Sensoren in Autos: Sinnesorgane der Assistenz-Systeme

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Ohne sie fährt kein Auto: Sensoren. Man findet sie im Motor, in den Airbags, an den Rädern. Wichtig sind Sensoren auch für die Erfassung des Fahrzeugumfelds und damit für automatisierte Fahr- und Parkfunktionen. Radar, Ultraschall, Kamera und zukünftig auch Lidar – hier bekommen Sie alle Informationen zu den Sinnesorganen eines Autos.

6. April 2021

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1. Ultraschall / 2. Kamera / 3. Radar
Jeder Sensortyp hat seine Vorteile. Im Zusammenspiel ergänzen sie sich perfekt.
Felix Modes

Entwicklung Sensorverbund automatisiertes Fahren BMW Group

Auch in Ihrem Auto stecken zahlreiche Sensoren – Sie sehen es nur nicht. Die Sensoren arbeiten im Verborgenen, machen das Fahren komfortabler, effizienter und sicherer (➜ Lesen Sie auch: So lernen Sie sicher fahren). Wir erklären Ihnen zusammen mit dem BMW Experten Felix Modes alles, was Sie über Sensoren wissen müssen und welche Rolle sie für automatisierte Fahr- und Parkfunktionen (➜ Lesen Sie auch: Die wichtigsten Assistenzsysteme) und das zukünftige hochautomatisierte Fahren spielen.

Kein Auto ohne Sensoren

Fahrzeuge werden für die Assistenzsysteme mit komplexer Technik ausgerüstet. Hierzu gehören zahlreiche Sensoren, die an verschiedenen Stellen und mit unterschiedlichen Funktionen im Auto verbaut werden. Außer an Regensensor, Lichtsensoren und ähnlichen für Komfort- und Sicherheitsfunktionen zuständigen Systemen arbeiten Forschung und Entwicklung bei den Autoherstellern und Partnern vor allem auf ein Ziel hin: das hoch automatisierte Fahren (➜ Lesen Sie auch: Zeitgewinn durch automatisiertes Fahren).

Diese Sensortypen werden verbaut

Bei den Assistenzsystemen misst und wertet die Sensortechnik das Geschehen im direkten und erweiterten Umfeld des Autos aus und stellt Veränderungen fest. Heute schon arbeiten Sensoren in Notbremsassistenten, Nachtsichthilfen, der Verkehrszeichenerkennung und natürlich bei Antiblockiersystemen (ABS) oder elektronischen Stabilitätskontrollen (DSC). Hinzu kommen bei bestimmten BMW Modellen eine Geschwindigkeitsregelung mit Bremsfunktion, der Rückfahrassistent, ein Aufmerksamkeitsassistent oder ein System, das durch aktive Navigationsführung von selbst nötige Spurwechsel erkennt. Vier Sensortypen und deren Funktionen werden hier im Detail mithilfe des BMW Experten Felix Modes vorgestellt: Ultraschall, Kamera, Radar und Lidar (auch bekannt als Laserscanner). Erst im Zusammenspiel aller kommen ihre Stärken richtig zum Tragen.

Ultraschall: Robust und genau

Zunächst zum Ultraschall. Diese Technik wird vor allem für Parkfunktionen eingesetzt, konkret: Rückfahrassistenten, Parkdistanzkontrolle oder auch automatisierten Parkfunktionen. Modes erläutert, dass mit dieser Technik „auf kurzer Reichweite eine sehr genaue Abstandsmessung möglich ist“. Ultraschall funktioniert, indem Schallimpulse ausgesendet und deren Laufzeit zum Objekt beurteilt wird, von dem sie reflektiert werden. Die robuste Technologie arbeitet auch problemlos bei Nebel und Dunkelheit, jedoch nur im Nahbereich von bis zu zehn Metern.

Kamera: Stark im Klassifizieren

In Fahrzeugen kommen unterschiedliche Typen von Kameras zum Einsatz. Bisher bekannt sind vor allem diejenigen, die das Parken erleichtern, wie zum Beispiel die Rückfahrkamera. Sie arbeiten mit weiten Öffnungswinkeln und haben den Vorteil, einen möglichst großen Bereich zu erfassen (Stichwort Fish-Eye-Kamera). Für die Fahrfunktionen von großer Bedeutung sind hingegen Kameras, deren Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten, von Tele- bis Weitwinkel, arbeiten. Diese sind hinter der Frontscheibe angebracht. Unter den Sensoren bieten Kameras den Vorteil, dass sie mit einer sehr hohen Auflösung wirken und die Bildverarbeitung Objekte genau einschätzen und unterscheiden kann. Da das Erkennen zunehmend auf künstlicher Intelligenz (➜ Lesen Sie auch: Künstliche Intelligenz als Designer) basiert, wie Modes erläutert, müssen die „verschiedenen Objekttypen dem Bildverarbeitungssystem antrainiert werden“. 

Auch können mit Kameras im Gegensatz zu den anderen Sensortypen Informationen wie der Status einer Ampel oder Verkehrszeichen eingeordnet werden. Beschnitten wird ihre Funktion dadurch, dass sie von Umwelteinflüssen wie Dunkelheit und tief stehender Sonne oder einer verschmutzten Linse eingeschränkt werden können. Zudem können Abstände und Geschwindigkeiten aufgrund des passiven Messprinzips nur aus den Bilddaten geschätzt werden, andere Sensoren sind auf diesem Feld stärker. Der Anwendungsbereich von Kameras ist insgesamt groß: Mit ihnen lässt sich der Fahrbahnrand erkennen und Fahrerassistenzfunktionen wie der Spurhalteassistente oder Notbremsfunktionen unterstützen, welche auf Fahrzeuge, aber auch auf Fußgänger und Fahrradfahrer reagieren.

Radar: Regen kein Hindernis

Die meisten verbinden Radar (steht für Radio Detection And Ranging, übersetzt Funk- und Reichweitenerfassung) mit Technik für die Luftfahrt. Doch auch der Automobilbau nutzt Radare seit 20 Jahren und kann nicht mehr auf die elektromagnetische Sensortechnologie verzichten. Eingesetzt wird sie, um Geschwindigkeiten und Entfernungen zu messen. Doch wie funktioniert Radar? Modes beschreibt es folgendermaßen: „Ausgesendete Funkwellen tasten die Objekte ab, das Echo eines Gegenstands wird ausgewertet und gegebenenfalls darauf reagiert.“ Bei der Radartechnik in Autos muss man zudem zwei Typen unterscheiden, wie BMW Experte Modes erklärt. Zum einen gibt es die Short-Range-Radare. Sie arbeiten mit weiten Öffnungswinkeln und niedrigen Reichweiten (bis 100 Meter). Verbaut sind diese Radarsensoren als Corner-Radare an den Enden der Stoßfänger. Sie sind notwendig für den Spurwechselassistenten, die Spurwechselwarnung und den Querverkehrsassistenten. Long- und Full-Range-Radare hingegen decken weitere Entfernungen ab (bis zu 250 Meter) und sorgen für Informationen, die die Notbremsfunktion benötigt, oder die Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control, kurz ACC).

Dank dieser Technologie sind sehr genaue Abstandsmessungen möglich, zudem „wirken sich Einflüsse wie Regen oder Nebel kaum aus“, erklärt Modes. Weniger geeignet sind Radare für die Klassifizierung von Objekten. Sie haben je nach Ausführung unterschiedliche Limitierungen in der Einschätzung, ob Gegenstände unter- oder überfahrbar sind. Ein Beispiel: Das System steht vor der Frage: Handelt es sich um ein Stauende oder um eine Schilderbrücke? In einem solchen Fall bestätigt die Kamera die Auslösung zur Notbremsung.

Lidar: Dunkelheit ist keine Hürde

Die drei oben beschriebenen Sensortypen werden schon heute in BMW Modellen verbaut. Der Lidar folgt im nächsten Schritt. Auch Lidar ist ein Akronym, es steht für LIght Detection And Ranging (Licht- und Reichweitenerfassung). Vereinfacht formuliert, schickt das System horizontal und vertikal abgelenkte Lichtimpulse in die Umgebung. Durch dieses Abtasten können unter Berücksichtigung fester und bewegter Objekte Entfernungen gemessen werden. „Mit dem Lidar-Sensor kann so eine 3-D-Karte der unmittelbaren Umgebung erstellt werden, die sogenannte Punktewolke“, erklärt Modes. Großer Vorteil des Lidar: Er ist nicht auf das Umgebungslicht und das Erlernen von Objekten wie die Kamera angewiesen. So reagiert der Lidar auch sicher auf unbekannte Objekte. Lidar-Technologie ermöglicht es, dank der aktiven Lichtausstrahlung und einer sehr guten Auflösung Objekte auch bei Nacht präzise einzuordnen. Noch sind diese Sensoren relativ teuer, doch das wird sich mit höheren Stückzahlen ändern. Die Lidar-Technologie wird nötig sein, um den Sprung von Stufe zwei des automatisierten Fahrens, bei der der Fahrer die Assistenzfunktionen überwacht, hin zur Stufe drei, bei der der Fahrer die Fahraufgabe abgibt, zu bewältigen (➜ Lesen Sie auch: Die verschiedenen Level selbstfahrender Autos).

Voraussetzung für das hoch automatisierte Fahren

Somit hat jeder dieser Sensoren auf einem bestimmten Feld seine Stärken. Dank ihrem Zusammenspiel kann mit ihnen ein perfektes Gesamtbild der Umgebung des Fahrzeugs erstellt werden – unter allen Umständen. Und die Überschneidung der Systeme bringt Sicherheit und Verfügbarkeit. Dank fortschreitender Vernetzung (➜ Lesen Sie auch: Das vernetzte Auto) und Digitalisierung (➜ Lesen Sie auch: Smart Cities) werden Sensordaten zunehmend bedeutsamer werden. Sensoren sind damit ein entscheidender Baustein auf dem Weg zum hoch automatisierten Fahren (➜ Lesen Sie auch: Die Entwicklung selbstfahrender Autos). All diese Technik wird dabei einem Ziel untergeordnet: Das Auto der Zukunft (➜ Lesen Sie auch: Das bringt die Zukunft) muss die Menschen sicher ans Ziel bringen.

Fotos: BMW; Autor: Nils Arnold; Illustrationen: Madita O’Sullivan; Video: BMW