Auswahl der Sensorik

Für die Autonomisierung des Fahrzeugs in dieser Arbeit kann aufgrund der eingeschränkten Einsatzgebiete, die sich aus den Use Cases, den Ergebnissen der Berechnungen und des Requirements Engineering ergeben, eine reduzierte Sensorik verwendet werden. Da sich das Fahrzeug selbst nur mit sehr geringen Geschwindigkeiten bewegt und die zu autonomisierenden Fahraufgaben in Bereichen mit relativ geringen Geschwindigkeiten der anderen Verkehrsteilnehmer stattfinden, kann auf die Fernbereichserfassung für höhere Geschwindigkeiten verzichtet werden.

Abb. 59: Angepasste Sensorik (Quelle: [EET17])

Um den benötigten Erfassungsbereich der Sensorik festlegen zu können, werden die maximalen Anhaltewege des autonomen Fahrzeugs und der anderen Verkehrsteilnehmer

herangezogen. Basierend auf dem In 3.2.1 ermittelten Gesamtanhalteweg von 58,56 m kann bei der Auswahl der Sensorik der nötige Erfassungsbereich eingegrenzt werden (siehe markierter Bereich in Abb. 59) somit werden nur Sensoren für Nah- und Mittelbereich benötigt.

Durch die Ergebnisse des in 3.3.3 durchgeführten Requirements Engineering und die daraus resultierenden Anforderungen an die Objekterkennung können die geeigneten Sensoren eruiert werden. Bei der Auswahl der Sensorik soll ebenfalls großes Augenmerk auf die Kosten gelegt werden, da diese bei der Umsetzung des Projekts möglichst gering sein sollen.

Aus diesen Erkenntnissen abgeleitet, werden die nachfolgenden Sensoren ausgewählt, detailliert beschrieben und entsprechende Einbaupositionen im Fahrzeug festgelegt.

4.1.1. Ultraschallsensoren

Für das exakte Rangieren und ein genaues Positionieren des Fahrzeugs bei Parkvorgängen sind Ultraschallsensoren am besten geeignet. Sie weisen eine hohe Genauigkeit auf, sind sehr zuverlässig bei der Objekterkennung und unempfindlich gegen Umwelteinflüsse. Um das gesamte Fahrzeugumfeld erfassen zu können sind Sensoren an Front, Heck und Seiten des Fahrzeugs notwendig. An Front und Heck kommen, bedingt durch die geringe Breite des Fahrzeugs, jeweils drei Sensoren zum Einsatz. An den Seiten wird je ein Sensor im Front- und einer im Heckbereich verbaut. Die Anordnung der Ultraschallsensoren und deren Erfassungsbereiche sind Abb. 60 schematisch dargestellt.

Abb. 60: Anordnung der Ultraschallsensoren

An Front und Heck kommen Sensoren mit einem Detektionsbereich von 2,5 m zum Einsatz. Wie in 3.2.2 ermittelt ist der Erfassungsbereich von 2,5 m nötig, da der Anhalteweg

des autonomen Fahrzeugs bei 2,21 m liegt und somit ein sicherer Betrieb beim Rangieren gewährleistet werden kann.

Abb. 61: Kollisionsgefahr bei engen Kurven (Quelle: [BOS16])

An den Seiten wird ein größerer Detektionsbereich benötigt um bei Kurvenfahrten mit großen Lenkwinkeln eine mögliche Kollision vermeiden zu können.

In Abb. 61 ist die Bedeutung des größeren Erfassungsbereichs der seitlichen Sensoren visualisiert, beim Passieren wird das Objekt erfasst und durch Berechnung der Fahrtrichtung kann eine mögliche Kollision zuverlässig erkannt werden.

Als besonders gut geeignet erweisen sich hier die Sensoren USS5 von Bosch (siehe Abb.

11), diese sind in zwei Ausführungen mit Erfassungsbereichen von 0,2 - 2,5 m und 0,2 - 4,0 m verfügbar und zusätzlich gibt es jeweils zwei unterschiedliche Steckerkonfigurationen. Alle Varianten sind mechanisch und elektrisch kompatibel. Die Ansteuerung und Auswertung der einzelnen Sensoren erfolgt über ein zentrales Steuergerät. In diesem Steuergerät erfolgt die Berechnung der Objektposition und des Objektabstands mittels Trilaterationsprinzip sowie die Ermittlung von möglichen Kollisionen mit Objekten, die sich seitlich vom Fahrzeug befinden.

Die Kommunikation des Steuergeräts mit dem Fahrzeug kann über CAN Bus aber auch FlexRay erfolgen. Über diesen werden die ausgewerteten Daten übermittelt aber auch Daten vom Fahrzeug empfangen. Beispielsweise wird zur Berechnung der Position von Objekten, die sich neben dem Fahrzeug bereits außerhalb des Sensorempfangsbereichs befinden, der Lenkwinkel und die Fahrzeuggeschwindigkeit benötigt.

4.1.2. LIDAR / Lasersensoren

Für die Erfassung des Mittelbereichs vor dem Fahrzeug kommen Radar- aber auch LIDAR- Sensoren in Frage. Für den vorliegenden Anwendungsfall eignet sich besonders gut der LIDAR-Sensor ScaLa von Valeo. Dieser Laserscanner bietet mit 145° einen sehr großen horizontalen Erfassungsbereich bei ebenfalls sehr großer Reichweite von 150 m. Die große Reichweite ist für den vorliegenden Einsatz weniger von Bedeutung als der große horizontale Erfassungsbereich, da aufgrund der geringen Geschwindigkeiten eine Erfassung nur bis zu einer Entfernung von 60 m notwendig ist. Die Reichweite ist abhängig von der Größe der zu erfassenden Objekte, große Objekte wie Fahrzeuge können bis 150 m erfasst werden. Kleinere Objekte wie Fußgänger können bis zu einer Entfernung von 50 m erkannt werden. Durch den Einsatz dieses Sensors kann auf einen zusätzlichen Radarsensor im Frontbereich verzichtet werden. Verbaut wird der Sensor im Bereich des vorderen Stoßfängers (siehe Abb. 62).

Abb. 62: Anordnung LIDAR

Der Sensor ist in weiten Bereichen unempfindlich gegen Regen und Schneefall, um eine Vereisung oder Ansammlung von Schnee zu verhindern ist eine Heizung an der Sensorfront verbaut. Durch die Unabhängigkeit von Umgebungslicht ist der Sensor auch bei Nacht uneingeschränkt einsetzbar.

Der Scanner generiert aus den gesammelten Daten eine Umgebungskarte mit den erfassten Objekten, zusätzlich ist ein Objekttracking integriert. Die gewonnenen Objekt- Daten werden via CAN-Bus übermittelt. Zusätzlich werden die Sensor-Rohwerte und die Objekt-Daten über eine Ethernet-Verbindung übertragen.

4.1.3. Kamerasysteme

Zusätzlich zum LIDAR kommt im Frontbereich eine Kamera zum Einsatz, diese dient zur Erfassung der Objekte, die durch das LIDAR nicht erfasst werden können. Zu diesen Objekten zählen unter anderem Verkehrszeichen, Bodenmarkierungen oder Lichtsignale.

Wie aus der Befragung (siehe 3.3.3.2) hervorgeht, zählt die Erkennung von Lichtsignalen und Parkplätzen zu den Begeisterungsfaktoren, die zu einer hohen Kundenzufriedenheit führen.

Neben der Erfassung zusätzlicher Objekte dient die Kamera zur Sicherstellung der Redundanz im Frontbereich des Fahrzeugs. Die Kamera wird hinter der Windschutzscheibe im Bereich des Rückspiegels angebracht (siehe Abb. 63).

Abb. 63: Anordnung Kamera

Durch diese Positionierung ist die Kamera gegenüber Umwelteinflüssen geschützt und erzeugt nur eine geringe Sichtbeeinträchtigung des Fahrers. Die Anbringung innerhalb des Wischfeldes der Scheibenwischer und eine zusätzliche Heizung der Scheibe stellen eine uneingeschränkte Funktion der Kamera sicher.

Durch die Verwendung eines LIDAR Sensors ist der Einsatz einer Stereokamera nicht notwendig, da der Laserscanner bereits ein dreidimensionales Abbild der Umgebung erstellt.

Zum Einsatz kommt die Multifunktionskamera MPC2 von Bosch, sie bietet neben einer hohen Reichweite von über 120 m ein großes horizontales und vertikales Sichtfeld. Wie beim LIDAR ist aufgrund der niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten auch bei der Kamera die hohe Reichweite weniger wichtig als das große Sichtfeld. Die Kamera verfügt über CAN-, FlexRay- und Ethernet-Schnittstellen, zusätzlich wurde sie AUTOSAR-konform¹¹ entwickelt und bietet somit die Möglichkeit der Integration von spezifischem Objekt-Code.

11 AUTOSAR siehe 4.2.3.1

4.1.4. Radarsensoren

Für den Heckbereich des Fahrzeugs wird ein großer horizontaler Erfassungsbereich benötigt. Dies ist beispielsweise beim rückwärtigen Ausparken aus einem Parkplatz quer zur Fahrbahn von großer Bedeutung, um sich annähernde Fahrzeuge rechtzeitig erkennen zu können. Für diesen Anwendungsfall haben sich Radarsensoren etabliert, diese sind besonders gut geeignet um bewegte Objekte zu detektieren. Verbaut wird je ein Sensor rechts und links im Bereich des Stoßfängers. Die Anordnung der Sensoren ist in Abb. 64 zu sehen.

Abb. 64: Anordnung der Radarsensoren

Zur Erreichung des optimalen Erfassungsbereichs sind die Sensoren schräg angeordnet.

Als Sensor kommt der Mittelbereichsradarsensor MRR4 von Bosch zum Einsatz. Dieser ist speziell für Anwendungen im Heckbereich abgestimmt, sein horizontaler Messbereich liegt im Nahbereich bei ±75° bzw. ±5° bis 70 m. Somit deckt dieser Sensor den in 3.2.1 ermittelten benötigten Erfassungsbereich von 60 m ab. Der Sensor kann verdeckt hinter dem Stoßfänger montiert werden. Durch seine kompakten Abmessungen ist die Integration auch bei eingeschränkten Platzverhältnissen möglich. Zur Kommunikation besitzt der Radarsensor eine CAN- sowie eine FlexRay-Schnittstelle. Optional kann eine Sensordatenfusion ohne zusätzliche Hardware integriert werden. Da der Sensor keinerlei beweglichen Teile aufweist, ist er sehr robust gegenüber Vibrationen.

4.1.5. Gesamtsystem Umfelderfassung

Um einen Überblick über den gesamten Erfassungsbereich der Sensorik des Fahrzeugs zu erhalten, sind die Erfassungsbereiche aller Sensoren zusammen in Abb. 65 dargestellt.

Abb. 65: Erfassungsbereiche der Sensorik

Im Frontbereich ist zur Erreichung eines redundanten Systems zusätzlich zu den Ultraschallsensoren eine Sensorik mit höherer Reichweite nötig, daher kommen hier ein LIDAR-Sensor und eine Kamera zum Einsatz. Im Heckbereich ist ein redundantes System mit höherer Reichweite nicht nötig, da sich das Fahrzeug rückwärts nur mit Schrittgeschwindigkeit bewegen soll und somit die Ultraschallsensorik für eine zuverlässige Vermeidung von Kollisionen ausreichend ist.

4.1.6. Zusätzliche Sensorik

Als Raddrehzahlsensoren werden aktive Sensoren eingesetzt, da nur diese in der Lage sind sehr geringe Drehzahlen, fast bis zum Stillstand, zu erkennen und zusätzlich die Möglichkeit bieten die Drehrichtung zu ermitteln. Für den Einsatz bieten sich die Sensoren DF11 von Bosch an, da diese in verschiedenen Varianten verfügbar sind und so die jeweils optimale Sensorausführung für Vorder- und Hinterachse verwendet werden kann. Die Einbaupositionen der Drehzahlsensoren an Vorder- und Hinterachse unterscheiden sich, bedingt durch die unterschiedliche Ausführung der Bremsen (Scheibenbremsen vorne, Trommelbremsen hinten) und die Achskonstruktion, stark voneinander.

Zur Erkennung des Lenkwinkels wird ein Sensor mit GMR-Element eingesetzt, durch den mechanischen Aufbau mit zwei Zahnrädern ist dieser in der Lage den vollen Lenkwinkelbereich zu erfassen. Der Lenkwinkelsensor LWS5 von Bosch bietet neben einer integrierten Eigendiagnose und Plausibilitätsprüfung eine Übermittlung des Lenkwinkels und der Lenkwinkelgeschwindigkeit über CAN-Bus. Verbaut wird der Sensor an der

Lenksäule im Innenraum des Fahrzeugs. Diese Einbauposition bietet, gegenüber einer Unterbringung des Sensors im Motorraum, den Vorteil des besseren Schutzes gegen Umwelteinflüsse.