Wie Time-of-Flight-Sensoren die Sicherheit und den Komfort im Kfz erhöhen

| Autor: Gualtiero Bagnuoli

Während die Serienfertigung vollautonomer Fahrzeuge noch in ferner Zukunft ist, kann iToF durch die Überwachung des Fahrers und seines Verhaltens einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit im Straßenverkehr leisten.
Während die Serienfertigung vollautonomer Fahrzeuge noch in ferner Zukunft ist, kann iToF durch die Überwachung des Fahrers und seines Verhaltens einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit im Straßenverkehr leisten. (Bild: Clipdealer)

Die berührungslose Sensorik ist aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten eine der wichtigsten im Fahrzeug. Seit einiger Zeit gewinnt auch die Erfassung der Fahrzeuginsassen an Bedeutung. Warum sich hierbei speziell Time-of-Flight-Sensoren eignen, erläutert Melexis im nachfolgenden Beitrag.

Da Fahrzeuge immer fortschrittlicher werden, kommen immer mehr Sensoren zum Einsatz, die es den automatisierten Systemen ermöglichen, den Fahrer zu unterstützen und Fahrzeuge in Zukunft vollständig autonom zu steuern. Während viele verschiedene Sensoren zum Einsatz kommen, ist die berührungslose Sensorik eine der wichtigsten, da sie die Fahrzeugumgebung erfasst, das Risiko von Kollisionen vermindert und weitere Anwendungsmöglichkeiten im Automobilbereich bietet. Seit geraumer Zeit wird aus Sicherheitsgründen auch auf die Erfassung der Fahrzeuginsassen im Innenraum Wert gelegt.

Prinzipien der Time-of-Flight-Erfassung im Fahrzeuginnenraum

Time-of-Flight-(ToF-)Sensoren ermöglichen die Erkennung von Objekten und liefern Informationen über deren Position und Bewegung im dreidimensionalen Raum. Sie unterstützen die Identifizierung von Objekten, indem die Form, Größe und Ausrichtung des Objekts erkannt wird. Die Technik beruht darauf, dass Licht, das vom zu erkennenden Objekt reflektiert wird, mit einer Lichtquelle wie einem LED-Array oder einem VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) zusammen mit einer Strahlformungsoptik verwendet wird, um eine Lichtquelle zu erzeugen, die die Szene beleuchtet. Ein hochentwickelter Sensor-IC erkennt und misst das von jedem in Reichweite befindlichen Objekt reflektierte Licht.

Bild 1: Blockdiagramm eines ToF-Erfassungssystems mit Lichtquelle, Sensor und Companion-IC.
Bild 1: Blockdiagramm eines ToF-Erfassungssystems mit Lichtquelle, Sensor und Companion-IC. (Bild: Melexis)

Durch Messen der Zeit, die das reflektierte Licht benötigt, um den Sensor zu erreichen (die „Time of Flight“ für das Licht), lässt sich die Entfernung des Objekts berechnen. Dieser Ansatz wird als „direkte ToF“ (dToF) bezeichnet, da die Zeit direkt aus einer sehr genauen Zeitbasis berechnet wird und für Anwendungen mit großen Entfernungen wie LIDAR bevorzugt wird. dToF wird allgemein als eine Technik mit niedriger Auflösung angesehen, die ein komplexes (und kostenintensives) mechanisches Scannen erfordert, um hohe Auflösungen zu erzielen.

Anstatt die absolute Zeit zu verwenden, berechnet die indirekte ToF (iToF) den Abstand basierend auf einer Phasenverschiebung zu einem bekannten Referenzsignal. Diese Technik ist wesentlich besser für hochauflösende Anwendungen geeignet und kann mit modernen CMOS-Pixel-Arrays Echtzeit-3D-Video mit QVGA-Auflösung und höher erzeugen.

iToF kombiniert auf einzigartige Weise Tiefen- und Amplituden-Mapping mit mittlerer/hoher Auflösung (Graustufen), sodass sich komplexes Erfassen (z.B. Personen oder Objekte) auch ohne Farbkontrast zwischen dem Objekt und seiner Umgebung durchführen lässt. Diese Vorteile machen iToF in vielen zukunftsorientierten Anwendungen, in denen andere Techniken nur eingeschränkt funktionieren, sehr nützlich.

In einer relativ nahen Umgebung (etwa 5 m) ermöglicht ToF die Identifizierung von Objekten und freien Räumen, so dass ein ADAS (Fahrerassistenzsysteme) intelligent voraussagen kann, wie sich ein Objekt (wenn überhaupt) bewegen wird, um geeignete Folgemaßnahmen ergreifen zu können. Da Melexis’ iToF-Lösung von Temperatur- und Lichtschwankungen unabhängig ist, eignet es sich auch ideal für den Außenbereich eines Fahrzeugs.

ToF-Sensoren im Fahrzeuginnenraum

Einer der Hauptgründe, um in Zukunft vollständig autonome Fahrzeuge anzustreben, ist eine höhere Verkehrssicherheit. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht der NHTSA (US National Highway Traffic Safety Administration) besagt, dass über 90% aller Unfälle auf Fahrfehler zurückzuführen sind, so dass die Vermeidung dieser Art von Unfällen zu wesentlich sichereren Straßen führt. Während die Serienfertigung vollautonomer Fahrzeuge noch in ferner Zukunft ist, kann iToF durch die Überwachung des Fahrers und seines Verhaltens einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit im Straßenverkehr leisten.

Ermüdung des Fahrers ist ein bedeutendes Problem, und die mit iToF erreichbare hohe Auflösung ist in der Lage zu erkennen, ob der Fahrer die Augen auf die Straße gerichtet hat, ob er übermäßig gähnt oder sich sogar bemüht, die Augen offen zu halten. Jedes dieser Anzeichen zu erkennen und eine Fahrpause vorzuschlagen (oder sogar zwingend durchzusetzen), kann Unfälle vermeiden und Leben retten. Das Verhalten des Fahrers , z.B. nicht richtiges Halten des Lenkrads, Essen während der Fahrt oder Bedienen eines Mobiltelefons, können ebenfalls identifiziert werden und eine Warnung erzeugen. Es lassen sich sogar Maßnahmen ergreifen, um das Fahrzeug bei Bedarf zu einem sicheren Halt zu bringen.

Airbags haben zahlreiche Leben gerettet und sind heutzutage in fast allen Fahrzeugen ein wertvolles Ausstattungsmerkmal. Es gab jedoch einige Fälle, insbesondere bei Säuglingen oder älteren Menschen, bei denen sie eine Verletzung oder Schlimmeres verursacht haben. ToF ist in der Lage, die Größe der Insassen zu ermitteln und das Gewicht der Insassen abzuschätzen. Für den Fall, dass sich kein Mitfahrer auf dem Sitz befindet, kann ToF ein unnötiges Auslösen des Airbags verhindern.

Viele moderne Hybridfahrzeuge starten den Verbrennungsmotor, um den Akku zu laden, wenn dieser fast leer ist. Da es leicht vorkommen kann, das Fahrzeug bei eingeschalteter Zündung zu verlassen – da der herkömmliche Zündschlüssel der Vergangenheit angehört – kann das Fahrzeug automatisch starten, wenn es unbeaufsichtigt ist. Dies ist vor allem auf engem Raum höchst gefährlich, lässt sich aber durch eine ToF-basierte Insassenerkennung leicht verhindern.

Neben den Verbesserungen bei der Fahrzeugsicherheit ermöglicht das gleiche ToF-System auch eine Reihe von Komfortfunktionen im Innenraum – zum Vorteil des Fahrers und der Insassen. So lassen sich die Sitze und Sicherheitsgurte bewegen, wenn ein Passagier in das Fahrzeug einsteigt; Aufbewahrungsfächer werden beleuchtet, wenn eine Hand in deren Richtung gelangt, oder das Infotainment-System wird basierend auf der Anzahl und dem Sitzplatz der Fahrzeuginsassen entsprechend angepasst.

Mit zunehmender Komplexität der Fahrzeuge werden auch die Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) im Cockpit komplexer. Ein ToF-Sensor in Verbindung mit einem Lichtprojektor könnte ein Bedienfeld auf jeder möglichen Oberfläche bereitstellen, was mehr Komfort und Flexibilität bietet. Die ToF-Technik ist eindeutig dabei, einen Schritt in Richtung Fahrzeugsensorik zu machen, um fortschrittlichere Fahrzeuge und dadurch mehr Sicherheit und Komfort zu ermöglichen.

Neueste ToF-Technik

Melexis’ Chipsatz der zweiten Generation besteht aus einem dedizierten ToF-Sensor und einem Companion-Chip, der das System steuert und mit dem externen Mikrocontroller (MCU) oder Serializer verbunden ist.

Bild 2: Wesentliche Funktionselemente in Melexis’ ToF-Lösung der zweiten Generation.
Bild 2: Wesentliche Funktionselemente in Melexis’ ToF-Lösung der zweiten Generation. (Bild: Melexis)

Im gleichen kompakten 5,5 mm x 6,5 mm Gehäuse und optischen Format früherer Generationen bietet der neue Chipsatz eine doppelt so hohe Empfindlichkeit und eine Wahl des Verstärkungsfaktors auf Pixelebene, was die Leistungsfähigkeit bei schlechten Lichtverhältnissen verbessert. Die 940nm-Beleuchtung ist unsichtbar für den Menschen, was für den Nachtbetrieb im Fahrzeuginnenraum entscheidend ist. Tagsüber ist eine hohe Robustheit gegenüber Sonnenlicht gewährleistet (Fremdlichtsicherheit).

Der neue Sensor ist effizienter als zuvor und benötigt 30% weniger Strom, wodurch weniger Wärme erzeugt wird und Kosten gespart werden. Ein verbesserter Signal-Rauschabstand ermöglicht es dem System, bei gleicher Beleuchtungsstärke über eine 65% größere Entfernung zu arbeiten, oder über die gleiche Distanz wie frühere Generationen – nur mit weniger Beleuchtung. Dies verringert die Kosten für Lichtquellen wie LEDs oder VCSEL. Zwei ToF Sensoren lassen sich jetzt mit einem einzigen Companion-Chip verbauen um weitere Applikationen zu ermöglichen.

Ein neue Funktion, das Pixel-Binning, ermöglicht die Zusammenführung von vier (2x2) oder 16 (4x4) Pixel, wobei weniger Auflösung benötigt wird, was den Datendurchsatz verringert und den Einsatz eines weniger kostenintensiven Host-Prozessors ermöglicht.

Fazit

ToF-Sensoren in Fahrzeuginnenräumen ermöglichen es den Autoherstellern, die bevorstehende Gesetzgebung einschließlich der NCAP-2025-Vorschläge in Bezug auf die Insassenerkennung zu erfüllen und gleichzeitig den Komfort für Fahrzeuginsassen zu verbessern.

Melexis entwickelt seit mehr als einem Jahrzehnt ToF-Lösungen und seine Lösung der zweiten Generation bietet nun eine höhere Leistungsfähigkeit, einen geringeren Stromverbrauch und reduzierte Systemkosten, womit Entwickler die Herausforderungen, vor denen die stehen werden, erheblich einfacher meistern können.

* Gualtiero Bagnuoli arbeitet als Marketing Manager Optical Sensors bei Melexis