Suchen

DMS-Design – Was bei Fahrerüberwachungssystemen zu beachten ist

| Autor/ Redakteur: Rajat Sagar* / Benjamin Kirchbeck

Wie im ersten Teil darlegt, kann ein Fahrerüberwachungssystem (Driver Monitoring System, DMS) die Echtzeit-Rückmeldungen, die an die Lenk- und Steuerungssysteme gelangen, wirkungsvoll aufwerten. Allerdings sind für Designer wichtige Überlegungen anzustellen. Worauf es ankommt, lesen Sie im zweiten Teil.

Firmen zum Thema

Schläfrige und abgelenkte Autofahrer sinnd ein gravierendes Sicherheitsrisiko. Die DMS-Technik kann Hilfestellung leisten.
Schläfrige und abgelenkte Autofahrer sinnd ein gravierendes Sicherheitsrisiko. Die DMS-Technik kann Hilfestellung leisten.
(Bild: gemeinfrei / CC0)

In der Regel vereinfachen sich die Design-Herausforderungen, wenn es um ein System für eine kontrollierte Umgebung geht, dessen Lichtquelle im Interesse einer optimalen Bildqualität kalibriert wird. Größe und Form der DMS-Plattform sind keine entscheidenden Restriktionen, und auch bezüglich der Leistungsaufnahme und der Wärmeentwicklung gibt es keine strikten Grenzen. Das Haupt-Designkriterium für ein DMS ist vielmehr die Robustheit und Genauigkeit des im System verwendeten Algorithmus.

Der Innenraum eines Fahrzeugs mag in erster Näherung wie eine recht gut definierte Umgebung erscheinen. In Wirklichkeit aber verhält es sich völlig anders, denn das Innere eines Fahrzeugs stellt eine nicht vorhersagbare Umgebung dar. Unter anderem geht es hier um wechselnde Lichtverhältnisse, Reflexionen der Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge und unterschiedliche Umgebungstemperaturen – und die Liste ist damit nicht vollständig.

Diese Faktoren machen es notwendig, die Systeme mit Algorithmen auszustatten, die mit schwierigen Umgebungsbedingungen fertig werden. Ein weiterer Aspekt, der die Systemkomplexität erhöht, ist außerdem die notwendige Anpassung an die Formgestaltung des Fahrzeugs, denn schließlich sind die Automobildesigner ständig dabei, neue Designkonzepte einzuführen und gleichzeitig die Komfortmerkmale für die Fahrer zu maximieren. Diese Vorgaben aber machen es häufig erforderlich, den Anbringungsort der DMS-Kamera zu ändern.

In der Praxis müssen DMS-Designer die folgenden Dinge beachten:

  • Das DMS muss qualitativ hochwertige Bilder liefern, damit auch bei schlechten Lichtverhältnissen (d. h. nachts, im Tunnel oder bei ungünstigem Wetter) eine zuverlässige Bildverarbeitung möglich ist.
  • Die Kamera muss abhängig von der Konfiguration des Innenraums beliebig in der Instrumententafel, an der Lenksäule, einer Säule oder im Rückspiegel angebracht werden können.
  • DMS-Lösungen können entweder als eigenständige Einheiten funktionieren oder in ein größeres Cluster- oder Infotainment-Steuergerät integriert sein.
  • Da DMS-Lösungen an Fahrassistenzsysteme oder autonome Fahrfunktionen angebunden sein können, deren funktionale Sicherheit kritisch ist, kann ein zusätzliches System-Assessment und eine ASIL-Zertifizierung erforderlich sein.

Damit diese Systemanforderungen erfüllt werden können, muss das SoC folgendes bieten:

  • Ausreichend Performance zur Verarbeitung komplexer Bildverarbeitungs- und KI-Algorithmen (künstliche Intelligenz)
  • Flexibilität für den Anschluss neuer Sensoren und zur Unterstützung unterschiedlicher System-Topologien (z. B. vom eigenständigen Single-Box-Design bis zum Steuergerät für eine integrierte Cluster/Infotainment+DMS-Lösung mit Sensoren von großer Reichweite)
  • Geringer Stromverbrauch für kompakte Designs (eine entscheidende Vorgabe, damit sich das System an beliebiger Stelle im Fahrzeug platzieren lässt)
  • Funktionale Sicherheit und Automotive-Tauglichkeit

Eine System-on-Chip-Lösung (SoC) wie etwa ein Prozessor der TDA3x-Reihe (Bild 1) bringt weitere Innovationen in die DMS-Lösungen ein, indem sie ein optimiertes Konzept für die Bild- und Sensorverarbeitung in kompakten, wenig Strom verbrauchenden Designs bietet. Jacinto™ 6 Automotive-Prozessoren wie die TDA3x-Familie bilden ein skalierbares Portfolio von SoCs, mit deren Hilfe Entwickler auf einer einheitlichen Softwarebasis eine breite Palette von Performance- und Systemanforderungen abdecken können.

Mit einem SoC der TDA3x-Familie kann eine DMS-Lösung dies bieten:

  • Gesteigerte Bildqualität: Der fortschrittliche Image Signal Processor (ISP) in den TDA3x-Prozessoren erlaubt eine ausgefeilte Sensorverarbeitung mit erweiterter Unterstützung für Bildsensoren wie etwa Global-Shutter-, RGB-IR- und Rolling-Shutter-Sensoren. Die DMS-Lösung kann sich daher effektiv an wechselnde Lichtverhältnisse anpassen und Systemrauschen ausfiltern, um eine herausragende Bildqualität zu liefern.
  • Reduzierte Wärmeentwicklung: Die heterogene TDA3-Architektur nutzt die integrierte Embedded Vision Engine (EVE) und den ebenfalls eingebauten C66x-DSP für eine effiziente Softwareverarbeitung mit geringer Leistungsaufnahme (<2,5 W), wodurch weniger Wärme entsteht.
  • Flexiblere Kamerapositionierung: Der geringe Platzbedarf des TDA3x-Bausteins ermöglicht Entwicklern die Anpassung an Leiterplatten-Designs, die den Bildaufnehmer, eine IR-LED, die Stromversorgung und den Speicher beherbergen. Alternativ können Entwickler auch eine zentrale Verarbeitungs-Leiterplatte mit einer per LVDS angeschlossenen abgesetzten Kamera verwenden. Dies gestattet eine flexiblere Anbringung des kleineren, reinen Kameramoduls an platzbeschränkten Orten innerhalb des Fahrzeugs.

Bild 1: System-Blockschaltbild von Fahrerüberwachungssystemen mit den Prozessoren TDA3x und TDA2Px.
Bild 1: System-Blockschaltbild von Fahrerüberwachungssystemen mit den Prozessoren TDA3x und TDA2Px.
(Bild: TI)

Entwicklungs-Kits können Designern ebenfalls wirksame Starthilfe bei der zügigen Entwicklung ihrer DMS-Lösung bieten. Das in Bild 2 gezeigte DMS-Kit von D3 Engineering etwa kombiniert den Automotive-Prozessor TDA3x mit Kameramodulen und Bildverarbeitungs-Algorithmen, um Ingenieuren bei der Evaluierung dieser Technik und der Entwicklung von DMS-Applikationen zu helfen.

Das von D3 Engineering angebotene DMS Kit enthält eine DesignCore RVP-TDA3x Rugged Vision Platform. Die ECU umfasst ein TDA3x System-on-Module (SOM) Board, die zugehörige Firmware und ein individualisierbares Baseboard in einem robusten Gehäuse. Zwei D3CM-Kameramodule ermöglichen die Fahrerüberwachung und ein Iris-Tracking. Die Kameras enthalten 2-MP-Sensoren, IR-Beleuchtung für einen zuverlässigen Betrieb bei wechselnden Lichtverhältnissen (gemäß den von TI veröffentlichten Spezifikationen) und eine RGB-LED für Rückmeldungen an den Benutzer während der Systementwicklung.

Bild 2: DMS-Entwicklungs-Kit von D3 Engineering.
Bild 2: DMS-Entwicklungs-Kit von D3 Engineering.
(Bild: TI)

FotoNation-Algorithmen sind für den Betrieb auf der ECU optimiert. Zur FotoNation-Applikationsbibliothek gehören die Blick- und Kopfpositions-Verfolgung und die 3D-Erkennung von Gesichtsmerkmalen. Neben autonomen Fahrfunktionen und Fahrassistenzsystem-Features haben Ingenieure damit die Möglichkeit zur Entwicklung von Innenraumabsicherungs- und Individualisierungs-Features auf Basis der Fahrer-Identifizierung durch Gesichts- und Iriserkennung.

Das DMS-Kit von D3 unterstützt semi-autonome Fahrzeuge gemäß Level 2 und Level 3, indem es sicherstellt, dass der Fahrer in der Lage ist, bei Bedarf die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen. Das Kit unterstützt darüber hinaus noch weitere Anwendungsfälle wie die Bediener-Authentisierung sowie die Wachheits- und Schläfrigkeitserkennung für industrielle Einsätze und semi-autonome Automobilsysteme.

Das DMS-Kit ist gleichermaßen für Tests im Fahrzeug oder im Feld geeignet. Es unterstützt die Entwicklung von EVT-Einheiten (Engineering Verification Test) und A-Mustern für den Automobilbereich mit Unterstützung durch die Produktentwicklungs-Services von D3 Engineering. Das Kit soll den Weg zur Produktion ebnen, und zwar sowohl für serienmäßig in die Armaturentafel eingebaute Lösungen als auch für nachrüstbare DMS-Lösungen.

Schläfrige und abgelenkte Autofahrer haben sich weltweit als ein gravierendes Sicherheitsrisiko herausgestellt. Die DMS-Technik kann Hilfestellung beim Erkennen abgelenkter und potenziell schläfriger Autofahrer leisten, indem sie die Kopf- und Augenposition präzise misst und die Aufmerksamkeit bzw. Müdigkeit des Fahrers einordnen kann. Die TDA-Prozessoren ermöglichen DMS-Lösungen nach dem neuesten Stand der Technik, mit künstlicher Intelligenz (KI) und Computer-Bildverarbeitung in stromsparenden Rechnerlösungen an der Edge. Auf diese Weise lässt sich die Ausstattung künftiger Autos wirksam aufwerten.

* Rajat Sagar arbeitet als Automotive Systems Engineer für Texas Instruments

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 45754008)