Fachartikel vom 06/17/2011

Fahrerassistenzsystem von Audi Die sehende Diode

Audi entwickelt derzeit ein System für den vorausschauenden Fußgängerschutz, das in Fahrzeugen zum Einsatz kommen wird. Herzstück ist ein neuartiger Sensor, der präzise dreidimensionale Abstandsmessungen vornehmen kann.

Bild: Audi
Klein und smart: 
Prototyp des 40.000-Pixel-Chips. (Bild: Audi)

Mit einem Auto durch einen Busch hindurchzufahren, fällt den meisten Menschen nicht ganz leicht. Der Busch ist zwar nur virtuell, ein Datensatz in einer Simulation, aber er sieht sehr echt aus. Er ist Teil einer kleinen Stadt mit Straßen und Kreuzungen, mit Autos und Menschen und einem Park. Die Simulation ist so gerechnet, dass sie genau auf der Dynamikfläche des Audi-Testgeländes bei Ingolstadt spielt, einer großen Asphaltplatte.

Dr. Frank Hänsel, Ingenieur bei einem externen Audi-Dienstleister, setzt den Datenhelm auf, und sofort katapultiert ihn dessen Brille mitten in den virtuellen Park. Hänsel startet den A4 Allroad Quattro, fährt ungerührt durch den Busch hindurch und rollt auf die Straße. Links liegt eine Bushaltestelle vor einer Schule; die Route beschreibt eine enge Rechtskurve. An der folgenden Kreuzung hält Hänsel kurz an und lässt einem von rechts nahenden blauen A4 die Vorfahrt. „Haben Sie gerade das Pferd am Straßenrand gesehen?“, fragt er. „Unser Programmierer hat uns ein paar kleine Extras gegönnt.“

Realistische Vollbremsung simulieren

Der Datenhelm dient den Audi-Enwicklern als smarte Alternative zum stationären Simulator, der im Umgang mehr Aufwand erfordert und doch nicht den gleichen Realitätseindruck vermitteln kann. Dr. Karl-Heinz Siedersberger aus dem Audi-Projekthaus Fahrerassistenzsysteme erklärt, warum: „Die Bewegungen, die der Simulator dem Auge vortäuscht, weichen von den Eindrücken ab, die das Gleichgewichtsorgan im Innenohr liefert. Selbst wenn wir die Fahrerzelle mit einer riesigen Hydraulik bewegen würden, wäre es kaum möglich, eine Vollbremsung realistisch abzubilden.“

Der Helm hingegen, der ursprünglich aus der Militärtechnik kommt, lässt sich in jedem Testwagen problemlos nutzen. Die Signale gelangen über eine schnelle Grafikkarte an die Brille – aus einer Box voller Rechner, Monitore, Akkus und Modems, die anstelle des Beifahrersitzes montiert wird. Die Technik kommuniziert mit einem verfeinerten GPS-Ortungssystem auf dem Gelände, das auf zwei Zentimeter genau misst. Ein so genannter Headtracker verfolgt per Laserstrahl die Bewegungen, die der Kopf des Fahrers macht; das Bild in der Brille wird entsprechend angepasst.

Unfallfolgen mindern

Parallel dazu nutzen die Audi-Ingenieure ein zweites Simulationsverfahren, das sie selbst konzipiert haben. In der „augmented Reality“ sieht der Fahrer die reale Umwelt; über die halbdurchsichtige Brille bekommt er andere Verkehrsteilnehmer eingespielt. Das kann ein Auto sein, das ihm die Vorfahrt nimmt, oder ein Kind, das plötzlich auf die Straße läuft. Mit beiden Simulationstechniken lässt sich genau ermitteln, wie sich der Fahrer in einer solch gefährlichen Situation verhält.

Die Erkenntnisse fließen in das Layout der neuen Fahrerassistenz- und Sicherheitssysteme von Audi ein – auch in das System für den vorausschauenden Fußgängerschutz, das in einem der nächsten neuen Modelle debütieren wird. „Das Ziel besteht darin, Unfälle mit Passanten vorherzusehen“, erklärt Dr. Ulrich Widmann, Leiter Entwicklung Fahrzeugsicherheit der Audi AG. „In vielen Fällen werden wir sie dadurch vermeiden können, fast immer können wir ihre Folgen mindern.“

Widmann umreißt die Größe der Aufgabe mit einer Reihe von Zahlen: „Zwölf Prozent des Unfallgeschehens in Deutschland sind Unfälle mit Fußgängern“, erläutert er. „2008 und 2009 waren hier jeweils rund 600 Tote zu beklagen, in vielen Ländern Süd- und Osteuropas lagen die Zahlen noch höher. Kinder sind leider überproportional oft beteiligt. Mehr als drei Viertel der Unfälle ereignen sich beim Überschreiten der Fahrbahn, dabei ist der Fußgänger zumeist nicht verdeckt. Bei jedem zweiten Fußgängerunfall bremst der Fahrer nicht oder nur schwach.“

Rechenarbeit für Notbremsung

Das Fußgängerschutzsystem von Audi beobachtet die Straße vor dem Auto und erkennt querende Passanten. In einer kritischen Situation stellt es komplexe Berechnungen an – sie berücksichtigen den möglichen Kollisionszeitpunkt, die aktuelle Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs und den anzunehmenden Weg des Fußgängers. Anhand dieser Parameter entscheidet das System, ob es eine Notbremsung auslösen muss. Die Rechenarbeit ist notwendig, um nicht zu oft blinden Alarm zu schlagen.

Wenn der Audi bei Beginn der Notbremsung 30 Stundenkilometer schnell ist – etwa in einer verkehrsberuhigten Zone –, kommt er rechtzeitig zum Stillstand. Bei 50 Stundenkilometern Anfangstempo baut er bis zur Kollision etwa 20 Stundenkilometer ab. Falls der Aufprall mit 20 Stundenkilometern oder langsamer erfolgt, geht er in aller Regel ohne schwerwiegende Verletzungen für den Fußgänger ab, wie die Untersuchungen von Audi ergeben haben.

Neben den intelligenten Simulationstechnologien haben die Ingenieure auch neue Methoden für die theoretische Berechnung entwickelt. Mit ihnen können sie auf Basis der Fakten aus den einschlägigen Unfall-Datenbanken – darunter auch Audi-eigenes Material – die Effektivität ihres Systems zuverlässig voraussagen. „Im Ergebnis schützt unsere Technologie den Fußgänger deutlich besser als alle passiven Lösungen, also Eingriffe in die Konstruktion oder das Design der Karosserie“, sagt Dr. Widmann. „Zudem profitiert auch der Fahrer von ihr.“

Bild: Audi
PMD-Darstellungen: links ein Grauwert-Bild, rechts die Entfernungs-Informationen. (Bild: Audi)

Dreidimensionale Abstandsmessung

Die entscheidende Voraussetzung für das Fußgänger-schutzsystem ist die Fähigkeit zur präzisen dreidimensionalen Abstandsmessung. Einfache Kameras und Radarsensoren eignen sich dafür nicht, auch Stereokameras haben Nachteile. Audi setzt auf eine neuartige, schlanke Technologie, die im eigenen Haus entstanden ist – die so genannte PMD-Diode (Photomischdetektor). Eine Lichtquelle sendet dabei im Takt von zehn Millisekunden unsichtbares Infrarotlicht in das Feld vor dem Auto. Es wird von den Objekten dort reflektiert und auf den Sensor zurückgeworfen, der im Sockel des Innenspiegels sitzt. Detektoren im Sensor messen die Laufzeiten der Lichtstrahlen und gleichen sie mit einem Referenzsignal ab – so entstehen Informationen über die Entfernung der Objekte. Die Messung erfolgt auf 6,6 Billionstel Sekunden genau.

Die Photonen, in Elektronen umgewandelt, werden in einer so genannten Ladungsträgerschaukel voneinander getrennt, so lassen sie sich pixelweise darstellen. „Jedes Pixel nimmt eine eigene Abstandsmessung vor. Gemeinsam liefern sie ein differenziertes Bild und plausibilisieren sich gegenseitig“, erklärt Torsten Gollewski, Leiter Elektroniksysteme Fahrzeugsicherheit.

Auf dem derzeitigen Stand integriert der Chip 1.024 Pixel, die auf einer Siliziumfläche von etwa 2,0 mal 0,5 Zentimeter gepackt sind. Die nächste Generation, die sich bereits in der Entwicklung befindet, bietet Chipgrößen von 40.000 bis 100.000 Pixel – das erlaubt es, auch das Grauwert-Bild auszuwerten, das der Chip zusätzlich mitliefert. In der PMD-Technologie werden der Abstand und der Grauwert mit nur einer Kamera gemessen, das bringt große Vorteile beim Package und Design.

Diode verleiht dem Auto Sehvermögen

Die Sensoren beobachten dank ihres Öffnungswinkels, der bis zu 90 Grad reichen kann, ein breites Feld. Sie eignen sich auch für Systeme mit schnellen Reaktionszeiten, etwa für die Anpassung von Rückhaltesystemen, weil sie 100 mal pro Sekunde neue Datenbilder generieren. Sie können stehende Ziele sicher erkennen, bremsen also auch auf stehende Autos hin und vermeiden damit viele Auffahrunfälle. Sie lassen sich von Regen oder starker Sonneneinstrahlung nicht stören, und sie arbeiten auch bei Dunkelheit – 60 Prozent aller tödlichen Fußgängerunfälle passieren in der Nacht. „Das Auto der Zukunft wird sein Umfeld noch genauer wahrnehmen können“, sagt Gollewski. „Die heutigen Crash-Sensoren reagieren erst dann, wenn ein Aufprall erfolgt – das ist so, wie wenn man blind gegen eine Wand liefe. Mit der PMD-Diode verleihen wir dem Auto Sehvermögen.“

Die Entwicklung der PMD-Diode
Audi war an der Entwicklung der PMD-Diode intensiv beteiligt. Vor zehn Jahren wurde die damals neu gegründete Audi Electronics Venture GmbH (AEV), die Elektronik-Denkfabrik der Marke, auf die ersten Protoypen aufmerksam; Professor Rudolf Schwarte, ein Wissenschaftler aus Siegen, hatte sie entwickelt. 2002 gründeten beide Seiten ein gemeinsames Unternehmen, die PMDTechnologies GmbH. Gollewski, damals Leiter Strategie und Finanzen der AEV, wurde einer der beiden Geschäftsführer.

Dr. Ulrich Widmann führt weiter aus: „Wir können die PMD-Sensoren überall dort benutzen, wo wir das Umfeld erkennen wollen – für den seitlichen Abstand in Autobahnbaustellen etwa, als Ergänzung zu unserem Radar-Tempomat ACC oder für sicheres Rückwärtsfahren. Mittelfristig können sie auch als Nachtsicht­geräte dienen. Wir können aber auch im Innenraum beobachten, wie der Beifahrer sitzt, damit der Airbag beim Crash passgenau auslöst.“

Außerhalb des Automotive-Bereichs hat sich die PMD-Diode bereits etabliert; Roboter und Gabelstapler können beispielsweise mit ihr sehen. Auch die großen Unternehmen der Unter­haltungselektronik setzen voll auf die neue Technologie. Als Ergänzung für Videospiel-Konsolen macht die Diode derzeit eine rasante Karriere, in deren Folge die Produktionskosten stark sinken. Die PMD-Diode kann die Welt bunter und unterhaltsamer machen – und vor allem sicherer.

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