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Fünf Aufgaben der Ultraschalltechnik im Fahrzeug

| Autor / Redakteur: Mubina Toa* / Benjamin Kirchbeck

Es gibt zwar viele Techniken, mit denen sich Präsenz, Nähe und Position ermitteln lassen, doch die Ultraschalltechnik ist aufgrund ihrer niedrigen Systemkosten besonders beliebt (Symbolbild).
Es gibt zwar viele Techniken, mit denen sich Präsenz, Nähe und Position ermitteln lassen, doch die Ultraschalltechnik ist aufgrund ihrer niedrigen Systemkosten besonders beliebt (Symbolbild). (Bild: Clipdealer)

Per Knopfdruck fährt Ihr Auto automatisch vor, öffnet die Tür, damit Sie einsteigen können, bewegt sich daraufhin auf dem zügigsten Weg zu Ihrem Arbeitsplatz, fährt in das Parkhaus durch automatisierte Schranken, parkt autonom in die freie Lücke ein, lässt Sie aussteigen und lädt sich dann während der Standzeit auf. Ein zentrales Element des Ganzen: Ultraschallsensoren.

Ein zentrales Element der Automatisierung sind Sensoren, die man nicht nur in den Fahrzeugen findet, sondern auch in deren Umfeld, wo sie ein intelligentes Netzwerk bilden. Mit einem vernetzten System aus Sensoren und Daten, die die Welt so, wir sie sehen, abbilden, kennt der Weg in die Zukunft tatsächlich keine Grenzen. Ultraschallsensoren nutzen Schallwellen, um die Präsenz oder die Nähe eines Objekts festzustellen. Hierzu wird eine Ultraschallwelle ausgesendet, deren Echo anschließend empfangen wird. Dieses Echo entsteht, wenn der Schall durch ein innerhalb der Reichweite befindliches Objekt zurückgeworfen wird. Anhand der Zeit, die der Schall für den Weg zum Objekt und wieder zurück benötigt, lässt sich die Entfernung bestimmen. Gleichung 1 gibt die einfache Formel wieder, die für Entfernungsberechnung benutzt wird: Entfernung= (thin_und_zurück*VSchall)/2

Es gibt zwar viele Techniken, mit denen sich Präsenz, Nähe und Position ermitteln lassen, aber die Ultraschalltechnik ist hier besonders beliebt, weil sie sich durch niedrige Systemkosten, die Eignung auch für schmutzintensive Umgebungen, die Fähigkeit zur Detektierung von Glasflächen sowie die Verwendungsmöglichkeit bei jeglichen Lichtverhältnissen auszeichnet. Untersuchen wir nun einmal, wie die Ultraschalltechnik im Fahrzeug und in seiner Umgebung fünf Aufgaben wahrnehmen kann, die das Fahrerlebnis verbessern.

1. Erkennung von Parkplatzschranken

Schranken werden in Parkhäusern, an Parkplätzen und in anderen Einrichtungen aus Sicherheitsgründen und zum Eintreiben der Parkgebühr eingesetzt. Hier bewähren sich Ultraschallsensoren, da sie in geschlossenen Räumen und im Außenbereich eingesetzt werden können und unter allen Beleuchtungsbedingungen funktionieren.

Mit der Ultraschalltechnik bereitet es keine Probleme, einerseits größere Objekte wie etwa Autos und Motorräder zu detektieren und andererseits kleinere Objekte wie zum Beispiel Tiere oder Abfall zu übergehen, sodass sich die Fehlerkennungsrate gegenüber anderen Präsenzdetektor-Techniken verringert.

2. Erkennung von Parklücken

Größere Parkgaragen nutzen Parklücken-Sensoren, um anzuzeigen, ob eine Parklücke frei oder besetzt ist. Diese Sensoren senden ihre Informationen an einen zentralen Server, der die Zahl der freien und besetzten Parklücken in einem bestimmten Bereich oder auf einer Etage bündelt und auf Displays darstellt, um den Autofahrern den Weg zum nächsten freien Platz anzuzeigen.

Diese Sensoren können im Boden oder an der Decke montiert sein und lassen sich deshalb auch in bestehenden Gebäuden einfach nachrüsten. Um Strom zu sparen, reicht es für hinreichend genaues Zählergebnis aus, diese Sensoren nur in Abständen von mehreren Minuten kurz zu aktivieren.

3. Einparkhilfe

In der Vergangenheit waren nur Oberklasse-Fahrzeuge mit Ultraschall-Einparkhilfen ausgestattet, die den Autofahrern durch das Erkennen von Hindernissen Informationen über das Umfeld gaben. Inzwischen sind die Ultraschall-Sensoren jedoch kostengünstiger und leistungsfähiger geworden, weshalb sie auch in Fahrzeugen der Unter- und Mittelklasse immer mehr an Verbreitung gewinnen.

Im Zuge des zunehmenden Trends zum autonomen Fahren werden Ultraschall-Einparkhilfen im Verbund mit anderen Sensoren Hilfestellung beim vollautomatischen Einparken von Fahrzeugen leisten. Industriestandards verlangen, dass Ultraschall-Einparksensoren einen Erfassungsbereich von bis zu 5 m bieten und Objekte mit einer Breite ab 75 mm aufwärts erkennen können.

4. Kabelloses Laden und Elektrofahrzeug-Ladestationen

Mit der wachsenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen werden auch die Ladestationen immer zahlreicher. Es gibt sie grundsätzlich in zwei Ausprägungen – nämlich als kabelloses Lade-Pad oder als eine Station, die Ähnlichkeit mit einer traditionellen Zapfsäule hat. Kabellose Ladeflächen werden in der Regel im Boden eines Parkplatzes installiert und dienen zum Laden eines darüber geparkten Fahrzeugs. Ultraschall-Sensoren sorgen hier dafür, dass das Lade-Pad von dem Fahrzeug vollständig überdeckt wird, damit das Laden mit maximaler Effizienz erfolgen kann.

Mit einem eingebetteten Sensor lässt sich überdies sicherstellen, dass sich vor dem Beginn des Ladevorgangs keine Fremdobjekte (z. B. ein Haustier) in der Nähe befindet. Kabellose Ladestationen sind oft mit Sensoren ausgestattet, die zum Energiesparen beitragen, indem sie die Station im Sleep-Modus halten, solange sich kein Fahrzeug nähert.

5. Kick-to-Open-Kofferraumdeckel

Kick-to-Open-Kofferraumdeckel oder intelligente Kofferraumöffner werden bei modernen Fahrzeugen immer beliebter. Mit ihnen kann man den Kofferraum auch öffnen, wenn man seine Hände nicht frei hat, indem man den Fuß unter den Stoßfänger hebt. Andere Karosseriesensoren an den Türen und an der Heckklappe können sicherstellen, dass sie beim Öffnen nicht gegen Wände, Lampenmasten, andere Fahrzeuge oder Menschen schlagen.

In diesen Anwendungen werden kapazitive Sensoren verwendet. Diese können jedoch bei Eis und Schnee ausfallen, sodass Ultraschall-Sensoren, die von derartigen Umgebungsbedingungen nicht beeinträchtigt werden, die attraktivere Lösung sind.

Mit der Ultraschall-Technologie an den Start

Die nachfolgende Abbildung zeigt den PGA460-Q1 Ultrasonic Sensor Signal Conditioning Evaluation Module mit Wandlern. Es hilft beim Evaluieren der Leistungsfähigkeit des Ultraschallsensor-IC von TI, wenn es um das Erkennen von Hindernissen und das Berechnen der Schalllaufzeit geht.

PGA460 Ultraschall-GUI.
PGA460 Ultraschall-GUI. (Bild: TI)

Im Bild erkennbar sind das Echosignal (gelbe Kurve) und die zeitlich variierenden Verstärkungs- und Schwellenwert-Register (weiß bzw. blau). Die eingebauten Schwellenwert-Register machen in vielen dieser Anwendungen die Entscheidung einfacher, wann eine Funktion aktiviert werden soll. Im Beispiel der Parklücken-Erkennung etwa lässt sich der Schwellenwert so einstellen, dass Objekte wie etwa kleine Tiere ignoriert werden, während gewünschte Objekte wie etwa Fahrzeuge, die ein stärkeres Signal erzeugen, erkannt werden.

Fazit

Die Ultraschall-Sensorik ist vorteilhaft für die Hindernis- und Näherungserkennung. Sie ermöglicht Fahrzeugen eine intelligente Entscheidungsfindung und befähigt sie dazu, ihr Umfeld zu erfassen, um Abläufe zu automatisieren sowie die Effizienz und Sicherheit zu verbessern.

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* Mubina Toa ist als Product Marketing Engineer für Texas Instruments tätig.

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