Fraunhofer FHR: Scheinwerfer der Zukunft

Was des Menschen Auge und Ohr, ist des autonomen Fahrzeugs Sensor. Doch die steigende Anzahl der Sensoren benötigt immer mehr Platz – und dies steht in einem gewissen Konflikt mit den Wünschen der Designer. Im Rahmen des Projekts Smart Headlight bauen darum Forschende aus fünf Fraunhofer-Instituten, darunter auch das Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR, einige der Sensoren in den Scheinwerfern ein – und wollen dabei optisches Licht, Radar und Lidar kombinieren.

Ziel des Projekts ist es, einen sensorintegrierten Scheinwerfer für Fahrerassistenzsysteme zu entwickeln, bei dem unterschiedliche sensorische Elemente mit adaptiven Lichtsystemen kombiniert werden. Objekte auf der Straße, vor allem andere Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger, sollen auf diese Weise von den Sensoren noch besser erkannt werden. So kommt beispielsweise der Lidar-Sensor bei elektronischen Bremsassistenten oder bei Abstandsregelsystemen zum Einsatz.

Wir integrieren Radar- und Lidar-Sensoren in die Scheinwerfer, die ja sowieso vorhanden sind und die ein Optimum an Transmission für optische Sensoren und Lichtquellen sowie für Verschmutzungsfreiheit garantieren. (Tim Freialdenhoven, Wissenschaftler am Fraunhofer FHR)

Bei den Lidar-Sensoren (Light Detection And Ranging) wird die Zeit zwischen dem Aussenden eines Laserpulses und dem Empfangen des reflektierten Lichts gemessen, sodass Entfernungen sehr genau ermittelt werden können. Die Forschenden stehen bei ihrem Projekt vor einigen Herausforderungen: Das Licht, das aus dem Scheinwerfer auf die Straße fällt, soll von den beiden zusätzlichen Sensoren nicht beeinflusst werden – doch die nötigen LEDs liegen ganz hinten im Scheinwerfer.

Deshalb ordnen die Forschenden die Lidar-Sensoren oben und die Radar-Sensoren unten im Scheinwerfergehäuse an. Trotzdem sollen die Strahlen beider Sensorsysteme den identischen Weg nehmen wie das LED-Licht. Zusätzlich haben aber alle Strahlen unterschiedliche Wellenlängen. Freialdenhoven zufolge sollen diese drei Wellenlängen gleichachsig zusammengeführt werden, also koaxial. Vorteil dieser Anordnung sei, dass sie weniger Platz in Anspruch nehme als nebeneinander angeordnete Sensoren. Ein speziell beschichteter Spiegel sorgt bei der Kombination von LED- und Lidar-Licht dafür, dass beide Strahlenbündel über eine Reflexion auf eine Achse gebracht werden.

Beim zweiten sogenannten Combiner, bei dem LED-Licht, Lidar-Licht und Radar miteinander vereint werden, erfolgt das Gleiche. Da Radarsensoren im Automobilbereich bereits weit verbreitet sind, soll der Bi-Combiner so ausgelegt werden, dass die Hersteller vorhandene Sensoren ohne Anpassung weiterverwenden können. Die Kombination von optischen Systemen, Lidar und Radar ist notwendig, denn: „Jedes einzelne System hat seine Stärken, aber auch seine Schwächen“, so Freialdenhoven. Optische Systeme stießen ihm zufolge bei optisch schlechten Sichtbedingungen, wie Nebel und Staub an ihre Grenzen.

Radar-Systeme hingegen schauen nahezu ungehindert durch dichte Nebelschwaden, doch ist ihre Klassifikationsfähigkeit nicht sehr hoch. Radar könne zum Beispiel zwischen Menschen und Bäumen unterscheiden, käme aber nicht an die Klassifikationsfähigkeit vom Lidar heran.

Wir arbeiten zudem daran, die Daten von Radar und Lidar zu fusionieren – was insbesondere in puncto Zuverlässigkeit einen extremen Mehrwert bietet. (Freialdenhoven)

Ein Patent wurde bereits angemeldet, derzeit arbeiten die Forscher nach eigenen Angaben am Aufbau eines Prototypen. Sie sehen die Möglichkeiten der Sensorintegration für Fahrerassistenzsysteme deutlich erweitert. Kleinere Lichtmodule, kompaktere Lidar-Sensoren und integrierte Radarsensoren sollen die Umsetzung von Multisensorkonzepten ermöglichen – vor allem für das autonome Fahren bei steigenden Designanforderungen und zugleich begrenztem Bauraum.

Autonome Systeme sollen künftig nicht nur einen Menschen erkennen können, sondern auch seine Geschwindigkeit, Entfernung sowie den Winkel analysieren, in dem er zum Fahrzeug steht.