Verfahren zur Umfelderfassung im Outdoor-Bereich – Teil 1

Zur Realisierung moderner Assistenzfunktionen sowie von (Teil-)Autonomie auf Nutzfahrzeugen, muss das Fahrzeug -je nach geplantem Anwendungsfall- in der Lage sein, sich in seiner Umwelt zu lokalisieren, Hindernisse im geplanten Fahrweg zu erkennen und adäquat auf diese zu reagieren. Dies kann z.B. durch das Anhalten vor dem Hindernis oder das Umfahren geschehen. Um Strukturen sowie Hindernisse im direkten Umfeld detektieren zu können, muss die mobile Maschine also in gewissem Maße die Fähigkeit erhalten das direkte Umfeld „wahrzunehmen“.

Zur sogenannten Umfelderfassung konkurrieren dabei mittlerweile viele verschiedene Sensorsysteme miteinander, denen unterschiedliche Messprinzipien zu Grunde liegen. Welche Methode die Richtige ist oder ob Kombination unterschiedlicher Sensorsysteme (Sensorfusion) sinnvoll ist, lässt sich pauschal nicht beantworten. Je nach Anwendungsfall muss überlegt werden, was genau der Sensor erkennen soll. Weiterhin ist wichtig in welcher Auflösung die Informationen vorliegen müssen, in welcher Umgebung die Anwendung stattfindet oder wie teuer der Sensor sein darf. Das sind nur einige Fragen die man sich bei der Auswahl der optimalen Umfeldsensorik für den vorliegenden Anwendungsfall stellen muss. Um einen Überblick über die gängigsten Verfahren der Umfelderfassung zu erhalten, wollen wir diese hier kurz vorstellen. Dazu betrachten wir im ersten Teil dieses Artikels die beiden Verfahren der Lichtlaufzeitmessung (Time-of-Flight) sowie die Radartechnologie.

Umfelderfassung mit Infrarotlicht: Die Time-Of-Flight-Kamera

Eine Möglichkeit der Umfelderfassung bietet die Distanzmessung, mittels einer Time-of-Flight-Kamera (TOF-Kamera). In dieser Art von Kamera kommt ein sogenannter Photomischdetektor (auch bekannt als PMD-Sensor) als Bildsensor zum Einsatz. Dieser Sensor arbeitet nach dem Lichtlaufzeitverfahren (engl. Time of Flight) von dem die Kamera auch ihren Namen erhalten hat.

Bei diesem Verfahren sendet eine Beleuchtungseinheit Infrarotlicht aus, dessen Reflektion ein Sensor wiederum empfängt. Basierend auf der Laufzeit des Lichtes und der bekannten und konstanten Lichtgeschwindigkeit kann so auf die Entfernung des Objektes zum PMD-Sensor geschlossen werden. Je näher sich das Objekt also am PMD-Sensor befindet, desto kürzer ist auch die gemessene Lichtlaufzeit. Umso weiter das Objekt entfernt ist, desto länger ist die Laufzeit der Infrarotstrahlen.

Durch die Technik der TOF-Kameras ist es möglich, diese Lichtlaufzeit pixelweise zu messen und somit ein dreidimensionales Abbild der vorliegenden Szene zu erhalten. Diese Datenerfassung geschieht dabei so schnell, dass sogar Echtzeitanforderungen damit bewältigt werden können.

Bereits jetzt werden TOF-Kameras beispielsweise bei Fahrassistenzsystemen oder bei Sicherheitssensoren im Automobilbereich getestet und eingesetzt (Fußgängererkennung, Notbremsassistent, etc.). Auch der Bereich der mobilen Robotik nutzt diese Technik oft, um beispielsweise Hindernisse zu erkennen oder Personen zu folgen.

Eine Time-of-Flight-Kamera montiert auf einem Raupenfahrzeug bei Testfahrten zur Evaluierung von Assistenzsystemen und Automatisierung im Weinbau

Alte Technik auf neuen Wegen: Radar

Radar steht für „Radio Detection and Ranging“ und bezeichnet verschiedene Ortungs- und Erkennungsverfahren mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen. Es handelt sich hier also um ein nicht-optisches Verfahren zur Entfernungsmessung. Seine Ursprünge findet das Radar mit der Entdeckung durch Heinrich Hertz 1886, der erkannte, dass metallische Gegenstände Radiowellen reflektieren. Christian Hülsmeyer beschäftigt sich daraufhin mit dem Thema der Ortung mit Hilfe dieser Wellen. Im Jahr 1904 meldet er ein Patent für den ersten Vorläufer heutiger Radarsystem an, das Telemobiloskop.

Ein Radargerät sendet gebündelte elektromagnetische Wellen aus, welche ein Objekt im Sichtbereich des Radars dann reflektiert. Diese reflektierten Radiowellen werden vom Radargerät wieder empfangen und anschließend ausgewertet. So lassen sich Rückschlüsse auf die Entfernung zum Objekt, die Richtung und Relativbewegung sowie, bei Berücksichtigung aufeinander folgender Messungen, sogar auf die Geschwindigkeit eines Objektes ziehen.

Ein Long Range Radar wie er häufig bei Assistenzsystemen in Automobilen zum Einsatz kommt.

Bei Radargeräten die für die Umfelderfassung zum Einsatz kommen, wird meist auf das frequenzmodulierte Dauerstrichradar zurückgegriffen, das auch unter dem Namen FMCW (frequency modulated continuous wave) Radar bekannt ist. Diese Art von Radargeräten sendet im Vergleich zu Impulsradargeräten dauerhaft, ändert jedoch ständig die Sendefrequenz. Dieses Verfahren ist in der Bevölkerung durch die „Radar-Fallen“ der Polizei bekannt und dort weit verbreitet. Neben der Geschwindigkeitsmessung misst solch ein Radar auch gleich die Entfernung des zu schnellen PKWs zum Fotoapparat und löst diesen im richtigen Moment aus.

Weiter Anwendungsgebiete für Radarsensoren sind Bewegungs- und Füllstandsmelder oder der Einsatz bei Abstandsregelautomaten im Automobil. Hierbei detektieren sie die Geschwindigkeit und den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug. So kann das Assistenzsystem auf Basis dieser Informationen die Geschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs anpassen oder sogar eine Notbremsung einleiten.

Hier geht es zu den weiteren Artikeln der Artikelserie in unserem Blog:
Teil 2
Teil 3

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.