis Überwachung des toten Winkels Fazit Positionsbestimmung/GPS Einleitung Satellitenbasierte Navigation Überblick über GPS Alternativen Funktionsweise der satellitenbasierten Navigation Fehlerursachen von GPS A-GPS DGPS Satellitenlose Navigation Einleitung WLAN und Mobilfunk Trägheits-/ Inertialnavigation Sonstige Zusammenfassung Literaturverzeichnis 94

7 Abbildungsverzeichnis 2.1 Verkehrstote [Bun09] Systemaufbau [dm10, S.19] Sensorbereiche Aufbau Distanz (nach [Roh]) Relativgeschwindigkeit (nach [Roh]) Analoge Schwellenwerte (nach [SS06]) Digitale Signalerfassung (nach [SS06]) Nebelsignal (nach [SS06]) Diffuse Reflexion [Roh] Totale Reflexion [Roh] Vergleich verschiedener Systeme [Bar] Einbauvarianten des Alasca XT [FS05] Anwendungsbereiche automobiler Sensorik [Spi] Funktionsweise von ACC Stop & Go [Lux] Spurhalteassistent Auslösestrategie einer automatischen Notbremsung [FS05] RONE (Region of no Escape) [FS05] Mautbrücke Integrierte Querführung Explosionsdarstellung eines FMCW-Radargerätes[Rei12] Sensoren im Auto[Rei12] Long-Range-Sensor von Bosch [Bil] Mid-Range-Sensor von Bosch[Bil] Short-Range-Sensor[Rei10d] v

8 vi Abbildungsverzeichnis 5.6 Adaptive Cruise Control[ACCc] Seitenassistent[Kil10] Einparkhilfe[Rad] Long-Range-Radar der vierten Generation von der Firma Bosch[LRR13] Aufbau Ultraschall Sensor Ringing [ass] Triangulation Ermittlung der Entfernung R und Entstehung eines Fehlers durch ungenaue Zeitmessung von einem Sender zu einem Empfänger [Zog11] Ermittlung der Entfernung R durch unterstützendes zweites Satellitensignal [Zog11] Ermittlung der Position (X p Y P ) im Zweidimensionalen durch Triangulation [Zog11] Beispielhafte Darstellung für die Verzögerung des GPS-Signals durch die Ionos- und Troposphäre (aus: [AN13]) Reflexions- und Abschattungsfehler Entstehung einer größeren Fläche (links), wenn Satelliten nahe beieinander liegen (aus: [Zog11]) Open WLAN Map - Abdeckung Zentraleuropa [opea] Inertial Navigation Chip [Has13] Navigation via Signals of Opportunity (NAVSOP) [bae13] Magnetfeld Deutschlands [Neu10]

9 Tabellenverzeichnis 2.1 Überblick Fahrerassistenzsysteme Klassifikation aus Sensorsicht Anforderungen an LiDAR-Systeme [Spi] Messabweichungen mit und ohne Kalibrierung Vor- und Nachteile, [par] Ungefähre Abschätzung der entstehenden Fehler bei der Positionsbestimmung in der Horizontalen bei GPS [Zog11] vii

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11 Abkürzungen AK ABS ACC AKL ANB ASR ECU ESP FIS FAS HBA HMI LCA LDW LKA LRR NV PDC SRR TSR AKTIV DARPA Aufmerksamkeitskontrolle Antiblockiersystem Adaptive Cruise Control Adaptives Kurvenlicht Automatische Notbremse Antriebsschlupfregelung Electronic Control Unit Elektronisches Stabilitätsprogramm Fahrerinformationssystem Fahrerassistenzsystem Hydraulischer Bremsassistent Human Machine Interface Lane Change Assistant Lane Departure Warning Lane Keeping Assistant Long-Range-Radar Night Vision Park Distance Control Short-Range-Radar Traffic Sign Recognizion Adaptive und kooperative Technologien für den intelligenten Verkehr Defense Advanced Research Projects Agency ix

12 LiDAR INVENT Light Detection and Ranging Intelligenter Verkehr und nutzergerechte Technik PROMETHEUS PROgraMme for a European Traffic of Highest Efficiency and Unprecedented Safety ACC FMCW LRR MRR SRR LRR2 LRR3 LRR4 ACC ESP GPS GSM IMU NAVSOP RSSI UMTS GLONASS A-GPS Active Cruise Control Frequency Modulated Continuous Wave Long Range Radar Mid Range Radar Short Range Radar Long-Range-Radarsensoren der zweiten Generation von der Firma Bosch Long-Range-Radarsensoren der dritten Generation von der Firma Bosch Long-Range-Radarsensoren der vierten Generation von der Firma Bosch Active Cruise Control Elektronisches Stabilitätsprogramm Global Positioning System Global System for Mobile Communications Inertial Measurement Unit Navigation via Signals of Opportunity Received Signal Strength Indication Universal Mobile Telecommunications System Globales Navigations-Satellitensystem Assisted Global Positioning System

13 1 Einleitung 1.1 Motivation Gegenwärtig entwickeln sich die Fahrerassistenzsysteme zu einem gewichtigen Bestandteil in der Wahrnehmung eines Automobils. Spurhaltassistenten, Abstandsregler, Warnsysteme, usw. entlasten den Fahrer und automatisieren eintönige Aufgaben während des Steuern des Kfz. Aus der Integration dieser Anwendungen in das Fahrzeug ergibt sich eine Vielzahl von Messaufgaben, die insbesondere die Umgebungsüberwachung betreffen. Die dafür etablierten Technologien sind Laser- und Radarsysteme aber auch die seit Jahrzehnten präsenten Ultraschallgeräte in unterschiedlicher Ausprägung. Gleichzeitig werden immer leistungsstärkere bildgebende Verfahren verfügbar, die aus der Kombination verschiedener Systeme zuverlässig Features der Umgebung unter Tag/Nacht Bedingungen erkennen können. Bei der Auswahl einer aufgabenspezifischen Sensorik erfolgt die Auswahl nicht allein anhand der Abbildungseigenschaften eines Sensors. Vielmehr müssen vor dem Hintergrund der kraftfahrzeugspezifischen Sicherheitsstandards umfangreiche Kriterienkataloge, die unter anderem die Umgebungsbedingungen (mechanische Belastung, thermische Bandbreite, ect.) und die Zuverlässigkeit des Gerätes einbeziehen berücksichtigt werden. 1.2 Einordnung der Arbeit Die vorliegende Arbeit versucht die vielfältigen Anforderungen an Sensoren in automotiven Szenarien zu hinterfragen. Dabei werden zum einen die charakteristischen Messeigenschaften der Sensorsysteme erläutert und darauf aufbauen deren Einbettung in Fahrerassistenzsysteme dargestellt. Die Ausarbeitung entstand dabei eines wissenschaftlichen Seminars, dass von der Arbeitsgruppe für Eingebettete Systeme und Betriebssysteme im Wintersemester 2013/14 angeboten wurde. Neben den einzelnen Aufsätzen, die von einzelnen Studenten oder von Studen- 1

14 2 1 Einleitung tengruppen erarbeitete wurden, sind auch die entsprechenden Vorträge auf der Webseite der Arbeitsgruppe unter zu finden. Das Paper selbst gliedert sich folgendermaßen. Zunächst werden die aktuellen Assistenzsysteme im Hinblick auf ihren Anforderungskatalog untersucht. Dazu stellt das Kapitel 1 die aktuelle Entwicklung dar. Kapitel 2 ergänzt die Darstellung um die spezifisch automotiven Umgebungsbedingungen an ein Messsystem. Die folgenden Kapitel widmen sich den Lasersensoren, den Radarmessystemen und der Ultraschallsensorik. In Kapitel 5 wird ein Überblick über die positionsbezogene Sensorik gegeben.

15 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme Simon Parlow 2.1 Einleitung Fahrerassistenz ist ein aktuelles Thema. Die Zahl der unterschiedlichen Systeme und ihr Funktionsumfang nehmen rasant zu. Aus diesem Grund soll diese Arbeit einen Einstieg in den Bereich der Fahrerassistenzsysteme geben und einen Überblick über deren Funktion und Einsatz schaffen. Im Fokus stehen dabei nicht spezielle Systeme oder die spezifische Technik, sondern die Fahrerassistenz im Allgemeinen und die dazugehörende Sensorik. Die Arbeit ist in drei Teilen aufgebaut. Zu Beginn werden wichtige Begrifflichkeiten definiert, sowie die Geschichte und die Motivation der Fahrerassistenzsysteme beschrieben. Darauffolgend werden der Systemaufbau sowie Klassifikationen von Fahrerassistenzsystemen vorgestellt. Im letzten Teil wird kurz die Fahrzeugsensorik sowie mehrere Fahrerassistenzsysteme beschrieben. Zum Schluss erfolgt ein Beispiel zur Klassifizierung von Fahrerassistenzsystemen aus Sensorsicht. 2.2 Grundlagen Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Klärung von Grundbegriffen sowie mit der Geschichte und Motivation von Fahrerassistenzsystemen Begriffsdefinition Im Bereich der Fahrerassistenz finden eine Vielzahl an Begriffen Verwendung, die nicht eindeutig festgelegt sind und demzufolge durchaus unterschiedlich verstanden werden können. Um Verwirrung zu vermeiden werden die für diese Arbeit wichtigen Begriffe, insbesondere der Begriff des Fahrerassistenzsystems, genauer erklärt und definiert. 3

16 4 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme Fahrerassistenzsystem Der Begriff Fahrerassistenzsystem (FAS) kann in seiner allgemeinen Bedeutung sehr weitreichend sein. Laut Duden ist ein Fahrer jmd. der fährt, ein Fahrzeug führt, Assistenz bedeutet Beistand, Mithilfe und im Zusammenhang dazu wird ein System als eine Einheit aus technischen Anlagen, Bauelementen, die eine gemeinsame Funktion haben, definiert [Dud06]. Dies ist eine sehr schwammige Definition, die nicht wirklich erklärt was Fahrerassistenzsysteme sind und wie sie funktionieren. Konrad Reif definiert in dem Buch Fahrstabilisierungssysteme und Fahrerassistenzsysteme Fahrerassistenzsysteme als Systeme, die den Fahrer bei seiner primären Fahraufgabe unterstützen [Rei10a]. Durch Information und Warnung sollen Komfort und Sicherheit erhöht werden. Außerdem sollen sie den Fahrer aktiv bei der Fahrzeugführung und Fahrzeugstabilisierung unterstützen. Was genau die primäre Fahraufgabe ist, wird dort nicht weiter erläutert. Nach Bubb sind primäre Fahraufgaben all diejenigen, die sich mit dem Halten des Fahrzeugs auf der Fahrbahn und der Stabilisation beschäftigen [HW06, S. 8]. Fahrerassistenzsysteme haben also zum Einen das Ziel die Sicherheit des Fahrers zu erhöhen. Dies deckt sich auch mit einer Definition nach Gründl in welcher Fahrerassistenzsysteme zu einer erhöhten aktiven Sicherheit beitragen, indem sie Defizite bei der Aufnahme und Verarbeitung der relevanten Fahrerinformationen beseitigen, Fehlhandlungen des Fahrers vermeiden helfen, die Folgen von dennoch auftretenden Fahrfehlern mildern und die Beanspruchung des Fahrers durch Über- oder Unterforderung abbauen [Gru05, S. 29]. Durch diese Definition grenzt sich ein FAS auch gegen ein Fahrerinformationssystem (FIS) ab. Mit FIS ist ein System gemeint, welches den Fahrer zwar unterhält oder informiert, jedoch nicht die Fahraufgabe adressiert und dementsprechend nicht zu einer erhöhten Sicherheit beiträgt. Ein Navigationssystem wäre beispielsweise ein Fahrerassistenzsystem, der CD-Player aber nicht. Bisher wurde in den Definitionen bestimmt, was Fahrerassistenzsysteme leisten sollen, aber nicht wie sie es tun. Dies lässt die Definition noch immer sehr unscharf wirken. Eine genauere Definition von Fahrerassistenzsystemen erfolgt in den Spezifizierungen des Projektes Response 3. Demzufolge müssen Fahrerassistenzsysteme den folgenden Kriterien gerecht werden: 1. Unterstützung der primären Fahraufgabe 2. Aktive Unterstützungen der Fahrzeugführung mit oder ohne Warnungen 3. Umfelderfassung und -interpretation 4. Komplexe Signalverarbeitung 5. Direkte Interaktion; System-Fahrer [Sch07, S. 9] Diese Definition eines Fahrerassistenzsystems ermöglicht es den Begriff enger zu fassen. Ein FAS muss also nun das Umfeld erfassen und interpretieren. Hierfür sollen Sensoren

17 2.2 Grundlagen 5 und komplexe Signalverarbeitung genutzt werden. Es wird also nicht nur spezifiziert welche Aufgaben Fahrerassistenzsysteme erfüllen sollen, sondern auch wie sie es sollen. Für unsere Betrachtungen ist diese Definition jedoch nun etwas zu eng gesteckt, da Systeme wie das Antiblockiersystem (ABS) nicht die Umgebung des Fahrzeugs erfassen, und demnach kein Fahrerassistenzsystem wären. Die für diese Arbeit geltende Definition stammt daher von Lindberg. Fahrerassistenzsysteme......unterstützen den Fahrer bei der Ausführung der primären Fahraufgabe oder automatisieren Teile davon, übernehmen sie jedoch nicht vollständig...interagieren mit dem Fahrer...können auf allen drei Ebenen der Fahraufgabe wirken..bestehen aus Sensoren für die Erfassung von Umwelt und / oder Fahrzeug (z.b. Radar, Kamera, GPS-Sensor) einfachen oder komplexen Verarbeitungseinheiten Ausgabeeinheiten (Aktoren, Displays, Lautsprecher etc.) [Lin12, S. 14] Diese Definition erläutert nicht nur den Nutzen von Fahrerassistenzsystemen, sondern beschreibt zudem auch den groben Aufbau des Systems. Aktive Sicherheit Das Ziel von aktiven Sicherheitssystemen ist es Unfälle zu vermeiden bevor sie entstehen. Dadurch wird vorbeugend zur Sicherheit im Straßenverkehr beigetragen. Bekannte Beispiele für aktive Fahrerassistenzsysteme sind das ABS, die Antriebsschlupfregelung (ASR) sowie das Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP). Diese Systeme unterstützen in kritischen Situationen den Fahrer, indem sie beispielsweise die Lenkbarkeit des Fahrzeugs gewährleisten. Die Funktion aktiver Sicherheitssysteme basiert im Wesentlichen auf dem Wissen über das Fahrzeug und der Umgebung. Dafür kann mit Sensoren die Umgebung erfasst und anschließend analysiert werden. Vor Gefahrensituationen wird der Fahrer dann gewarnt. In Notfallsituationen können die Systeme auch autonom in die Fahrzeugdynamik einzugreifen. Passive Sicherheit Passive Sicherheitssysteme haben die Aufgabe, Unfallfolgen zu verringern und zu mildern. Aus diesem Grund beschreibt die Passive Sicherheit den Schutz des Fahrers vor Verletzun-

18 6 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme gen im Falle eines Unfalls. Ziel hierbei ist es, die Schwere von Unfällen zu verringern. Bekannte Beispiele für passive Sicherheitssysteme sind der Sicherheitsgurt, der Airbag sowie die Karosserie eines Fahrzeugs. Für diese passiven Sicherheitssysteme ist nur der Zustand des eigenen Fahrzeuges relevant Motivation Die Mobilität der Gesellschaft wächst stetig, während die Infrastruktur relativ gleich bleibt [Bun12d]. Dies bedeutet vollere Straßen, und dementsprechend mehr Risiko im Straßenverkehr. Laut dem statistischen Bundesamt starben im Jahr 2013 vom Januar bis November in Deutschland Menschen im Straßenverkehr [Bun13]. Wie man an Abbildung 2.1 erkennen kann, ist die Zahl der Verkehrstoten im Straßenverkehr seit Jahren rückläufig. Im Vergleich zu 1991 (über Verkehrstote) ist die Anzahl der Verkehrstoten auf weniger als 30% gefallen. Abbildung 2.1: Verkehrstote [Bun09] Nichtsdestotrotz sind über 3000 Verkehrstote noch immer eine enorme Zahl, welche weiter gesenkt werden muss. Dies ist auch ein hochrangiges Ziel der Verkehrspolitik. So hatte sich die EU zum Ziel gesetzt zwischen 2001 und 2010 die Zahl der Unfalltoten im Straßenverkehr zu halbieren. Da dies nicht ganz erreicht wurde, ist das Ziel der Halbierung der Zahl der Unfalltoten auf das Jahr 2020 verschoben [Eur12]. Zwar gehen die Zahlen der Unfalltoten jährlich zurück, dennoch bleibt die eigentliche Zahl der Unfälle relativ konstant [Bun12b]. Der Rückgang der Unfalltoten ist zum einen den passiven Sicherheitssystemen zu verdanken. Die Eigenschaft eines Autos seine Passagiere gegen Verletzungen im Falle eines Unfalls zu schützen ist erheblich gestiegen. Aufgrund von Entwicklungen wie Sicherheitsgurten sowie Airbags sind Unfallfolgen heutzutage stark abgemildert.

19 2.2 Grundlagen 7 Eine Abmilderung von Unfallfolgen ist unzureichend. Um das Ziel der Europäischen Union umzusetzen müssen effektivere Maßnahmen zur Reduzierung von Verkehrsunfällen ergriffen werden. Dafür ist es notwendig, die Ursache von Unfällen näher zu kennen. Als Hauptursache für Unfälle gelten Fahrfehler der Fahrzeugführer [Bun12c]. Dahinter folgen Umweltbedingungen und die geringste Ursache sind technische Mängel der Fahrzeuge. Zum menschlichen Fehlverhalten zählt beispielsweise falscher Abstand oder erhöhte Geschwindigkeit, Missachtung der Vorfahrt oder auch Fehler beim Abbiegen [Bun12a]. Dies bedeutet, dass der Fahrer mehr unterstützt und informiert werden muss, um entlastet zu werden. Moderne Fahrerassistenzsysteme werden aus diesem Grund mit dem Ziel entwickelt das Leistungsvermögen des Fahrers zu steigern, damit er den Anforderungen der jeweiligen Verkehrssituation gerecht wird. Dass große Erwartungen in die Fahrerassistenz gesetzt werden, spiegelt sich auch in den gesetzlichen Einführungen von Fahrerassistenzsystemen wieder. So wird beispielsweise ab 2014 das ESP Pflicht für alle neu zugelassenen Straßenfahrzeuge [Ver13]. Zwar ist der genaue Beitrag von Fahrerassistenzsystemen zur Verkehrssicherheit noch nicht eindeutig geklärt, doch gibt es schon Studien die zumindest andeuten, dass die Fahrerassistenz ihre Zwecke erfüllt. So geht aus einer Ermittlung des Sicherheitspotenzials von Fahrerassistenzsystemen der Unfallforschung der Versicherer heraus, dass bestimme Fahrerassistenzsysteme grundsätzlich in der Lage sind, das Unfallgeschehen positiv zu beeinflussen[thl11]. Auch die deutsche Verkehrswacht sieht in ausgewählten Fahrerassistenzsystemen erhebliches Potenzial zur Vermeidung von Verkehrsunfällen [Lan10] Geschichte Obwohl Fahrerassistenzsysteme nicht erforderlich für die eigentliche Mobilität des Fahrzeugs sind, kamen sehr früh zunehmend Aspekte der Sicherheit und des Komforts bei der Automobilentwicklung in den Vordergrund. Schon ab dem Jahr 1901 setzte sich zum ersten Mal das Lenkrad zur Ablösung von Lenkstöcken oder Lenkkurbeln durch. Auch der Sicherheitsgurt, welcher 1903 zum ersten Mal patentiert wurde, sowie das Tachometer gehören im weitesten Sinne zu den frühesten Assistenzsystemen. Über die Jahrzehnte kamen immer weitere Systeme hinzu, die heutzutage selbstverständlich sind, wie beispielsweise im Jahre 1926 die Servolenkung oder das 1969 erstmals präsentierte ABS. War bei früheren Systemen oftmals nur die Automatisierung einer bestimmten Aufgabe das Ziel, so wurde mit der Erfindung des ABS erstmalig die Stabilisierung des Fahrzeuges aktiv unterstützt. Die immer fortführende Automation von Fahraufgaben führt theoretisch zu einem voll-autonomen Auto. Die autonome Fahrzeugführung wird dementsprechend als Fernziel der Fahrerassistenz propagiert, denn Fahrerassistenzsysteme stellen oftmals die Automatisierung einer (Teil-) Fahraufgabe dar. So ist Entwicklung auf dem Gebiet der autonomen Fahrzeugführung auch Entwicklung in der Fahrerassistenz. Wesentliche Grundlagen für die Entwicklung zum autonomen Auto, und dementsprechend auch im Bereich der Fah-

20 8 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme rerassistenz, wurden in dem 1995 beendeten Forschungsprojekt PROMETHEUS geschaffen [Wik13b]. PROMETHEUS war das bislang größte Projekt zum Thema autonome Fahrzeuge an dem zahlreiche Universitäten und Autohersteller teilnahmen. Einer der größten Erfolge des Projektes war die 1995 von München bis Odense zurückgelegte Strecke eines autonomen Fahrzeuges unter Hilfseingriffen des Fahrers. Die Bedeutung der Fahrerassistenz hat seitdem drastisch zugenommen. So hat die Automobilentwicklung ab den neunziger Jahren einige sehr wichtige Assistenzsysteme hervorgebracht. Dazu zählen zum einen die sehr erfolgreichen Systeme ESP (1995), der Abstandsregelautomat (1995), sowie die 1987 auf den Markt gekommene ASR [Wik14b, Wik14a]. Diese Entwicklung wurde durch die Förderung weiterer Projekte und Initiativen fortgesetzt. Dazu gehört beispielsweise das 2005 beendete INVENT Projekt [INV14]. Dies war eine Forschungsinitiative deutscher Unternehmen gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Ziel des Projektes waren die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen zur Erhöhung der Verkehrssicherheit und zur Optimierung des Verkehrsflusses. Auch die 2006 gestartete Initiative AKTIV schreibt in ihren Zielen, dass neue Fahrerassistenzsysteme gebraucht werden, welche die Sicherheit für alle Verkehrsteilnehmer erhöhen, den Fahrer entlasten und ihn effizient zum Ziel bringen, sowie ökonomisch und ökologisch sinnvoll und rechtlich abgesichert sind [AKT10]. Um dies umzusetzen analysieren Fahrerassistenzsysteme heutzutage immer mehr den Zustand des eigenen Fahrzeugs sowie seine Umgebung. Der Entwicklung der Fahrerassistenz folgend, wurden auch autonome Fahrzeuge stetig erfolgreicher. Durch Wettbewerbe wie die DARPA Grand Challenge in den Jahren 2004, 2005 und 2007 wurde die Innovation in diesem Bereich stark voran getrieben [Wik13a]. Obwohl der Einsatz und die Nutzung von modernen Fahrerassistenzsystemen immer beliebter wird, ist es jedoch zweifelhaft ob die Verwirklichung der autonomen Fahrzeugführung jemals gelingt. 2.3 Fahrerassistenzsysteme im Allgemeinen In diesem Kapitel wird zu Beginn der allgemeine Aufbau von Fahrerassistenzsystemen vorgestellt. Danach erfolgt eine Übersicht über verschiedene Klassifikationen von Fahrerassistenzsystemen Systemaufbau Jedes Fahrerassistenzsystem funktioniert in einem Regelkreis. Der Fahrer steuert das Auto und hat somit Einfluss auf das Fahrverhalten. Das Fahrverhalten wiederum, bedingt durch die eingebauten Fahrerassistenzsysteme, nimmt Einfluss auf den Fahrer. Die Funktionalitäten von Fahrerassistenzsystemen können sehr unterschiedlich ausfallen, und ihr Nutzen und Zweck in verschiedenen Bereichen liegen, dennoch ist oftmals die prinzipielle Struktur gleich.

21 2.3 Fahrerassistenzsysteme im Allgemeinen 9 Für den strukturellen Aufbau eines Fahrerassistenzsystems schlägt die Forschungsinitiative INVENT eine Unterteilung in drei Ebenen vor [INV05]: 1. Situationserfassung 2. Situationsanalyse und Aktionsentscheidung 3. Aktionsausführung In der ersten Ebene, der Situationserfassung, werden durch verschiedene Sensoren sämtliche für das System relevanten Merkmale erfasst. Dies beinhaltet das Erkennen von Verkehrsteilnehmern, des Verkehrszustands und des Bewegungszustands des eigenen Fahrzeugs. Die Informationen der unterschiedlichen Sensorik können unter Nutzung von Sensordatenfusion vorverarbeitet werden. Hauptziel auf dieser Ebene ist eine vollständige Erfassung der Umgebung. Auf der zweiten Ebene werden die gesammelten Informationen ausgewertet. Aufbauend auf dem gelieferten Umgebungsmodell müssen hier verschiedene Handlungsoptionen bei der Aktionsplanung berücksichtigt werden. Am Ende dieser Ebene steht die Aktionsentscheidung. Die dritte Ebene, die Aktionsausführung, setzt die gewünschte Reaktion der Aktionsentscheidung um. Auf dieser Ebene werden Schnittstellen zu Fahrer und Fahrzeug bereitgestellt. Durch diese Schnittstellen ist der aktive Eingriff in Motor, Lenkung und Bremse möglich. Auch kann der Fahrer durch haptische, optische oder akustische Signale informiert oder gewarnt werden. Eine ähnliche Systemstruktur stellt de Molina dar [dm10]. Wie man an Abbildung 2.2 erkennen kann, ist auch dort der Aufbau in 3 Ebenen eingeteilt. Abbildung 2.2: Systemaufbau [dm10, S.19] Die Ebene der Datenaufnahme dient zur Erfassung und Erkennung von Objekten im Fahrzeugumfeld. Dazu dienen zumeist Umfeldsensoren (Radar, Lidar, Ultraschall, Infrarot). Weitere Sensorik ist aber nicht ausgeschlossen. Die zweite Ebene beinhaltet die Regellogik welche unter anderem für die Verfolgung, Erkennung und Klassifikation von Objekten zuständig ist. Diese Aufgaben werden von einem Steuergerät, der Electronic Control

22 10 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme Unit (ECU), welche meist gleich im Sensorgehäuse mit verbaut ist, ausgeführt. Das Steuergerät kommuniziert auf direktionalem, oder im Falle der Bedienelemente auf bidirektionalem Weg mit dem Human Machine Interface (HMI). Das HMI stellt die dritte Ebene dar. Es ist eine Bedien- und Kommunikationseinheit, welche die Schnittstelle zwischen Fahrer und System darstellt. Hier kann der Fahrer das System konfigurieren, sowie das System dem Fahrer Rückmeldungen geben. Die Konfiguration kann anhand unterschiedlicher Eingabemöglichkeiten erfolgen und die Rückmeldung des Systems über unterschiedliche Kanäle. So können optische Informationen, akustische Signale wie auch haptische Methoden genutzt werden Klassifikationen Durch die große Anzahl an unterschiedlichen Fahrerassistenzsystemen benötigt man bei deren Betrachtung eine gewisse Klassifikation. Doch wie schon bei der Definition des Begriffes des Fahrerassistenzsystems, so existiert auch bei der Klassifikation von Fahrerassistenzsystemen keine einheitliche Meinung in der Fachliteratur. Je nach Definition von FAS, der Art der Analyse und dem Ziel der Klassifikation kann so zum Beispiel nach Längs- und Querführung oder nach Aufgabe klassifiziert werden [dm10]. Auch können die Systeme anhand ihres Einflusses auf die Straßensicherheit und den Verkehrsfluss eingeteilt werden [JG02]. Eine der bekanntesten Klassifizierungen ist die Unterteilung entsprechend der Ebene der Fahraufgabe. Hierbei werden Fahrerassistenzsysteme in die Bereiche Planung, Führung und Stabilisierung aufgeteilt [Lew11]. Andere Klassifikationen beinhalten mehr als nur drei Bereiche. So unterscheidet Konrad Reif beispielsweise insgesamt fünf Bereiche [Rei10a], und andere Klassifikationen teilen Fahrerassistenzsysteme sogar in acht unterschiedliche Kategorien ein [LC06]. Der Vorteil solcher Klassifikationen ist, dass sie eine schärfere Unterscheidung zulassen, falls diese denn möglich ist. Denn oftmals lassen Fahrerassistenzsysteme sich in mehrere Kategorien der gleichen Klassifikation einteilen. Eine disjunkte Aufteilung ist meistens sehr schwierig. Eine weitere gängige Einteilung ist die Unterscheidung nach Automatisierungsstufe [Lin12, Lew11]. Dies hat zum einen den Grund, dass diese Art der Klassifizierung nicht speziell auf Fahrer-Fahrzeug ausgelegt ist, sondern bei jeder Mensch-Maschinen-Interaktion vorgenommen werden kann. Wie die Stufen des Automatisierungsgrad definiert sind, ist je nach Klassifikation unterschiedlich. Einen Überblick über diverse Einteilungen des Automatisierungsgrades findet sich bei Lindberg [Lin12]. Im Allgemeinen gibt der Nutzer bei höherem Automatisierungsgrad mehr Verantwortung an die Maschine ab. Eine Verfeinerung zu dieser Klassifikation stellt Gruendl vor [Gru05]. Dort wird zum Grad der Automatisierung eine weitere Stufe, die der kompletten Übernahme hinzugefügt. Die Stufen der Automatisierung lauten bei ihm demzufolge: 1. Information

23 2.4 Fahrerassistenz aus Sensorsicht Warnung 3. Korrigierender Eingriff 4. Übernahme der Fahraufgabe [Gru05, S. 46] Zusätzlich dazu kombiniert er diese Unterteilung noch mit der weiter oben beschriebenen Aufteilung nach der Fahraufgabe. Dies führt schon zu einer spezifizierten, aber dennoch übersichtlichen Klassifizierung. Anstatt sich nur auf eine beschränkte Menge von Automatisierungsstufen zu begrenzen, kann man auch nach Handlungsphasen kategorisieren [Lin12]. Fahrerassistenzsysteme können eine oder mehrere solcher Phasen unterstützen, im Gegensatz zu nur einer Automatisierungsstufe. Dadurch ist trotz der großen Vielfalt an Systemen eine übersichtliche und klare Darstellung möglich, denn jedem FAS kann man eine Kombination dieser Phasen zuordnen. In der Literatur gibt es diverse weitere Ansätze von Klassifikationen die sich je nach Eigenschaft und Beschaffenheit des Systems ausrichten. So existieren Einteilungen in warnende und reaktive Systeme [DM13], in Sicherheits-, Komfort-, und Verkehrseffizienzsysteme [Pap07] oder auch nach der Art und Situation der Rückmeldung [HW06]. Viele weitere Klassifikationen, zum Beispiel nach Fahrzeugtyp oder der Art von Straße, für die das System ausgerichtet ist, sind denkbar. Die vielen Möglichkeiten zur Klassifizierung von Fahrerassistenzsystemen bedeuten nicht, dass es falsche oder richtige Klassifikationen gibt. Vielmehr kommt es bei einem Klassifikationsschema auf die Nützlichkeit im jeweiligen Anwendungsfall und das eigene Ziel an. 2.4 Fahrerassistenz aus Sensorsicht Soll ein Fahrzeug in der Lage sein mithilfe eines Assistenzsystems den Fahrer zu unterstützen, ist es auf zuverlässige Sensordaten angewiesen. Da Sensoren einen wichtigen Teil zum Erfolg von Fahrerassistenzsystemen beitragen, wird zum Schluss dieses Kapitels eine beispielhafte Klassifizierung bestimmter Fahrerassistenzsysteme aus der Sensorsicht vorgenommen. Dafür wird zuerst die vorhandene Sensorik angesprochen sowie mehrere, unterschiedliche Fahrerassistenzsysteme vorgestellt Sensorik im Fahrzeug Sensoren erfassen Betriebszustände und Sollwerte, sie wandeln physikalische oder chemische Größen in elektrische Signale um [Rei10a]. Im Fahrzeug sind eine riesige Anzahl an Sensoren verbaut, welche sich je nach der Art der Sicht unterschiedlich klassifizieren lassen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird hier die Fahrzeugsensorik in interne Sensorik zur Erfassung der Zustände des Fahrzeugs, sowie in externe Sensorik zur Erfassung

24 12 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme des Fahrzeugumfeldes eingeteilt. Zur internen Sensorik zählen beispielsweise Raddrehzahlsensoren, Beschleunigungsensoren und Lenkradwinkelsensoren [Rei11]. Raddrehzahlsensoren dienen dazu, die Radbewegung von Fahrzeugrädern zu erfassen. Die Radbewegung ist eine wichtige Größe zur Regelung der Fahrzeugverzögerung und der Fahrstabilität. Aus der ermittelten Radgeschwindigkeit, -beschleunigung und -richtung lassen sich Radschlupf sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit berechnen. Beschleunigungssensoren werden zur Messung der Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerbeschleunigung genutzt. Je nach Achse, können somit verschiedene Beschleunigungen gemessen werden [WHW09]. Der Lenkradwinkelsensor kann zur Regelung der Fahrzeugstabilität, beispielsweise beim ESP, genutzt werden. Es wird der Lenkwinkel am Steuer gemessen, und nicht am Rad selbst. Der Lenkradwinkel gibt Informationen über den Fahrerwunsch aus, auf den Messwerte bezogen und plausibilisiert werden können. Eine genauere technische Beschreibung dieser Sensoren und Messprinzipien befindet sich bei Reif sowie bei Winner et al. [Rei11, WHW09]. Die externe Sensorik lässt sich nach Konrad Reif in sechs verschiedene Absicherungsbereiche aufteilen [Rei10a]. In Abbildung 2.3 sind fünf dieser sechs Umgebungsbereiche eingezeichnet. Im Ultranahbereich wird neben Videotechnik hauptsächlich Ultraschalltechnik Abbildung 2.3: Sensorbereiche verwendet. Ultraschallsensoren sind in den Stoßfängern von Kraftfahrzeugen integriert und können somit die direkte Umgebung (ca.2,5m) des Fahrzeugs erfassen. Mit einem großen Erfassungswinkel, der sich bei Nutzung mehrerer Sensoren ergibt, kann somit Entfernung und Winkel zu Hindernissen bestimmt werden. Durch eine erhöhte Sendeleistung der Sensoren kann auch eine Reichweite von bis zu 4m erreicht werden. Im Nahbereich werden entweder starke Ultraschallsensoren oder sogenannte Short Range Radar (SRR) Sensoren eingesetzt. Diese arbeiten im 24-GHz-Band und weisen eine Reichweite von ca. 20m auf. Aufgrund der kurzen Reichweite ist der Öffnungswinkel relativ groß. Die Sensoren werden

25 2.4 Fahrerassistenz aus Sensorsicht 13 für gewöhnlich in der Stoßstange montiert. Die Überwachung des Mittelbereiches erfolgt hauptsächlich durch Videotechnik. Bilder besitzen einen sehr hohen Informationsgehalt, folglich sind zur Auswertung von Verkehrssituationen komplexe Algorithmen zur Bildauswertung nötig. Aufgrund der beschränkten Auflösung der Bildsensoren kann hier eine ungefähre Reichweite von 80m erreicht werden. Durch Einsatz zweier stereoskopischer Kameras können zudem auch Tiefeninformationen gewonnen werden. Im Nachtsichtbereich werden grundsätzlich Infrarotsichtsysteme (LiDAR, Infrarotkameras) eingesetzt. Infrarotkameras nehmen den Frontbereich auf und geben diesen beispielsweise an ein Display (HMI) weiter. Die Reichweite beträgt hier bis zu 150m. Die Messreichweite kann jedoch bei entsprechend schlechtem Wetter sehr stark reduziert sein. Zu beachten ist, dass die Infrarottechnik nicht die Sicht des entgegenkommenden Fahrers behindern kann. Die Sensoren werden in der Stoßstange oder hinter der Windschutzscheibe verbaut. Im Fernbereich werden sogenannte Long Range Radar (LRR) Sensoren eingesetzt, aber auch LiDAR ist möglich. Der Frequenzbereich in dem die LRR Sensoren arbeiten befindet sich zwischen 76 und 77 GHz. Die Reichweite dieser Sensoren beträgt bis zu 200m. Aufgrund der hohen Reichweite besitzen sie einen dementsprechend geringen Öffnungswinkel. Der sechste Bereich ist der Heckbereich. Dort werden zur Überwachung Ultraschallsensoren sowie Kameras eingesetzt. Da er dem Ultranahbereich stark ähnelt, ist er auf Abbildung 2.3 nicht mit eingezeichnet Vorstellung mehrerer Fahrerassistenzsysteme In diesem Abschnitt wird ein kurzer Überblick auf existierende Fahrerassistenzsysteme gegeben. Aus Gründen der Übersichtlichkeit erfolgt dies in tabellarischer Form. Die Auflistung ist natürlich nicht vollständig und auch Funktionalitäten und Ausführungen der Systeme können je nach Hersteller etwas abweichen. Die Spalten der Tabelle 2.1 bauen sich so auf, dass zuerst die Bezeichnung des jeweiligen Fahrerassistenzsystem gegeben wird, danach eine kurze Erklärung des Systems und dann eine Auflistung genutzter Sensoren. Bezeichnung Erläuterung Mögliche Sensoren ABS ABS wirkt bei starken Bremsvorgängen durch Verringerung des Bremsdrucks dem Blockieren der Räder entgegen [PBS12]. Das Auto bleibt somit lenkfähig, und lässt sich sicher und schnell Abbremsen und gegebenenfalls zum Stillstand bringen. Raddrehzahlsensor

26 14 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme ESP Active Cruise Control (ACC) Hydraulischer Bremsassistent (HBA) Lane Change Assistant (LCA) Park Distance Control (PDC) Lane Departure Warning (LDW) ESP ist ein Regelsystem zur Verbesserung des Fahrverhaltens. Es greift in das Bremssystem und in den Antriebsstrang ein [Rei10a]. Das System verhindert das Ausbrechen des Fahrzeugs bei Schleudervorgängen, indem es durch gezielte Eingriffe in die Motorsteuerung die Krafteinteilung der Räder regelt. Nur die Räder, welche ausreichend Bodenhaftung haben bekommen noch Schub. Die ACC hält einen gewünschten Sicherheitsabstand zum vorausfahrenden Auto ein [Gru05]. Falls der Abstand sich verringert, so wird gebremst und die Geschwindigkeit auf die des Vordermannes angepasst. Falls der Weg frei ist, wird auf die eingestellte Wunschgeschwindigkeit beschleunigt. Durch die Eingriffe in Motor und Bremsung sorgt das System für einen konstanten Abstand zum Vordermann. Der Bremsassistent erkennt anhand eines Drucksensors die Stärke der Bremspedalbetätigung [PBS12]. In Gefahrensituationen wird somit, falls der Fahrer zu zaghaft auf die Bremse tritt, automatisch der Bremsdruck erhöht. LCA überwacht den hinteren und seitlichen Bereich des Fahrzeugs und warnt bei Spurwechseln vor Fahrzeugen auf der Zielspur. Wichtig ist hier die Überwachung des Toten Winkels [PBS12]. Falls der Fahrer in einer Gefahrensituation versucht die Spur zu wechseln, und den Blinker bestätigt, erfolgt eine Warnung. Bei diesem System überwachen Sensoren beim Einparken das Fahrzeugumfeld. Durch akustische oder optische Signale wird dem Fahrer angezeigt wie weit er von einem Hindernis entfernt ist. LDW überwacht die Lage des Fahrzeugs innerhalb der vorgegebenen Spur [Lew11]. Bei unbeabsichtigtem Verlassen der Fahrbahn warnt das System den Fahrer. Das System deaktiviert sich wenn der Fahrer den Blinker setzt. Es kann dann ohne Warnung die Spur gewechselt werden. Raddrehzahlsensor, Lenkwinkelsensor, Gierratensensor Radar, LiDAR Drucksensor Radar, Kamera, LiDAR Ultraschallsensor, SRR, Kamera Kamera

27 2.4 Fahrerassistenz aus Sensorsicht 15 Night Vision (NV) Traffic Sign Recognizion (TSR) Automatische Notbremse (ANB) Aufmerksamkeitskontrolle (AK) Nachtsichtsysteme sind in der Lage Objekte und Lebewesen im Dunkeln zu erkennen. Diese werden dann meistens auf einem Bildschirm dargestellt. Abhängig nach Funktionsprinzip lassen sich Infrarotsysteme in passive (nehmen nur Infrarotstrahlung der Umgebung auf) und aktive (senden aktiv Infrarotstrahlen) Systeme aufteilen [Gru05]. Die TSR erkennt autonom die in der Fahrumwelt angebrachten Verkehrsschilder [Gru05]. Zur Unterstützung des Fahrers werden relevante Schilder, wie beispielsweise Geschwindigkeitsbegrenzungen, auf einem Display angezeigt. Gegebenenfalls kann es auch auf bestimmte Schilder hinweisen oder den Fahrer warnen, falls dieser eine Verkehrsregel missachtet. Mit der automatischen Notbremse sollen Zusammenstöße zwischen Fahrzeugen gemildert oder bestenfalls komplett vermieden werden. Es ist eine Weiterentwicklung des HBA. Detektiert das System eine Gefahrensituation wird der Fahrer gewarnt und die Bremsanlage für ein starkes Bremsmanöver vorbereitet. Die Notbremsung wird selbstständig eingeleitet, falls der Fahrer nicht rechtzeitig eingreift. Die Aufmerksamkeitskontrolle dient der Reduzierung der Müdigkeitsunfälle. Zur Überwachung des Müdigkeitsgrad des Fahrers werden seine Augen mit einer Kamera fokussiert. Aus mehreren Parametern wird dann ein Müdigkeitsindex berechnet[pbs12, Gru05]. Erkennt das System einen gewissen Müdigkeitsgrad, so weist es den Fahrer stufenweise darauf hin. passive und aktive Infrarotsensoren Kamera Radar, Kamera, LiDAR, Raddrehzahlsensor Kamera

28 16 2 Überblick Fahrerassistenzsysteme Adaptives Kurvenlicht (AKL) Lenkwinkelsensor, Gierratensensor, Fahrgeschwindigkeitssensor Lane Keeping Assistant (LKA) Tabelle 2.1: Überblick Fahrerassistenzsysteme Dieses System soll, ebenso wie die NV, den Fahrer in der Dunkelheit unterstützen. Scheinwerfer sind normalerweise am Fahrzeug fest montiert. Dies führt dazu, dass bei Kurvenfahrten geradeaus, aber nicht auf die Straße geleuchtet wird. Das Adaptive Kurvenlicht nutzt daher um bis zu 15 Grad horizontal schwenkbare Scheinwerfer [Gru05]. Die Fahrdynamik wird anhand von Sensoren erkannt und dadurch auch in Kurven die Straße optimal ausgeleuchtet. Bei diesem System wird die Spurhaltung unterstützt. Es baut auf dem LDW System auf. Falls der Fahrer die Fahrspur verlässt, so greift das System aktiv ins Lenksystem ein. Gelenkt wird dabei aber nicht vollautomatisch, sondern der Fahrer muss den vom System vorgegebenen Lenkmomenten folgen [PBS12]. Kamera, Beispiel einer Klassifikation nach Sensortyp Eine Klassifikation der obigen genannten Systeme aus Sensorsicht kann nun unterschiedlich erfolgen. Naheliegend ist der Ansatz, die Systeme nach den benutzten Sensoren einzuteilen. Ein Beispiel dieses Ansatzes ist in Tabelle 2.2 gegeben. Sensorik Interne Sensorik Ultraschallsensoren Kamera SRR LRR Lidar Fahrerassistenzsysteme ABS, ESP, HBA, AKL, ANB PDC PDC, LCA, LDW, TSR, NV, ANB, AK, LKA ACC, PDC, ANB, LCA ACC, ANB, LCA ACC, LCA, ANB Tabelle 2.2: Klassifikation aus Sensorsicht Wie man an Tabelle 2.2 sehen kann, treten viele Systeme in mehreren Bereichen auf. Dies kommt daher, dass Fahrerassistenzsysteme entweder mehrere Sensoren zur Umsetzung benötigen (z.b. ESP) oder ein Fahrerassistenzsystem durch unterschiedliche Sensoren umgesetzt werden kann (z.b. PDC). Diese Art der Klassifikation trägt nur wenig zu einer

29 2.4 Fahrerassistenz aus Sensorsicht 17 besseren Übersicht bei. Eine Klassifikation ist also auch aus Sensorsicht vom Kontext abhängig und wird bestimmt von den eigenen Zielen. Modifizierungen des Ansatzes wären beispielsweise eine vorherige Klassifikation der Sensoren. Die Assistenzsysteme werden dann den Bereichen der Sensorklassifikation zugeordnet. So könnte man die Sensoren, wie weiter oben beschrieben nach Absicherungsbereich aufteilen und die Fahrerassistenzsysteme den jeweiligen Bereichen (Ultranahbereich, Nahbereich, etc.) zuordnen. Auch Klassifikation nach Messprinzip oder Funktion (Abstandsmessung, Messung der Drehrate) sind möglich [Rei11].

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31 3 Allgemeine Anforderungen Andreas Schulz 3.1 Einleitung Dieses Kapitel soll einen allgemeinen Einblick in das Thema Sensoren und deren Anforderungen bieten. Dazu werde ich zuerst auf Arten von Sensoren eingehen. Zwei Arten und deren Anforderungen werde ich in einem späterem Abschnitt näher erläutern. Anschließend folgen die allgemeinen Anforderungen an Sensoren und wie diese in Zukunft umgesetzt und verbessert werden können. Beispielhaft werden die Anforderungen dann an optischen Sensoren und Beschleunigungssensoren gezeigt und wie diese in Autos verwendet werden. Diese Arbeit bezieht sich größteils auf das Buch von Konrad Reif "Bosch Autoelektrik und Autoelektronik Bordnetze, Sensoren und elektronische Systeme". 19

32 20 3 Allgemeine Anforderungen Sensoren in Fahrzeugen Über die letzten Jahre haben sich die Anforderungen an Fahrzeugfunktionen stark erhöht, was zu einer Abkehr von mechanisch realisierten Steuer- und Regelfunktionen zugunsten von elektronischen Einheiten führte. Durch die große Anzahl verbauter Sensoren in Automobilen, leistete die Kfz-Industrie damit einen großen Beitrag zur Entwicklung von in großer Stückzahl herstellbaren Sensoren. Mit der Fähigkeit, Silizium auch mikromechanisch in zwei bis drei Dimensionen zu strukturieren und auch in mehreren Lagen stabil zu verbinden, verstärkte sich z.b. der Trend der Batch-Fertigung noch mehr. Neben Silizium spielten auch andere Stoffe eine wichtige Rolle in der Entwicklung. Z.B. Quarz lässt sich auch mikromechanisch formen, besitzt aber, im Gegensatz zu Silizium, auch vorteilhafte piezoelektronische Eigenschaften. Galliumarsenid besitzt einen größeren Betriebstemperaturbereich als Silizium, was gerade im Kfz an manchen Stellen praktisch ist. Anfangs war die Entwicklung von Sensoren noch auf fahrzeuginterne Systeme konzentriert. Mittlerweile ist diese aber auch nach außen auf die nähere und weitere Umgebung des Fahrzeugs gerichtet.

33 3.1 Einleitung 21 Nahbereichsradar erfasst rings um das Fahrzeug Objekte, die mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Kollision verursachen könnten, um Zeit zu gewinnen und Sicherheitssysteme auch schon vordem Aufprall zu schärfen (Precrash-Sensoren). Bildsensoren können nicht nur Verkehrsschilder erfassen und in das Fahrerdisplay übertragen, sondern auch die Fahrbahnkontur erkennen, den Fahrer vor gefährlichen Abweichung warnen und bei Bedarf langfristig auch automatisches Fahren ermöglichen. In Verbindung mit Infrarotstrahlern und einem Bildschirm im Sichtfeld des Fahrers lassen IR-empfindliche Bildsensoren auch nachts, selbst bei nebligen Verhältnissen, eine weitreichende Fahrbahnbeobachtung zu (Night Vision). Weitbereichs-Radarsensoren beobachten auch unter schlechten Sichtbedingungen die Fahrbahn auf 150 m vor dem Fahrzeug, um die Fahrgeschwindigkeit vorausfahrenden Fahrzeugen anzupassen und längerfristig auch automatisches Fahren zu unterstützen. [Bos11]

34 22 3 Allgemeine Anforderungen Arten von Sensoren Positionssensoren Positionssensoren dienen der Erfassung von sämtlichen Positionen, die sich durch Meter oder Gradangaben beschreiben lassen (z.b. Abstände, Entfernungen, Neigungswinkel, Dehnungen, Verschiebungen,...). Die Messgröße bzw. der Messbereich bei Weggrößen beeinflusst stark die Größe des messenden Sensors. Da dies bei Winkelsensoren weniger zutrifft, werden diese bevorzugt im Auto eingesetzt. Wichtige Messverfahren in diesem Bereich sind in den folgenden Tabellen aufgelistet: Magnetisch Sensoren induktive Vorteile Nachteile Wirbelstromsensoren Hohe Anpassungsfähigkeit an Messaufgabe Kurzschlussring-sensoren Sensoren mit rotierbaren Wechselfeldern Hoher Messeffekt durch große Induktivität Hohe Auflösung des Messsystems Direkte Zuordnung zu Elektronik erforderlich - Zusätzliche Mittel zur Eindeutigkeitsbestimmung nötig Wellenausbreitungssensoren Vorteile Nachteile Ultraschalltechnik Zuverlässige Sensierung auch von unförmigen oder transparenten Objekten Nur bei niedrigen Geschwindigkeiten sinnvoll Radartechnik Hohe Reichweite - Drehzahl- und Geschwindigkeitssensoren Sensoren in dieser Gruppe messen den pro Zeiteinheit zurückgelegten Winkel oder Weg zwischen zwei Teilen eines Fahrzeugs, zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn, oder zwischen dem Fahrzeug und einer Drehachse. Die meisten dieser Sensoren sind passiv und besitzen kaum integrierte Elektronik. Dennoch werden manchmal, zum Beispiel zur Erfassung der absoluten Drehgeschwindigkeit, Smartsensoren mit integrierter Signalaufbereitung benötigt, da die Messeffekte hier sehr klein sind und einer komplexen Aufbereitung bedürfen. Die wichtigsten Messtechniken sind in untenstehender Tabelle aufgestellt:

35 3.1 Einleitung 23 Vorteile Nachteile Rotoren Leichte Handhabung Entmagnetisierung bei Lagerung (passiv), schwierig abzugreifen(passiv) Induktive Sensoren Schwingungs-gyrometer Geringe Herstellungskosten, weiter Temperaturbereich Hohe Lebensdauer, Wartungsfreiheit Grenzen bei Miniaturisierung, Fehlimpulse bei Luftspalt schwankungen - Beschleunigungssensoren Die meisten der heute realisierten Beschleunigungssensoren werden in Silizium- Oberflächen-Mikromechanik hergestellt. Das Messsignal unterliegt kaum dem Einfluss von Störgrößen, wie zum Beispiel Temperatur. Allerdings ist auch hier aufgrund der sehr kleinen Messkapazität eine direkte elektronische Auswertung unbedingt nötig. Da Beschleunigungssensoren keine bewegliche Verbindung zur Außenwelt benötigen, bieten sie beim Verpacken den Vorteil, dass man sie hermetisch abriegeln kann und lediglich eine feste mechanische Ankoppelung an den Messkörper sicherstellen muss. Folgende Messverfahren lassen sich unterscheiden: Vorteile Nachteile - Empfindlich gegenüber hohen Temperaturen und mechanischen Einwirkungen Wegmessend Mechanische Spannung messende Systeme Thermische Beschleunigungssensoren Auswerte-elektronik in unmittelbarer Nähe notwendig Unterliegt kaum Einflussgrößen - - [Zä11]

36 24 3 Allgemeine Anforderungen Drucksensoren Die Messung von Druck erfolgt in der Regel direkt über die Verformung einer Membran oder durch einen Kraftsensor. Die Messwertaufnahme kann dynamisch oder statisch erfolgen, wobei fast ausschließlich letzteres im Automobil gefragt ist. Diese statischen Messverfahren teilen sich auf in folgende Techniken: Vorteile Nachteile Direkte Druckmessung Einfache Umsetzung Temperaturabhängigkeit, druckdichte Anschlüsse aus Druckmedium Membransensoren Leicht anpassbar - Rückführung auf Kraftsensoren - - Optoelektronische Sensoren Die Grundlage der Funktionsweise optoelektronischer Sensoren bildet der photoelektrische Effekt. Obwohl diese Sensoren sehr kostengünstig sind, haben sie den Nachteil, dass sie sehr schnell verschmutzen und somit Messfehler produzieren. Bei Bildsensoren im Kfz haben sich die leistungsstarkeren CMOS-Bildsensoren gegenüber den CCD Bildsensoren, die besonders Schwächen in der Hell-Dunkeldynamik aufweisen, durchgesetzt. Relevante optoelektronische Messtechniken zeigt die folgende Tabelle: Lichtempfindliche Sensorelemente Vorteile Nachteile Photowiderstände Niedrige Herstellungskosten Halbleiter-pn-Übergänge Niedrige Herstellungskosten - Trade-off zwischen Empfindlichkeit und Frequenzdynamik

37 3.1 Einleitung 25 Bildsensoren Photodi- Integrierende oden - Begrenzte Helldunkel- Dynamik CCD-Bildsensoren - Begrenzte Helldunkel- Dynamik, hoher Leistungsbedarf, eingeschränkter Temperaturbereich CMOS-Bildsensoren Hohe Helldunkel- Dynamik, geringer Leistungsbedarf [Zä11] - Temperatursensoren Temperatursensoren im Auto messen vorwiegend über die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerstandsmaterialien und erfordern in den meisten Fällen einen unmittelbaren Kontakt zum Messmedium. Um einen störenden Einfluss der Sensoreigentemperatur zu verhindern, ist die thermische Isolierung der Sensorhalterung entscheidend. Erst der vermehrte Einsatz von Mikrosystemtechnik ermöglicht auch den Einsatz von berührungsloser Temperaturmessung. Bei den Berührungssensoren und den berührungslosen Sensoren finden sich folgende Messtechniken: Berührungslose Sensoren Vorteile Nachteile Bolometer Hohe Messempfindlichkeit Thermopile Sensoren Niedrige Herstellungskosten Zusätzlicher Sensor zur Messung der Gehäusetemperatur benötigt - Berührungssensoren Vorteile Nachteile Resistive Sensoren - - Monokristalline Silizium Halbleiterwiderstände (PTC) Messempfindlich- Hohe keit -

38 26 3 Allgemeine Anforderungen 3.2 Anforderungen in automobilen Systemen Niedrige Herstellungskosten Die Zielkosten von Sensoren im Automobil liegen typischerweise bei 1-30 Euro[Bos11] und damit oft bei unter einem Hundertstel von konventionellen Sensoren. Möglich wird dies vor allem durch die hohe Anzahl zu produzierender Sensoren. Bei Einführung neuer Technik ist der Preis natürlich auf einem höherem Niveau und nimmt mit der Zeit ab. Entwicklungstendenz Fertigungsverfahren arbeiten in hohen Nutzen und meist automatisiert. Das heißt, ähnlich wie bei Halbleitersensoren, werden Sensoren auf einem Si-Wafer gleichzeitig gefertigt. Die Automobilindustrie hat mit ihrem hohen Bedarf damit ein sehr gutes Verfahren gefunden, weil es sich vor allem bei hohen Stückzahlen, von z.b Millionen Stück/Jahr[Bos11], eignet Hohe Zuverlässigkeit Entsprechend ihrer Aufgaben lassen sich Kfz-Sensoren in drei Zuverlässigkeitsklassen ordnen: Lenkung, Bremse, Passagierschutz Motor/Triebstrang, Fahrwerk/Reifen Komfort, Diagnose, Information, Diebstahlsicherung [Bos11] Die Anforderungen ähneln durchaus denen aus der Luft- und Weltraumfahrt bekannten hohen Zuverlässigkeitswerten. Erforderlich sind z.b. Einsatz bester Materialien, Eigenüberwachung, (Kurzzeit-)Ersatzstromversorgung und Mehrfachprogrammierung von kritischen Entscheidungsalgorithmen. Entwicklungstendenz Es werden höchst zuverlässige Materialien und Techniken eingesetzt, wodurch schon bei der Konstruktion eine hohe Zuverlässigkeit erzeugt wird. Desweiteren werden z.b. funkabfragbare Sensoren auf der Basis von antennengekoppelten SAW-Elementen (Surface Acoustic Wave, Oberflächenwellen) eingesetzt eingesezt, die zur Vermeidung von lösbaren und ausfallgefährdeten Verbindungsstellen eingesetzt werden.

39 3.2 Anforderungen in automobilen Systemen Harte Betriebsbedingungen Kfz-Sensoren sind wie kaum eine andere Gattung entsprechend ihrem Anbauort extremen Belastungen ausgesetzt und müssen dort vielerlei Angriffen standhalten: mechanisch (Vibration, Stöße), klimatisch (Temperatur, Feuchte), chemisch (z. B. Spritzwasser, Salznebel, Kraftstoff, Motoröl, Batteriesäure), elektromagnetisch (Einstrahlung, leitungsgebundene Störimpulse, Überspannungen, Verpolung). [Bos11] Da Sensoren, um Vorteile auszuschöpfen, oft direkt an der Messstelle eingesetzt werden, haben sich die Anforderungen hier besonders verschärft. Entwicklungstendenz Schutzmaßnahmen gegen die genannten Belastungen erfordern ein hohes Maß an spezifischem Knowhow in der Verpackungstechnik (Packaging): Passivierungs- und Anschlusstechnik, Abdicht- und Fügetechnik, EMV-Schutzmaßnahmen, schwingungsarme Montage, Lebensdauertest- und Simulationsmethoden, Verwendung resistenter Materialien usw. [Bos11] Desweiteren ist eine eingehende Kenntnis des Aufbauortes und der dortigen Beanspruchung erforderlich, weil die Qualität stark von der Beherschung dieser Schutzmaßnahmen abhängt Kleine Bauweise Da sowohl eine immer kompakter werdende Form der Autos, als auch eine gleichzeitig beibehaltener Innenraumkofort für die Passagiere erreicht werden soll, werden immer kleinere Bauweisen erforderlich. Außerdem soll zur Kraftstoffeinsparung natürlich auch das Gewicht minimiert werden.

40 28 3 Allgemeine Anforderungen Entwicklungstendenz Die z. T. aus der Schaltungstechnik bekannten Technologien zur Miniaturisierung elektronischer Bauelemente kommen massiv zum Einsatz: Schicht- und Hybridtechniken (dehnungs-, temperatur- und magnetfeldabhängige Widerstände); Nanotechnologie. Halbleitertechniken (Hall- und Temperatursensoren). Oberflächen- und Bulk-Mikromechanik (Druck-, Beschleunigungs- und Drehratesensoren aus Si). Mikrosystemtechnik (Kombination von zwei und mehr Mikrotechniken wie z. B. Mikroelektronik und Mikromechanik). [Bos11] Mikromechanische Herstellung bedeutet einerseits Abmessungen im µm-bereich und Toleranzen im Sub-µm-Bereich. Obwohl die Abmessungen von Sensoren mm-bereich liegen, werden sie dennoch mikromechanisch hergestellt und sind deshalb als mikromechanisch zu bezeichnen. Das bekannteste Verfahren ist das anisotrope Ätzen von Silizium. Es ist deshalb so wichtig, weil es mit hoher Perfektion und kostengünstig hergestellt werden kann. Es bietet zudem die Möglichkeit der monolithischen Integration von Sensor und Auswerteelektronik Hohe Genauigkeit Die Genauigkeitsanforderungen sind im Vergleich zu Aufnehmern z. B. der Prozessindustrie bis auf wenige Ausnahmen (z. B. Luftmassenmesser) eher bescheiden. Die zulässigen Abweichungen liegen im Allgemeinen bei > 1 % vom EW (Endwert des Messbereichs). Erreicht wird das vor allem mittels einer sorgfältigen Technik zum Abgleich der Exemplarstreuungen sowie zum Abgleich wirksamer Kompensationsmaßnahmen gegen Störeinflüsse. Entwicklungstendenz Fertigungstoleranz und Verfeinerung der Abgleich- und Kompensationstechniken spielen hier eine große Rolle. Einen wesentlichen Schritt nach vorn bringt jedoch hier die hybride oder monolithische Integration von Sensor- und Signalelektronik an der Messstelle. Diese Intelligenten Sensoren nutzen die Sensorgenauigkeit voll aus und bieten folgende Möglichkeiten: Entlastung des Steuergeräts, Einheitliche, flexible und busfähige Schnittstelle,

41 3.3 Optische Sensoren 29 Mehrfachnutzung von Sensoren, Nutzung kleinerer Messeffekte sowie von Hochfrequenz-Messeffekten (Verstärkung und Demodulation vor Ort), Korrektur von Sensorabweichungen an der Messstelle sowie gemeinsamer Abgleich und Kompensation von Sensor und Elektronik, vereinfacht und verbessert durch Speicherung der individuellen Korrekturinformationen im PROM [Bos11] Intelligente Sensoren können unter Nutzung des mathematischen Sensormodells die gesuchte Messgröße praktische fehlerfrei berechnen. Durch vorherige Bestimung von exemplarspezifischen Modellparametern und deren Abspeicherung im PROM, lassen sich nicht nur statische, sondern auch dynamische Eigenschaften der Sensoren erheblich verbessern. 3.3 Optische Sensoren Umsetzung der Anforderungen Eine hohe Zuverlässigkeit wird bei optischen Sensoren durch eine hohe Frequenz erreicht. Sie garantiert, dass genug Informationen zur Verarbeitung bereit stehen, sodass, wenn ein Messfehler auftritt, trotzdem korrekt reagiert wird. Im automobilen Einsatz kann es zudem leicht zu Verschmutzungen des Sensors durch Staub und Ähnliches kommen, was bei optischen Sensoren zu erheblichen Messfehlern führt. Aus diesen Grund benötigen diese entweder häufige Wartung oder nehmen langwellige Strahlung auf, welche leicht um Staubpartikel gebeugt wird (IR statt UV). Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen, wird bei Kameras z.b. die Auflösung ausreichend hoch gewählt. Dabei reicht z.b. bei Tiefenmessungen eine relativ geringe Auflösung von 160x160 aber bei Bildaufnahmen sollte es eine möglichst Hohe sein. Natürlich könnte immer eine sehr hohe Auflösung gewählt werden, was aber nicht immer wirtschaftlich oder performant ist.

42 30 3 Allgemeine Anforderungen Beispiel VDM 100: Messbereich Lichtsender Laserklasse 1 Wellenlänge Verfahrgeschwindig- Max. keit Auflösung m Laserdiode 905 nm 15 m/s 0.1 mm Ausleserate 4000/s Gebrauchsdauer Absolute Genauigkeit 20a ±2.5mm (> 3 m), ±3.5mm (0.3 m... 3 m) Produktnorm EN :2006 [Sen13]

43 3.3 Optische Sensoren Nutzung in automotiven System Optische Sensoren finden meist in Sicherheits und Komfortfunktionen Anwendung. Einige Beispiele sind: Einparkhilfen [VW09] Hier wird mit Hilde einer Kamera der derzeitige und optimale Fahrweg visualiert. Wichtig ist hierbei, dass auch Tiefeninformationen geliefert werden, was z.b. durch 2 Kameras realisiert werden kann. Die Auflöung muss in diesem Fall nicht sehr hoch gewählt werden, die Bildwiederholrate jedoch schon.

44 32 3 Allgemeine Anforderungen Spurführung und Kollisionsvermeidung [Spe13] Ähnlich der Einparkhilfe wird mit Hilfe von Kameras die nähere Umgebung analysiert, weshalb auch hier wieder Tiefeninformationen ein wichtiger Parameter sind. Allerdings

45 3.3 Optische Sensoren 33 sollte in diesem Fall die Auflösung möglichst hoch gewählt werden, damit auch weiter entfernte Objekte erkannt werden. Verkehrszeichenerkennung [Küa] Diese Information muss nur einmal, bei Auftreten eines Schildes, verarbeitet werden, was dazu führt, dass eine relativ geringe Bildwiederholrate ausreichend ist. Die gewonnen Daten werden dann auf dem Amaturenbrett angezeigt und müssen erst beim nächsten Schild wieder aktualisiert werden. Die Auswertung kann somit auch, zugunsten der Genauigkeit, länger dauern.

46 34 3 Allgemeine Anforderungen 3.4 Beschleunigungssensoren Umsetzung der Anforderungen Beispiel SD755: Parameter Drehrate ω x Beschleunigung a x Messbereich 1 ±100 /s ±2g Messbereich 2 ±300 /s ±5g Auflösung für Messbereich 1 Auflösung für Messbereich 2 Signal-Rauschen (Messbereich 1) 0, 0039 /s/ls B 207, 1µg/LS B 0, 0156 /s/ls B 414, 2µg/LS B < 0.1 /s <2mg 40Hz Empfindlichkeitsfehler ±2% ±2.5% Linearitätsfehler ±0.2%FS ±0.2%FS Offset-Fehler 25 inkl. Alterung Querempfindlichkeit gegen Drehung Querempfindlichkeit gegen Beschleunigung Erholzeit nach 50 g Schock Schockfestigkeit Betrieb im 0.5 /s 0.03g 2% /s/g 2% 5ms 1500 g [Wag09] Eine hohe Zuverlässigkeit wird in diesem Fall durch eine Minimierung des Signal- Rauschens, des Empfindlichkeitsfehlers, des Offset-Fehlers und des Linearitätsfehlers erreicht. Die Genauigkeit wird durch die Auflösung des Messbereiches angegeben. Wenn allerdings die Auflösung zu hoch gewählt, wird die Genauigkeit eventuell darunter leiden. Besonders Beschleunigungssensoren sind harten Betriebsbedingungen ausgesetzt und müssen deshalb eine hohe Robustheit und niedrige Ausfallzeiten aufweisen. Im Beispiel sind die wichtigen Parameter dafür die Ërholzeit nach 50 g Schockünd die SSchockfestigkeit im Betrieb".

47 3.4 Beschleunigungssensoren Nutzung in automotiven System Beschleunigungssensoren finden zum Beispiel beim Airbag eine Rolle, wo sie helfen zu entscheiden, ob dieser ausgelöst werden soll oder nicht. Diese Art von Sensor war einer der Ersten, der in Autos Einsatz fand[h02] und leitete damit maßgeblich den Weg zu den Autos, wie wir sie heute kennen.

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49 4 Laserscanner Christian Speich Lars Grotehenne 4.1 Einleitung Light Detection and Ranging (LiDAR) ist eine Technologie zur Abstandsmessung im Straßenverkehr. In den letzten Jahren gab es gute Fortschritte hinsichtlich der Witterungsfestigkeit, was sie durch vergleichbare Genauigkeit und geringeren Kosten zu einer guten Alternative zum Radar macht. LiDAR wird bereits unter anderem in Bereichen wie der Totwinkel-Überwachung, Spurwechselassistent und Mautbrücken eingesetzt und besitzt eine gute Zukunftsperspektive als z.b. Kreuzungsassistent oder Lateral Collision Avoidance. 4.2 Aufbau Ein LiDAR-System besteht aus einem Laser, einem Photo-Empfänger, der Auswertungselektronik und meist einer mechanischen Ablenkoptik. Ablenkspiegel Ausgehender Strahl Empfangende Rückstreuung Laser Auswertelektronik Photo-Empfänger Abbildung 4.1: Aufbau Laser Der Laser sendet enggebündelte Lichtimpulse mit einer Länge von wenigen Nanosekunden aus. Eine wichtige beschränkende Eigenschaft bei der Laserauswahl ist die Augensicherheit (Laserklasse 1), welche die Maximalleisung beschränkt. Vorwiegend werden Infrarot-Laser verwendet.[fs05][ss06] 37

50 38 4 Laserscanner Photo-Empfänger Als Empfänger werden vorwiedend Avalanche Photodioden verwendet, welche durch ihre große interne Verstärkung ( ) gute Eigenschaften bietet um die sehr schwache Rückstreuung durch die Diffuse Reflektion zu erkennen.[ss06] Sowohl Laser als auch Empfänger werden in mehreren Kanälen ausgeführt, um die vertikale Auflösung zu verbessern.[gid08][ss06] Ablenkoptik Die Ablenkoptik ist ein Spiegel oder Prisma das zu sendende und empfangende Licht um 90 Grad ablenkt und durch eine horizontale Drehbewegung den Erfassungbereich bis zu 270 o ermöglicht.[kd04] Bei geringem horizontalen Erfassungsbereichen, kann diese Optik weggelassen werden. [SS06] 4.3 Funktionsweise LiDAR-Systeme basieren im Automitive-Bereich auf dem Laufzeitverfahren, da dieses mehrzielfähig ist, d.h. es können mehrere Ziele erkannt werden, obwohl Störobjekte vorhanden sind.[ss06][küb] Der IR-Emitter sendet einen Lichtimpuls, welcher mit dem zu erfassende Objekt durch Reflektion oder diffuse Rückstreuung wechselwirkt. Diese Wechselwirkung wird vom Photo-Empfänger detektiert und die Zeit zwischen dem Senden und Empfangen gemessen.[kd04] Bestimmung der Distanz d Abbildung 4.2: Distanz (nach [Roh]) Die ermittelte Laufzeit des Signals ist direkt proportional zur Entfernung des Objektes. Daher kann unter Zuhilfenahme der Lichtgeschwindigkeit die Entfernung berechnet werden: d = c l t 2, c l m s Mit einer Zählfrequenz von 1,5Ghz kann eine Auflösung von 10cm erreicht werden.[ss06][roh]

51 4.3 Funktionsweise 39 d₁ Δd d₂ Abbildung 4.3: Relativgeschwindigkeit (nach [Roh]) Bestimmung der Relativgeschwindigkeit Mittels mehrerer Messungen kann auch die Relativgeschwindigkeit des Objektes bestimmt werden: [Roh] v rel = d t = d 2 d 1 t 2 t 1 Durch Addition mit der Fahrzeuggeschwindigkeit ist es möglich, die absolute Gewschwindigkeit des Objektes zu berechnen. Im Umkehrschluss ist besteht auch die Möglichkeit, die eigene Fahrgeschwindigkeit zubestimmen, indem die Relativgeschwindigkeit zu einem festen Objekt (z.b. einer Laternen, Leitplanken) gemessen wird.[kd04] Signalauswertung Analoge Schwellenwerte Amplitude d₁ d₂ d Abbildung 4.4: Analoge Schwellenwerte (nach [SS06]) Abblidung 4.4 zeigt die Erkennung eines Objektes an Hand eines Schwellenwertes. Dieses Verfahren erreicht bereits eine gute Reichweite (150m), verarbeitet das Signal allerdings rein analog, wodurch die Signalform nicht betrachtet werden kann, um Aussagen über das Objekt zu treffen. [SS06]

52 40 4 Laserscanner Digitale Signalerfassung Amplitude d₁ d₂ d Abbildung 4.5: Digitale Signalerfassung (nach [SS06]) Amplitude Nebelsignal Objekt d Abbildung 4.6: Nebelsignal (nach [SS06]) Abblidung 4.5 zeit die Erkennung der Objekte an Hand einer digitalen Weiterverarbeitung. Dieses Verfahren hat verschiedene Vorteile gegenüber den Analogen Schwellenwerten. Es hat eine Reichweite von bis zu 400m und ist sehr störfest. Zusätzlich ist es weniger Sichtweitenabhängig und kann die Sichtweite bestimmen. Dies ist gut an Abb. 4.6 zu erkennen, welches eine Messung bei Nebel darstellt. Durch die digitale Nachverarbeitung kann durch die unterschiedlichen Steig- und Fallzeiten der Naben von den gewünschten Objekte unterschieden werden. [SS06] 4.4 Probleme und Genauigkeit Genauigkeit Laserscanner können einen horizontalen Öffnungswinkel von 180 Grad besitzen, die Auflösung beträgt dabei 0.5 Grad bei 20 Hz. Reichweiten von über 100 Metern sind möglich und dabei eine Genauigkeit von bis zu drei Zentimetern. [KD04]

53 4.4 Probleme und Genauigkeit Dämpfung der Atmosphäre Vor allem früher gab es bei LiDAR-Systeme große Probleme mit Witterungsbedingungen, vor allem mit Nebel. Wenn sich ein Lichtstrahl durch die Atmosphäre bewegt, wird dieser durch die unterschiedlichen Bestandteile gedämpft. Dies lässt sich durch eine einfache Gleichung darstellen (siehe Formel 4.1). φ t beschreibt dabei die Leistung die am Empfänger wieder ankommt. Sie hängt ab von der ausgesendeten Leistung φ 0 und wird abgeschwächt durch φ r, den Teil der diffus reflektiert wird und die in Wärme umgewandelte Leistung φ a. Um diese Probleme in den Griff zu bekommen, kann man die Leistung φ 0 des Senders erhöhen oder das Licht stärker bündeln. [Roh] φ t = φ 0 φ r φ a (4.1) Diffuse Reflexion Oft beträgt die Lichtleistung die am Empfänger wieder ankommt weniger als 20 Prozent, da die Lichtstrahlen diffus reflektiert werden, die Rückstreuung erfolgt dabei kugelförmig in einem 180 Grad Raumwinkel (siehe Abbildung 4.7). Auch dieses Problem lässt sich durch eine höhere Sendeleistung, eine stärkere Bündelung des Strahls oder eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Empfängers lösen. [Roh] Abbildung 4.7: Diffuse Reflexion [Roh] Totale Reflexion Sollte man um die vorhergehenden Probleme zu lösen, den Lichtstrahl zu stark bündeln, kann es zur totalen Reflexion kommen, dabei ist der Strahl so stark gebündelt, dass er in eine komplett andere Richtung abgelenkt wird und für den Empfänger unsichtbar bleibt (siehe Abbildung 4.8). Um dem entgegenzuwirken müssen die Strahlen wieder weiter aufgeweitet werden, was die Dämpfung in der Atmosphäre und die diffuse Reflexion allerdings wieder verstärkt. Die Maßnahmen um die unterschiedlichen Probleme zu lösen sind also eher kontraproduktiv. [Roh] Mechanische Teile Im Gegensatz zu anderen System, befinden sich am Laserscanner mechanisch bewegliche Teile in der Ablenkelektronik. Dadurch sind sie natürlich anfälliger gegen Erschütterungen

54 42 4 Laserscanner Abbildung 4.8: Totale Reflexion [Roh] und Verschmutzung. Die Verschmutzung sollte durch einen entsprechenden Einbau keinerlei Problem darstellen. Bei VWs Kleinwagen up! geschieht dies zum Beispiel zwischen Frontscheibe und Innenspiegel. Dort ist das System auch gut gegen Unfälle gesichert. Das Problem der Erschütterungen und damit die Beeinflussung der beweglichen Teile wird durch immer kompaktere und stabilere Bauarten weitestgehend verhindert. [Ham] [Roh] Vergleich mit anderen Systemen Reichweite (7% Ziel) Fläche 2 m 2 bis 200 m Datenerneuerungsrate ms Auflösung 0.1 m Genauigkeit +/- 0.5 m Augensicher Klasse 1 nach EN vertikale Aufweitung in 1 bis 3 Ebenen 2 C - 5 C horizontaler Erfassungsbereich mit Kanälen 10 C C geringer Einbauraum leichte Integrierbarkeit Tabelle 4.1: Anforderungen an LiDAR-Systeme [Spi] In Tabelle 4.1 lassen sich die Anforderungen an LiDAR-Systeme im automotiven Bereichen erkennen. Diese Anforderungen werden auch von anderen Systemen unterstützt. Wenn man nun LiDAR-Systeme mit anderen Systemen vergleicht (siehe Abbildung 4.9, 5 = sehr gut bis 0 = nicht gewährleistet), lässt sich erkennen, dass viele technische Details für das Li- DAR sprechen, vor allem seit man die Probleme mit der Witterungsempfindlichkeit in den Griff bekommen hat. Es punktet durch eine hohe Messgenauigkeit und der starken horizontalen Auflösung. Des Weiteren liefert es sehr gute Werte bei der Querposition und gute bei der Erfassung der Größe bei der Objekterkennung. Nachts funktioniert das System absolut problemlos. Der gröste Konkurrent bei aktuellen Anwendungen ist sicherlich das Radar- System. Dies punktet vor allem dadurch, dass es nahezu unabhängig von Witterungsbedingungen arbeitet und über die bessere Technik zur Geschwindigkeitsmessung verfügt. Dafür

55 4.4 Probleme und Genauigkeit 43 besitzen Radar-Systeme sehr starke Probleme bei der Objekterkennung. Die Etablierung am Markt ist deutlich größer, allerdings auch die Kosten. [Spi] [Bar] Abbildung 4.9: Vergleich verschiedener Systeme [Bar] Alasca XT Abbildung 4.10: Einbauvarianten des Alasca XT [FS05] Die Firma Ibeo AS hat den Laserscanner Alasca XT auf die Anforderungen von automotiven Anwendungen spezialisiert entwickelt. Dies bedeutet, dass er eine Messreichweite von 0,3 m bis 200 m besitzt. Die Scanfrequenz beträgt 40 Hz und die horizontale Winkelauflösung 0, 25 C. Des Weiteren besitzt er eine vertikale Strahlaufweitung von 3, 2 C, unterteilt in vier parallele Messkanäle. So gibt es auch keinerlei Probleme durch Nickbewegungen

56 44 4 Laserscanner des Fahrzeuges. Der Laserscanner erfüllt zum unbedenklichen Betrieb im Straßenverkehr Laserklasse 1. Das System wurde so ausgelegt, dass es auch bei widrigen Umgebungsund Wetterverhältnissen zuverlässig funktioniert, insbesondere bei Regenfahrten in dichtem Verkehr. Ibeo AS hat zusätzlich eine Visualisierungssoftware entwickelt, die gemessende Daten in einer Vogelperspektive darstellen kann. Zusätzlich läuft für Systemtests und zur Entwicklung eine Videokamera zur Visualisierung mit. Eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb in den unterschiedlichen Anwendungen ist die Klassifikation der Objektdaten. Hierbei wird unterschieden zwischen Pkw, Lkw, Fahrrad / Motorrad und Fußgänger. Viele namhafte Hersteller haben mittlerweile ihre Fahrzeuge mit einem Alasca System von Ibeo AS ausgestattet. Je nach Schwerpunkt wird mit einem horizontalen Sichtbereich von 150 C oder mit zwei Sensoren und einem Gesamtsichbereich von bis zu 240 C gearbeitet (siehe Abbildung 4.10). Beiden Varianten liefern einen einheitlichen Datensatz zur Weiterverarbeitung. [FS05] 4.5 Anwendungen Abbildung 4.11: Anwendungsbereiche automobiler Sensorik [Spi] Wie sich in Abbildung 4.11 erkennen lässt, gibt es eine Menge verschiedene Assistenzsystemen. Viele dieser Systeme können mit unterschiedlichen Sensorsystemen realisiert werden. Im folgenden möchten wir die Systeme vorstellen, die mit dem Laserscanner Alasca XT

57 4.5 Anwendungen 45 (siehe 4.4.7) funktionieren, dabei handelt es sich um das ACC Stop & Go System (siehe 4.5.1), den Spurhalteassistent (siehe 4.5.2), das Pre-Cash-System (siehe 4.5.3), die automatische Notbremsung (siehe 4.5.4) und den Fußgängerschutz (siehe 4.5.5). Der Vorteil dieser fünf Systeme ist, dass sie mit einem einzigen Laserscanner realisiert werden können und dadurch sehr kostengünstig sind. Im Anschluss werden wir noch die durch Laserscanner funktionierenden Mautbrücken (siehe 4.5.6) vorstellen. [Spi] [FS05] Adaptive Cruise Control Stop & Go Abbildung 4.12: Funktionsweise von ACC Stop & Go [Lux] Das ACC Stop & Go System ist eine Erweiterung des Adaptive Cruise Control Systems. Dieses System wurde bereits vor mehr als zehn Jahren in Serienfahrzeugen eingeführt, allerdings hat es sich am Markt nur wenig durchgesetzt. Dabei geht es darum, ab einer Geschwindigkeit von über 30 km/h durch Radar-Systeme den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug anzupassen. Das ACC Stop & Go System, welches mit dem Laserscanner Alasca XT (siehe 4.4.7) betrieben werden kann, ist bei einer Geschwindigkeit von bis zu 30 km/h aktiv. Der Sensor misst in kurzen Abständen die Distanz zu eventuell vorausfahrenden oder seitlich fahrenden Fahrzeugen, allerdings nur in einem geringen Bereich vor dem Fahrzeug, der bei diesen Situation notwendig ist (siehe Abbildung 4.12). Es ist also nicht mehr die hohe Reichweite von den ursprünglichen ACC-Systemen wichtig, sondern ein weiter horizontaler Messbereich mit einer feinen Winkelauflösung. Dies wurde erst durch den Alasca XT möglich. So können auch frühzeitig einscherende Fahrzeuge erkannt werden und das System trägt zu einem hohen Gewinn an Sicherheit bei. Die Informationsdichte ist auch hoch genug, um zum Beispiel hinzukommende Fußgänger rechtzeitig zu erkennen und automatisch abzubremsen. Nach einer automatischen Bremsung kann durch das System ebenfalls automatisch wieder angefahren werden. [Lux] [FS05] Spurhalteassistent Vor allem lange Autobahnfahrten können sehr ermüdend sein und es kommt schnell zu Aufmerksamkeitsverlusten, z.b. Sekundenschlaf. Um diesen großen Risiken bei hohen Ge-

58 46 4 Laserscanner Abbildung 4.13: Spurhalteassistent schwindikeiten vorzubeugen, gibt es den Spurhalteassistent bzw. Spurverlassenswarner. Durch Sensoren wird die aktuelle Position in der Fahrspur ausgewertet, so kann der Fahrer gewarnt werden, unmittelbar bevor die Fahrspur verlassen wird. Diese Warnung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, zum Beispiel durch eine Vibration des Fahrersitzes oder des Lenkrades. Sollte der Fahrer den Blinker setzen und damit deutlich machen, dass er die Fahrspur verlassen möchte, gibt das System keine Warnung aus. Dieses System kann auch in Baustellenbereichen sehr nützlich sein, wenn man zum Beispiel zwischen der Mittelbarriere und einem LKW navigieren muss. Technisch wird das System realisiert, indem man durch Spiegel eine Detektionszone in 4 Meter Abstand vor dem Fahrzeug einrichtet. In diesem Bereich können dann auf verschiedenen Fahrbahnoberflächen die Markierungen erkannt werden. [Lux] [FS05] Unfallfolgeminderung (Pre-Crash) Die modernen Systeme in einem Auto können heutzutage schon sehr gut sein und viele Unfälle vermeiden. Trotzdem sollte man beachten, dass es immer noch zu Unfällen kommen kann. Wenn ein unvermeidbarer Unfall bevorsteht, ist es wichtig, die Verletzungsgefahr im und vorm Auto möglichst gering zu halten, dies passiert indem Bewegungskurven von Objekten im Erfassungsbereich des Systems relativ zur Eigenbewegung ausgewertet werden. Dabei wird die Zeit bis zu einer möglichen Kollision und die Kollisionswahrscheinlichkeit mit ein berechnet. Wenn dann ein gesetzter Grenzwert überschritten wird, können aktive Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden: Gurte straff ziehen Fußgängerschutz aktivieren Einleiten einer Notbremsung aktive Passagierverlagerung Airbags auf Entfaltung vorbereiten

59 4.5 Anwendungen 47 Steitenfenster und Schiebedach schließen Kopfstützen aufstellen Sitze in eine optimale Position bringen Stützpolster in den Sitzen aufblasen Eventuell herausstehende CD einziehen oder ähnliche offene Teile verbergen, die eine Verletzungsgefahr mit sich bringen [Lux] [Spi] [FS05] Automatische Notbremsung Abbildung 4.14: Auslösestrategie einer automatischen Notbremsung [FS05] Die hälfte der verletzten Personen bei Verkehrsunfällen erleiden ihre Verletzungen bei Auffahr- und Frontalunfällen. Des Weiteren bremsen Fahrer bei 40 Prozent dieser Szenarien gar nicht. Deshalb wurde ein Modul zur Automatischen Notbremsung (ANB) entwickelt. Dieses Modul erkennt die Situationen, in denen ein Unfall unvermeidbar ist und leitet eine Vollbremsung ein. Bei diesen Berechnung wird sowohl mit einbezogen in welchem Fahrschlauch sich das Auto aktuell befindet und auch ob es mögliche Ausweichvarianten gibt. Die Notbremsung wird erst ausgelöst wenn durch maximales Lenken gültiger Ausweichweg mehr vorhanden ist (siehe Abbildung 4.14). Bei diesem System ist es wichtig, dass der Bremsbooster dafür sorgt, dass in kürzester Zeit der volle Bremsdruck erreicht wird und die Ansprechzeit der Bremsen so kurz wie möglich ist. Es soll keine Zeit durch eine Aktivierungsphase verloren gehen. [FS05] Fußgängerschutz Der Schutz der Insassen eines Fahrzeuges wird bereits seit Jahren stark vorangetrieben und hat einen hohen Sicherheitsstandard erreicht. Die schwächsten Verkehrsteilnehmer sind al-

60 48 4 Laserscanner lerdings Fußgänger. Sie besitzen selbst weder eine Knautschzone, noch sind die Knautschzonen von Fahrzeugen hilfreich für das geringe Gewicht von Fußgängern. Deshalb treibt die europäische Gesetzgebung vor allem den Fußgängerschutz voran. Infolgedessen ist der Fußgängerschutz das meist diskutierte Thema in nationaler und europäischer Forschung und Entwicklung. Der Frontalunfall hat mit 70 % den höchsten statistischen Anteil an Fahrzeug-Fußgänger- Unfällen, des Weiteren bewegen sich 94 % aller Fußgänger vor dem Unfall. Um die Fußgänger besser zu schützen ist es wichtig Deformationswege am Fahrzeug zu schaffen, zum Beispiel durch aktive Motorhauben. Für eine zuverlässige Funktionsweise von solchen Systemen ist es wichtig, die Frontalunfälle mit Fußgängern sicher vorauszusagen. Das Messystem Alasca XT (siehe 4.4.7) kann 94 % aller Fußgänger-Frontalunfälle voraus bestimmen, dies entspricht einem Wert von 66 % aller Unfälle mit Fußgängern. Ein Fußgänger hat beim Erkennen mit einem Laserscanner erst einmal das gleiche Profil wie zum Beispiel ein Pfosten oder ein anderes starres Hindernis. Da man aber nun davon ausgehen kann, dass sich 94 % aller Fußgänger vor einem Unfall bewegen, macht erst die Bewegung des erkannten Profils das Hindernis zum Fußgänger. Anschließend wird ein Bereich berechnet der aussagt, dass ein Unfall nicht mehr zu verhindern ist, wenn sich der Fußgänger eine bestimmte Zeit in diesem Bereich befindet. Man bezeichnet diesen Bereich als RONE (Region of no Escape, siehe Abbildung 4.15). Die Abmessungen des RONE werden mit Hilfe der Geschwindigkeit des Fußgängers und des Fahrzeuges und Berücksichtigung der maximalen Beschleunigungen bestimmt. Dazu wurden viele Versuche mit Testpersonen durchgeführt, die möglichst schnell den Fahrzeugschlauch mit verschiedenen Fluchtstrategien/-richtungen verlassen sollten. Diese Tests haben dazu geführt, dass man Fahrzeug-Fußgänger-Unfälle zuverlässig voraussagen kann. Um die Zuverlässigkeit zu testen wurde diese Systeme in Fahrzeugen verbaut und auf einer aufsummierten Länge von mehr als km getestet. Ein Falschalarmrate von 0,7 pro 100 km ergab sich durch erste Testergebnisse. Nachdem man anschließend auch noch die Beinbewegung von Fußgängern analysiert hat, kommt man zu einer sehr hohen Zuverlässig, die Falschalarmrate beträgt nur noch 1 pro 10 8 km. Durch diese präzise und frühzeitige Vorhersage können die aktiven Systeme zum Fußgängerschutz stark verbessert werden. [FS05] Abbildung 4.15: RONE (Region of no Escape) [FS05]

61 4.5 Anwendungen 49 Abbildung 4.16: Mautbrücke Mautbrücken Die Firma Vitronic stellt in Deutschland Mautbrücken her (siehe Abbildung 4.16), dafür werden unter anderem auch LiDAR-Systeme verwendet. Eine Mautbrücke besteht grundsätzlich aus vier Bestandteilen. Detektion Bei der Detektion werden alle Fahrzeuge auf der Straße befinden rund um die Uhr erkannt. Dabei ist es egal, ob diese rasen, drängeln, die Spur wechseln oder Dicht nebeneinander fahren. Identifikation Durch die Kennzeichenerkennung (AKLS) werden die Fahrzeuge zur Mautabrechnung identifiziert. Klassifikation Jedes Fahrzeug wird in die entsprechende Mautklasse eingeordnet, dabei werden auch schwierig zu klassifizierende Fahrzeuge erkannt, wie zum Beispiel die mit Anhängern, Dachgepäckträgern und Fahrradträgern. Kommunikation Die Kommunikation geschieht durch sichere Transaktionen, zum Beispiel mit On-Board-Units (OBU) oder Erkennungsmarken. Wichtiger Bestandteil dieses Systems ist die automatische Kennzeichenerkennung AKLS, sie basiert auf einen Lasersystem, dass es in verschiedenen Ausführungen gibt, sowohl für höhre Geschwindigkeiten und den festen Verbau, zum Beispiel auf Autobahnen, als auch für den mobilen Einsatz aus Fahrzeugen heraus. Das System funktioniert wetterunfabhängig. [Gmb]

62 50 4 Laserscanner Zukünftige Anwendungen An vielen weiteren Anwendungen wird natürlich bereits geforscht. Einige von diesen Systemen, die in den neusten Fahrzeugen verbaut sind oder in Zukunft vermutlich verbaut werden, möchten wir hier vorstellen. Dabei handelt es sich um Anwendungen die durch Laserscanner realisiert werden können. Abbiegeassistent Der Abbiegeassistent wird aktiviert, sobald der Fahrer den Blinker setzt. Wird der Blinker nach Links gesetzt, wird die Fahrspur auf des Gegenverkehrs abgetastet, bei einer Gefahrenerkennung kann eine Notbremsung eingeleitet werden, wenn der Fahrer nicht auf entsprechenden Warnsignale reagiert. Bei setzen des Blinkers nach Rechts, wird vor allem die Fahrbahn rechts vom Auto nach Hindernissen abgesucht, dies dient hauptsächlich dazu, eine Kollision mit Fußgängern oder Fahrradfahrern zu verhindern. Diesen Assistenten kann man als Weiterentwicklung ACC Stop & Go Systems sehen (siehe 4.5.1). Integrierte Querführung Die integrierte Querführung (siehe Abbildung 4.17) funktioniert bis zu einer Geschwindigkeit von 180 km/h. Sie ist in der Lage reguläre Fahrspuren, Baustellenmarkierungen, sowie Baustellenhindernisse zu erkennen. Das System soll dafür sorgen, dass das Fahrzeug souverän durch unübersichtliche Stellen gesteuert wird und der Überblick über u"berlagernde Fahrbahn- und Baustellenmarkierungen behalten wird. Sollte es beim Erkennen der Markierungen Probleme geben, orientiert sich das System an Leitplanken und Wänden. Zur Sicherheit kann das System dauerhaft durch den Fahrer übersteuert werden. Dies System kann unter der Verwendung von Laserscannern als Weiterentwicklung des Spurhalteassistenten (siehe 4.5.2) gesehen werden. [Spi] Abbildung 4.17: Integrierte Querführung

63 5 Radarsensoren Steffen Janetzki Sören Falkenberg 5.1 Einleitung Radarsysteme gibt es schon seit Anfang des 20 Jahrhundert. Im autotiven Bereich werden die ersten Radarsysteme erst Ende der 70er Jahre eingesetzt. Heutezutage sind diese Systeme nicht mehr wegzudenken und vielseitig Einsetzbar. Aus diesen Gründen beschäftigen wir uns in unserer Arbeit speziell mit der Funktionsweise und dem Einsatz von automotiven Radarsensoren. Wir werden im Rahmen unserer wissenschaftlichen Arbeit aufzeigen, warum diese im automotiven Bereich so wichtig sind, wo die Nachteile dieser Technik liegen und warum wir nicht ausschließlich Radarsysteme verwenden können. Dabei zeigen wir zunächst den mechanischen Aufbau eines FMCW-Radargeräts um die Komplexität eines solchen Gerätes darzustellen. Es gibt jedoch verschiedene Arten von Radaren, deshalb stellen wir eine Auswahl dieser kurz vor, gehen dabei auf ihre Stärken und Schwächen ein und zeigen im Anschluss einen generellen Vergleich gegenüber anderen Systemen. Des Weiteren betrachten wir die unterschiedlichen Messverfahren und wie diese funktionieren. Am Ende folgt ein kleiner Überblick über das breite Spektrum an verschiedenen Anwendungsbereichen, die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Als konkretes Beispiel und Blick in die nahe Zukunft verwenden wir den im Jahr 2014 in Serie genommenen und von der Firma Bosch entwickelten Sensor der bereits vierten Generation - den "LRR4". 51

64 52 5 Radarsensoren 5.2 Mechanischer Aufbau eines Radargeräts Die Abbildung 5.1 zeigt eine Darstellung eines Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Radargeräts der zweiten Produktgeneration von der Firma Robert Bosch GmbH. Diese Geräte werden vor allem als Abstands- oder Höhenmesser verwendet und gehören zur Gruppe der Dauerstrichradare. Im Gegensatz zu reinen Pulsradaren vermögen sie die Phasenbeziehung zwischen Sende- und Empfangssignal auszuwerten. FMCW Radargerät besteht u.a. aus einer Hochfrequenz Platine und der Niedrigfrequenz Platine. Das Gehäuse besteht aus drei Komponenten. Weiterhin ist das Gehäuse wasserdicht und schützt damit gegen das Eindringen von Wasser und Schmutz. Durch ein Druckausgleichselement im Gehäuseboden ist es möglich, Ausgleich von Druckschwankungen bzw. Luft durchzuführen, ohne Wasser eindringen zu lassen. Des Weiteren enthält das Gehäuseunterteil neben dem Druckausgleichselement auch noch den Gerätestecker. Außerdem dient es als Abschirmung, indem es in Verbindung mit dem Zwischenträger die Hochfrequenz einkapselt. Aus diesem Grund werden mögliche Störfrequenzen nach außen und nach innen unterbunden. Der Zwischenträger (das Zentrale Teil) wird per Aluminium-Druckguss hergestellt. Er dient als tragendes Element für die beiden Leiterplatten und als Kühlkörper zur Abführung der Wärme von den elektronischen Bauteilen. An den Ecken erkennt man die Lagerpunkte, mit denen das Gerät an der Halterung befestigt wird. In das Gehäuseoberteil ist eine Linse integriert, die die Radarstrahlen bündelt. Die Linse besitzt eine integrierte Heizung mit der eine Vereisung verhindert werden kann.[rei10d][rei12] Abbildung 5.1: Explosionsdarstellung eines FMCW-Radargerätes[Rei12]

65 5.3 Arten von Radarsensoren Arten von Radarsensoren Abbildung 5.2: Sensoren im Auto[Rei12] Im modernen Auto finden mittlerweile schon viele verschiedene Sensoren Verwendung, wie in Abbildung 5.2 zu sehen ist. Wir konzentrieren uns hier auf die Radartechnik, die im Fernbereich bis 200 Meter und im nahen Bereich bis 50 Meter zum Einsatz kommt Long-Range-Radar LRR-Radarsensoren beobachten auch unter schlechten Sichtbedingungen die Fahrbahn auf 150 Meter vor dem Fahrzeug. Aus diesem Grund kann die Fahrgeschwindigkeit rechtzeitig an die des vorausfahrenden Fahrzeuges angepasst werden. Somit wird ein vorausschauendes Fahren unterstützt, indem der Fahrer rechtzeitig gewarnt wird oder das System selbstständig die Bremsung einleitet.[rei10d][rei12] Abbildung 5.3: Long-Range-Sensor von Bosch [Bil]

66 54 5 Radarsensoren Mid-Range-Radar Vergleichbar ist dieser Sensor mit dem des LRRs. Der Mid Range Radar (MRR) ist konstengünstiger als der LRR, bietet dafür allerdings eine geringere Reichweite. Seine Stärke liegt im großen Öffnungswinkel, der je nach Einbau variieren kann. Der Heckeinbau liefert zwar eine noch geringere Reichweite als der Fronteinbau, dafür aber einen Winkel von bis zu 150 Grad. [Rei10d][Rei12] Abbildung 5.4: Mid-Range-Sensor von Bosch[Bil] Short-Range-Radar Mit Hilfe des SRR kann in Zukunft ein "virtueller Sicherheitsgürtel" um das Fahrzeug gebildet werden. Dieser erfasst Objekte um das gesamte Fahrzeug, die mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Kollision verursachen könnten. Auch die Erkennung knapp einscherender Verkehrsteilnehmer wird durch diese Sensoren ermöglicht.[rei10d][rei12] Abbildung 5.5: Short-Range-Sensor[Rei10d]

67 5.4 Vor- und Nachteile von Radarsystemen Vor- und Nachteile von Radarsystemen Vorteile Der Radarsensor misst schneller und präziser als jedes andere Sensorprinzip die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit in einem einzigen Messzyklus. Dieser durchstrahlt Kunststoffe aufgrund von Mikrowellen und kann unsichtbar hinter einer Abdeckung versteckt werden. Des Weiteren hat es keine beweglichen Teile am Sensor und ist dank der kleinen und kompakten Bauweise weniger anfällig gegenüber Erschütterungen. Der Vorteil gegenüber Infrarottechnik ist, dass das Messen mit diesen Radarsensoren weitestgehend unempfindlich gegenüber Wetter (z.b. Schnee, Regen, Nebel, Hitze) ist. Weiterhin ist es unabhängig vom Tageslicht, wodurch es einen Vorteil gegenüber der Kamera bietet, welche nur bei ausreichender Helligkeit auswertbare Bilder liefert.[bar12][roh12] Nachteile Neben den vielen Vorteilen gibt es leider auch einige gravierende Nachteile. Hierzu zählen vor allem die hohen Herstellungskosten. Auf Grund von Störeinflüssen durch Sensoren des gleichen Typs können Phantomobjekte erkannt werden. Durch eine begrenzte Anzahl an Radarkeulen, ist die horizontale Auflösung beeinträchtigt. Des Weiteren kann das System nicht zwischen einem relevanten Objekt (z.b. einem Fahrrad) und einem irrelevanten Objekt (z.b. einer Getränkedose auf der Fahrbahn) unterscheiden.[bar12][roh12] Zwischenfazit Jeder Sensortyp bringt Vor- und Nachteile mit sich, so dass es notwendig ist, mehrere Sensorarten parallel zu nutzen. Die Abbildung 4.9 zeigt, wo die Stärken und Schwächen der jeweiligen Sensoren liegen, wobei die 5 in der Grafik für sehr gut und 0 hingegen für sehr schlecht steht. Aus dieser Tabelle wird deutlich, dass die oben beschriebenen Merkmale für Radarsensoren andere Systeme ergänzen können. Man kann redundante Informationen nicht vermeiden, jedoch die Stärken der einzelnen Sensortypen ausnutzen.

68 56 5 Radarsensoren 5.5 Messverfahren Von Radargeräten ausgesendete, elektromagnetische Wellen, die an metallischen Oberflächen reflektieren, werden vom Empfangsteil des Gerätes wieder empfangen und bezüglich Zeit und/oder Frequenz verglichen. Dadurch können Abstand und Relativgeschwindigkeit zu dem reflektierenden Objekt ermittelt werden. Vorrangig wird diese Technik im ACC- System angewendet, welches eine Geschwindigkeitsregelung im Falle eines langsamer voraus fahrenden Fahrzeuges ermöglichen und einen vorgegebenen Abstand einhalten soll. Das Problem hierbei ist allerdings, dass das empfangene Signal einem gesendeten Signal eindeutig zugeordnet werden muss. Dafür gibt es verschiedene Verfahren, die bekanntesten sind unter Anderem die nun folgenden. [Rei10d][Rei12] Dopplereffekt Dieser Effekt beschreibt eine Wellenlängenverschiebung zwischen sich bewegenden Objekten. Verändert sich der Abstand des Senders zum Empfänger, verändern sich auch die Wellenlängen. So erhöht sich die Frequenz der reflektierten elektromagnetischen Welle, wenn sich das Objekt in Richtung des Senders bewegt und verringert sich, wenn es sich vom Sender wegbewegt.[rei10d][rei12] Puls-Modulation Bei der Puls-Modulation werden Pulse in einer Größenordnung von 10 Nanosekunden bis 30 Nanosekunden ausgesendet. Deren Laufzeit, also die Zeit zwischen Aussenden und Empfang dieser Pulse ist dabei von entscheidender Bedeutung und spiegelt die Entfernung zum vorausfahrenden Fahrzeug wider. Über die Lichtgeschwindigkeit c und den verdoppelten Abstand d zum reflektierenden Objekt kann die Laufzeit wie folgt berechnet werden:[rei10d][rei12] τ = 2d c Bei einem Abstand d = 150m und c = km/s beträgt die Laufzeit τ 1,0µs Winkelbestimmung Zur Bestimmung der seitlichen Lage des Objekts werden Radarstrahlen in verschiedene Richtungen ausgestrahlt. Objekte innerhalb dieses Winkels reflektieren diese Strahlen mit unterschiedlicher Stärke. Die reflektierten Strahlen werden ausgewertet, der stärkste von ihnen wird bestimmt. Es gibt zwei Möglichkeiten zur Bestimmung des Winkels. Die erste

69 5.5 Messverfahren 57 Variante ist es, einen einzelnen Strahl zu schwenken (scannen). Bei der anderen Methode werden mehrere Radarkeulen parallel ausgesendet und ausgewertet. Dafür sind mindestens zwei sich überlappende "Keulen"notwendig, weil die Verhältnisse der Amplituden von den gemessenen benachbarten Strahlen Aufschluss auf den Sichtwinkel geben.[rei10d][rei12] FMCW-Modulation Im Gegensatz zur Pulsmodulation ist nicht eine direkte Laufzeitmessung notwendig, sondern eine indirekte (FMCW). Bei diesem Verfahren werden die Frequenzen vom FMCW- Radar zwischen Sendesignal und Empfangssignal verglichen. Es werden gleichmäßig modulierte Radarwellen für einige Millisekunden in der entsprechenden Frequenz gesendet. Das von Hindernissen und Objekten reflektierte Signal wird mit dem Ausgangssignal verglichen. Geschwindigkeit und Entfernung zum reflektierenden Objekt können durch Abweichungen im Frequenzbild ausgelesen werden.[rei10d][rei12]

70 58 5 Radarsensoren 5.6 Anwendungen Adaptive Cruise Control Abbildung 5.6: Adaptive Cruise Control[ACCc] ACC ist ein Fahrerassistenzsystem, dass die Geschwindigkeit der vorausfahrende Objekte ermittelt und durch Brems- und Motoreingriffe einen festgelegten Abstand einhält. Das System wurde vorwiegend entwickelt, um die Fahrer auf anstrengenden Fahrten zu entlasten, aufgrund der nachlassenden Konzentration. Die Messung stützt sich auf den Doppler- Effekt, welcher die Relativgeschwindigkeit zwischen dem ACC - Fahrzeug und dem Objekt bestimmt. Diese Systeme können sich jedoch stark von einander unterscheiden. Bei VW setzt man auf starkes, ruppiges Bremsen, bei BMW auf frühzeitiges und nicht besonders kräftiges Bremsen und bei Audi auf reaktionsschnelles und harmonisches Bremsen. Am schwierigsten hat es der Ford-Fahrer, der Bei einem Geschwindigkeitsüberschuss von über 80 Kilometer pro Stunde zum Vordermann mitbremsen muss, um einen Aufprall zu verhindern.[accb][rei10d][rei12][acca]

71 5.6 Anwendungen Toter-Winkel-Erkennung Abbildung 5.7: Seitenassistent[Kil10] Bei der Toter-Winkel-Erkennung setzt Audi auf zwei 24-Gigahertz-Radarsensoren, die in der hinteren Stoßstange montiert sind. Befindet sich ein Fahrzeug im toten Winkel oder nähert sich schnell von hinten, wird der Fahrer per LED-Anzeige im Außenspiegel gewarnt. Wenn der Fahrer in dieser Situation den Blinker trotz Warnung setzt, blinkt die LED- Anzeige kurzzeitig. Dieser Assistent kann jederzeit von dem Fahrer deaktiviert werden. Bei stark gekrümmten Kurven setzt die Überwachung aus.[kil10]

72 60 5 Radarsensoren Radar-basierte Systeme Abbildung 5.8: Einparkhilfe[Rad] Dieses Konzept arbeitet mit Radarsensoren, die üblicherweise in die Stoßfänger eines Fahrzeugs eingebaut sind. Diese Sensoren senden und empfangen Radarsignale. Weiterhin übermitteln die Sensoren die gewonnenen Daten an das Steuergerät, welches die Distanz vom Sensor zum Hindernis mithilfe der Radarsignallaufzeit errechnet und diese per Anzeige oder akustischem Signal ausgibt.[rad]

73 5.7 Beispiel für zukünftige Radarsensoren Beispiel für zukünftige Radarsensoren Abbildung 5.9: Long-Range-Radar der vierten Generation von der Firma Bosch[LRR13] Die Abbildung 5.9 zeigt den neusten von der Firma Bosch entwickelten LRR, der das 77- Gigahertz-Frequenzband nutzt. Dieser ist leistungsfähiger und kompakter als sein direktes Vorgängermodell. Der neue Radarsensor kann Hindernisse und einscherende Fahrzeuge schneller erfassen. Aus diesem Grund können die Sicherheitsfunktionen schneller ausgelöst werden z.b. automatische Notbremsung. Somit steigt die Sicherheit vom Fahrer. Diese Long-Range-Radarsensoren der vierten Generation von der Firma Bosch (LRR4) gehen 2014 in Serie. [LRR13] Technische Neuerung Die größte technische Änderung beim neuen LRR4 ist die Zahl der eingesetzten Radarkeulen.Während beim Vorgänger nur vier "Keulen"gebündelt nach vorn schauen, werden nun zwei zusätzliche gebildet, die den Öffnungswinkel von 30 Grad auf 40 Grad erweitern. Diese können andere Objekte bereits bei einem Abstand von rund 250 Metern erfassen. Vorher lag der Abstand beim Long-Range-Radarsensoren der zweiten Generation von der Firma Bosch (LRR2) bei 150 m und beim Long-Range-Radarsensoren der dritten Generation von der Firma Bosch (LRR3) schon ein wenig unter 250 Metern. Aufgrund der höheren Distanz kann das ACC-System auch bei Geschwindigkeiten von über 160 Kilometern pro Stunde genutzt werden. Zusätzliche Informationen bietet ein weiterer nach oben gerichteter Radarstrahl. Durch den diesen und den sechs Basiskeulen ermöglicht das System eine Höhenschätzung der erfassten Objekte im Nahbereich.[LRR13] Sensordatenfusion Leistungsfähige Assistenzsysteme nutzen oftmals mehr als nur einen Sensor. Der LRR4 kann die Daten eines zweiten optionalen Radarsensors, einer Videokamera und die der

74 62 5 Radarsensoren Ultraschallsensoren auf dem eigenen Steuergerät verarbeiten. Durch die SSensordatenfusionëntsteht durch Softwarealgorithmen ein detailliertes "Bild". Mit diesem "Bild"wird das Umfeld analysiert und vom "Fahrzeugäusgewertet. Somit kann es Gefahren erkennen und situationsbedingte Einschätzungen treffen, um das Risiko für sich und andere Verkehrsteilnehmer so gering wie möglich zu halten. Dabei können Fußgänger und Radfahrer mit einbezogen werden z.b. bei einer automatischen Notbremsung. Dies fordern unter Anderen die Vorschriften der Verbraucher-Schutzorganisation Euro NCAP bis Der Nutzen solcher Systeme wurde von einer Studie der Europäischen Union belegt und als hilfreich empfunden, um Unfälle zu vermeiden bzw. die Schwere einzudämmen.[lrr13] Aufbau des Sensors Weiterhin setzt Bosch auf unbewegliche Teile aufgrund der Robustheit und der Eignung für alle PKW-Klassen. Eine Heizung der Linse ist auch wieder zu finden im neuen Modell, denn die Linsenheizung gewährleistet volle Sensorverfügbarkeit selbst bei schlechten Witterungsbedingungen (Schnee und Eis). Beim Hochfrequenzmodul wird eine Silizium- Germanium-Technologie eingesetzt.[lrr13] Herstellungskosten und Massenproduktion Die Herstellungskosten werden sinken, weil alle Bauteile mit Standard-Lötprozessen verarbeitet werden können. Gerhard Steiger (Vorsitzender des Bereichsvorstands des Geschäftsbereichs Chassis Systems Control) erklärte der Presse, dass die Radarsensoren leistungsfähiger und kostengünstiger gemacht wurden und dass die Radartechnik reif für den Massenmarkt ist. Dies untermauern auch die geplanten Fertigungszahlen von Bosch. Vom Jahr 2000 bis zum Frühjahr 2013 wurden eine Million Radarsensoren gefertigt. Die zweite Million wird 2014 angesetzt und bereits 2016 sollen 10 Million Sensoren auf dem Band hergestellt wurden sein.[lrr13] Alternative zum Long-Range-Radarsensor Seit Mitte 2013 bietet Bosch die MRR an, welche noch kostengünstiger als die LRR sind, aber auch eine geringere Reichweite (ca. 160 Meter) haben. Mit den MRRs lassen sich bereits alle Notbremsfunktionen und ACC bis zu 160 Kilometer pro Stunde umsetzen. Mit einem Öffnungswinkel von 150 Grad decken sie ein breites Spektrum ab. Eine Variante für den Heckeinsatz startet im Jahr Dieser Sensor erkennt frühzeitig schnell heranfahrende Fahrzeuge und kann u.a. beim Spurwechsel vor einer Kollision warnen. (Siehe Abbildung 5.7)[LRR13]

75 5.8 Fazit Fazit Es ist wirklich faszinierend, was die Technik heute schon ermöglicht und was speziell im Bereich automotiver Radarsysteme möglich ist, um den Fahrer zu unterstützen und die Sicherheit zu fördern. Genau das war es, was wir uns von diesem Thema auch erhofft hatten, wodurch unser Interesse für dieses Thema geweckt wurde und uns auch bis zum Schluss nicht enttäuschte. Wir haben gezeigt, dass Radarsysteme aus der Automobilbranche nicht mehr wegzudenken sind, da sie eine Basis für eine Vielzahl von Assistenzsystemen darstellen. Unsere Auswahl ist aber nur ein Bruchteil von dem, was mit ihnen möglich ist. In Zukunft wird es vorraussichtlich noch viel mehr dieser nützlichen Helfer geben, die das Fahren noch stärker automatisieren und sicherer gestalten. Der noch große Nachteil der Radarsysteme ist allerdings der hohe Kostenpunkt, der der aufwendigen Verarbeitung und komplexen Programmierung geschuldet ist. Auch dies wird womöglich in den weiteren Jahren zu Gunsten des Endverbrauchers verringert werden, was sich z.b. in dem von uns bereits vorgestellten "LRR4" zeigte. Gezeigt haben wir aber auch, dass neben der Radartechnik auch weitere Systeme im automotiven Bereich Verwendung finden und wie sie sich gegenseitig ergänzen. Aus diesem Grund kann man nicht auf andere Systeme verzichten, denn es würde zu einem großen Sicherheits- und Komfortdefizit führen.

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77 6 Ultraschallsensoren Martin Dobisch 6.1 Einleitung In modernen Fahrzeugen werden immer häufiger Fahrassistenzsysteme verbaut, um die Sicherheit und den Komfort der Insassen zu erhöhen. Häufig werden zur Detektion von Hindernissen im Straßenverkehr und dem Ermitteln von Abständen zu Objekten Ultraschallsensoren genutzt. Dieses Kapitel erläutert die grundsätzliche Funktion dieser Sensoren, ihre Vor- und Nachteile und erläutert ein mögliches Einsatzszenario im automobilen und zeigt alternative Szenarien im automobilen Kontext auf. 6.2 Ultraschallsensoren Physikalische Grundlagen Grundlage für die Distanzmessung mittels Ultraschall ist das Echo-Laufzeit-Verfahren, das auf der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen und ihrer Reflexion an Hindernissen beruht. Eine Folge von Ultraschallimpulsen wird zum Zeitpunkt t 0 von einem Ultraschalltransmitter gesendet. Treffen diese dabei auf ein Objekt, so werden sie reflektiert und erzeugen Echos, die vom Ultraschallreceiver zum Zeitpunkt t 1 empfangen werden, siehe Abbildung 6.1 Um die Entfernung zu bestimmen, wird die Laufzeit des Schalls ermittelt in dem t 0 von t 1 subtrahiert wird. Anschließend multipliziert man die ermittelte Laufzeit mit der Geschwindigkeit des Schalls und erhält die Strecke, die von den Ultraschallimpulsen zurückgelegt wurde. Da die Distanz zweimal durchlaufen wird, ist die sich ergebene Strecke zu halbieren. Zusammengefasst wird diese Rechnung in Gleichung (6.1), wobei s für den Abstand zum Objekt, t für die Laufzeit und v für die Geschwindigkeit des Schalls steht. s = v t 2 (6.1) 65

78 66 6 Ultraschallsensoren Abbildung 6.1: Aufbau Ultraschall Die Geschwindigkeit von Schall ist abhängig von zwei bestimmenden Faktoren: dem Übertragungsmedium und der Temperatur. Im automotiven Kontext ist das Übertragungsmedium Luft. Die weiteren Eigenschaften von Luft, wie zum Beispiel Luftdruck und Luftfeuchtigkeit, haben keinen nennenswerten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit von Schall in Luft bei 0 C beträgt 331,6 m / s und lässt sich mit Gleichung (6.2) mit einer Genauigkeit von 99,8 % für den Temperaturbereich von -20 C bis 40 C berechnen. Dabei steht θ für die Temperatur in Grad Celsius [Str] v = 331, 6 m s + 0, 6θm s (6.2) Fasst man Gleichung (6.1) und (6.2) zusammen, so erhält man die Distanz zum Objekt in Abhängigkeit von Laufzeit und Temperatur. s = 331, 6 m s + 0, 6θ m s t 2 (6.3) Beispielhaft lässt sich der Einfluss der Temperatur leicht zeigen. Für eine Zeitmessung von 0,01 Sekunden ergibt sich für -10 C eine Distanz von 1,63 Metern, wohingegen man bei 30 C ein Abstand von 1,75 Metern erhält. Das entspricht einer Abweichung von ungefähr 7%.

79 6.2 Ultraschallsensoren Aufbau und Funktion von Ultraschalldistanzsensoren Abbildung 6.2 beschreibt den grundsätzlichen Aufbau eines Ultraschalldistanzsensors, wie er im automobilen Kontext eingesetzt wird. Der Messvorgang wird ausgelöst durch die CPU des Mikrocontrollers, welche ein Startsignal sowohl an den Frequenzgenerator als auch an den Timer schickt. Abbildung 6.2: Sensor Der Frequenzgenerator erzeugt eine Folge von Schwingungssignalen mit ca. 40 khz bis 1 MHz, die an den Verstärker weitergeleitet werden. Dieser ist nötig um den Unterschied zwischen der niedrigen Ausgangsspannung des Mikrocontrollersignals (ca. 5 V) und der benötigten hohen Eingangspannung des Tranceivers (ca. 100 V pp ) zu überbrücken. Ein Tranceiver wandelt das Eingangssignal in eine Folge von Ultraschallwellen um. Gebräuchlich sind piezoelektrische Tranceiver. Werden Piezokeramiken unter Strom gesetzt, erfahren sie eine Größenänderung. Wird eine solche Keramik einem Wechselstrom ausgesetzt, schwingt sie entsprechend der Frequenz des Stroms und erzeugt dadurch Ultraschallwellen. Bei einigen Piezokeramiken lässt sich auch der entgegengesetzte Prozess beachten. Werden sie Ultraschallwellen ausgesetzt produzieren sie Wechselspannungen mit der Frequenz der Ultraschallwellen. Solche Keramiken eignen sich für Ultraschalltranceiver. Alternative Tranceiver basieren auf magnetorestriktiven Effekten, bei denen analog zum Wechselstrom bei Piezoelementen ein Magnetfeld auf ein magnetorestriktiven Stoff wirkt. Allerdings sind magnetorestiktive Tranceiver für den Einsatz im automobilen Bereich untauglich, da sie bis maximal 30 khz arbeiten wodurch ihre Maximalreichweite beschränkt ist. [ctg] Die empfangenen Signale werden von der Vorverarbeitungseinheit in mikrocontrollertaugliche Spannung umgewandelt und mittels Frequenzfilter von Störungen befreit, bevor sie mit der Signalreferenz verglichen werden. Wird eine Übereinstimmung festge-

80 68 6 Ultraschallsensoren stellt, schickt der Komparator ein Stoppsignal an den Timer, die gemessene Zeit wird an die CPU weiterleitet und der Abstand des Objektes zum Sensor berechnet. [par] Unsicherheiten und Einschränkungen von Ultraschalldistanzsensoren Erfahrungsgemäß unterliegen Messungen analoger Größen gewissen Einschränkungen und Messfehlern, so auch Ultraschalldistanzsensoren. Dabei lassen sich die Probleme auf innere Eigenschaften und Umwelteinflüsse zurückführen. Das erste von innen verursachte Problem ist eine Verfälschung der Zeitnahme durch die Trägheit der einzelnen Komponenten. So stimmt zum einen der Startzeitpunkt des Timers nicht mit dem Zeitpunkt des Aussendens der Schallimpulse überein. Sowohl das Starten des Signalgenerators als auch das Verstärken des Signals verzögern das Aussenden des Signals. Zum anderen verursachen auch die Vorverarbeitung, das Filtern und der Vergleich mit der Signalreferenz eine Verzögerung. ([dis], Seite 66) Die Gesamtverzögerung muss aus der an die CPU übertragenen Zeit herausgerechnet werden, was durch Subtraktion der durch Kalibrierung des Sensors ermittelten Schaltzeit des Aufbaus erreicht wird. Die Tabelle in Abbildung 6.1 illustriert beispielhaft den Genauigkeitsunterschied zwischen Messung mit und ohne Kalibrierung. unkalibrierte kalibrierte Messung Messung Distanz (cm) gemessene Abweichung in % gemessene Abweichung in % Distanz (cm) Distanz 40 41,16 2,9 40,05 0, ,31 2,9 45,19 0, ,45 2,9 50,34 0,67 Tabelle 6.1: Messabweichungen mit und ohne Kalibrierung Eine Einschränkung der Sensorreichweite verursacht die Tranceiverkomponente des Sensors. Abbildung 6.3 zeigt deutlich den Unterschied zwischen dem digital erzeugten Signal und dem Schwingverhalten des Tranceivers. Zum einen benötigt der Tranceiver einige Schwingungen um die erwünschte Amplitude zu erreichen, zum anderen schwingt er noch einige Male nach, bevor er zur Ruhe kommt (Ringing). Daraus ergibt sich ein Mindestlaufzeit des Signals und damit eine Mindestentfernung des zu erkennenden Objektes, da erst nach dem Ausschwingen des Tranceivers das Empfangen von Echos erfolgen kann. Üblicherweise liegt die Mindestentfernung im automotiven Bereich zwischen 5 und 30 cm.

81 6.2 Ultraschallsensoren 69 Abbildung 6.3: Ringing Auch die Maximalreichweite des Sensors ist begrenzt. Abhängig ist diese von der Sendestärke des Tranceivers, seiner Empfindlichkeit, der Leistungsfähigkeit des Filters und der verwendeten Frequenz. Für eine hohe Reichweite sollte die Frequenz zwischen 30 und 50 khz liegen, da höherfrequente Schallwellen stärker gedämpft werden. Erreicht werden können bis zu 10 Metern Maximaldistanz. Das letzte Problem verursachen die zu detektierenden Objekte an sich. Spitze oder kleine Objekte reflektieren nicht genug Schallwellen und geneigte Objekte, wie zum Beispiel Rampen, können den Schall teilweise oder komplett in die falsche Richtung reflektieren, sodass sie vom Sensor nicht erkannt werden können. Außerdem können abgelenkte Schallwellen durch mehrfach Reflektionen wieder zum Tranceiver gelenkt werden, was zum Ermitteln zu großer Distanzen führt.

82 70 6 Ultraschallsensoren 6.3 Anwendungsszenario: Parkassistenzsystem Abbildung 6.4: [ass] Aufbau und Funktion Für eine elektronische Einparkhilfe werden 2 bis 8 Ultraschallsensoren in die Stoßstangen des Autos montiert. [Ltd] Daraus ergibt sich ein Problem, was in Abbildung 6.5 ersichtlich wird. Zwar ist jeder Sensor für sich in der Lage den Abstand von sich zu einem detektierten Objekt zu bestimmen, doch stimmt dieser Abstand nur genau dann mit dem Abstand zum Fahrzeug überein, wenn sich das Hindernis auf einer Achse senkrecht zur Stoßstange vor dem Sensor befindet. Die Lösung des Problems liegt in der Berechnung der tatsächlichen Distanz aus den Messwerten von mindestens 2 Sensoren mittels Triangulation. [sys13] Aus dem Satz des Pythagoras ergeben sich für beide Sensoren (T1 und T2) folgende Dreiecksgleichungen ((6.4) und (6.5)), woraus man Gleichung (6.6) erhalten kann. l 2 1 = x2 1 + d2 (6.4) l 2 2 = x2 2 + d2 (6.5)

83 6.3 Anwendungsszenario: Parkassistenzsystem 71 Abbildung 6.5: Triangulation d = x l2 2 (6.6) Dabei stehen l1 und l2 für die gemessenen Distanzen zwischen den jeweiligen Sensoren und dem Objekt. x1 und x2 stellen den Abstand der Sensoren zur Achse, die senkrecht zur Stoßstange durch das Objekt führt dar und d beschreibt den Abstand des Autos zum Objekt entlang dieser Achse. Subtrahiert man die ersten beiden Ausdrücke voneinander, so erhält man gekürzt Gleichung (6.7), woraus nach weiteren Umformungen (6.8) entsteht. x 2 x 1 = l2 2 l2 1 x (6.7) x 2 = 1 2 ( x2 + l2 2 l2 1 ) (6.8) x Die erhaltene Gleichung für x 2,wobei x gleich dem Abstand zwischen den Sensoren ist, lässt sich in die oben entwickelte Gleichung für den Abstand d zum Objekt einsetzen und man erhält Gleichung (6.9). d = 1 2 ( x2 + l2 2 l2 1 ) + l 2 x 2 (6.9) Damit lässt sich der Abstand zum Objekt berechnen in Abhängigkeit von beiden Messwerten und dem bekannten Abstand der Sensoren. Wichtig dafür ist, dass die gemessenen Distanzen zum gleichen Zeitpunkt aufgenommen werden, da sich das Fahrzeug in Bewegung befindet und sich damit die Distanzen permanent ändern. Eine gängige Lösung ist, dass ein

84 72 6 Ultraschallsensoren Sensor sein Signal aussendet, was auch von den anderen Sensoren empfangen wird, welche aus der Zeit und dem Abstand zum sendenden Sensor die jeweilige Distanz zum Hinderniss bestimmen. Durch ein zeitlich alternierende Sendersensorwahl erreicht man eine maximale Abdeckung des zu durchsuchenden Raums mit zeitlich Konsistenten Messwerten Vor- und Nachteile der Verwendung von Ultraschallsensoren Zur Realisierung von Einparkhilfen kann man auch eine Reihe von alternativen Sensoren verwenden, zum Beispiel optische Sensoren oder Radarmesssysteme. Daraus ergeben sich einige Vor- und Nachteile, die in folgender Tabelle 6.2 dargestellt werden. Vorteile deutlich günstiger als andere Systeme funktionieren unabhängig von Lichtverhältnissen Nachteile Im Gegensatz zu Radarsensoren, die auch durch die Stoßstange funktionieren, benötigen Ultraschallsensoren ein freies Sichtfeld, weshalb die Stoßstange zur Montage aufgebohrt werden muss Sensoren fallen ohne Warnung aus, wenn die Oberfläche zu stark verschmutzt ist Erkennung von kleinen Objekten oder Objekten mit schrägen Oberflächen nicht zuverlässig Erkennung von Objekten deren Abstand kleiner als die Mindestreichweite der Sensoren nicht möglich Sensorwerte sind temperaturabhängig Tabelle 6.2: Vor- und Nachteile, [par] 6.4 Alternative Einsatzmöglichkeiten Neben dem vorgestellten Parkassistenzsystem gibt es eine Reihe weiterer Anwendungsgebiete für Ultraschallsensoren in Automobilen. Eine kurze Auswahl soll an dieser Stelle vorgestellt werden Parklückenvermessung Die erste Anwendung ist thematisch eng verwandt mit dem Parkassistenten. Gerade in Großsstädten ist die Parkplatzsuche zeit und nervraubend. Deshalb bietet es sich an, vorhandene Parklücken automatisch auf ihre Größe und damit ihre Eignung als Parkplatz zu

85 6.5 Fazit 73 prüfen. Dafür werden Ultraschallsensoren seitlich in die Frontstoßstange integriert. Diese Unterscheiden zwischen Fahrzeugen und Parklücken anhand der gemessenen Distanzen. Wird eine Parklücke erreicht steigt die Distanz sprungartig an. Es wird die Zeit bis zum nächsten Fahrzeug gemessen und aus der Geschwindigkeit des zu parkenden Fahrzeugs wird die Größe der Parklücke errechnet. Der Fahrer erhält je nach Eignung einen optischen oder akustischen Hinweis und kann dein Einparkvorgang beginnen Automatisches Einparken Kombiniert man die Parklückenvermessung und den Parkassistenten mit einem automatischen Lenksystem so erhällt ein automatisches Einparksystem. Aktuell erhältliche Systeme ermitteln automatisch Parklücken und übernehmen die notwendigen Lenkmanöver. Der Fahrer muss lediglich schalten sowie Bremse und Gaspedal bedienen. Natürlich wäre auch ein vollautomatisches System denkbar, allerdings ist der rechtliche Rahmen dafür noch nicht gegeben. [Sto12] Überwachung des toten Winkels Eine oft unterschätzte Gefahr beim Führen eines Fahrzeugs ist der tote Winkel, also der Bereich an den Seiten des Fahrzeugs, dass nicht durch die Spiegel eingesehen werden kann. Abhilfe geschaffen wird mit seitlich in die Stoßstangen eingelassenen Ultraschallsensoren. Die hinteren Sensoren erfassen Objekte im Toten Winkel und geben gegebenfalls optische und akustische Warnungen aus. Die forderen Sensoren helfen bei der Plausibilitätsprüfung der Warnung. So werden überholte oder entgegenkommende Fahrzeuge zuerst von den forderen Sensoren erfasst, sodass in diesem Fall keine Warnung gegeben wird. [Ser] 6.5 Fazit Ultraschallsensoren sind aus modernen Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken. Ihre zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten, die sich einfach durch Verwendung der Sensoren für mehrere Zwecke kombinieren, und ihr geringer Preis machen sie zu effizienten Helfern im Auto und erhöhen sowohl den Fahrkomfort als auch die Sicherheit der Insassen. Allerdings stellen Ultraschallsensoren kein Allheimittel da. Die Ultraschallsensoren anhaftenden Schwächen bei der Objekterkennung und Reichweite machen die Kombination mit anderen Sensorsystemen erforderlich um den maximalen Grad an Sicherheit gewährleisten zu können.

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87 Ben Rabeler Christian Schildwächter 7 Positionsbestimmung/GPS 7.1 Einleitung Satellitengestützte Systeme (besonders das Global Positioning System (GPS)) haben sich weltweit durchgesetzt und sind vorherrschend in der Navigation und Positionsbestimmung im automobilen Bereich. Wir beschreiben zuerst die Funktionsweise von satellitenbasierten Navigationssystem, die aktuelle Lage von Alternativen zu GPS, die Fehlerursachen und wie Fehler durch unterstützende Verfahren in Echtzeit minimiert werden können. Jedoch entwickeln sich nicht nur satellitenbasierte Alternativen zu GPS, sondern auch satellitenlose Alternativen auf die im letzten Abschnitt dieses Kapitels eingegangen wird. Diese Alternativen bieten sich als Unterstützung für satellitenbasierte Systeme an, z.b. für eine höhere Genauigkeit oder um eine geringe Satellitendichte auszugleichen, wie es in Tunneln oder Häuserschluchten der Fall ist (siehe 7.5b). 7.2 Satellitenbasierte Navigation Überblick über GPS NAVSTAR GPS (offzielle Bezeichnung: Navigational Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) löste ab etwa 1985 das alte Satellitennavigationssystem NNSS der US-Marine ab. Der erste GPS-Satellit wurde 1978 ins All befördert [WB08]. Stand Januar 2014 ist GPS soweit entwickelt, dass 32 Satelliten verfügbar sind.[gps14]. Das System ist seit 1990 funktionsfähig und seit dem 2.Mai 2000 auch im zivilen Gebrauch nutzbar. Es hat sich seitdem dort als vorherrschendes Mittel zur Positionsbestimmung entwickelt. Vor allem im automotiven Kontext wird GPS zur Navigation genutzt, aber auch in vielen weiteren Anwendungsfällen (Vermessung, Luftfahrt, Schiffahrt) hat sich GPS als wichtiges Instrument zur Positionsbestimmung entwickelt. 75

88 76 7 Positionsbestimmung/GPS Alternativen Bei GPS handelt es sich um ein amerikanisches Produkt, was für andere Länder Nachteile mit sich bringt. So sind sie abhängig von der USA, was z.b. in Kriegs- oder wirtschaftlichen Szenarien zu Konflikten führen kann, wenn die USA andere Länder insofern Macht ausüben kann, dass sie die anderen Länder ausschließt. Vor allem deswegen aber auch um eine Verbesserung der Satellitennavigation zu erzielen, haben sich drei weitere Alternativen zu GPS gebildet: GLONASS (deutsche Abkürzung für globales Navgation-Satellitensystem) wurde von der damaligen UdSSR am 12.Oktober mit dem Start von drei Satelliten gestartet. Heute wird es von der gemeinschaft unabhängiger Staaten weitergeführt. Wie bei GPS sind 24 Satelliten nötig, um die notwendige Abdeckung zu gewährleisten. Dieser Stand wurde erst 2011 erreicht, was vor allem an der geringen Lebensdauer der Satelliten (ca. 3 Jahre) lag. Mittlerweile wurde eine Lebensdauer von zehn Jahren erreicht wurde das erste zivile nutzbare Gerät verkauft, das GLONASS unterstützt. Als zukünftiges Ziel sollen 30 Satelliten zur Verfügung gestellt werden [Pre09] [Zog11]. Galileo wird von der europäischen Union und europäischen Weltraumorganisation verantwortet. Es sind auch andere Länder wie Israel, Marokko oder Saudi-Arabien, die ein Interesse an einer Alternative zu GLONASS und GPS interessiert sind, an Galileo beteiligt. Dies hat seitens der USA für Kritik gesorgt, da befürchtet wird, dass Galileo unkontrolliert militärisch genutzt werden konnten und 2008 wurden erste Testsatelliten ins All gebracht und 2012 sind jeweils zwei funktionale Satelliten ins All gebracht worden. Eigentlich sollten weitere Satelliten installiert werden, was jedoch aufgrund technischer Verzögerungen nicht gelang. Auch das Ziel Ende 2014 mit 18 Satelliten ein vorläufig funktionierendes System zu installieren erscheint damit in Gefahr [Heg13]. In der Ausbaustufe (2020) soll Galileo 30 Satelliten umfassen. Geplant sind mehrere Dienste (offener Dienst, kommerzieller Dienst, sicherheitskritischer Dienst, öffentlich-regulierter Dienst und Suchund Rettungsdienst). Je nach Dienst sollen die Genauigkeiten variieren. Für den öffentlichen Dienst ist eine Genauigkeit von 15m in der horizontalen und 35m in der vertikalen vorgesehen [Zog11]. Mit Compass (Beidou-2) möchte wie die europäische Union auch China ein eigenständiges zu GLONASS und GPS konkurrierendes System aufbauen. Der erste Test-Satellit von Beidou-2 wurde 2007 installiert wurden fünf nutzbare Satelliten bereitgestellt wurde das System offiziell in Betrieb und war für Unternehmen im asiatischen Raum verfügbar. Ende 2012 startete die öffentliche Nutzung im asiatischen Raum. Auch Indien verfolgt das Ziel ein Ortungssystem über Satelliten zu entwickeln. Im Gegensatz zu GPS, GLONASS oder Galileo soll es nur den indischen Raum abdecken. Der erste Satellit wurde 2013 ins All gebracht

89 7.2 Satellitenbasierte Navigation Funktionsweise der satellitenbasierten Navigation Abbildung 7.1: Ermittlung der Entfernung R und Entstehung eines Fehlers durch ungenaue Zeitmessung von einem Sender zu einem Empfänger [Zog11] Bei einem Blitzeinschlag lässt sich die Distanz des Empfängers (menschliches Ohr) zum Blitz dadurch berechnen, dass der Empfänger die Signallaufzeit zwischen Einschlag des Blitzes (visuelle Wahrnehmung) und dem Donner aufnimmt und mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert. Auf demselben Prinzip beruht die Positionsbestimmung eines Empfängers mithilfe von Satelliten. Zur Erläuterung wird im Folgendem ein ideales automotives Szenario betrachtet. Auf Abbildung 7.1 ist die Anwendung der Distanzbestimmung von Sender zum Empfänger dargestellt. Der Zeitsender sendet ein Zeitsignal aus, das mit einer Laufzeut t beim Empfänger angelangt. Mithilfe der Laufzeit und der Geschwindigkeit lässt sich nun die Entfernung von Sender zu Empfänger R berechnen: R = v t Da beim Empfänger keine zu den Sendern synchronisierte und hochpräzise Uhr verwendet wird, entsteht ein Fehler in der Zeitmessung. Angenommen der Zeitfehler beträgt nur 1µs dann entsteht ein Entfernungfehler von 300 Metern, was z.b. im Straßenverkehr kein akzeptabler Fehler wäre. In diesem Beispiel wird das berechnete Ergebnis mit dem Fehler als PSR bezeichnet. Dieser entstandene Fehler soll verringert werden. Auf Abbildung 7.2 wird dies mithilfe eines zweiten zum ersten synchronen Zeitsignals realisiert, das eine Laufzeit t 2 generiert. Die Entfernung lässt sich nun durch R = berechnen. ( t1 t2) c + A 2

90 78 7 Positionsbestimmung/GPS Abbildung 7.2: Ermittlung der Entfernung R durch unterstützendes zweites Satellitensignal [Zog11] Abbildung 7.3: Ermittlung der Position (X p Y P ) im Zweidimensionalen durch Triangulation [Zog11]

91 7.2 Satellitenbasierte Navigation 79 Dieses Beispiel hat eine Positionsbestimmung für eine Dimension (Entfernung zu einem Referenzpunkt) veranschaulicht. Nun soll eine weitere Dimension hinzugefügt werden. Abbildung 7.3 beschreibt wie die Position mithilfe von zwei Satelliten Sat 1 und Sat 2 bestimmt werden kann. für beide Satelliten kann die Entfernung R1 und R2 bestimmt werden. Um jeden Satelliten wird nun ein Kreis mit dem Radius R aufgespannt auf dem sich der Empfänger befinden muss. Folglich befindet sich der Empfänger bei dem Schnittpunkt, der unterhalb beider Satelliten liegt. Auch in der zweiten Dimension wird ein weiterer Satellit benötigt, der die Laufzeit bestimmt. Für die erwünschte dritte Dimension werden folglich vier Satelliten benötigt Fehlerursachen von GPS Ursache Fehlergröße Satellitenuhren 1,5m Ionosphäre 3m Troposphäre 0,7m Multipath 1m Empfänger 0,5m Satellitenkonstellation 4m Tabelle 7.1: Ungefähre Abschätzung der entstehenden Fehler bei der Positionsbestimmung in der Horizontalen bei GPS [Zog11] Bei der satellitenbasierten Ortung können verschiedene Fehler auftreten. Tabelle 7.1 zeigt die ungefähren Fehlergrößen, sodass am Ende ein Positionierungsfehler von neun bis zwölf Metern in der horizontalen Ebene entsteht. Die Fehlertypen werden im Folgenden näher erläutert: Fehler in den Empfänger- und Senderuhren: Wie im vorherigen Kapitel geschildert ist eine akkurate Zeitmessung für eine genaue Positionsbestimmung sehr wichtig. Es kann vorkommen, dass nach einiger Zeit die Systemzeit eines Satelliten von der GPS-Systemzeit abdriftet. Dieser Fehler lässt sich durch eine Anpassung der Systemzeit des Satelliten anpassen. Die Empfängeruhren sind um Kosten einzusparen wesentlich ungenauer als die Uhren der Satelliten. Verzögerung verursacht durch die Ionosphäre und Troposphäre: Die Ionosphäre befindet sich ca. 60 bis km über der Erdoberfläche und enthält ionisiertes Gas. Je nach Konzentration verändert sich dadurch die Laufzeit des vom Satelliten entsendete Signal (siehe Abbildung 7.4). Dieser Fehler kann durch Verfahren um ca. 50% reduziert werden. Näheres dazu in [AN13]. Auch die Troposphäre, die sich ca. 8 bis 40 km über der Erdoberfläche befindet, verursacht einen Verzögerungsfehler des GPS-Signals.

92 80 7 Positionsbestimmung/GPS Abbildung 7.4: Beispielhafte Darstellung für die Verzögerung des GPS-Signals durch die Ionos- und Troposphäre (aus: [AN13]) (a) Das Satellitensignal wird von verschiedenen Dingen (hier Häuser und Wasser) reflektiert, sodass die Signallaufzeit verfälscht wird (aus: [AN13]) (b) Das Satellitensignal (1) wird von Schluchten (3), Häusern (4) oder Tiefgaragen (5) vom Empfänger (2) abgeschattet (aus: [Rei10b]) Abbildung 7.5: Reflexions- und Abschattungsfehler

93 7.2 Satellitenbasierte Navigation 81 Reflexion und Abschattung: Neben den Störungen in den Athmosphärschichten der Erde gibt es zwei Fehlertypen auf der Erde. Zum Einen kann das Satellitenssignal durch reflektierende Flächen reflektiert werden und so mit einem Verzögerungsfehler auf den Empfänger treffen. Dieser Typ ist auf Abbildung 7.5a dargestellt. Die reflektierenden Flächen können nicht nur einen Verzögerungsfehler verursachen, sondern auch das Satellitensignal vom Empfänger abschirmen. Dieser Zusammenhang ist auf Abbildung 7.5b dargestellt. Abbildung 7.6: Entstehung einer größeren Fläche (links), wenn Satelliten nahe beieinander liegen (aus: [Zog11]) Satellitenkonstellation: Wenn die sendenden Satelliten nahe aneinanderliegen, entsteht bei der Triangulation eine größere Fehlerfläche. Dieser Zusammenhang wird auf Abbildung 7.6 näher erläutert. Die Satelliten spannen jeweils einen Kreis auf, der mit einen Radius in der Spanne des Fehlers liegt (R-E: Range error). Liegen die Satelliten weit auseinander, ist die Fläche, in der sich die Position des Empfängers befinden kann (rote Fläche) kleiner als wenn die Satelliten nahe beieinander liegen [Zog11] A-GPS Gerade in den letzten Jahren haben viele mobile Geräte, die Mobilfunk (z.b. UMTS) und Satellitennavigation (GPS, GLONASS) kombinieren können. Man spricht in diesem Fall von einem Assisted Global Positioning System (A-GPS). Dem Empfänger können so über Mobilfunk ergänzende Daten zur Verfügung gestellt werden wie die Satellitenkonstellation oder Zeitinformationen. Ein Anwendungsfall wird A-GPS ist die Reduzierung der Zeit bis zur ersten Positionsbestimmung. Im Regelfall wird ein GPS-Gerät über einen längeren Zeitraum nicht benutzt. Wenn es zur Nutzung kommt, muss der Empfänger zunächst die Bahndaten der Satelliten erfassen, um seine Ausgangsposition zu berechnen. Dieser Vorgang benötigt mindestens Sekunden, kann in Gebieten, in denen das Signal abgeschirmt wird, aber auch bis zu zwei Minuten benötigen. Ja nach Masse an bereitgestellten Mobilfunk-Daten kann diese Zeit auf 5 bis 20 Sekunden (je nach Signalstärke) reduziert werden [Zog11].

94 82 7 Positionsbestimmung/GPS DGPS Eine Möglichkeit einen Zeitfehler, der durch ein verfälschtes Signal entstanden ist, zu erfassen, besteht darin eine GPS-Referenzstation zu benutzen. Diese kennt ihre genaue Koordinatenposition und ist mit einer sehr genauen Uhr ausgestattet. Nun wird das GPS-Signal von der Referenzstation empfangen. Nun kann aus der Differenz vom übermittelten GPS mit einem unbekannten Fehler zur bekannten Position der Referenzstation der Fehler des GPS-Signals berechnet werden. Dieser Fehler kann nun an umliegende Empfänger übermittelt werden, wodurch diese, wenn sie sich nahe genug an der Referenzstation befinden, ihr Ergebnis wesentlich verbessern können. Es wird eine Verbesserung auf ca. 0,3m bis 2,5m erreicht. Dies hängt von der Distanz des Empfängers zum DGPS-Sender ab. Hochgenaue Verfahren erreichen sogar eine Verbesserung in den mm-bereich. Dieses Verfahren wird z.b. beim Milität, in der Schiffahrt, Luftfahrt, Landwirtschaft oder bei der Vermessung der Geodäsie eingesetzt [Zog11] [Ler12]. 7.3 Satellitenlose Navigation Einleitung Wie schon beschrieben, bieten sich satellitenlose Systeme als Unterstützung für satellitenbasierte Systeme an, doch besonders in nicht automobilen Szenarien bietet die satellitenlose Navigation Vorteile: mit dem Smartphone ist GPS Navigation nur wenige Stunden möglich, da sie viel Energie verbraucht. Nahezu jedes Smartphone besitzt einen Inertialsensor, daher ist eine Trägheits- oder Inertialnavigation möglich, welche bis zu 70% energiesparender und genauer ist [sma12]. Zukünftig wird sich auch die Indoornavigation weiter verbreiten, die besonders in Flughäfen oder großen Einkaufszentren sinnvoll ist und einer satellitengestützten Navigation überlegen wäre WLAN und Mobilfunk Die Standortbestimmung per WLAN basiert auf der Kenntnis der Position des Routers, von dem man ein Signal empfängt, oder der Kenntnis eines Ortes mit der jeweiligen Signalstärke eines Routers (z.b. Signalstärkemuster entlang einer Straße, Routerstandort selbst muss nicht bekannt sein). Besonders in Städten oder Gebäuden ist diese Technik sinnvoll, da dort viele WLAN Netze existieren, wie in 7.7 zu erkennen. Diese können öffentliche Hotspots sein, Firmen- oder private Netzwerke. Wie bei GPS erhöht die Anzahl der zur Verfügung stehenden Signale die Genauigkeit der Positionsbestimmung. Das Verfahren funktioniert ähnlich wie GPS mit Multilateration, bei der die Signalstärke in Verbindung zur Entfernung

95 7.3 Satellitenlose Navigation 83 zum Router steht, hierfür muss dem Anwender jedoch die jeweilige Position des Routers bekannt sein, u.a. Google arbeitet schon länger an solchen Karten, die die Positionen von WLAN Netzen enthält, diese Informationen werden z.b. gleichzeitig bei Googles StreetView gesammelt [wikg] [Bri10]. Alternativ gibt es auch ein OpenSource-Projekt namens Open WLAN Map, welches ähnlich dem OpenStreetMap-Projekt kostenlos umfassende Positionsinformationen zur Verfügung stellt [opea] [opeb]. Zur Genauigkeit der Standortbestimmung mittels WLAN lassen sich keine genauen Aussagen treffen, da die Reichweiten der Router verschieden sind und das Signal leicht durch Wände, Gegenstände, Personen, Fahrzeuge, etc. gestört wird. Unter nie erreichten Idealbedingungen ist eine Genauigkeit von 0,5m möglich, die sich in der Praxis in Gebäuden auf 1-5 und außerhalb auf etwa 10 Meter verschlechtert [wikj] [Mey08] [awib]. Auch müssen die Karten ständig aktualisiert werden, da möglicherweise Router abgeschaltet werden oder welche hinzukommen. Abbildung 7.7: Open WLAN Map - Abdeckung Zentraleuropa [opea] Die Navigation per Mobilfunk, also Global System for Mobile Communications (GSM), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), etc., funktioniert einerseits so wie bei der WLAN Navigation mit der Signalstärke mehrerer Mobilfunk-Basisstationen, wobei in Städten eine Genauigkeit von ca. 100m, auf dem Land jedoch wegen der größeren, wenigen Funkzellen von über 10km, möglich ist. Eine andere Möglichkeit bieten die Si-