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Autonomes Fahren: Die Bedeutung von intelligenten und sicheren Halbleiterbausteinen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) werden immer ausgefeilter, umfassender und sorgen für immer mehr Autonomie beim Fahren, bis das ultimative Ziel des vollständig autonomen Fahrens erreicht ist. Doch der Weg hin zu autonomen Fahrzeugen erfordert die Entwicklung intelligenter, sicherer und robuster Halbleiterbausteine.

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Autonomes Fahren: Der Weg von ADAS über Advanced ADAS hin zu vollständig autonomen Fahrzeugen erfordert die Entwicklung intelligenter, sicherer und robuster Halbleiterbausteine.
Autonomes Fahren: Der Weg von ADAS über Advanced ADAS hin zu vollständig autonomen Fahrzeugen erfordert die Entwicklung intelligenter, sicherer und robuster Halbleiterbausteine.
(Bild: Daimler AG)

Die Einstellung zum Fahren ändert sich: Die letzte Generation genoss in hohem Maße das Autofahren, einige vergötterten fast ihre Autos. Heutzutage wollen immer mehr Menschen schnell, sicher und effizient von A nach B kommen.

Sicherheit ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung der neuen Fahrzeuge, die autonomer werden sollen. Zahlen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für das Jahr 2017 belegen, dass 1,25 Mio. Menschen jährlich bei Straßenverkehrsunfällen ums Leben kommen und weitere 20 bis 50 Mio. verletzt werden. Die Ursache dieser Verkehrsunfälle ist überwiegend menschliches Versagen. Zahlen des US-Verkehrsministeriums vom Mai 2016 besagen, dass 94% der jährlichen Unfälle in den USA durch Fahrfehler verursacht wurden.

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Revolution oder Evolution?

Der Weg zu autonomen Fahrzeugen findet nicht über eine Revolution, sondern über eine schnelle Evolution statt. Ernsthafte Forschungen wurden seit den 1980er Jahren immer stärker vorangetrieben. Heute gibt es etwa 50 Unternehmen, die aktiv an der Entwicklung autonomer Fahrzeuge beteiligt sind. Hinzu kommt eine Reihe bedeutender Universitätsprojekte, die Grenzen neu stecken.

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen ist weit verbreitet, und in wichtigen Bereichen wie dem Antriebsstrang, der Karosserie, im Innenraum, der Beleuchtung und in aktiven Sicherheitssystemen findet sich heute anspruchsvolle Elektronik. Während sich jedes dieser Systeme weiter entwickelt, zeigt sich ein Trend hin zu mehr Sensorik und Fahrzeugvernetzung, mit der einzelne Funktionen in einem integrierten autonomen Fahrzeug vereint werden.

Viele Fahrzeuge verfügen bereits über eine autonome Notbremsung, Spurhaltewarnsysteme, aktive Geschwindigkeitsregelung, Überwachung toter Winkel und automatisches Einparken. Diese Systeme, die nicht mehr nur auf Fahrzeuge der Oberklasse beschränkt sind, liefern wertvolle Informationen für den Fahrer, der im Wesentlichen die Kontrolle behält – vorerst noch.

Der Wendepunkt

Da sich Serienfahrzeuge durch ADAS-Funktionen immer weiter entwickeln, um eines Tages ein vollständig autonomes vernetztes Fahrzeug hervorzubringen, erreicht die Branche einen Wendepunkt, wo das Fahrzeug selbst eine integrierte Überwachung bereitstellt. Da wir zunehmend auf automatisierte Systeme und große Datenmengen angewiesen sind – auch außerhalb des Fahrzeugs – werden funktionale Sicherheit und Cyber-Sicherheit zunehmen an Bedeutung gewinnen – ein Faktor, der von Unternehmen wie ON Semiconductor erkannt wird, die sich bereits mit Hardware- und Software-Neuerungen befassen.

Um diese Entwicklung erfolgreich umzusetzen, ist eine effektive Verschmelzung von Sensorfunktionen (Sensorfusion) erforderlich. Werden die verschiedenen Systeme im Fahrzeug miteinander vernetzt, steigt die Fähigkeit, komplexere, sicherheitskritische Entscheidungen treffen zu können. Zudem steigt die Redundanz, die Fehler verhindert, die zu Unfällen führen können.

Sensorfusion

Bildverarbeitung wird in der Fahrzeugtechnik immer wichtiger, um aktive Sicherheitsfunktionen zu unterstützen, die alles von Rückfahrkameras bis hin zu zukunftsweisenden und im Fahrzeuginnenraum befindlichen ADAS umfassen.

Unterschiedliche Sensorarten weisen jedoch ihre eigenen Stärken und Schwächen auf, wie zum Beispiel hohe oder kurze Reichweite oder die Fähigkeit, bei schlechter Witterung zu arbeiten. Daher wird es unerlässlich sein, die Daten mehrerer Sensorarten zu kombinieren und zu verarbeiten, um sicherzustellen, dass die richtigen Entscheidungen, Reaktionen und Anpassungen getroffen werden. Dazu zählen Kombinationen von Bildsensoren, Radar und LiDAR.

Zusätzlich zu seiner bereits marktführenden Position und seinem Angebot an Bildsensoren erweitert ON Semiconductor sein Automotive-Sensorik-Angebot nun um Radartechnik für Fahrzeuge, um die Sensorfusion zu verbessern und Fahrzeugautonomie voranzutreiben.

Funktionale Sicherheit

Der Hauptsensor in den meisten ADAS-Systemen ist der Bildsensor – ein wesentlicher Bestandteil für die gesamte funktionale Sicherheit des Systems. Mit der Einführung der ISO 26262 decken die Fahrzeugsicherheits-Integritätslevel den Bereich ASIL-A (niedrigster) bis ASIL-D (höchster) ab. Ein ASIL-Level wird durch drei Faktoren bestimmt: die Schwere eines Fehlers; die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler auftritt; und die Fähigkeit, die Auswirkung des Fehlers zu steuern.

Funktionale Sicherheit beginnt beim Sensor. Probleme wie die Latenz und eine schnelle Fehlererkennung werden von den Fahrzeugherstellern, Tier-1-Zulieferern und Sensorherstellern gleichermaßen als wesentliche Herausforderungen erkannt. Die Auswirkungen nicht erkannter Fehler in ADAS-Bildsensoren, insbesondere in Systemen wie der adaptiven Geschwindigkeitsregelung (Abstandsregeltempomat), Kollisionsvermeidung und Fußgängererkennung, können schwerwiegende Folgen haben.

Das Erkennen eines der Tausenden möglichen Fehlermodi ist rechenintensiv und erfordert einen Algorithmus für jeden Fehler. Einige Fehler sind sogar auf der Systemebene nicht zu erkennen. Die Latenz (die Zeit zwischen dem Auftreten eines Fehlers und dem Zurückkehren des Systems in einen sicheren Zustand) in fehlertoleranten Systemen ist ein Hauptanliegen aller Systementwickler. Um sicher zu sein, muss der Fehler erkannt und behoben werden, bevor ein gefährliches Ereignis eintreten kann.

Da Bildverarbeitungssensoren immer fortschrittlicher werden, verlagert sich die Erkennung funktionaler Sicherheitsfehler vom ADAS-System zum Sensor selbst. Auf diese Weise ist die Erkennung bereits integriert und Fehler werden durch das Design identifiziert. Der Vorteil der sensorgestützten Erfassung ist eine bessere Fehlererkennung sowie eine Entlastung der ADAS-Rechenkapazität.

Viele ADAS-Systeme haben damit zu kämpfen, ASIL-B-Konformität zu erfüllen. In naher Zukunft wird die Anzahl der Systeme, die ASIL-B erfüllen müssen, drastisch steigen. Zukünftige ADAS-Systeme müssen die noch strengeren ASIL-C- und ASIL-D-Richtlinien erfüllen, wenn sie weiträumig zum Einsatz kommen sollen. ON Semiconductor ist hier bereits aktiv tätig und verfügt über hochentwickelte Sicherheitsmechanismen, die in viele seiner Bildsensoren integriert sind, um umfassende funktionale Sicherheit zu gewährleisten.

Fazit

Der Weg hin zu vollständig autonomen Fahrzeugen wird weiter geebnet, und die Branche erreicht einen Wendepunkt. Fortschrittliche und funktionssichere Bildverarbeitungssensoren werden die Grundlage zukünftiger ADAS-Systeme bilden. Durch die „Verschmelzung“ dieser Sensoren mit anderen Fahrzeugtechniken und garantierter Cyber-Sicherheit wird die Branche diesen Wendepunkt hinter sich lassen, um die Vision echter autonomer Fahrzeuge eines Tages in die Realität umzusetzen.

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