Gregor Sewelies
Sensoren und Aktoren bei
modernen Fahrerassistenzsystemen
Bachelorarbeit
Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des
akademischen Grades
Bachelor of Engineering (FH)
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Jörg Böttcher
Abgabe: Juni 2019
Sensoren und Aktoren
Gregor Sewelies
Erklärungen
II
Sensoren und Aktoren
Erklärungen
Erklärungen
„Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst, noch nicht
anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt und keine anderen als die angegebenen
Quellen und Hilfsmittel benutzt habe, insbesondere keine anderen als die
angegebenen Informationen.“
............................................................ (Datum, Unterschrift)
“Der Speicherung meiner Bachelorarbeit zum Zweck der Plagiatsprüfung stimme ich
zu. Ich versichere, dass die elektronische Version mit der gedruckten Version inhaltlich
übereinstimmt.“
............................................................ (Datum, Unterschrift)
Gregor Sewelies
III
Sensoren und Aktoren
Kurzfassung
Kurzfassung
In dieser Ausarbeitung werden ausgewählte Sensoren und Aktoren von modernen
Fahrerassistenzsystemen behandelt.
Diese Sensoren und Aktoren werden mittels meiner Recherchen dargestellt und beschrieben.
Zunächst werden in der Einleitung die Sensoren und Aktoren vorgestellt und erläutert.
Im Hauptteil werden vier grundlegende Fahrdynamiksensoren, sechs Umgebungssensoren
und drei Aktoren dargestellt. Es werden gegebenenfalls physikalische Grundlagen erläutert,
auf denen diese Bauteile zurückgreifen. Dies geschieht jeweils bei den Punkten des Aufbaues
und der Funktionsweise.
Nach dem Aufbau und der Funktionsweise werden die Bauteile beschrieben wie sie in der
Praxis verwendet werden. Dabei wird versucht immer ein einfaches Beispiel zu nennen.
Am Ende dieser Arbeit folgt ein Fazit mit Ausblick zu dem Thema der Bachelorarbeit. Es
werden Vorteile und Nachteile genannt und meine eigene Meinung dargestellt.
Gregor Sewelies
IV
Sensoren und Aktoren
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Erklärungen ...........................................................................................................................III
Kurzfassung ......................................................................................................................... IV
Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................. V
1
2
Einleitung ....................................................................................................................... 1
1.1
Allgemein ................................................................................................................ 1
1.2
Einordnung der Arbeit ............................................................................................. 2
1.3
Motivation und Erarbeitung...................................................................................... 2
Sensorik ......................................................................................................................... 3
2.1
Fahrdynamiksensoren ............................................................................................. 3
2.1.1
Raddrehzahlsensor .......................................................................................... 4
2.1.2
Drehraten- und Beschleunigungssensor........................................................... 6
2.1.3
Lenkradwinkelsensor........................................................................................ 8
2.1.4
Bremsdrucksensor ........................................................................................... 9
2.2
Ultraschallsensor ....................................................................................................10
2.2.1
Einleitung ........................................................................................................10
2.2.2
Aufbau ............................................................................................................10
2.2.3
Funktionsprinzip ..............................................................................................11
2.2.4
Anwendungen in der Praxis.............................................................................12
2.3
Radarsensor...........................................................................................................13
2.3.1
Einleitung ........................................................................................................13
2.3.2
Aufbau ............................................................................................................14
2.3.3
Funktionsprinzip ..............................................................................................15
2.3.4
Anwendungen in der Praxis.............................................................................18
2.4
LIDAR-Sensor ........................................................................................................19
2.4.1
Einleitung ........................................................................................................19
2.4.2
Aufbau ............................................................................................................19
2.4.3
Funktionsprinzip ..............................................................................................20
2.4.4
Anwendungen in der Praxis.............................................................................22
Gregor Sewelies
V
Sensoren und Aktoren
2.5
2.5.1
Einleitung ........................................................................................................23
2.5.2
Aufbau ............................................................................................................23
2.5.3
Funktionsweise ...............................................................................................25
2.5.4
Anwendung in der Praxis ................................................................................25
2.6
3D Time-of-Flight Sensor .......................................................................................27
2.6.1
Einleitung ........................................................................................................27
2.6.2
Aufbau ............................................................................................................27
2.6.3
Funktionsweise ...............................................................................................28
2.6.4
Anwendung in der Praxis ................................................................................29
2.7
3
Bildsensoren ..........................................................................................................23
Kamerabasierte Fußgängerdetektion .....................................................................30
2.7.1
Einleitung ........................................................................................................30
2.7.2
Aufbau ............................................................................................................30
2.7.3
Funktionsprinzip ..............................................................................................31
2.7.4
Anwendung in der Praxis ................................................................................32
Aktoren..........................................................................................................................33
3.1
Elektromechanische Aktoren ..................................................................................34
3.1.1
3.2
3.1.1.1
Einleitung .................................................................................................34
3.1.1.2
Aufbau .....................................................................................................35
3.1.1.3
Funktionsprinzip .......................................................................................36
3.1.1.4
Anwendungen in der Praxis......................................................................37
Fluidische Aktoren ..................................................................................................37
3.2.1
3.3
Elektromotor ....................................................................................................34
Elektrohydraulische Pumpe .............................................................................38
3.2.1.1
Einleitung .................................................................................................38
3.2.1.2
Aufbau .....................................................................................................38
3.2.1.3
Funktionsweise ........................................................................................39
3.2.1.4
Anwendung in der Praxis .........................................................................41
Sonderaktoren........................................................................................................41
3.3.1
Piezoelektrische Pumpe ..................................................................................41
Gregor Sewelies
VI
Sensoren und Aktoren
3.3.1.1
Einleitung .................................................................................................41
3.3.1.2
Aufbau .....................................................................................................42
3.3.1.3
Funktionsweise ........................................................................................42
3.3.1.4
Anwendung in der Praxis .........................................................................44
4
Fazit und Ausblick .........................................................................................................45
5
Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................47
6
Literaturverzeichnis .......................................................................................................48
Gregor Sewelies
VII
1 Einleitung
1.1 Allgemein
Je moderner die Kraftfahrzeuge der heutigen Zeit werden, desto mehr Unterstützung und
Automatisierung mittels Fahrerassistenzsystemen wird von den Automobilherstellern
gefordert. Die Industrie ist somit dazu angetrieben immer wieder neue technische
Komponenten zu konzipieren, herzustellen und diese zudem immer weiter kompakter
auszuführen. In Konkurrenz zu der kompakten Bauweise stehen die Leistungsfähigkeit und
die Sicherheit, die diese besagten Teile leisten müssen und sollen. Die wesentlichen
Komponenten, auf die ein modernes Fahrerassistenzsystem zugreift, sind Sensoren und
Aktoren.
Die Sensoren erweitern und erhöhen, wie bereits erwähnt, unter anderem die Sicherheit im
Straßenverkehr. Einige Beispiele sind Ultraschallsensoren, die vorne und hinten an ein
Kraftfahrzeug angebracht sind, um beim Ein- und Ausparken vor ungewollten Kollisionen zu
schützen. Radarsensoren ermitteln die Entfernung und Geschwindigkeit zu vorrausfahrenden
Kraftfahrzeugen. Bildsensoren erkennen unter anderem Verkehrsschilder und weisen den
Fahrer darauf hin, dass die maximal zulässige Geschwindigkeit überschritten wird und somit
ein erhöhtes Risiko für ihn und alle anderen Verkehrsteilnehmenden entsteht.
Aktoren sind Bauteile, die die Informationen und Befehle von den Sensoren in die Tat
umsetzen. Somit unterschützen sie zum Beispiel bei der Lenkung oder können diese komplett
übernehmen. Dasselbe gilt auch für die Beschleunigung und das Abbremsen eines
Kraftfahrzeuges. Zudem haben Aktoren die Aufgabe den Umweltschutz voran zu bringen.
Elektrisch angesteuerte/-geregelte Aktoren verbrauchen lediglich die geringste Menge an
Energie und fossilen Brennstoffen, um das gewünschte Potential zu erreichen.
Das Zusammenspiel von Sensoren und Aktoren wird immer bedeutsamer. Durch diese
Kooperation und dem Austausch von Informationen wird das autonome Fahren realisiert.
Sensoren und Aktoren
1 Einordnung der Arbeit
1.2 Einordnung der Arbeit
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den unterschiedlichen Sensoren und Aktoren von
Fahrerassistenzsystemen im Kraftfahrzeug. Bei der Sensorik wird auf die Umfelderfassung
eingegangen, deren Aufbau sowie die Funktionsweise dargestellt und erläutert. Durch
Vorstellung
verschiedener
Assistenzsysteme
werden
die
Sensorsysteme
in
den
unterschiedlichen Fahrerassistenzsystemen vorgestellt. Bei den Aktoren wird ein Überblick
über die verschiedenen Arten gegeben. Hier wird ebenfalls der Aufbau, sowie deren
Funktionsweise beschrieben. Die Aktoren bei modernen Fahrerassistenzsystemen beruhen
mehr auf der Grundlegenden Physik, als auf Messtechnik. Jedoch sind diese ein wichtiger
Bestandteil der modernen Fahrerassistenzsysteme, da diese die Befehle der Sensoren und
Steuergeräte ausführen.
1.3 Motivation und Erarbeitung
Diese Bachelorarbeit ist für alle interessant, die ein großes Interesse an den Automobilbranche
haben. Diese Ausarbeitung bietet die Gelegenheit das Wissen in dieser Thematik weiter zu
vertiefen. Viele Menschen nehmen jeden Tag von dieser Technik Gebrauch und wissen nicht
welches technische Knowhow hinter all der Technik steckt. Mit dieser Arbeit wird ein Überblick
über ein paar ausgewählte Komponenten gegeben, die jedem die Möglichkeit bietet sich in die
Thematik einzuarbeiten. Ebenfalls soll sich das fundierte Wissen erweitern, durch Erläuterung
von physikalischen Effekten und Erklärungen durch Formeln, von denjenigen die sich bereits
mit dem Thema beschäftigen haben.
Das Wissen, die Inhalte, die technische Abbildungen und Formel sind durch eine ausführliche
Literaturrecherche angeeignet und wiedergegeben worden. Die Bibliothek der Universität der
Bundeswehr in München hat eine große technische Abteilung. Mittels des Online Public
Access Catalog, OPAC, ließen sich schnell viele fachspezifische Literaturen zu dem Thema
finden. Die wichtigsten Inhalte wurden entnommen, zusammengefasst und in dieser Thesis
dargestellt. Ergänzungen fanden zusätzlich durch eine Internetrecherche statt. Die
Ergänzungen stammen von verschiedenen Plattformen, sowie Foren und Vorlesungen
anderer Universität zu dem jeweiligen Thema. Außerdem wurde bei der Automobilindustrie
verschiedener Hersteller angefragt, ob diese Informationen zu verwendeten Bauteilen oder
Komponenten nennen und zur Verfügung stellen können. Jedoch wurde stets mitgeteilt, dass
sie solche Informationen nicht herausgeben können, da dies den Wettbewerb schaden könne.
Der nächste Gedanke war es die Hersteller, wie zum Beispiel HELLA oder BOSCH, der
verschiedensten Komponenten und Bauteile zu kontaktieren. Mit der Vermutung, da sie mit
solchen Dingen werben, dass man dort Informationen bekommen konnte. Jedoch war auch
dieser Versuch vergebens.
Gregor Sewelies
2
Sensoren und Aktoren
2 Fahrdynamiksensoren
2 Sensorik
„Sensoren sind wichtige Bestandteile des Fahrzeuges und bilden die Grundlage für die
Funktion zahlreicher aktiver und passiver Sicherheitssysteme. Sensoren sind sozusagen die
Sinnesorgane des Fahrzeuges. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil elektronischer
Regelsysteme und haben die Aufgabe, physikalische oder chemische Größen zu erfassen und
in elektrische Signale umzuwandeln.“ (Mein Autolexikon, 2019). „Sensoren im Kraftfahrzeug
sind kein Selbstzweck; sie liefern die für die Fahrerassistenzsysteme notwendigen
Informationen.“ (H. Winner, 2015).
In dem Folgenden Kapitel werden zunächst grundlegende Sensoren benannt und erklärt. Des
Weiteren werden Sensoren aufgeführt, die heutzutage in modernen Kraftfahrzeugen verbaut
sind und somit ebenfalls benannt und erklärt werden. Auf einige Sensoren wird genauer
eingegangen. [12]
2.1 Fahrdynamiksensoren
Abbildung 1: Überblick und Einbauort der Fahrdynamiksensoren1
1
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
Gregor Sewelies
3
Sensoren und Aktoren
2 Fahrdynamiksensoren
Fahrdynamiksensoren sind grundlegende Sensoren, die in jedem Kraftfahrzeug verbaut sind.
Aus der Abbildung 1 ist zu entnehmen, wo diese Sensoren in der Regel angebracht sind. Viele
anderen Sensoren greifen sich Informationen von diesen grundlegenden Sensoren ab, um
Berechnungen durchzuführen oder um Parameter an deren Messverfahren anzugleichen.
Somit ergeben sich Standards, die diese Sensoren stellen müssen. Diese Standards, verfasst
in VDA oder ISO, kommen von der Kraftfahrzeugindustrie und sind weltweit gültig und
einzuhalten.
Die
wichtigsten
Fahrdynamiksensoren
Beschleunigungssensor,
sind
Raddrehzahlsensor,
Lenkradwinkelsensor,
Drehrate-
und
Bremspedaldrucksensor,
Bremspedalwegsensor und Drehmomentsensor. Im Folgenden werden ausgewählte
Sensoren beschrieben. [13]
2.1.1 Raddrehzahlsensor
Abbildung 2: Raddrehzahlsensor basierend auf Hall-Effekt2
Raddrehzahlsensoren sind eine der wichtigsten Sensoren in einem Kraftfahrzeug.
Raddrehzahlsensoren werden genutzt um die Radgeschwindigkeit, Radbeschleunigung und
seit 1995 die Raddrehrichtung zu bestimmen. Vorher war dies nicht möglich, da vor 1995 die
Raddrehzahlsensoren passive Sensoren waren und nicht die technischen Eigenschaften
erfüllten, um solche Messungen durchzuführen. Nun wird mittels des Hall-Effektes die
Raddrehrichtung bestimmt. „Die Drehrichtungserkennung ist durch den internen Signalversatz
von drei entsprechend angeordneten Hallelementen im Sensor möglich. Bei einem solchen
Raddrehzahlsensor übernehmen Magnete die Funktion der Zähne des Inkrementenrades. Die
2
(KFZ-Tech, 2019)
Gregor Sewelies
4
Sensoren und Aktoren
2 Fahrdynamiksensoren
Magnete sind in Nordpol und Südpol unterschieden und sind wechselweise auf einen Polring
(Geberring) angeordnet.“ (KFZ-Tech, 2019). Da der Hall-Effekt eine wichtige technische
Errungenschaft ist, wird im Folgenden näher auf den Hall-Effekt eingegangen und die
Grundlagen anhand von Abbildung 3 erklärt.
Abbildung 3: Hall-Effekt3
Zunächst wird eine leitende Platte mit der Breite b und Dicke d benötigt. Diese wird an eine
Stromquelle angeschlossen, somit fließt der Strom I hindurch. Vorne und hinten an der Platte
wird die Spannung U durch ein Spannungsmessgerät abgegriffen. Außerdem wird ein
Magnetfeld B erzeugt, welches durch die leitende Platte geht, mittels des Dauermagneten.
Wenn nun Elektronen durch die Platte fließen wirkt die Lorentzkraft auf diese Elektronen. Die
Lorentzkraft drückt die Elektronen nach vorne, wodurch eine entgegengesetzte Kraft FB
entsteht, um den Elektronenüberschuss vorne wieder auszugleichen. Die Spannung, die durch
den Ladungsunterschied entsteht, ist die Hall-Spannung. Die Spannung wird durch das
Messgerät mit der Formel 1 berechnet, dabei ist AH die allgemeine Hallkonstante:
𝑈 = 𝐴𝐻 ∗
1
∗𝐼∗𝐵
𝑑
(1)
Ein Raddrehzahlsensor ist in der Abbildung 2 zu erkennen. Links ist der Sensor als
Bauteilkomponente dargestellt, von der Firma BOSCH, und rechts zeigt die Abbildung 2 den
Sensor mit dem Geberring. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird mit Formel 2 bestimmt:
𝑣 =𝑘∗𝑛
3
(2)
(Kompendium Messtechnik und Sensorik, 2017)
Gregor Sewelies
5
Sensoren und Aktoren
2 Fahrdynamiksensoren
Hierbei ist v die Fahrzeuggeschwindigkeit, k der Umfang des Kraftfahrzeugrades und n die
Drehzahl, die vom Raddrehzahlsensor kommt. Der Umfang des Rades wird mit Formel 3
bestimmt, der Buchstabe r steht für den Radius des Rades:
𝑘 =2∗π∗r
(3)
Dieses Messprinzips hat eine Abweichung, die jedoch sehr gering ist. Die einzige Variable, die
sich verändert ist der Radius des Rades. Durch Abrieb des Reifenprofiles wird der Umfang
des Rades minimal kleiner und somit die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges kleiner. Der
Sensor zeigt jedoch eine höhere Geschwindigkeit an, nämlich die mit dem voreingestellten
Radius. Eine weitere Funktion ist zum Beispiel, dass die Geschwindigkeiten von Vorderrad
und Hinterrad gemessen werden und wenn eine Differenz herrscht, dass diese
Differenzgeschwindigkeit als Regelgröße für die Traktionskontrolle dient und somit unter
anderem der Radschlupf ausgeglichen wird. Der Raddrehzahlsensor ist somit einer der
wichtigsten Sensoren für die Fahrstabilität. [13] [16] [20]
2.1.2 Drehraten- und Beschleunigungssensor
Abbildung 4: Aufbau eines Drehratensensors4
„Der Zweck dieser Sensoren ist, die Drehung eines Fahrzeuges um seine Achsen sowie Quer, Längs- und Vertikalbeschleunigungen zu messen. Damit wird eine eindeutige Bestimmung
des dynamischen Zustands im Raum möglich.“ (H. Winner, 2015). Bezogen auf das
Koordinatensystem von Abbildung 1 misst der Drehratensensor für die X-Achse den
Überschlag des Autos. Damit kann direkt und automatisch ein Notruf von dem Kraftfahrzeug
absetzten werden, sodass der Fahrer es nicht selbst machen muss, wenn er selbst womöglich
4
(Prof. Dr.-Ing. M Thein, 2019)
Gregor Sewelies
6
Sensoren und Aktoren
2 Fahrdynamiksensoren
gar nicht mehr in der Lage dafür ist. Für die Y-Achse misst der Drehratensensor die
Nickbewegungen des Fahrwerkes. Von hier kann ein Aktor die Signale bekommen der das
Fahrzeug in Ruhe hält und somit die Schwankungen des gesamten Fahrzeuges um die YAchse reduziert. Der Drehratensensor für die Z-Achse misst Daten, die für das ESP-System
herangezogen werden. Das Messen mittels des Drehratensensors funktioniert kapazitiv unter
der Einwirkung der Corioliskraft. Durch Einwirkung der Kraft in die entsprechende Richtung
werden die seismischen Schwingkörper angeregt und die Schwingungen werden erfasst.
Die Beschleunigungssensoren für die X-Achse messen die Beschleunigung und Verzögerung
des Kraftfahrzeuges. Die Messungen in Y-Achse sind radiale Beschleunigungen, die
entstehen, wenn man im Kreis oder um die Kurve fährt. Diese Beschleunigungen werden
durch die Zentrifugalkraft hervorgerufen. Die Sensoren für die Beschleunigung messen in
Richtung der Z-Achse das Auf und Ab Bewegen des Fahrzeuges. Auch von diesen
Messwerten können Aktoren die entsprechenden Bewegungen reduzieren und somit den
Fahrkomfort erhöhen. All diese Messdaten vom Drehratensensor und Beschleunigungssensor
werden vom ESP überwacht. „Ergibt sich aus der Analyse dieser Daten, dass eine gefährliche
Fahrsituation entsteht, in der das Fahrzeug zu schleudern droht und bald nicht mehr
kontrollierbar wäre, greift ESP sofort ein. Durch die Reduzierung des Motormoments und das
kurzzeitige Abbremsen einzelner Räder hilft es dem Fahrer, Unfälle infolge Ausbrechens oder
Schleuderns zu verhindern und das Fahrzeug zu stabilisieren.“ (Bosch Presse, 2019). [7] [12]
[23]
Gregor Sewelies
7
Sensoren und Aktoren
2 Fahrdynamiksensoren
2.1.3 Lenkradwinkelsensor
Abbildung 5: Einbauort und Aufbau Lenkradwinkelsensor5
Der Lenkradwinkelsensor misst den eingeschlagenen Winkel, den der Fahrer am Lenkrad
vornimmt. Der häufigste Einbauort ist in der Abbildung 5 gezeigt. Er befindet sich direkt an der
Lenksäule. Der Winkel wird mittels der zwei kleineren Zahnräder erfasst und ist absolut.
Absolut bedeutet, dass das Sensorelement zu jeder Zeit genau weiß, welcher Winkel anliegt,
auch nach einem Neustart des Systems. Die kleinen Zahnräder haben Magneten in sich
verbaut, welche ebenfalls in der Abbildung mit Grün und Rot dargestellt sind. Zwischen den
Messzahnrädern und dem großen Zahnrad entstehen messbare Widerstände, welche durch
die Magnete hervorgerufen werden. Wenn sich der Winkel durch das Drehen der Lenksäule
ändert, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Übersetzung von dem großen Zahnrad jeweils
zu den kleinen Zahnrädern eine proportionale Widerstandsänderung. Daraufhin kann der
Winkel genau zugeordnet werden. „Die Messzahnräder haben unterschiedliche Zähnezahlen
und verändern ihre Drehlage daher unterschiedlich schnell. Aus der Kombination der beiden
aktuellen Winkel lässt sich über eine mathematische Funktion der Gesamtwinkel errechnen
und auch plausibilisieren. Daher lässt sich mit diesem Messprinzip ohne Umdrehungszähler
ein Messbereich von mehreren Lenkradumdrehungen abdecken.“ (Bosch Mobility Solutions,
2019). Der Winkel Null bei der Fahrt bedeutet eine Fahrt gerade aus. Das Lenkrad kann bis
5
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
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8
Sensoren und Aktoren
2 Fahrdynamiksensoren
zu drei Umdrehungen nach rechts und links gedreht werden, dies ist auch der Bereich, in dem
der Winkel gemessen werden kann. [6]
2.1.4 Bremsdrucksensor
Abbildung 6: Aufbau eines piezoelektrischen Drucksensors im Bremsdrucksensor6
Der Sensor für den Bremsdruck ist meistens in dem Hydraulikzylinder verbaut. Er misst die
gewünschte Bremskraft, die der Fahrer durch das Betätigen des Bremspedals hervorruft. Der
Druck wird kommerziell in dem Hauptzylinder gemessen. Bei Kraftfahrzeugen mit einem hohen
Automatisierungsstandard wird der Druck in jeder einzelnen, der vier Bremsleitung gemessen.
Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Messsensoren absolut dicht sind, da ansonsten
Leckage auftritt und das Fahrzeug im schlimmsten Fall einen Unfall baut, aufgrund fehlenden
Bremsdruckes. „Der Bremsdrucksensor ist aus einem piezoelektrischem Element, auf den der
Druck der Bremsflüssigkeit einwirkt und einer Auswertelektronik aufgebaut. Durch eine
Druckänderung wird die Ladungsverteilung im piezoelektrischen Element verändert. Ist das
Element drucklos, sind die Ladungen gleichmäßig verteilt. Mit steigendem Druck verschieben
sich die Ladungen und es entsteht eine Spannung. Je höher der Druck steigt, umso mehr
werden die Ladungen getrennt. Die Spannung steigt dabei weiter an.“ (Hella, 2019). [14] [20]
6
(Kompendium Messtechnik und Sensorik, 2017)
Gregor Sewelies
9
Sensoren und Aktoren
2 Ultraschallsensor
2.2 Ultraschallsensor
2.2.1 Einleitung
„Ultraschallsensoren werden in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt.
Beispielhaft seien hier die Werkstoffprüftechnik, medizinische Diagnostik, Unterwassersonar,
sowie industrielle Näherungsschalter [.]. Die physikalischen Grundlagen und zahlreiche
Anwendungsbeispiele werden in der Literatur vielfältig beschrieben; […]. Die Verwendung im
Automobil hat dagegen erst vergleichsweise spät mit der Einführung von ultraschallbasierten
Einparkhilfesystemen Anfang der neunziger Jahre eingesetzt und seitdem eine weite
Verbreitung gefunden.“ (H. Winner, 2015). „Ultraschallsensoren funktionieren nach dem
Echolotprinzip, mit dem sich beispielsweise auch Fledermäuse orientieren. Die Sensoren
senden kurze Ultraschallimpulse aus, die von Hindernissen reflektiert werden. Die Echosignale
werden von den Sensoren registriert und von einem zentralen Steuergerät ausgewertet.“
(Bosch Mobility Solutions, 2019). Die Ultraschallsensoren haben nur einen kleinen
Erfassungsbereich.
Zuverlässige
Messergebnisse
und
somit
die
Erkennung
von
Gegenständen können in einem Bereich von 15 Zentimetern bis 5,5 Metern abgedeckt
werden. [5] [13]
2.2.2 Aufbau
Abbildung 7: Aufbau eines Ultraschallsensors7
7
(Bosch, 2018)
Gregor Sewelies
10
Sensoren und Aktoren
2 Ultraschallsensor
Aus Abbildung 7 kann der übliche Aufbau eines Ultraschallsensors entnommen werden. Die
Piezokeramik (1) ist in einen Membrantopf (2) eingelassen. Der Teil der Piezokeramik, der
nach außen schaut, ist gegen sämtliche Umwelteinflüsse beständig. Damit die Piezokeramik
von dem direkten piezoelektrischen Effekt und dem reziproker piezoelektrische Effekt
Gebrauch machen kann, ist es durch einen Entkopplungsring (3) entkoppelt. Über den
Kontaktträger (4), die Leiterplatte (5), der Übertrager (6) und dem ASIC-Baustein (7) werden
die Messdaten ausgewertet und verarbeitet. Das Gehäuse mit Steckverbindung (8) schützt die
Elektronik vor Verschmutzungen und Flüssigkeiten. Außerdem wird dadurch das Bauteil mit
Strom versorgt. Die Ultraschallsensoren, die Piezokeramiken, welche am Kraftfahrzeug
sichtbar sind, sind ungefähr so groß wie eine 1-Euro Münze. Der Aufbau des Sensors kann
sich optisch von Hersteller zu Hersteller unterscheiden, wie man das auf dem Bild bereits
erkennen kann. Jedoch ist der Grundaufbau, von der Elektronik her, immer recht ähnlich. [5]
2.2.3 Funktionsprinzip
Im oberen Teil der Abbildung 7 wird unter dem Punkt 1 die Piezokeramik gezeigt. Das
Aussenden und Empfangen von Schallwellen wird mittels des piezoelektrischen Effekts
bewirkt. Ein Piezowandler kann Schwingungen in elektrische Ladungen und anders herum
umwandeln. Der direkte piezoelektrische Effekt ist, wenn eine Kraft, in unserem Fall eine
Schallwelle, in eine elektrische Ladung umgewandelt wird. Eine elektrische Spannung in eine
Schallwelle zu verwandeln wird als reziproker piezoelektrische Effekt beschreiben. Wenn das
Sensormodul mit Strom versorgt wird, können die Berechnung für die Entfernung durchgeführt
werden. Zuerst wird die Schallwelle erzeugt und somit ausgesendet. Das Piezoelement wird
unter Spannung gesetzt und erzeugt mittels des reziproken piezoelektrischen Effekts eine
Kraft in Form einer Schallwelle. Diese Schallwelle trifft auf einen Gegenstand und wird von
diesem wieder reflektiert. Die reflektierte Schallwelle trifft auf das Piezoelement und dieses
wandelt mittels des oben genannten direkten piezoelektrischen Effektes die Kraft erneut in
eine Spannung um. Die Geschwindigkeit vs der Schalwellen ist immer gleich und bekannt. Um
nun auf die Entfernung zu kommen wird lediglich die Laufzeit t einer Schallwelle gemessen
und kann somit auf den Abstand x zurückschließen. In der Formel 4 wird der mathematische
Zusammenhang beschrieben:
𝑡=
2
∗𝑥
𝑣𝑠
(4)
[10] [19]
Gregor Sewelies
11
Sensoren und Aktoren
2 Ultraschallsensor
2.2.4 Anwendungen in der Praxis
Abbildung 8: Kraftfahrzeug mit Ultraschallsensoren für das Einparken8
Ultraschallsensoren werden bei modernen Fahrerassistenzsystemen als Einparkhelfen
genutzt. Sie erhöhen die Sicherheit und den Komfort während des Einparkvorganges
erheblich. Die Sensoren werden üblicherweise in der Front- und Heckschürze der
Kraftfahrzeuge verbaut. Oftmals werden die Abstandssensoren von Kameras unterstürzt.
Kraftfahrzeuge können aufgrund ihrer Größe und Bauform unübersichtlich sein, sodass es
schwierig ist richtig einzuschätzen, wann das Fahrzeug droht mit Gegenständen oder anderen
Fahrzeugen zu kollidieren. Um ein Beispiel zu nennen, ziehe ich das Verfahren von Mercedes
Benz heran. Bei Mercedes Benz aktvieren sich die Ultraschallsensoren von selbst, sobald das
Kraftfahrzeug
eine
gewisse
Geschwindigkeit
unterschreitet.
Ebenfalls
werden
die
Ultraschallsensoren aktiviert, sobald man den Rückwärtsgang eingelegt hat. Das sich die
Distronic beim Einlegen des Rückwärtsganges aktiviert ist bei jedem Kraftfahrzeughersteller
auf diese Weise geregelt, die einen solchen Abstandmesser verbaut haben. Diese zusätzliche
Eigenschaft, dass sich die Sensoren ab einem gewissen Tempo selbst aktivieren, erleichtert
jede Situation. Zum Beispiel soll in eine Parklücke vorwärts eingeparkt werden. Die Sensoren
müssen nicht eigenhändig aktiviert werden, sondern stehen dem Fahrer direkt zur Verfügung
und kann sich somit vollständig auf das Einparken konzentrieren. Die Ergebnisse der
Sensoren werden weitgehend akustisch an den Fahrer vermittelt. Ab circa zwei Metern fängt
das akustische Signal langsam an zu Piepen, bei circa 20 Zentimeter ist dann ein dauerhaftes
Signal zu hören. Die Entfernungsangaben sind von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich.
[17] [24]
8
(VIS Bayern, 2018)
Gregor Sewelies
12
Sensoren und Aktoren
2 Radarsensor
2.3 Radarsensor
2.3.1 Einleitung
Radar steht für Radio Detection and Ranging. Die Technologie der Radarsensoren kommt
ursprünglich aus dem militärischen Bereich und kam erst später in dem zivilen Bereich für
Straßen- und Verkehrssicherheit zum Einsatz. In den 1970er Jahren kam es dann zu einem
großen Forschungsprojekt mit dem Ziel, dass das Radar serientauglich für den Straßenverkehr
genutzt wird. Die Idee hinter dem Forschungsprojekt war es, Unfälle auf den Straßen weltweit
zu verringern. Der Radarsensor sollte als Auffahrwarnung dienen, welche die Sicherheit
erhöhen
sollten.
Das groß
angelegte
Forschungsprojekt
wurde
sogar
von
dem
Bundesforschungsministerium vorangebraucht und gefördert. Das erste Kraftfahrzeug mit
einem serientauglichen Radarsensor wurde 1998 auf den Markt gebraucht. In der folgenden
Abbildung sind die Entwicklungsschritte des Radarsensoren für das Kraftfahrzeug abgebildet.
Abbildung 9: Entwicklungsschritte des Radarsensors für Kraftfahrzeuge9
Jedoch war der Radarsensor, welcher 1998 auf dem Markt gebracht wurde, nicht nur für die
Auffahrwarnung zuständig. Es war ein Radarsensor mit ACC-Funktion. ACC steht für Adaptive
Cruise Control welches wiederum für Adaptive Geschwindigkeitsregelung steht. ACC regelt
die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges selbstständig. In dieser Funktion des Radarsensors
ist der Auffahrschutz integriert und stellte daher einen großen Meilenstein in der Forschung
der Technologie dar und übertraf das eigentliche Ziel des Auffahrschutzes. Weitere Forschung
war somit unabkömmlich und die Technologie wuchs schnell. In regelmäßigen Abständen
kamen neue Radarsensoren auf den Markt. Ein weiterer großer Aufschwung in dem Gebiet
der
Radarsensoren
kam
als
die
automatische
Notfallbreme
und
der
Fahrstreifenwechselassistenz entwickelt wurden.
Heutzutage gelten für Radarsensoren vier Frequenzen, die benutzt werden dürfen. Diese sind
24.0 – 24.5 GHz, 76.0 – 77.0 GHz, 77.0 – 81.0 GHz und 21.65 – 26.65 GHz, welches für den
Nahbereich, Ultrakurzwellen, gedacht ist. Die Frequenz 76.0 – 77.0 GHz ist die Frequenz, die
sich gegenüber den anderen beiden für den großen Entfernungsbereich durchgesetzt hat und
9
(Dissertation Oliver Günther, 2008)
Gregor Sewelies
13
Sensoren und Aktoren
2 Radarsensor
dominiert. Das große Problem, was in den letzten Jahrzenten nach und nach versucht wird zu
beseitigen ist, dass der Preis der Radarsensoren sinken soll und die Bauform kompakt
gehalten werden muss. Im Widerspruch zu der Bauform stehen wiederum die immer stetig
steigenden Anforderungen an diese Technologie mit gleichbleibender oder verbesserter
Sicherheit und Zuverlässigkeit. Ein Beispiel dafür ist das Autonome Fahren, welches unter
anderem mit Radarsensoren realisiert werden soll. [11]
2.3.2 Aufbau
Abbildung 10: Aufbau Radarsensor10
Der Aufbau eines Radarsensor ist sehr simpel, wie man es aus dem Bild entnehmen kann.
Der Schaltungsträger wird in einen Abschirmkörper eingefügt und verschraubt. Auf dem
Schaltungsträger ist die Sender- und Empfängerantenne angebracht. Diese Bauteile werden
von
den
Gehäuseteilen
umschlossen,
sodass
sie
gegen
Umwelteinflüsse
und
Verschmutzungen aller Art geschützt sind. Der Abschirmkörper wird beim Einbau zwischen
Fahrerkabine und Schaltungsträger sein, damit der Fahrer vor Radarstrahlungen geschützt
wird. Die Radarsignale können ohne nennenswerte Verluste durch die Gehäuseteile,
weswegen sie auch hinter der Frontschürze des Kraftfahrzeuges angebracht werden können.
An dem unterem Gehäuseteil kann man die Steckverbindung erkennen wodurch der Sensor
mit Energie gespeist wird und wo der Datenaustausch stattfindet. Die Radarsensoren haben
10
(HELLA, 13.04.2019)
Gregor Sewelies
14
Sensoren und Aktoren
2 Radarsensor
üblicherweise eine Abmessung von 5 x 5 Zentimetern und sind somit recht kompakt und
einfach in einem Kraftfahrzeug zu verbauen. [14]
2.3.3 Funktionsprinzip
Radarsensoren haben unterschiedliche Verfahren, um auf die Geschwindigkeit oder auf die
Entfernung des vorrausfahrenden Kraftfahrzeugs oder Hindernis zu kommen. Dies basiert auf
einer direkten oder indirekten Laufzeitmessung. Es gibt das Messverfahren mittels
Dopplereffektes, Pulsmodulation, FMCW-Modulation und Winkelbestimmung. Im folgenden
Abschnitt wird exemplarisch auf das Prinzip der FMCW-Modulation näher eingegangen.
Das Funktionsprinzip eines Radarsensoren wird anhand eines Industriesensors von der Firma
Baumer beschrieben. „Mit dem […] Radarsensor ist es möglich eine Distanzmessung von
Objekten auf große Distanzen durchzuführen. Neben der Distanzmessung kann auch die
Relativgeschwindigkeit eines Objektes gemessen werden. Der Sensor basiert auf der
frequenzmodulierten Dauerstrichmethode (FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave).
Hierbei wird die Frequenz einer vom Sensor kontinuierlich ausgesandtenTrägerfrequenz in
einem kleinen Bereich (der Bandbreite) variiert. Sobald das Signal von einem Objekt zu dem
Sensor zurückreflektiert wird, kann daraus durch einen Frequenzvergleich die Distanz und die
Geschwindigkeit des erfassten Objektes bestimmt werden. Der Sensor nutzt eine sehr hohe
Frequenz mit einer Wellenlänge im mm Bereich, hierdurch kann eine sehr schmale Strahlkeule
erzeugt werden. Dies ermöglicht es kleine Objekte auf großen Distanzen zielsicher und
unabhängig von Störobjekten zu erfassen.“ (Baumer, 2019).
Abbildung 11: Funktionsweise Radarsensor11
11
(Baumer, 13.04.2019)
Gregor Sewelies
15
Sensoren und Aktoren
2 Radarsensor
FMCW-Radare sind in der Gruppe der Dauerstrichradare eingeordnet. Im Gegensatz zu reinen
Pulsradaren können diese Radarsensoren die Phasenbeziehung zwischen Sende- und
Empfangssignal
auswerten.
Durch
das
Übereinanderlegen
des
ausgesendeten,
sägezahnförmigen, frequenzmodulierten Signals mit dem entsprechenden reflektierten Signal,
kann durch eine geeignete Auswertung beider Signale der Abstand und die Geschwindigkeit
des
Ziels
ermittelt
werden.
Es
findet
eine
Laufzeitmessung
und
Phasenverschiebungsmessung der beiden Signale statt.
Abbildung 12: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 112
Abbildung 13: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 213
12
13
(Baumer, 13.04.2019)
(Baumer, 13.04.2019)
Gregor Sewelies
16
Sensoren und Aktoren
2 Radarsensor
Abbildung 14: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 314
Abbildung 15: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 415
In den Abbildungen 12 bis 15 ist schematisch dargestellt wie eine Signalerstellung funktioniert.
Zunächst startet das Signal mit einer geringen Frequenz während es gesendet wird und über
die Zeit Ts steigt die Frequenz linear an bis zu einem vorgegebenen Maximum. So entsteht
eine Frequenzrampe. Die Zeit Ts wird auch Sweeptime bezeichnet und das Delta der Frequenz
wird Bandbreite Bsweep genannt. In Schritt 2 sieht man, dass das Abfahren der Frequenzrampe
nun periodisch wiederholt wird. Durch diese periodische Wiederholung entsteht die typische
Sägezahnmodulation. Wie in der Einleitung bereits erwähnt dominiert auf dem Weltmarkt die
Frequenz 76.0 – 77.0 GHz. Bezogen darauf wird während der Sweeptime die Brandbreit 1
GHz angefahren. Eine andere mögliche Modulation, die entstehen kann, ist zum Beispiel die
Dreickeckmodulation. Dabei steigt die Frequenz innerhalb der halben Sweeptime auf das
14
15
(Baumer, 13.04.2019)
(Baumer, 13.04.2019)
Gregor Sewelies
17
Sensoren und Aktoren
2 Radarsensor
Maximum und fällt erneut bis auf das Minimum. Wenn das Sendesignal irgendwann auf ein
Objekt im entstandenen Strahlkegel trifft, wird ein Teil der Sendeleistung zum Radarsensor
reflektiert. Die reflektierte Sendeleistung kann vom Sensor als Echo detektiert werden. Das
Echo wird in den Abbildungen blau dargestellt. Im vierten und letzten Schritt messen wir nun
die Phasenverschiebung fb und Laufzeit td vom ausgesendeten zum reflektierten Signal und
kommen auf die Entfernung R zum Objekt.
𝑡𝐷
𝑓𝐵
=
𝑇𝑠 𝐵𝑠𝑤𝑒𝑒𝑝
(5)
2∗𝑅
𝑐0
(6)
𝑡𝐷 =
Setzten wir die Formel 6 in die Formel 5 ein und lösen nach R auf kommen wir auf die gesuchte
Entfernung.
𝑅=
𝑐0 ∗ 𝑇𝑠 ∗ 𝑓𝐵
2 ∗ 𝐵𝑠𝑤𝑒𝑒𝑝
(7)
[3] [13]
2.3.4 Anwendungen in der Praxis
In der heutigen Zeit werden Radarsensoren häufig und vielseitig in der Praxis eingesetzt. In
der höchsten Ausbaustufe sind die Radarsensoren an ein Notbrems-System angeschlossen.
Das Notbrems-System löst automatisch aus, wenn sich das Kraftfahrzeug zu schnell einem
Hindernis nähert. Hindernisse können zum Beispiel ein anderes Kraftfahrzeug oder
Lastkraftwagen, eine Mauer, ein Radfahrer oder ein Passant sein. Zusätzlich werden auch
Wildtiere und auch Hunde erkannt. In neuen Lastkraftwagen sind die auf der Radarsensorik
basierenden Notbremssysteme bereits vorgeschrieben und müssen somit in jedem Fahrzeug
verbaut werden. Es ist absehbar, dass von normalen Kraftfahrzeugen in Kürze ähnliches
verlangt wird. Ein anderes Anwendungsbeispiel für die Radarsensoren ist das Adaptiv Cruise
Control (ACC). Bei nahezu allen Herstellern von Kraftfahrzeugen ist das System ausrüstbar.
Das System misst mit Hilfe des Radarsensors den Abstand zu den vorrausfahrenden
Fahrzeugen, sowie die Geschwindigkeit und kann damit das Beschleunigung und Bremsen
rechnergestützt automatisch durchführen. Somit muss der Führer des Kraftfahrzeuges
lediglich lenken und fährt mit Hilfe des ACC-System. Das ACC-System hält automatisch den
Abstand zu dem vorrausfahrenden Fahrzeug und passt sich deren Geschwindigkeit und somit
auch dem Fahrverhalten an. Mit dem Notbrems-Assistenten und dem ACC-System wird der
Komfort und vor allem die Sicherheit im gesamten Straßenverkehr erhört. Die Systeme
arbeiten bei sämtlichen Geschwindigkeiten. Bei niedrigerer Geschwindigkeit sind diese
Gregor Sewelies
18
Sensoren und Aktoren
2 LIDAR-Sensor
selbstverständlich zuverlässiger, da sie effektiver reagieren können, um das Kraftfahrzeug
gegebenenfalls zum Stillstand bringen zu können, welches bei höheren Geschwindigkeiten,
wie 100-200 Kilometer pro Stunde, etwas schwieriger ist. [12]
2.4 LIDAR-Sensor
2.4.1 Einleitung
LIDAR steht für Light Detection and Ranging. LIDAR-Sensoren sind bildbasierende Sensoren,
die weitestgehend serienreif sind. „Light Detection And Ranging ist ein optisches
Messverfahren zur Ortung und Messung der Entfernung von Objekten im Raum. Prinzipiell
ähnelt dieses System dem Radarverfahren, wobei allerdings anstelle von Mikrowellen beim
LIDAR Ultraviolett-, Infrarot- oder Strahlen aus dem Bereich des sichtbaren Lichts (daher
LIDAR) verwendet werden.“ (Gotzing, 2015). [10]
2.4.2 Aufbau
Abbildung 16: Aufbau eines LIADR-Sensors bei dem neuen Audi A816
16
(Audi Blog, 2019)
Gregor Sewelies
19
Sensoren und Aktoren
2 LIDAR-Sensor
Der Aufbau eines LIDAR-Sensors ist in der Abbildung 16 bildlich dargestellt. Die Laserdiode
und die Empfangseinheit, welche aus einer Photodiode besteht, befinden sich auf der selben
Seite des Modules mit dem gleichen Abstand zum Spiegel. Der Spiegel ist drehbar gelagert,
sodass er sich, wie zum Beispiel im Bild beschrieben, mit 750 Umdrehungen pro Minute
drehen kann. Der Öffnungswinkel von einem solchem Sensor hängt immer von der baulichen
Konstruktion hab. Es sind geringe Öffnungswinkel von wenigen Grad möglich bis hin zu
Öffnungswinkel von 360°. Der Öffnungswinkel hängt von dem technischen Zweck und der
Einbauposition ab. Somit werden LIDAR-Sensoren, die einen 360° Öffnungswinkel haben, auf
dem Dach eines Kraftfahrzeuges angebracht und Sensoren, die in der Frostschürze eines
Fahrzeuges verbaut werden, wie bei dem neuen Audi A8, mit 145° Öffnungswinkel. Die
Frontscheibe, wodurch der gesendete und empfangene Laserstrahl wandern muss, ist beheizt,
damit er sowohl im Sommer als auch im Winter seine Aufgaben erfüllen kann. Zeitgleich dient
die Frontscheibe als Schutz vor Verschmutzungen, Nässe und anderen Verwitterungen. Hinter
den bereits genannten Teilen befindet sich eine Platine mit Steckverbindung. Diese Platine ist
zur Berechnung der Daten, Auswertung der Daten und das Erstellen des gekrümmten
Raumbildes zuständig. Der Stromzufluss und der Datenaustausch mittels FlexRay-Busses
erfolgt über die Streckverbindung. [15] [25]
2.4.3 Funktionsprinzip
Der durch die Laserdiode ermittelte Laserstrahl wird an dem Umlenkspiegel um 90° abgelenkt
und tritt in den Raum. Dort wird er von einem Objekt in bestimmter Entfernung reflektiert. Die
reflektierten, abgeschwächten Lichtstrahlen werden nun am Sensor wieder aufgenommen und
mit einer Fotodiode detektiert. Die Zeit, die seit dem Aussenden des Lichts durch die
Laserdiode und dem Empfangen durch die Fotodiode vergangen ist, wird nun zur Berechnung
des vom Licht zurückgelegten Weges benutzt. Das System des LIDAR muss dabei sehr kleine
Zeitunterschiede im Pikosekundenbereich auflösen können. Somit kann eine Genauigkeit der
Distanzbestimmung von einigen Millimetern bis Zentimeter erreicht werden. Zur Erfassung
mehrerer Richtungen in horizontaler Ebene dreht sich der Umlenkspiegel um seine
Horizontalachse, sodass eine theoretische Erfassung der Entfernungen um 360° in
horizontaler Ebene möglich ist, wenn es die konstruktiven Merkmale des Gehäuses und die
Montage am Fahrzeug erlauben. Je nach Drehgeschwindigkeit des Umlenkspiegels dauert die
Erfassung (Erfassungszeit) der Distanzen der gesamten Umgebung in horizontaler Ebene
solange wie der Spiegel für eine Umdrehung benötigt. Zwar verringert die Einschränkung des
Erfassungswinkels von 360° auf beispielsweise 145° die theoretische Erfassungszeit eines
Bildes auf circa die Hälfte einer ganzen Umdrehung, jedoch muss der Spiegel weiterhin den
Rest der Drehung vollziehen, um wieder am Startwinkel der Erfassung anzukommen. Damit
Gregor Sewelies
20
Sensoren und Aktoren
2 LIDAR-Sensor
verbleibt die Erfassungszeit von 145° konstant mit der von 360° Erfassungswinkel. Somit ist
lediglich die Drehgeschwindigkeit des Umlenkspiegels das ausschlaggebende mechanische
Kriterium für die Wiederholrate. Aktuell deckt der LIDAR-Sensor lediglich einen 2D-Bereich ab.
Damit der Sensor auch ein 3D Bereich abdecken kann, muss noch zusätzlich die Neigung des
drehbaren Spiegels verstellbar sein, sodass mehrere Ebenen abgedeckt werden können.
Dieses Prinzip ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 17: LIDAR-Sensor mit mehreren Ebenen17
Die Berechnung, mit dem LIDAR-Sensor, für den Abstand erfolgt mit der Formel:
𝑑=
𝑐0 ∗ 𝑡
2
(8)
wobei d der Abstand in Meter ist, t die Laufzeit in Sekunden und 𝑐0 die Lichtgeschwindigkeit
𝑚
ist, mit 𝑐0 = 300.000 𝑠 . Die Relativgeschwindigkeit kann man ebenfalls berechnen, damit der
Sensor auch im dynamischen Bereich arbeiten kann. Dabei wird mit folgender Formel
gearbeitet:
𝑣𝑟𝑒𝑙 =
17
𝑅2 − 𝑅1
𝑡2 − 𝑡1
(9)
(Whitepaper SICK, 2018)
Gregor Sewelies
21
Sensoren und Aktoren
2 LIDAR-Sensor
Abbildung 18: Prinzip Berechnung der Relativgeschwindigkeit18
Die Einheiten der einzusetzenden Größen sind 𝑣𝑟𝑒𝑙 , die Relativgeschwindigkeit, ist in Metern
pro Sekunde, R ist der Abstand in Metern und die Zeit t in Sekunden. [13] [25]
2.4.4 Anwendungen in der Praxis
Aktuell sind LIDAR-Sensoren eher in der Luxus- und Oberklasse von Kraftfahrzeugen verbaut.
Nach und nach werden diese Sensoren auch in Mittelklasse- und Kompaktfahrzeugen verbaut
werden. Dies setzt jedoch voraus, dass die Sensoren bezahlbar werden. Diese Sensoren
werden benötigt, um die Aufgaben des Autonomen Fahrens der Stufe 3 und Stufe 4
zuverlässig bewältigen zu können. Autonomes Fahren der Stufe 3 ist, wenn sich der Fahrer
des Kraftfahrzeuges von dem Verkehr abwenden darf, um zum Beispiel Zeitung zu lesen oder
sich den Kindern auf der Rückbank zu zuwenden. Das Kraftfahrzeug fährt in vom Hersteller
vorgegebenen Anwendungsfällen selbstständig. Es kann eigenständig Beschleunigen,
Bremen oder auch Überholen. Autonomes Fahren der Stufe 4 ist, wenn der Fahrer des
Fahrzeuges sich komplett von dem Verkehr abwenden kann und zum Passagier des
Kraftfahrzeuges wird. Zudem darf das Kraftfahrzeug auch ohne Insassen fahren, da es auf
bestimmten Strecken komplett selbständige und sicher Fahren kann. Die Passagiere dürfen
schlafen, ihr Smartphone verwenden oder Zeitung lesen. Das System erkennt Gefahren
rechtzeitig, sodass es regelkonform einen sicheren Zustand erreichen kann. Die Passagiere
haften während der vollautomatisierten Fahrt nicht für Verkehrsverstöße oder Schäden. Da
dieser Sensortyp bereits abgedeckte Aufgaben von anderen Systemen erfüllt dient der LIDARSensor zudem als redundantes System, wie man es bereits aus dem Militär oder der Luftfahrt
kennt. Zu den bereits genannten Aufgaben erstellt das LIDAR-System ein gekrümmtes
Raumbild mittels Laser- und Photodiode. Zudem kann „[…] dieses System [.] neben dem
18
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
Gregor Sewelies
22
Sensoren und Aktoren
2 Bildsensoren
räumlichen Erfassen der Umgebung des Fahrzeugs auch die Bewegungsprofile aller anderen
Verkehrsteilnehmer erfassen und vorausberechnen. Somit weiß das autonom fahrende Auto
frühzeitig, wann und aus welcher Richtung Gefahren drohen und kann rechtzeitig mit der
Gefahrenabwehr (warnen, bremsen, ausweichen) beginnen. Dazu blickt die Lidar-Technik 300
Meter weit und scannt die Umgebung 50 Mal schneller als ein Augenzwinkern.“ (Ippen, 2018).
[13] [15] [20]
2.5 Bildsensoren
2.5.1 Einleitung
Die
Anwendungsmöglichkeiten
von
Video-
und
Bildkamerasystemen
in
der
Kraftfahrzeugbranche sind vielfältig. Die erste Videokamera wurde als Rückfahrkamera
verbaut, damit das Rückwärtsrangieren einfacher wird. Für Fahrerassistenzsysteme stellen
Video- und Bildkamerasystem eine immer wichtigere Grundlage dar. Sie dienen zum Beispiel
der Umfelderfassung. Aus der Kraftfahrzeugtechnik ist diese Methode der Sensorik nicht mehr
weg zu denken. Bildsensoren werden in modernen Kraftfahrzeugen unter anderem bereits für
die Innenraumüberwachung und für die gesamte Umfelderfassung des Mittel- und
Nahbereichs rund um das Fahrzeug eingesetzt. Durch zusätzliche Funktionen wie die
Nachtsicht oder eine Entfernungsmessung sind Bildsensoren vielfältig anwendbar.
2.5.2 Aufbau
Der Aufbau des Kameramoduls kann sich immer anders gestalten, da je nach Anordnung
weitere Komponenten integriert oder weggelassen werden können. Dennoch ist der
prinzipielle Aufbau eines Kameramoduls ähnlich. Bei modernen Kameramodulen von
Fahrerassistenzsystemen, die zur Verarbeitung von Bildern genutzt werden sollen, können
bereits Prozessoren in dem Modul integriert sein.
Gregor Sewelies
23
Sensoren und Aktoren
2 Bildsensoren
Abbildung 19: Aufbau eines bildbasierenden Sensors19
Wie in Abbildung 19 dargestellt, hat das Kameramodul mehrere Bauteile. In dem Objektivhalter
ist das Objektiv der Kamera eingebettet, welches von der Blende eingefasst wird. Die Optik,
die aus mehreren Linsen besteht, befindet sich in dem Objektiv des Kameramodules. Als
nächstes kommt ein Infrarotfilter (engl. infracared cut-off filter –IRCF), welcher nur die
sichtbaren Anteile hindurch lässt. Das Licht, welches durch die IRCF-Einheit gelangt ist, tritt
dann auf den Bildsensor. An dem Bildsensor ist außerdem noch die Leiterplatte und die
elektronischen Bauteile im unteren Teil des Kameramoduls angeschlossen. Das Design des
Moduls ist wie bereits erwähnt immer unterschiedlich. Es passt sich dem Anwendungszweck
an damit es so klein und robust wie möglich ist. Demnach sind stabile Designs, die einen
direkten Kontakt mit Umwelteinflüssen besitzen, für Bildsensoren unerlässlich.
Das Design muss neben der Stabilität auch sicher sein. Es muss alle Bauteile der Kamera vor
äußeren Einflussfaktoren schützen, sodass diese keinen Schaden davontragen. Ebenfalls
kann die Optik dem Anwendungsparametern angepasst werden. Somit haben die
Surroundview-Kameras einen großen Blickwinkel, von jeweils 180 Grad, um ein möglichst
großes Blickfeld zu gewährleisten. Frontview Kameras hingegen sind meist einer hohen
Lichteinstrahlung ausgesetzt und müssen demnach lichtempfindlich konstruiert werden. Um
dies
zu
gewährleisten
wird
ein
Objektiv
mit
großer
Blendenöffnung
eingesetzt.
Innenraumkameras haben wiederum die Aufgabe den Fahrer in einem kurzen Abstand, von
circa 40 cm bis 100 cm, aufzunehmen und diesen Bildern auszuwerten. Da hier eine hohe
Tiefenschärfe im Nahbereich notwendig ist, werden Objektive mit kleiner Blendenöffnung
eingesetzt. [4]
19
(Bachelorarbeit Balkhausen, 2018)
Gregor Sewelies
24
Sensoren und Aktoren
2 Bildsensoren
2.5.3 Funktionsweise
Bildsensoren lassen sich in zwei Klassen einteilen. Die erste Klasse ist die MonokameraArchitektur und die andere Klasse ist die Stereokamera-Architektur.
„In der Monokamera-Architektur erfasst die Videokamera ein Graustufenbild. „Typische
Kameras erfassen 752x480 Pixel mit 60fps.“ Das erfasste Graustufenbild wird über eine
Schnittstelle zur Bildverarbeitungseinheit übertragen. Hierfür wird ein digitaler Signalprozessor
(engl. Digital Signal Processor- DSP) eingesetzt, welcher die Videoverarbeitung in Echtzeit
durchführen kann. Bei der Bildverarbeitung werden beispielsweise Kanten oder andere
Konturen
aus
dem
Videobild
ermittelt,
die
auf
Umrisse
von
Fahrzeugen
oder
Fahrspurmarkierungen hindeuten können. Durch Plausibilisierungsalgorithmen und Filter
werden Umfeldinformationen aus dem Videobild gewonnen und in ein zweidimensionales Bild
zusammengesetzt. „Da ein Video eine 2D Darstellung einer realen 3D Umgebung ist, muss
auf eine Dimension verzichtet werden.“ Durch die fehlende Information der Tiefe muss die
fehlende Dimension durch Annahmen geschätzt werden oder auf die Information von anderen
Sensoren zurückgegriffen werden.“ (Balkhausen, 29.06.2019).
„Die Stereokamera-Architektur ist eine Weiterentwicklung der Monokamera-Architektur. Diese
setzt auf zwei Kameras, welche in einem festgelegten Abstand zueinander sind. Durch die
zweite Kamera kann auch die dritte Dimension aus dem Videobild berechnet werden. Durch
diese Entwicklung kann nun auch der Abstand von anderen Fahrzeugen oder Hindernissen
ermittelt werden. „Dabei werden im Videobild „Objekte“ mit gleichem Abstand gesucht, die sich
zum nächsten Bild bewegen.“ Anhand der Position und der Geschwindigkeit ergibt sich
zusammen ein 6-dimensionaler Vektor für jedes Objekt, welches Informationen über die
geschätzte Position des Objekts liefert. Hierzu wird für die nächsten 0,5 Sekunden eine
Vorhersage getroffen, welche mit den nächsten Bildern der Stereokamera verfeinert.“
(Balkhausen, 29.06.2019). [4]
2.5.4 Anwendung in der Praxis
Kameras mit Bildsensoren werden heutzutage in dem verschiedensten Formen mit den
unterschiedlichsten
Funktionen
in
den
Kraftfahrzeugen
verbaut.
Die
Front-View
Kamerasysteme befinden sich meist hinter der Windschutzscheibe, im Bereich der
Aufhängung des Rückspiegels. Die Vorteile dieses Anbringungsortes sind, dass die Kamera
durch äußere Umweltfaktoren geschützt ist und die Sicht der Kamera immer gut ist, da die
Windschutzscheibe für eine sichere Fahrt immer sauber gehalten wird. Zudem ist der
Blickwinkel der Kamera an dieser Position sehr gut. Rückfahrkameras werden meist an der
Heckklappe des Kraftfahrzeuges angebracht. Die genaue Position ist häufig mittig über dem
Gregor Sewelies
25
Sensoren und Aktoren
2 Bildsensoren
Nummernschild. Diese Kameras müssen gut wetterbeständig sein, da diese draußen
angebracht sind. Zudem muss der Nutzer dieses Fahrerassistenzsystems, für den sicheren
Einsatz, die Rückfahrkamera bei Gelegenheit selbst reinigen. Sourroundview-Kamerasysteme
haben mindestens vier Kameras. Diese sind in der Front, dem Heck und zu je einer Seite
platziert. Meist wird auf die bereits bestehende Rückfahrkamera zurückgegriffen, jedoch wird
für die Frontansicht eine zweite Frontkamera installiert. Sie befindet sich, wie die
Heckkameras, meistens mittig über dem Nummernschild, im Kühlergrill oder in die Embleme
des jeweiligen Herstellers. Die seitlichen Kameras werden häufig unter den seitlichen
Rückspiegeln angebracht oder oben an der Dachreling. Die Sourroundviewkameras haben ein
Fisheye- oder ein Birdeye-Objektiv, damit sie jeweils eine Fläche von 180 Grad sicher
abdecken und aufnehmen können. Zum Schluss werden die vier Bilder zu einem 360 Grad
Bild
zusammengefügt
und
auf
dem
entsprechenden
Bildschirm
dargestellt.
Das
Kamerasystem, welches für die Fahrer- und Innenraumüberwachung genutzt wird, befindet
sich meistens in dem Instrumentenbereich oder im Rückspiegel. Diese Kamera hat den
Auftrag den Fahrer so weit zu überwachen, um Pausenempfehlungen zu geben. Mit einem
Algorithmus kann das Fahrerassistenzsystem den Fahrer analysieren und daraufhin
Empfehlungen aussprechen.
In der Zukunft soll die Anwendung von Kameras in der Automobilbranche noch ausgeweitet
werden. Ein Beispiel ist die Verwendung von Kameras als Ersatz der Rückspiegel. In dem
aktuellen Lexus ES wurde dies bereits umgesetzt. Durch diese Technologie wird der
Wiederstandbeiwert, der durch die Luft entsteht (cw-Wert), verringert. Eine Verringerung des
cw-Wertes führt ebenfalls zur Einsparung von Kraftstoff. [2]
Abbildung 20: Lexus ES 300h mit neuer Seitenspiegelkamera und Bildschirm20
20
(auto motor sport, 2018)
Gregor Sewelies
26
Sensoren und Aktoren
2 3D Time-of-Flight Sensor
2.6 3D Time-of-Flight Sensor
2.6.1 Einleitung
Die 3D Time-of-Flight Sensorik zielt darauf ab die Entfernungs- und Bildsensorik zu
revolutionieren. Aktuell werden mittels zwei getrennt arbeitenden Sensoren 3D-Bilder erstellt
und entsprechend ausgewertet. Dabei arbeiten ein bildbasierender Kamerasensor, welcher
zwei Dimensionen liefert, und ein Entfernungssensor, welcher die letzte Dimension erbringt,
zusammen. Mittels eines Time-of-Flight Sensorsystems sollen die zwei aktuellen Sensoren in
ein System zusammengefasst werden. Da es bereits mehrere 3D-Sensoren gibt, soll dieses
System eine andere Marktlücke besetzten. Was diesen 3D Time-of-Flight Sensor so
revolutionär gestaltet und somit einzigartig ist, ist dass dieser ohne bewegte Teile gebaut wird.
Diese Idee des Systems soll mit einer Technologie realisiert werden, welches PMD-Verfahren
heißt. Forschungen zu diesem Verfahren laufen bereits seit einem Jahrzehnt. „Die Abkürzung
PMD steht dabei für den Begriff Photomischdetektor (engl. Photonic Mixer Device) und
beschreibt die Fähigkeit des neuen Empfängers, bereits im Pixel eines Bildsensors zu
korrelieren, d. h. einen elektrooptischen Misch- und den anschließenden Integrationsprozess
(Mischung + Integration = Korrelation) durchzuführen. Diese Eigenschaft erlaubt die pixelweise
Korrelation eines modulierten optischen Signals mit einer elektronischen Referenz und damit
eine 3D-Entfernungsmessung nach dem Lichtlaufzeitverfahren (engl. Time-of-Flight, ToF) in
jedem Video Frame.“ (H. Winner, Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015). [12]
2.6.2 Aufbau
Ein Time-of-Flight System besteht aus zwei wesentlichen Bestandteilen. Aus einem PMD-Chip
und einer aktiven Beleuchtungseinheit. Zu dem Chip gehört eine Peripherie-Elektronik,
Empfangsoptik, Auswerteeinheit und Netzteil. Mit jedem dieser Komponenten können die
Parameter des Sensors wie zum Beispiel der Messbereich, das Sichtfeld (Field-of-View) oder
die Bildwiederholrate angepasst werden. Eine Kamera, welche für die Vorrausfahrt ausgelegt
werden soll, benötigt beispielsweise eine höhere Reichweite und bei Kraftfahrzeugen werden
hohe Geschwindigkeiten erreicht was eine Anpassung der Bildwiederholrate erfordert.
Der PMD-Chip ist das wichtigste Bauteil des Systems, welches die 3D-Bildaufnahme
überhaupt ermöglicht. Wie bei klassischen 2D-Bildsensoren definiert die Anzahl der Pixel die
Auflösung des Gesamtbildes. Neben den Helligkeitsinformation in Form des Grauwertbildes
wird pro Pixel die Distanz zum Objektpunkt gemessen.
Neben dem PMD-Chip benötigt jedes optische Time-of-Flight-Verfahren eine aktive
Beleuchtung. Bei der Beleuchtung ist darauf zu achten, dass die sie mit einer ausreichend
dimensionierte Bandbreite vorgenommen wird. Typischerweise werden mehr als 10 MHz
Gregor Sewelies
27
Sensoren und Aktoren
2 3D Time-of-Flight Sensor
verwendet. Neben Licht emittierenden Dioden (LEDs) kommen unter anderem Laserdioden
zum Einsatz. [12]
2.6.3 Funktionsweise
Dynamischen Verkehrsabläufe aufzunehmen und auszuwerten ist in den letzten Jahren immer
wichtiger
geworden.
Dabei
ist
es
essenziell
für
die
Kraftfahrzeuge
eine
hohe
Bildwiederholungsrate zu haben, damit ein dynamisches Umfeld in kürzester Zeit ausgewertet
werden kann. Ganz einfach kann man sagen, dass die Messobjekte von Lichtimpulsen
angeleuchtet werden und die Signallaufzeit gemessen wird. Aufgrund der Laufzeit kann die
Entfernung zwischen Kamera und Objekt bestimmt werden. Der Abstand oder die Tiefe r,
wobei r für Range steht, kann über die Echolaufzeit 𝑡𝑜𝑓 von einem Sensor gesendeten und
empfangenen Signals mit folgender Formel bestimmt werden, c ist die Lichtgeschwindigkeit:
𝑟=
𝑐 ∗ 𝑡𝑜𝑓
2
(10)
Die Kamera sendet aktiv und kontinuierlich diese Lichtimpulse aus. Diese Impulse werden von
dem jeweiligen Objekt teilweise zurück reflektiert und auf dem Sensor pixelweise empfangen.
Jeder Pixel, der im Sensor verbaut ist, ist sozusagen ein elektrooptischer Entfernungsmesser.
Somit bekommt das PMD-System die Entfernungswerte direkt aus jedem Pixel des
aufgenommenen Bildes. Das führt dazu, dass keine hohe Rechenleistung in der
Nachbearbeitung und Auswertung gebraucht wird. Zur selben Zeit wird ein Grauwertbild
erstellt. Das Grauwertbild wird aus den einzelnen Amplituden jedes Pixels erstellt und dient
der Bestimmung von der Intensität des Lichtes. Ein wichtiger Vorteil einer FoT 3-D Kamera
soll die Handlichkeit und die geringen Anschaffungskosten sein. Jedoch der entscheidende
Vorteil gegenüber Systemen mit zwei Kameras ist, dass diese Kamera nicht auf die zweite
Kamera abgestimmt werden muss. Dieses System gilt somit als Monosystem. PMD-Kameras
erzeugen einen kontinuierlichen Datenstrom, mit aktuell bis zu 100 3-D Bildern pro Sekunde.
Dies ist bereits ein großer Schritt für das Autonome Fahren und ermöglicht somit eine schnelle
und sichere Interpretation auch bei hohen Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeuges. [4]
Gregor Sewelies
28
Sensoren und Aktoren
2 3D Time-of-Flight Sensor
Abbildung 21: Darstellung einer Person mittels eines Time-of-Flight Sensors21
2.6.4 Anwendung in der Praxis
Solche Sensoren werden in Kraftfahrzeugen noch nicht häufig verbaut, da diese noch nicht
serienreif sind. Dieser Sensortyp ist, wie der LIDAR-Sensor, für das Autonome Fahren
gedacht. Unter anderem kann er auch einzeln betrachtet zur Sicherung des Stadtverkehres
angesehen werden. Durch sin solches System kann die Umgebung in ein 3D-Bild dargestellt
werden und den Fahrer in seinem Handeln unterstützen. In dem Autonomen Fahren kann der
3D Time-of-Flight Sensor als ein redundantes System angesehen werden und als eine
Komprimierung mehrerer Sensoren wie es bereits in der Einleitung erläutert wurde. [13]
Abbildung 22: Darstellung der ToF-Daten eines Autos im Stadtverkehr22
21
22
(PMD Technologies AG, 2019)
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
Gregor Sewelies
29
Sensoren und Aktoren
2 Kamerabasierte Fußgängerdetektion
2.7 Kamerabasierte Fußgängerdetektion
2.7.1 Einleitung
Kamerabasierte Fußgängerdetektoren sind ebenfalls Sensoren, die auf der Basis von
Videobildern und Infrarot arbeiten. Dieser Sensor wird jedoch nochmal individuell betrachtet,
da die Erkennung von Fußgängern im Verkehr äußerst wichtig ist und dieser Sensor
ausschließlich dafür arbeitet. Der LIDAR-Sensor oder Time-of-Flight-Sensor können Personen
ebenfalls erkennen, jedoch erfüllen diese auch andere Aufgaben. Die Detektion oder
Erkennung von Fußgängern im Straßenverkehr wird immer wichtiger. Zugleich ist diese
Realisierung aber auch eines der schwierigsten Probleme der Sensorverarbeitung. Um dem
Fahrer
optimal
zu
unterstützen,
sollten
somit
alle
Fußgänger
unabhängig
von
Sichtverhältnissen zuverlässig erkannt werden. Dies kann jedoch durch sämtliche
Umweltfaktoren gestört werden. Das größte Problem stellen insbesondere wechselnde
Wetter-
und
Sichtverhältnisse
dar,
schwierige
Beleuchtungssituationen
und
Straßenverhältnisse dar. Des Weiteren können Fußgänger von parkenden Kraftfahrzeugen
zum Teil verdeckt aber auch schon der individuelle Kleidungsstyl kann die Detektion
schwieriger gestalten. [12]
2.7.2 Aufbau
Der Aufbau von Kamerabasierte Fußgängerdetektoren ist sehr ähnlich dem der bereits
beschriebenen Bildsensoren und wird somit nicht nochmal extra beschrieben und kann aus
dem vorherigen Kapitel entnommen werden. Jedoch gibt es einen Unterschied in der
Entsendung der Wellen, die für die Erstellung des Bildes wichtig sind. Die kamerabasierten
Fußgängerdetektoren, welche für den Tageseinsatz gedacht sind, arbeiten mit einem
videobildbasierenden Verfahren. Der andere Sensor, welcher für den Nachteinsatz
vorgesehen ist, arbeitet mit einem infrarotkamerabasierenden Verfahren. Es gibt eine
Besonderheit, die zu beachten ist, bei dem Einbau des Kamerabasierte Fußgängerdetektoren
für die Nachtsicht. Dieser kann nicht hinter einer normalen Glasscheibe, wie der
Windschutzscheibe, angebracht werden. Die Glasscheibe ist nicht transparent genug für die
Infrarotwellen. Das heißt, wenn der Sensor dennoch hinter einer handelsüblichen scheine
angebracht wird, ist der Sensor blind und somit wirkungslos. Um dies zu umgehen, muss der
Sensor an einem separaten Ort angebracht werden und wird üblicherweise durch eine
Siliziumscheibe, von äußeren Umwelteinflüssen, geschützt. [12]
Gregor Sewelies
30
Sensoren und Aktoren
2 Kamerabasierte Fußgängerdetektion
2.7.3 Funktionsprinzip
Es gibt nach aktuellem Stand der Technologie drei Ansätze wie ein Detektor die Bilder
untersucht und auswertet. Der „Sliding-Window-Ansatz“ ist der Ansatz, der sich aktuell am
stärksten durchgesetzt hat und wird in dieser Ausarbeitung näher erklärt. Bei dem SlidingWindow-Verfahren kommt zu Beginn ein Eingangsbild in den Sensor. Dieses Bild von einem
vordefinierten Fenster mit einer festen Größe sukzessiv abgesucht und beurteilt, ob sich eine
Person auf dem Bild befindet oder nicht.
Abbildung 23: Schematische Darstellung der Reskalierung23
Um keine Fußgänger, aufgrund der Größe auf dem Bild, zu übersehen, wird das Bild immer
wieder reskaliert und erneut abgetastet und beurteilt. Dies wird solange durchgeführt, bis die
Dimension des Detektorfensters größer ist als das zu untersuchende, reskalierte Bildes. Um
Personen auf dem Bild zu erkennen, können verschiedene Methoden angewandt werden.
Diese Methoden werden Merkmale genannt. Ein sehr gutes Verfahren ist, dass der
Histogramme über Gradientenorientierungen. Histogramme sind Tabellen, die aufzeigen wie
häufig eine Eigenschaft auftritt. Gradienten sind Vektorpfeile, die in eine bestimmte Richtung
zeigen. In diesem Fall zeigen sie in die Richtung mit den stärksten Merkmalen, die für eine
Person hindeuten. Wenn nun das Detektionsfenster sich einen Bereich anschaut berechnet
es den Gradienten und fügt das Ergebnis dem Histogramm für diese Zelle hinzu. Dies wird so
häufig wiederholt wie das Detektionsfenster das Bild untersucht, das Bild reskaliert und erneut
untersucht. Zum Schluss werden alle Zellenhistogramme nebeneinandergelegt und
aufeinander abgestimmt. Aus der zusammengesetzten Beurteilung wird entschieden, ob sich
eine Person auf dem Bild befindet. Während der Zusammensetzung der einzelnen Zellen wird
das gesamte Bild noch einer Art Filter unterzogen. Dies wird vorgenommen, um die Dominanz
eines einzelnen Histogrammeintrags zu verhindern. [12]
23
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
Gregor Sewelies
31
Sensoren und Aktoren
2 Kamerabasierte Fußgängerdetektion
Abbildung 24: Verfahren wie ein Eingangsbild eingeteilt und untersucht wird24
2.7.4 Anwendung in der Praxis
Diese Sensoren befinden sich aktuell noch in der Forschung und Erprobung. In den letzten
Jahren wurden viel Geld und Zeit investiert und bereits fortschrittliche Ergebnisse erzielt.
Jedoch ist die Leistungsfähigkeit der aktuellen kamerabasierten Fußgängerdetektion für den
Betrieb in Kraftfahrzeugen noch nicht vollkommen ausreichend und zuverlässig genug. [12]
24
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
Gregor Sewelies
32
Sensoren und Aktoren
3 Kamerabasierte Fußgängerdetektion
3 Aktoren
„Aktoren oder auch Aktuatoren sind Bauteile die von einem Steuergerät aktiviert werden. Die
Aktivierung erfolgt durch einen Mikroprozessor, der die Endstufe ansteuert. Endstufen
schließen den elektrischen Stromkreis zwischen Spannungsversorgung und Aktuator. Diese
elektrische Energie wird in eine physikalische Grösse umgewandelt (Bewegung, Druck,
Temperatur, Bewegung, Drehmoment, Licht, …). Die meisten Aktuatoren werden über eine
Leistungsendstufe angesteuert. Das Ausgangssignal der CPU (Mikroprozessor) wird durch
einen Leistungstransistor (Endstufe) verstärkt.“ (AGVS Ausbildungszentrum Berner Oberland
, 2019).
Abbildung 25: Funktion eines Aktuators25
In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten Aktoren in drei wesentliche Gruppen
eingeteilt. In dieser Ausarbeitung werden die Aktoren ebenfalls in diese drei Kategorien
eingeteilt. Zu jedem der drei Gruppen wird ein Aktor erklärt und verdeutlicht mit welchen
physikalischen Prinzipien gearbeitet wird. [2] [22]
Abbildung 26: Einteilung der elektromechanischen Aktoren in 3 Gruppen26
25
26
(AGVS UPSA, 2017)
(Grundlagen der Elektrotechnik und der Elektronik 2, 2012)
Gregor Sewelies
33
Sensoren und Aktoren
3 Elektromechanische Aktoren
3.1 Elektromechanische Aktoren
Elektromechanische Aktoren sind Aktoren, welche die elektrischen Signale erhalten und
mithilfe eines alltäglichen Motors diese mechanische Arbeit verüben. Es gibt diverse Arten von
Motoren. Es gibt den Elektromotor, Synchronmotor, Asynchronmotor und noch weitere die aus
der Abbildung 26 entnommen werden können. In einem Kraftfahrzeug werden jedoch
überwiegend Elektromotoren in den unterschiedlichsten Größen verbaut. Da der Elektromotor,
der am häufigsten verwendete Motor ist, wird er in dieser Ausarbeitung näher erklärt.
3.1.1 Elektromotor
3.1.1.1 Einleitung
Die Erfindung des Elektromotors ist inzwischen fast 200 Jahre alt. Ein dänischer
Wissenschaftler erfand diesen technologischen Meilenstein im Jahr 1820. Oersted stellte fest,
dass elektrischer Strom eine magnetische Wirkung hat. Durch diese Erkenntnis legte er den
Grundstein für weitere elektromagnetische Forschungsarbeiten in den kommenden Jahren. Es
dauerte dennoch knapp 18 Jahre, bis ein Elektromotor zum ersten Mal in der Praxis eingesetzt
wurde. Am Ende des 19. Jahrhunderts wurden vielerorts Kraftwerke installiert, Stromnetze und
-leitungen verlegt. Daraufhin folgte der Anstoß, den der Elektromotor benötigte, um so populär
zu werden. Als Folge wurde in den meisten Industriebetrieben die Dampfmaschinen durch den
Elektromotor abgelöst. Die Elektrotechnik wird in Deutschland als ein großer Punkt der zweiten
industriellen Revolution angesehen. Durch diese Revolution änderte sich dadurch vieles. In
den Jahren wurde der Elektromotor in vielen verschiedenen Varianten konstruiert und kann
somit auch sehr vielseitig angewendet werden. Was den Elektromotor so attraktiv gestaltet ist,
dass er in nahezu allen Größen zu erhalten ist. Dies findet sich im Kraftfahrzeug wieder. [18]
Gregor Sewelies
34
Sensoren und Aktoren
3 Elektromechanische Aktoren
3.1.1.2 Aufbau
Abbildung 27: Aufbau eines Elektromotors27
Im Wesentlichen sind alle Elektromoren gleich aufgebaut. In Abbildung 27 ist ein
schematischer Elektromotor dargestellt. Der Stator ist ein unbewegliches Teil des
Elektromotors. Je nachdem welcher Motortyp vorliegt, besteht der Stator aus einem
Dauermagneten oder einem Elektromagneten. Bei vielen Motoren ist der Stator der äußere
Teil des Motors, woran das Gehäuse fest verbunden ist. Es gibt aber auch Motoren, bei denen
der unbewegliche Teil innen liegt und der Rotor sich um den Stator dreht. Der Motortyp wird
dementsprechend Außenläufer genannt. Der bewegliche Teil des Elektromotors hat in
verschiedenen Literaturen unterschiedliche Namen. Er wird als Rotor, Anker oder Läufer
bezeichnet. In den meisten Fällen besteht der Rotor aus einer Achse, die von einer Spule aus
lackiertem Kupferdraht umwickelt ist, durch die Strom fließt. Durch den physikalischen Effekt
des Stromes wird der Rotor zum Elektromagneten gemacht. Der Kommutator, oder auch
Stromwender genannt, ist dafür zuständig, dass sich die Stromrichtung konstant und
periodisch
wechselt.
Mit
der
Stromrichtung
wird
ebenfalls
das
Magnetfeld
des
Elektromagneten geändert. Dies wird dafür genutzt, damit der Motor nicht stehen bleibt. Der
Kommutator ist häufig eine Scheibe aus Metall, die in zwei einzelne Segmente unterteilt ist. In
der Abbildung ist dies in gelb und orange dargestellt. Nach einer halben Umdrehung des
Motors wird die Stromzufuhr im gelben Bereich kurz unterbrochen, danach fließt der Strom
umgekehrt durch die Spule. Über die Bürsten, die häufig aus Grafit oder Kohle bestehen, wird
der Rotor durch den Kommutator mit Strom versorgt. [18]
27
(Wikipedia, 08.05.2019)
Gregor Sewelies
35
Sensoren und Aktoren
3 Elektromechanische Aktoren
3.1.1.3 Funktionsprinzip
Mithilfe eines Elektromotors kann elektrische Energie in mechanische Energie transferiert
werden. Das Phänomen des Magnetismus wird dabei ausgenutzt: Durch das Phänomen
stoßen sich gleiche Pole eines Magneten ab und unterschiedliche Pole ziehen sich an. Lässt
man elektrischem Strom durch ein nicht magnetisch geladenes Teil fließen, wird dieses
magnetisch. Zudem lässt sich auch die Polarität beeinflussen. Dies hängt damit zusammen in
welche Richtung der Strom fließt. Wie bereits im Aufbau beschrieben gibt es einen festen
magnetischen Teil, den Stator, und einen beweglichen Teil, den Rotor. Wenn nun mittels der
elektrischen Aufladung zwei Plus-Pole oder zwei Minus-Pole einander zugewandt sind, dann
stoßen sich diese ab und der bewegliche Teil des Elektromotors beginnt zu rotieren. Bei jeder
halben Umdrehung wechselt automatisch die Stromrichtung, welches durch den Kommutator
realisiert wird. Wenn sich nun die Stromrichtung ändert wird aus dem beispielweisen Minuspol
ein Pluspol. Dazu hat sich der Rotor einmal halb um die eigene Achse gedreht und es stehen
wieder zwei gleiche Pole einander zugewandt. Durch das wechseln der Stromrichtung wird
sichergestellt, dass der Elektromotor permanent in Bewegung bleibt und nicht am
sogenannten Totpunkt stehen bleibt. Der Rotor und die Achse sind fest verbunden. Somit dreht
sich die Achse zusammen mit dem Rotor, und jegliche anderen Teile, die mit der Achse
verbunden sind. Diese rotatorisch mechanische Energie kann nun für die unterschiedlichsten
Anforderungen verwendet werden. Wenn man die Menge der zugeführten elektrischen
Energie variiert, kann man die Geschwindigkeit des Motors steuern. Unteranderem können
etliche Anbauteile an den Motor angebracht werden, die noch mehr Möglichkeiten eröffnen,
die mechanische Energie optimal zu nutzen. Durch entsprechende Komponenten kann die
rotatorische Energie in translatorische Energie umgewandelt werden. Ein Kondensator kann
die Energie speichern und gezielt abgeben.
Bei einem Elektromotor kann man einige Größen berechnen die wichtig sind, um ihn an die
speziell vorgesehene Funktion anzupassen. Zum Beispiel braucht man nicht einige Hundert
Newtonmeter, um ein Fenster zu heben und zu senken. In dem folgenden Abschnitt werden
nun ein paar Formeln gezeigt, die man benötigt, um Größen zu berechnen. Das Drehmoment
M lässt sich mit dieser Formel berechnen:
𝑀=
𝑃
2∗𝜋∗𝑛
(11)
Hierbei ist P die Leistung und n die Drehzahl. Sollte die Drehzahl nicht gegeben sein, sondern
die Winkelgeschwindigkeit ω, lässt sich diese einfach berechnen:
𝑛=
𝜔
2∗𝜋
(12)
[13]
Gregor Sewelies
36
Sensoren und Aktoren
3 Fluidische Aktoren
3.1.1.4 Anwendungen in der Praxis
Es gibt in jedem Kraftfahrzeug eine Menge Elektromotoren mit den unterschiedlichsten
Größen. Etwas kleine Elektromotoren sind zum Beispiel für das Heben und Senken von
Fenstern oder das öffnen und schließen eines Panoramadaches. Kleine Motoren werden unter
anderem zum Öffnen und Schließen von Ventilen genutzt. Etwas größere Elektromotoren
findet man in der automatisch öffnenden und schließenden Hecklappe oder in den
Luxusmodellen von Rolls Royce, wo sich alle Türen elektrisch öffnen und schließen lassen.
Elektromotoren werden immer in einem Kraftfahrzeug benötig und dienen daher sowohl den
herkömmlichen als auch den modernen und zukünftigen Fahrerassistenzsystemen. Bei den
Elektromotoren wird gerade erforscht, ob man die Stromversorgung durch die Bürsten anders
gestalten kann, da dieses Bauteil ein Verschließteil ist und somit die Lebenszeit von einem
solchen Motor einschränkt. Aktuell und in der Zukunft sind Elektromotoren unabdingbar und
sehr wichtig für die Automobilbrache aufgrund des vielfältigen Einsatzgebietes.
3.2 Fluidische Aktoren
Fluidmechanische Aktoren sind Bauelemente, die mit Fluiden arbeiten. Durch diese Fluide
wird mechanische Arbeit, durch Druckenergie, zur Verfügung gestellt. Solche Aktoren arbeiten
nach dem Verdrängungsprinzip. Sie formen die entstehende Druckenergie des Fluids in
mechanische Arbeit um und umgekehrt. Die Fluide, die üblicherweise genutzt werden, sind
Luft und Öl. Aktoren, die mit Luft arbeiten, heißen pneumatische Aktoren und Aktoren, die mit
Öl arbeiten, heißen hydraulische Aktoren. Die Energieumwandlungsprinzipien hydraulischer
und pneumatischer Aktoren sind grundsätzlich ähnlich. In der folgenden Abbildung werden
jedoch erstmal die Unterschiede der Eigenschaften und Anwendung dargestellt.
Abbildung 28: Vergleich von hydraulischen und pneumatischen Aktoren28
28
(Bosch Autoelektrik und Autoelektronik, 2011)
Gregor Sewelies
37
Sensoren und Aktoren
3 Fluidische Aktoren
Im Gegensatz zu elektrischen Aktoren, für die die elektrische Energie direkt aus dem Netz
bezogen werden kann, muss bei Fluidaktoren die Energie in Form eines Fluids bereitgestellt
werden, das unter einem bestimmten Druck steht. Dazu werden Pumpen verwendet, die mit
kleinen Elektromotoren angetrieben werden. In den folgenden Unterpunkt wird genauer auf
den hydraulischen Aktoren eingegangen.
3.2.1 Elektrohydraulische Pumpe
3.2.1.1 Einleitung
Hydraulische Aktoren sind nicht häufig in einem Kraftfahrzeug zu finden. In dieser
Ausarbeitung wird ein solcher Aktor an dem Beispiel der Elektrohydraulikbremse (EHB)
gezeigt. Hydraulische Bremsen gibt es schon länger in Kraftfahrzeugen. Jedoch werden die
Bremssysteme durch moderne Technologie immer intelligenter und leisten somit ebenfalls
einen wichtigen Beitrag für das autonome Fahren. Die aktuelle Technologie wird durch eine
Trennung des Hydrauliksystems vom Bremspedal realisiert. Die vier jeweilig einzeln
ansteuerbaren Bremsdrücke, jedes Rad ist individuell, werden durch Signale der
Elektronikeinheit (ECU = Electronic Control Unit) gesteuert. [12]
3.2.1.2 Aufbau
Abbildung 29: Komponenten einer elektrohydraulischen Bremse; links: HCU; rechts:
Pedalcharakteristiksimulator29
29
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
Gregor Sewelies
38
Sensoren und Aktoren
3 Fluidische Aktoren
Eine elektrohydraulische Bremse lässt sich in drei wesentlichen Baugruppen unterteilen.
Zuerst kommt das Bremspedal welche mit dem Pedalcharakteristiksimulator verbunden ist.
Dazu
kommt
der
Tandem-Hauptbremszylinder,
welcher
zusammen
mit
dem
Bremsflüssigkeitsbehälter verbunden ist. An dem Bremspedal gibt es einen Wegsensor mit
einem weiteren redundantem Wegsensor. Der zweite Bereich besteht im Wesentlichen aus
der Hydraulic Control Unit (HCU) und einem sogenannten Motor-Pumpen-Speicher-Aggregat.
Das Motor-Pumpen-Speicher-Aggregat besteht aus wiederum mehreren Komponenten. Dazu
gehören unter anderem ein kleiner Elektromotor, eine Kolbenpumpe und mehrere Ventile mit
unterschiedlichen Aufgaben. Eine Art von Ventilen sind zum Beispiel Balanceventile. Der dritte
Teil ist die Electronic Control Unit (ECU). Der Regler hat die Aufgabe alles nach den
Anforderungen des Fahrers und den resultierenden Ergebnissen, der ganzen Sensoren, zu
regeln und schnellst möglich umzusetzen. [12]
3.2.1.3Funktionsweise
Die elektrohydraulische Bremse wird elektronisch über einen Wegsensor, der den zeitlichen
Verlauf des Bremspedalwegs erfasst und daraus die Bremspedalgeschwindigkeit und beschleunigung feststellt, betätigt. Über einen Drucksensor wird noch der Druckverlauf erfasst.
Daraus ermittelt und bestimmt das Steuergerät, ob der Fahrer eine Teilbremsung oder zum
Beispiel eine Notbremsung durchführen möchte. Mit diesen Informationen berechnet der
Computer die momentane Fahrsituation und den daraus entstehenden Solldruck für jede
Radbremse. Das Steuergerät hat Zugriff auf die Electronic Control Unit (ECU). Mit den
ermittelten Informationen der ECU kann die Hydraulic Control Unit (HCU) für jedes Rad den
individuellen benötigten Bremsdruck aufbauen. Der benötige Druck wird durch eine
Hochdruckpumpe erzeugt. Die Hochdruckpumpe hat einen Druckspeicher. Dieser Speicher
enthält so viel Energie, in Form eines komprimierten Gases, dass es das Kraftfahrzeug einmal
zum Stillstand bringen kann, obwohl die Pumpe ausgefallen ist. Dies gilt als Sicherheit, damit
das Bremsen im Notfall gegeben ist. Zu dem mechanischen Energiespeicher kommt öfters
noch ein elektrischer Energiespeicher vor, um das System eine Zeit lang mit Energie zu
versorgen, falls die Bordspannung ausfällt. Die Übertragung der benötigten Verzögerung des
Kraftfahrzeuges findet mit regulären Schläuchen oder Leitungen statt. Zusätzliche
Drucksensoren in jeder Radleitung ermitteln den vorhandenen Istdruck und vergleichen ihn
mit dem benötigten Solldruck. Bei einer Differenz kann jeder Radbremsdruck einzeln
nachgeregelt werden.
In der folgenden Abbildung ist die Wirkkette eines Bremsvorganges mit der dahinterstehenden
Technik nochmal dargestellt.
Gregor Sewelies
39
Sensoren und Aktoren
3 Fluidische Aktoren
Abbildung 30: Wirkkette einer elektrohydraulischen Bremse30
Wie bereits beschrieben werden die Signale in der ECU erstellt und an die HCU weitergeleitet,
um den radindividuellen Bremsdrücke zu erzeugen. Der jeweilige Radbremsdruck wird in der
HCU über einen radindividuellen Druckregelkreis mit einem analogisierten Ein- und
Auslassventil eingestellt. Da ein Großteil der Bremsungen nicht radindividuell erfolgt, werden
die
Balanceventile,
Verbindung
zwischen
den
Radbremsen
jeweils
einer
Achse,
offengehalten. Dies ermöglicht auch eine Diagnosefunktionen unter anderem den Abgleich der
Drucksensorwerte. Außerdem kann bei Komfortbremsungen langsam der Druck aufgebaut
werden und dabei wird die Ansteuerung jeweils nur eines Ventilpaares der Achse
angesprochen. Mit dieser Zusatzfunktion kann sowohl die Lebensdauer der Ventile erhöht
werden, als auch die der Elektronikteile, da somit weniger Rechenleistung anfällt.
Durch die Entkoppelung des Bremspedals zu den radbremsen und mithilfe des
Pedalcharakteristiksimulators spürt der Fahrer des Kraftfahrzeuges immer eine optimale, nach
ergonomischen Gesichtspunkten vom Fahrzeughersteller definierbare Pedalcharakteristik.
Dies kann sogar mit kürzerem Pedalweg und geringerer Betätigungskraft erreicht werden. Mit
der gesamten Technik lässt sich der Bremswunsch besser, schneller und effektiver umsetzen
und ein besserer Einsatz der Bremse kann erzielt werden. Regelfunktionen, wie z. B. ABS,
erfolgen rückwirkungsfrei. Das bedeutet, dass die bisherigen Pedalvibrationen entfallen. [12]
[21]
30
(Handbuch Fahrerassistenzsysteme, 2015)
Gregor Sewelies
40
Sensoren und Aktoren
3 Sonderaktoren
3.2.1.4 Anwendung in der Praxis
Immer
häufiger
werden
hydraulische
Aktoren
bei
modernen
Bremssystemen
in
Kraftfahrzeugen eingesetzt. Mit der Einführung von sensorunterstützten und elektronisch
geregelten Bremskraftmodulatoren (zum Beispiel ABS) ist es möglich, Bremsmomente
radindividuell und fahrerunabhängig zu regeln. Um dieses System zu benutzen bedarf es
lediglich der Betätigung des Bremspedals oder das Einschalten des Fahrerassistenzsystems.
Eine Möglichkeit wäre das Adaptiv Cruise Control (ACC). Ein solcher hydraulischer Aktor
eröffnet vielfältige Möglichkeiten. Das Bremssystem kann für weit über die reine Bremsfunktion
hinausgehende Fahrerassistenzfunktionen genutzt werden.
Da jedes der vier Räder individuell mit seiner eigenen Hydraulikleitung, und den zwei
redundanten Hydraulikleitungen, ansteuerbar ist, kann das Bremsen mittels Computer
erfolgen. Somit trägt auch dieses Aktorensystem dazu bei, dass das autonome Fahren
realisiert werden kann. Dabei bekommt die ECU die Informationen nicht mehr von dem
Bremspedalwegsensor, sondern ausschließlich von den entsprechenden Steuereinheiten.
3.3 Sonderaktoren
Sonderaktoren ist der dritte Bereich, in dem man die Aktoren klassifizieren kann. Dies ist
ersichtlich in der Tabelle, welche im Kapitel 3.1 dargestellt ist.
3.3.1 Piezoelektrische Pumpe
3.3.1.1 Einleitung
Die Piezoelektrizität wurde im Jahr 1880 von den Gebrüdern Curie an dem Turmalinkristall
entdeckt. Anwendungsbeispiele des Piezoeffektes finden sich unter anderem in der Sensorik
als Kraft-Beschleunigungs-, Wegaufnehmer. Es gibt einen piezoelektrischen Effekt und einen
reziproken piezoelektrischen Effekt. Bei dem piezoelektrischen Effekt erhält man eine
elektrische Spannung, wenn auf dem Piezoelement eine Kraft ausgeübt wird. Beim reziproken
piezoelektrischen Effekt erfährt das Material eine Verformung und übt die Kraft aus. Dies kann
hervorgerufen werden, wenn eine äußere Spannung angelegt. Diese Technik ist dieselbe,
welche im Kapitel der Ultraschallsensoren bereits erwähnt wurde. [19]
Gregor Sewelies
41
Sensoren und Aktoren
3 Sonderaktoren
3.3.1.2 Aufbau
Ein Piezostapel besteht aus einer beliebig großen Anzahl von piezokeramischer Scheiben die
elektrisch miteinander verknüpft sein müssen. Die Elektroden befinden sich je auf einer der
beiden Seiten der Keramikscheiben und sind parallel. Damit die Spannung, die man
aufbringen muss, nicht zu hoch wird, schaltet man die einzelnen Piezoscheiben parallel.
Werden piezoelektrische Aktoren dynamisch eingesetzt, dann wirken sowohl Zug- als auf
Druckkräfte. Diese Kräfte resultierend aus der Beschleunigung auf die Keramik. Um Schäden
des piezoelektrischen Aktors zu unterbinden sollte der Aufbau mechanisch vorgespannt
werden. [19]
Abbildung 31: Möglicher Anordnung der Piezoelemente eines Piezoaktors31
3.3.1.3 Funktionsweise
Ein Piezoelektrischer Aktor hat ebenfalls eine sehr simple Funktionsweise. Er arbeitet lediglich
mit dem reziproken Piezoelektrischen Effekt. Der reziproke Piezoeffekt selbst hängt von der
angelegten elektrischen Feldstärke ab. Erhöht man die angelegte Spannung ändert sich auch
die erreichbare Ausdehnung. Der Zusammenhang ist nicht genau linear, die Kennlinie wird mit
der folgenden Hysteresekurve beschrieben. Zusätzlich ist nochmal die relative Dehnung
Anhang von Formeln dargestellt.
E: Elektrische Feldstärke
𝑈0 : Angelegte Spannung
𝑑: Materialparameter
𝑑𝑠 : Dicke der einzelnen Piezoscheiben
31
(Piezosystem Jena, 2019)
Gregor Sewelies
42
Sensoren und Aktoren
𝑆=
𝛥𝑙
:
𝑙0
3 Sonderaktoren
Relative Dehnung
𝐸=
𝑈0
𝑑𝑠
𝑆 =𝑑∗𝐸
(13)
(14)
Abbildung 32: Hysteresekurve eines Piezoelementes32
Wird eine positive neue Spannung an das Piezoelement angelegt wandert man von dem
Ursprung zum Punkt A. Ab einem gewissen Punkt der Ausdehnung findet keine weitere
Ausdehnung des Materials statt, da man eine Sättigung beobachten kann. Wird nun die
angelegte Spannung abgelegt läuft man vom Punkt A zum Punkt B. Dabei ist die Abnahme
des Volumens vom Piezoelementes zu erkennen. Wird in Anschluss nun eine negative
Spannung angelegt verläuft man zum Punkt C und D und schlussendlich findet erneut eine
Sättigung in Punkt E statt. Bei der erneuten Entfernung der Spannung gelangt man wieder zu
dem Punkt B auf der Hysteresekurve.
Wenn man nun kontinuierlich eine positive und negative Spannung anlegt, welche so stark ist,
dass man zum Sättigungspunkt gelangt, kann man eine Kontraktion der Piezoelemente
hervorrufen. Durch diese Kontraktion kann eine Pumpe angetrieben werden. [19]
32
(Piezosystem Jena, 2019)
Gregor Sewelies
43
Sensoren und Aktoren
3 Sonderaktoren
3.3.1.4 Anwendung in der Praxis
Piezokeramische Aktoren sollen unter anderem im Automobilbau als Diesel- oder
Benzindirekteinspritzung genutzt werden. Eine neue zukunftsorientierte Anwendung ist es,
dass der Stickoxidausstoß von Dieselfahrzeugen reduziert werden soll. Zu den Abgasen wird
der Harnstoff Ad-Blue beigemischt. Aktuell findet die Einspritzung jedoch mit weniger
leitungsfähigen Pumpen statt. Momentan werden bei den Pumpen Drücke von bis zu 20 Bar
erreicht. Mit den neuen piezoelektrischen Pumpen, welche von Wissenschaftlern des
Frauenhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) entwickelt wird,
sollen Drücke von bis zu 50 Bar verwirklicht werden. Mit diesem hohen Drücken soll der
Harnstoff noch besser zerstäubt und mit den Abgasen vermischt werden, um damit den
Stickoxidausstoß zu vermindern. Zusätzlich soll der Volumenstrom mit dieser Pumpe besser
regulierbar sein. Mit dieser Funktion kann man die Menge des eingespritzten Harnstoffes
beeinflussen und somit eine unnötige Verschwendung des Harnstoffes vorgebeugt werden.
Gregor Sewelies
44
Sensoren und Aktoren
4 Sonderaktoren
4 Fazit und Ausblick
Fahrerassistenzsysteme werden heute und in der Zukunft immer ein wichtiger Bestandteil in
einem Kraftfahrzeug sein. Sie tragen zum Komfort des Fahrers und vor allem zur Sicherheit
im Straßenverkehr bei. Durch weitere Forschungen und Entwicklungen werden die Sensoren
und Aktoren weiter optimiert, damit sie einen größeren Beitrag leisten und somit dem Fahrer
weiter unterstützten und ihn ein wenig entlasten können. Zudem ändern sich auch die
Anforderungen die kontinuierlich angepasst werden müssen. Ein weiterer wichtiger Punkt, der
dieses Themengebiet stark beeinflusst ist die Kompaktheit. Damit ist gemeint, dass die Teile
immer intelligent, stärker, zuverlässiger und kleiner werden müssen. Dafür muss viel Geld
investiert werden, welches dem anderen wichtigen Punkt entgegenspielt. Dieser ist nämlich,
dass die Kosten solcher Sensoren und Aktoren immer weiter reduziert werden sollen, damit
alle Kraftfahrzeuge, neben der Ober- und Mittelklasse auch die Klein- und Kompaktfahrzeuge,
mit dieser Technologie ausgestattet werden können. Dies ist für die Zukunft essenziell, da bei
dem Autonomen Fahren bald kein Kraftfahrzeug mehr selbstständig gefahren werden muss,
sondern diese es selbst tuen. Zu dem Autonomen Fahren gehört auch das vernetzte Fahren.
Bei dem vernetzten Fahren ist es wichtig, dass alle Kraftfahrzeuge den gleichen Stand der
Technik haben, damit jedes Kraftfahrzeug miteinander kommunizieren kann. Diese
Kommunikation gestaltet den Verkehr um ein Vielfaches sicherer. Aktueller Stand ist jedoch,
dass die Fahrerassistenzsysteme nur während der Fahrt den Fahrer unterstützen und nicht
die Fahrt an sich ausführen. Dies beschreibt die dritte Stufe der Autonomen Fahrt. Dabei muss
der Fahrer noch selbst aktiv und wachsam über die Fahrt und den Straßenverkehr des
Kraftfahrzeuges wachen.
Zu dem Ausblick von modernen Fahrerassistenzsystemen kann man sagen, dass die
Entwicklung definitiv in Richtung des Autonomen Fahrens der Stufe 5 geht. Diese
Entwicklungen stehen aber erst am Anfang. Es wird noch eine lange Zeit vergehen, bis es
Fahrerassistenzsysteme geben wird, die das Autonome Fahren zuverlässig realisieren
können. Die fünfte Stufe hat laut ADAC folgende Kriterien: Die Personen in einem
Kraftfahrzeug sind nur noch Passagiere und keine Fahrer mehr. Das Kraftfahrzeug kann sich
eigenständig, das heißt ohne Insassen, fortbewegen. Die Technik im Fahrzeug ist so weit
fortgeschritten, dass sie sämtliche Verkehrslagen bewältigen kann. Gegebenenfalls
begangene Verkehrsverstöße sind nicht vom Insassen zu tragen. Der Fahrer haftet während
der autonomen Fahrt nicht, weder für Verkehrsverstöße noch für Unfälle. Der Mitfahrer eines
autonom fahrenden Kraftfahrzeuges kann sich somit von der Straße abwenden, kann sich
schlafen legen, kann arbeiten, sein Mobiltelefon benutzen oder sich aktiv mit anderen Insassen
unterhalten.
Jedoch dauert es noch einige Jahre bis die weltweite Automobilindustrie das Ziel, die fünfte
Stufe des Autonomen Fahrens, erreicht hat. Zu dem Fortschritt treten aber auch weitere
Gregor Sewelies
45
Sensoren und Aktoren
4 Sonderaktoren
Probleme mit auf. Diese Probleme sind nicht nur technologischen Ursprunges, sondern auch
von der rechtlichen Seite her. Dazu zählt, dass der Insasse des selbstfahrenden
Kraftfahrzeuges eine Vielzahl von persönlichen Daten eingeben muss und zusätzlich eine
Menge Daten über die geplante Route. Die Eingabe der Route ist nötig damit das
Kraftfahrzeug weiß wo es hinfahren soll. Die persönlichen Daten werden benötigt, damit man
weiß wer sich in diesem Kraftfahrzeug befindet und um sicher zu stellen, dass das Fahrzeug
nicht gestohlen wird. Diese Daten werden gespeichert und können somit zum Opfer von
Missbrauch und Hackerattacken werden.
Trotz der Nachteile ist davon auszugehen, dass sich das autonome Fahren durchsetzen wird.
Aktuell kann gerade die dritte Stufe realisiert werden. Die dritte Stufe ist das teilautomatisierte
Fahren von Kraftfahrzeugen. Dazu tragen die in der Ausarbeitung erwähnten Sensoren und
Aktoren bei. Jedoch gibt es noch eine Vielzahl von anderen Sensoren und Aktoren, die
benötigt werden, um das Fahren auf dritter Stufe zu gewährleiten. Dazu gehört zum Beispiel
ein Spurhalteassistent, ein toter Winkel-Assistent oder das automatische Einparken. Durch die
aktuellen Fahrerassistenzsysteme gewöhnen sich die Menschen an das Autonome Fahren.
Ein
weiterer
Punkt
ist
die
Reaktionszeit
der
computergestützten
Systeme.
Fahrerassistenzsysteme haben eine vielfache kürzere Reaktionszeit als der Mensch und damit
können Unfälle wesentlich früher und öfters vermieden werden. Der letzten Punkt, der für diese
Technologie spricht, ist das vernetzte Fahren. Durch diese Technologie weiß das
Kraftfahrtzeug, von anderen Kraftfahrzeugen, was auf der aktuell befahrenen Straße passiert
und kann sich darauf einstellen. [1]
Gregor Sewelies
46
Sensoren und Aktoren
5 Sonderaktoren
5 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Überblick und Einbauort der Fahrdynamiksensoren.......................................... 3
Abbildung 2: Raddrehzahlsensor basierend auf Hall-Effekt ................................................... 4
Abbildung 3: Hall-Effekt ......................................................................................................... 5
Abbildung 4: Aufbau eines Drehratensensors........................................................................ 6
Abbildung 5: Einbauort und Aufbau Lenkradwinkelsensor ..................................................... 8
Abbildung 6: Aufbau eines piezoelektrischen Drucksensors im Bremsdrucksensor ............... 9
Abbildung 7: Aufbau eines Ultraschallsensors ......................................................................10
Abbildung 8: Kraftfahrzeug mit Ultraschallsensoren für das Einparken .................................12
Abbildung 9: Entwicklungsschritte des Radarsensors für Kraftfahrzeuge .............................13
Abbildung 10: Aufbau Radarsensor ......................................................................................14
Abbildung 11: Funktionsweise Radarsensor .........................................................................15
Abbildung 12: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 1 ............................................16
Abbildung 13: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 2 ............................................16
Abbildung 14: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 3 ............................................17
Abbildung 15: Erstellung eines Signales nach FMCW Schritt 4 ............................................17
Abbildung 16: Aufbau eines LIADR-Sensors bei dem neuen Audi A8...................................19
Abbildung 17: LIDAR-Sensor mit mehreren Ebenen .............................................................21
Abbildung 18: Prinzip Berechnung der Relativgeschwindigkeit .............................................22
Abbildung 19: Aufbau eines bildbasierenden Sensors ..........................................................24
Abbildung 20: Lexus ES 300h mit neuer Seitenspiegelkamera und Bildschirm .....................26
Abbildung 21: Darstellung einer Person mittels eines Time-of-Flight Sensors ......................29
Abbildung 22: Darstellung der ToF-Daten eines Autos im Stadtverkehr ...............................29
Abbildung 23: Schematische Darstellung der Reskalierung ..................................................31
Abbildung 24: Verfahren wie ein Eingangsbild eingeteilt und untersucht wird .......................32
Abbildung 25: Funktion eines Aktuators ...............................................................................33
Abbildung 26: Einteilung der elektromechanischen Aktoren in 3 Gruppen ............................33
Abbildung 27: Aufbau eines Elektromotors ...........................................................................35
Abbildung 28: Vergleich von hydraulischen und pneumatischen Aktoren .............................37
Abbildung 29: Komponenten einer elektrohydraulischen Bremse; links: HCU; rechts:
Pedalcharakteristiksimulator .................................................................................................38
Abbildung 30: Wirkkette einer elektrohydraulischen Bremse ................................................40
Abbildung 31: Möglicher Anordnung der Piezoelemente eines Piezoaktors..........................42
Abbildung 32: Hysteresekurve eines Piezoelementes ..........................................................43
Gregor Sewelies
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Sensoren und Aktoren
6 Sonderaktoren
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