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Die Technik hinter vernetzten Fahrzeugen und autonomem Fahren

| Autor/ Redakteur: Giacomo Tuveri* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

In vernetzten und/oder autonom fahrenden Fahrzeugen sind eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren verbaut. Damit hoch entwickelte Fahrassistenzsysteme möglich sind, müssen die Sensoren untereinander kommunizieren.

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Hinter vernetzten Fahrzeugen stecken eine vielzahl unterschiedlicher Sensoren. Damit sind hochentwickelte Fahrassistenzsysteme möglich.
Hinter vernetzten Fahrzeugen stecken eine vielzahl unterschiedlicher Sensoren. Damit sind hochentwickelte Fahrassistenzsysteme möglich.
(Bild: Continental)

Die aktuelle Entwicklung zeigt, in welche Richtung Mobilität in Zukunft gehen könnte: autonomes Fahren soll sicherer sein, verbessert die Straßennutzung und die Effizienz des Verkehrs und senkt Emissionen. Mit autonomen Fahrzeugen ist ein Uber-ähnlicher Taxidienst möglich und auch die Städte profitieren hin zu einem nachhaltigeren urbanen Leben.

Autonomes Fahren ist nicht länger eine Idee: In einigen Ländern fahren autonome Fahrzeuge. Autos nutzen in vielerlei Hinsicht Netzwerkdienste. Moderne Telematik hält Einzug in immer mehr Fahrzeuge, hoch entwickelte Fahrerassistenzsysteme und Online-Funktionen (V2X = Vehicle-to-Everything) sind fast Wirklichkeit.

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Verschiedene Sensortypen kombiniert = Sensorfusion

Moderne Fahrzeuge kommen kaum noch ohne Sensoren aus und die Sensoren werden immer kleiner, leichter und preisgünstiger. Verbaut in Assistenzsystemen wird dank ihnen das Fahren sicherer, sowohl für den Fahrer als auch für andere Verkehrsteilnehmer. Mit zunehmender Verbreitung werden sie billiger werden, dadurch können sie in immer mehr Fahrzeugen eingebaut werden.

Die Ultraschalltechnik in Fahrzeugen ist bereits ausgereift und die entsprechenden Sensoren sind preisgünstig und einfach einzusetzen. Aufgrund der Ausbreitungscharakteristik von Schall arbeiten Ultraschallsensoren nur auf kurze Distanz und bei niedrigen Geschwindigkeiten, etwa in Einparkassistenten oder um den toten Winkel zu erfassen.

Seit Radarsensoren in die Fahrzeugtechnik verbaut werden, sind sie ein wichtiger Bestandteil von Fahrerassistenzsystemen geworden. Sie können auf kurze, mittlere und große Distanz stationäre und bewegliche Objekte erkennen und liefern wichtige Informationen wie Abstand, Winkel und Geschwindigkeit. Anders als optische Sensoren wie LiDAR und Kameras werden Radarsensoren vom Wetter und von den Lichtverhältnissen deutlich weniger beeinträchtigt. Aufgrund dieser Störunempfindlichkeit werden sie gern in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie etwa adaptiven Tempomaten, Kollisionsvermeidungssystemen und Notbremsassistenten eingesetzt.

Radarsysteme in Fahrzeugen für kurze Distanzen werden aktuell in zwei Frequenzbändern betrieben: im K-Band mit 24 GHz und im W-Band mit 79 GHz. Allerdings wird die Nutzung des niedrigeren Frequenzbereichs im K-Band in Europa für neue Fahrzeuge ab dem Jahr 2022 auslaufen, um andere Nutzer des 24-GHz-Bandes vor Störungen zu schützen [1]. Der Wechsel zur höheren Frequenz entlastet nicht nur das niedrigere Frequenzband von gegenseitigen Störungen, sondern bietet auch eine Reihe von anderen Vorteilen. Die höhere Frequenz ermöglicht kleinere Sensoren, eine bessere räumliche Auflösung und größere Betriebsbandbreiten.

Laser- und Infrarotsensoren im Fahrzeug

Optische Systeme entwickeln sich weiter in Richtung kleinere Kameras mit höheren Auflösungen und in Richtung stereoskopische Kameras. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo Radarsensoren Objekte nicht erkennen oder nicht klassifizieren können. Kamerasensoren sind relativ preisgünstig, brauchen aber viel Rechenleistung. Wenn Wetter und Lichtverhältnisse günstig sind, liefern sie gute Bilder, bei ungünstigen Wetter- und Lichtverhältnissen ist die Bildqualität allerdings oft unzureichend.

Der Einsatz von Laser- (LiDAR-) und Infrarotsensoren im Fahrzeug wird gerade diskutiert. Ihr Nachteil ist, dass sie noch relativ teuer sind, weshalb beide Techniken noch relativ wenig eingesetzt werden. LiDAR-Sensoren liefern hochaufgelöste 3-D-Bilder, die für autonomes Fahren unabdingbar sind. Leider reagieren sie – wie Kameras – recht empfindlich auf Wetterbedingungen. Infrarotsensoren andererseits liefern auch in der Nacht gute Bilder. Für einen breiten Einsatz in der Fahrzeugtechnik müssen diese beiden Techniken aber noch deutlich im Preis sinken.

Unterschiedliche Sensortypen vereint

Unterschiedliche Sensoren haben unterschiedliche Stärken und Schwächen. Die Fahrzeughersteller kombinieren daher mehrere unterschiedliche Sensortypen, die einander ergänzen und somit ihre Grenzen gegenseitig kompensieren. Man nennt das Prinzip der Kombination verschiedener Sensortypen Sensorfusion. Unterschiedliche Funktionsprinzipien und Redundanz durch Sensorfusion werden als unabdingbar für eine genaue und verlässliche Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs angesehen.

Neben einem Fahrzeugsensornetz benötigen autonome Fahrzeuge eine Kommunikation nach außen. V2X ist eine Schlüsseltechnik, um die Umgebung eines Fahrzeugs zu erfassen. Dazu kommuniziert es mit anderen Fahrzeugen sowie mit der Umgebung. Dieses Kommunikationskonzept setzt auf den Austausch von Nachrichten mit anderen Fahrzeugen (V2V), mit dem Netz (V2N), mit Fußgängern (V2P) und mit der Infrastruktur (V2I). V2X-Kommunikation kann Menschenleben retten, denn sie verbessert die Umfeldwahrnehmung von Fahrzeugen weiter, das erhöht die Verkehrssicherheit und verbessert die Verkehrseffizienz.

Ursprünglich war WiFi die erste Wahl als Funktechnik für V2X. Mit WiFi lässt sich direkt zwischen Knoten kommunizieren und das mit geringer Latenz. Der neue Standard IEEE 802.11p – ITS-G5 (in Europa) oder DSRS (in Nordamerika) – wurde konzipiert und spezifiziert, um die strengen Leistungsanforderungen für intelligente Transportsysteme (ITS) zu erfüllen. In den vergangenen Jahren hat man etliche Feldversuche durchgeführt. WiFi-basierte V2X ist mittlerweile ausgereift und schon fast einsatzbereit.

Kooperative intelligente Transportsysteme

Aktuell wird mit C-V2X (= cellular V2X) ein zweites Verfahren erprobt. Es baut auf R14 der 3GPP-Mobilfunktechnik LTE auf. Die Initiatoren von C-V2X betonen, dass sich Mobilfunktechnik gegenüber einem WiFi-basierten Ad-hoc-Netz Vorteile bei der Sicherheit, der Steuerung des Datenverkehrs im Netz und der Zuverlässigkeit biete. Außerdem kann man so die vorhandene Mobilfunkinfrastruktur für den Netzzugang (V2N) einsetzen. Weiterhin verbessert 3GPP R14 die Schnittstelle PC5 Sidelink für direkte Kommunikation und erlaubt es, dass eine Kommunikation von V2V und den Fahrzeugen möglich ist. Zuletzt bietet C-V2X als Teil der 3GPP-Standardfamilie einen Weg zur Weiterentwicklung hin zu 5G.

Es werden also zwei unterschiedliche Techniken für kooperative intelligente Transportsysteme (C-ITS) erwogen: 802.11p und C-V2X. Auf der einen Seite stehen beide Techniken zueinander in Konkurrenz. Auf der anderen Seite hat es möglicherweise Vorteile, beide Techniken nebeneinander zu betreiben, um von den Vorteilen beider zu profitieren. Schließlich verfolgen beide das gleiche Ziel:eine sichere und effizientere Mobilität.

V2X wird allgemein als unabdingbar für höheren Automatisierungsgrad (SAE J3016 [2]) angesehen, weil die Technik Informationen über Sachverhalte außerhalb der Sicht von Fahrzeugen liefert und somit einen menschlichen Fahrer oder ein autonomes Steuersystem über Gefahren informiert, die vom Fahrzeug aus nicht zu sehen sind. Man erwartet, dass 5G, die als URLLC-Technik (Ultra Reliable Low Latency Communication – ultrazuverlässige Kommunikation niedriger Latenz) konzipiert ist sogar noch mehr sicherheitsrelevante Information aus dem Netz liefern wird.

Sichere Kommunikationsnetze im Fahrzeug

Moderne Fahrzeuge enthalten immer mehr Elektronik mit zugehöriger Software. Anwendungen wie Rundumsicht, Borddiagnostik, Infotainment und Telematik erfordern immer mehr Bandbreite. Mit zunehmender Intelligenz, wie sie Sensorfusion und V2X-Kommunikation braucht, wird im Fahrzeug ein Hochgeschwindigkeitsdatennetz erforderlich, das Echtzeitübertragung und -datenverarbeitung inner-halb des Fahrzeugs ermöglicht.

Die OPEN-Alliance (One Pair Ethernet [3]) wurde gegründet, um Automotive-Ethernet als offenen Standard zu etablieren und seine möglichst große Verbreitung in der Fahrzeugbranche zu befördern. Diese Ethernet-Technik ist verhältnismäßig neu als Kommunikationstechnik für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen in Fahrzeugen. Sie wurde eingeführt, um dem stets steigenden Bandbreitenbedarf in Fahrzeugen gerecht zu werden und gleichzeitig gegenüber vorhandenen drahtgebundenen Kommunikationstechniken in Fahrzeugen Geld, Gewicht und Komplexität einzusparen. Das modulare Konzept von Ethernet-Transceivern, -Switches und -Controllern ermöglicht Skalierbarkeit und Flexibilität.

Ein Ethernet-Kommunikationsnetz wird als entscheidende Infrastrukturkomponente für zukünftiges autonomes Fahren und das verbundene Auto angesehen. Bei der Fahrzeugverkabelung geht die Tendenz weg von heterogenen Netzen mit proprietären Protokollen (CAN, MOST) hin zu homogenen, hierarchisch aufgebauten Netzen von Automotive-Ethernet. Die IEEE-Normgremien arbeiten aktuell daran, die vorhandenen Ethernet-Standards 802.1 und 802.3 durch Ergänzung von Funktionen zum Time Sensitive Networking = TSN mit deterministischem Verhalten zu erweitern. Ein solches Verhalten ist für kritische Echtzeitanwendungen unabdingbar. Mit dieser Ergänzung ist Ethernet dafür gerüstet, als Kernnetz das Rückgrat für künftige Anwendungen in Fahrzeugen bereit-zustellen.

Referenzen

[1] https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/content/radar-your-car
[2] https://www.sae.org/misc/pdfs/automated_driving.pdf
[3] http://opensig.org/home/
[4] Informationsschrift von Ixia, “Automotive Ethernet: An Overview”, May 2014

* Giacomo Tuveri arbeitet bei Keysight Technologies als Marketing Industry Manager.

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