Sicherheit im Straßenverkehr: Die transponderbasierte Ortung spürt auch verdeckte Verkehrsteilnehmer auf.

Automobilelektronik Schutz und Vernetzung mit Sensoren

29.08.2013

Elektronik ist ein zunehmend wichtiger Bestandteil von Fahrzeugen. Fahrerassistenzsysteme machen den Straßenverkehr sicher und verhindern immer mehr Fußgängerunfälle. Die Technologie bedient sich hierfür auch bei der Car-to-Car-Kommunikation.

Die Sicherheit im Straßenverkehr hat sich seit den 1970er Jahren dank passiver und aktiver Fahrzeugsicherheitsmaßnahmen und systematischer Anpassungen der Verkehrsinfrastruktur heute wesentlich erhöht. Neben dem Insassenschutz ist in den letzten zehn Jahren auch der Partnerschutz für andere Verkehrsteilnehmer gestiegen. So ist es allen voran gelungen, die Unfallfolgen für Fußgänger deutlich zu mindern. Dazu haben auch fahrzeugbezogene Schutzmaßnahmen beigetragen, wie die gezielte „Entschärfung“ der Frontstrukturen an Pkw. Sie bieten einen Basisschutz für Fußgänger. Der Sekundäraufprall auf die Straße nach der Kollision, der mehr als ein Viertel aller schweren Fußgängerunfallschäden hervorruft, lässt sich aber einzig durch das Verhindern einer Erstkollision oder einer wesentlichen Reduktion der Anprallgeschwindigkeiten vermeiden. Hierfür sind vorausschauende Sensorsysteme mit präventivem Eingriff in die Fahrdynamik nötig.

Schutz durch bordgebundene Sensorsysteme

Von den verschiedenen Sensorsystemen für Fahrerassistenzanwendungen im Fahrzeug eignet sich die Kamera besonders zur Erkennung von Personen, da sie typische, leicht erkennbare Formen und Muster aufweisen. Ein maschinelles Lernverfahren wertet dafür Millionen von Bildern mit vorher markierten Fußgängern aus. Häufig macht ein zusätzlicher Sensor - meist Strahlsensoren wie Radare oder Infrarotsensoren - die Erkennung genauer und erlaubt überhaupt erst eine Vollbremsung. Sensoren sind in der Lage, Abstände zu messen, und dienen zusätzlich zur redundanten Erkennung auch zur genauen Entfernungsmessung. Dadurch kann eine Bremsfunktion zum richtigen Zeitpunkt eingreifen. Um alle Notbremssicherheitstests zu bestehen, ist gerade die Fusion einer Kamera mit einem Nahbereichsinfrarotlaser in einem Gehäuse eine platz- und kostensparende Variante.

Stereokamera bietet Sicherheit im Doppelpack

Eine „1-Box“-Lösung wie die Stereokamera von Continental, vereint die geforderten Eigenschaften in einem Sensor. Stereokameras ermöglichen sowohl zusätzliche Redundanz als auch eine exakte Entfernungsmessung und können damit autonom eine Vollverzögerung einleiten. Dieses Kamerasystem besteht aus zwei Kameras, die im Abstand von einigen Zentimetern auseinander stehen und beide nach vorn schauen - ähnlich wie die Augen eines Menschen. Es kann ein sogenanntes Tiefenbild berechnen, das für jeden Bildpunkt auch seine Tiefe (Entfernung) enthält. Außerdem lassen sich die Größe, die genaue Form sowie Geschwindigkeiten von Objekten teilweise deutlich besser bestimmen als mit bekannten Strahlsensoren. Das vermindert die Latenz bis ein Bremseingriff stattfinden kann. In einigen Unfallszenarien kann dann ein Stereokamerasystem schneller eingreifen als ein auf die Situation vorbereiteter konzentrierter Fahrer.

Kooperative Sensorsysteme und Vernetzung

Die bordgebundenen Systeme zeigen ihre hervorragenden Detektionseigenschaften solange eine Sichtverbindung zu den jeweiligen Objekten vorliegt. In annähernd 20 Prozent aller Fußgängerunfälle bewegt sich ein Fußgänger jedoch aus einer Sichtverdeckung auf die Straße und wird erst im letzten Moment für die bordgebundenen Sensoren sichtbar. Solche Situationen lassen sich nur mittels kooperativer Systeme auflösen. Ein vielversprechender Ansatz, den die Forschungsinitiative Ko-FAS untersucht, ist die Verwendung von kooperativen Transpondern zur Relativortung. Dieses Verfahren ermöglicht die präzise Ortung und Klassifikation anderer Verkehrsteilnehmer auch in Verdeckungssituationen. Es verwendet ortende Abfrageeinheiten (OA) in den Fahrzeugen und „antwortende“ Transpondereinheiten, sogenannte SafeTags, die Verkehrsteilnehmer, also auch Fußgänger, mit sich führen. Eine Abfrageeinheit sendet ein codiertes Signal an seine Fahrumgebung. Die in der Umgebung befindlichen SafeTags empfangen das codierte Signal und senden nach einer vorgegebenen Wartezeit das ebenfalls codierte Antwortsignal an die OA zurück. Sie empfängt das Signal und verarbeitet es mittels zweier unterschiedlicher Messverfahren, zur Ermittlung der Entfernung zum antwortenden SafeTag sowie zur Ermittlung des Azimuthwinkels. Daneben stellt das Transpondersystem noch weitere Informationen über den anderen Verkehrspartner bereit. Das SafeTag sendet immer eine Kennung (ID) aus. Anhand dieser ID lässt sich das antwortende Objekt sofort als relevant klassifizieren. Zur Sicherstellung der Anonymität des SafeTag-Trägers wird diese ID in unregelmäßigen Abständen gewechselt.

Schutz vor Missbrauch

Parallel besitzt das SafeTag-System eine INS-Einheit (Inertial Navigation System) mit Trägheitssensoren, wie sie heute bereits standardmäßig in Mobiltelefonen verbaut sind. Diese INS-Einheit ermöglicht eine Einschätzung der Bewegungssituation des SafeTag-Trägers. Damit kann sehr einfach der Missbrauch erkannt und das Antwortsignal unterbunden werden, beispielsweise wenn das Tag geworfen wird. Die INS-Daten können aber auch sehr gut zur Ermittlung des Bewegungszustandes verwendet und in komprimierter Form auf das Antwortsignal aufgeprägt werden, so dass diese neben den Ortungsdaten zur Einschätzung der vorliegenden Verkehrssituation herangezogen werden können.

Kompatibilität mit Car-to-Car-Kommunikation

Damit dieses Transpondersystem auch in komplexen Verkehrsszenarien funktionieren kann, bedarf es einer ausgeklügelten Verwaltung der Kommunikationswege. Zur Wahrung der Kompatibilität zu sich abzeichnenden Standards bei der Car-to-Car-Kommunikation wurde die finale Ausbaustufe des Transpondersystems aus Ko-FAS an das 802.11p-Protokoll angelehnt und in dem Frequenzbereich der späteren Car-to-Car-Kommunikation bei circa 5,9 GHz platziert. Subkanäle, die hier noch nicht belegt sind, wurden für die tagbasierten Messverfahren und die damit verbundene Kommunikation herangezogen. Ein neues Kommunikationsprotokoll soll es ermöglichen, mehrere Hundert Verkehrsteilnehmer gleichzeitig verfolgen zu können, etwa an einer verkehrsreichen Großstadtkreuzung einer Großstadt. In dem Protokoll lassen sich hunderte von SafeTags über Superframes und gezielte Zeitslot-Vergabe prioritätsgerecht abfragen. Für den Einsatz im Bereich Verkehrssicherheit und Fußgängerschutz ist zur Zeit eine stoßfängerintegrierte Unterbringung der OA-Antenne vorgesehen, vergleichbar zu aktuellen Langreichweitenradaren. Die SafeTags selbst müssen nicht zwingend eine eigenständige Einheit darstellen. Eine Integration in ein Mobiltelefon, das eine entsprechende Energieversorgung bereitstellt und das heutzutage schon regelmäßig mitgeführt wird, bietet sich als Lösung für das Fußgänger-Tag an. Die kooperative Tag-Sensorik kann auch zur Erhöhung der Robustheit mit einer Mono-Kamera zu einem hybriden Sensorsystem fusioniert werden. Die bereits erfassten und eindeutig klassifizierten SafeTag-Objekte lassen sich als Hypothesen für die fahrzeuggebundene Sensorik verwenden. Hierbei werden die Bildbereiche mit den bereits bekannten Objekten nochmals höher priorisiert und ganz gezielt mit mustererkennenden Verfahren durchsucht. Dadurch kann der Verarbeitungsaufwand für die sehr rechenintensiven mustererkennenden Verfahren wesentlich reduziert werden.

In Zukunft sicher

Vorausschauende Fußgängerschutzsysteme werden aufgrund neuer Verbraucherschutzvorgaben in den nächsten fünf Jahren zur Standardausstattung von Personenwagen gehören.Bordgebundene Sensorsysteme, die bereits aus der Fahrerassistenzwelt bekannt sind, sollen Fußgänger frühzeitig erkennen. Zur zuverlässigen Klassifizierung und Lokalisierung dieser Fußgänger sollten diese Sensoren sowohl abstandsmessende als auch bilderkennende Eigenschaften besitzen. Zukünftige Lösungen für einen umfassenden Schutz verletzlicher Verkehrsteilnehmer (vulnerable road users, VRU) könnten kooperative Sensorsysteme sein. Das transponderbasierte System ermöglicht eine präzise Ortung und sichere Klassifizierung von VRUs auch in Verdeckungssituationen.

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