Radar, Lidar, Kameras: Mit dieser Technik "sehen" unsere Autos

Moderne Autos mit Assistenzsystemen setzen auf verschiedene Sensoren. Im Zusammenspiel ebnen sie den Weg zum automatisierten Fahren. Eine wichtige menschliche Fähigkeit fehlt ihnen aber.

Ohne Sensoren läuft beim autonomen Fahren gar nichts. Aber auch schon heute setzt die Armada an Assistenzsystemen in modernen Autos auf Sensoren, die das Umfeld peinlich genau ausmessen.

In der neuen Mercedes-Benz S-Klasse beispielsweise ist der Assistent Drive Pilot bestellbar. Er lässt das Auto mit bis zu 60 km/h allein auf Autobahnen fahren – unter bestimmten Umständen: "Nur wenn die äußeren Bedingungen erfüllt sind, übernimmt das Auto die Kontrolle", sagt Gregor Kugelmann, der bei Mercedes-Benz die Entwicklung von Fahrer-Assistenzsystemen leitet.

Diese Sensoren sind in modernen Autos eingebaut:

Stereokamera

Sie kommt dem menschlichen Auge am nächsten, sagt Prof. Christoph Stiller vom Institut für Mess- und Regelungstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Für eine Rundumsicht benötigten Fahrzeuge allerdings mehr als nur zwei Linsen. Aber dann sehen sie im Wesentlichen das, was Menschen auch sehen. Dazu zählen Fahrbahnmarkierungen, Farben der Ampeln und Hinweisschilder.

Nachteil: Eine Stereokamera sieht nicht sehr weit, maximal 80 Meter – nicht viel bei schneller Fahrt: Bei 100 km/h legt ein Auto 27 Meter pro Sekunde zurück.

In der Disziplin Fernsicht funktionieren Radarsysteme hier besser – die laut Christoph Stiller allerdings Ampelfarbe, Straßenschilder oder Fahrbahnmarkierungen wiederum nicht erkennen. Entsprechende Technik wird bei Fahrzeugen schon dem Jahr 2000 verbaut, zum Beispiel für Abstandstempomaten.

Radar

Im Gegensatz zur Kamera arbeitet das Radarsystem aktiv, indem es Mikrowellen aussendet und wieder einfängt. Diese Entfernungsmessung nach dem Echoprinzip funktioniert auch bei Dunkelheit und bis zu 300 Meter weit. Die Technik macht sich dafür den sogenannten Dopplereffekt zunutze, der durch die Stauchung von Wellen infolge der Bewegung von Sender oder Empfänger entsteht. "Ein Radar kann sehr gut Geschwindigkeiten messen und ist für die Erkennung von sich bewegenden Objekten ideal", sagt Prof. Markus Lienkamp vom Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik der Technischen Universität München (TMU).

Lidar

Nahezu futuristisch mutet die Arbeitsweise von Lidarsensoren an. Im Gegensatz zum Radar senden solche Systeme keine Mikrowellen aus, sondern gebündelte Laserstrahlen. Dadurch kann ein Lidar einzelne Punkte im Umfeld abtasten. Er misst die Zeit zwischen Senden und Empfang und berechnet daraus die Entfernung. Lidarsysteme setzen aus vielen solcher Reflexionen ein Bild mit rund einer Million Bildpunkten pro Sekunde zusammen. Daraus entsteht eine 3-D-Punktwolke, welche die Umgebung mit höherer Auflösung repräsentiert als ein Radarbild. Dadurch kann es komplexe Objekte abbilden und etwa einen Fußgänger von einem Auto unterscheiden.

Ultraschall

Bei der Sensorik des automatisierten Fahrens spielt er nur eine untergeordnete Rolle: Er kann nur für ein Umfeld von rund zehn Meter detektieren. Zum Beispiel für Einparkhilfen kommen entsprechende Systeme zum Einsatz.

Die Kombination der Systeme macht das Auto smart

Jede Sensorart bietet Vor- und Nachteile: Fahrbahnmarkierungen erkennt ein Lidar anhand der Reflexionen nur eingeschränkt, Ampelfarben gar nicht. "Ein großer Vorteil liegt in der frühen Erkennung von Fußgängern, die im Gegensatz zu Autos oder Zweiradfahrern wenig Metall zur Reflexion bieten, wie es ein Radar benötigt", sagt Prof. Stiller. Kombiniert man die Sensoren, machen sie zusammen automatische Fahrfunktionen möglich.

"Rein technisch würden zum automatisierten Fahren auch eine Stereokamera oder ein Lidar reichen", sagt Christoph Stiller. Doch dies wäre weniger zuverlässig und sicher. Zusätzlich setzen Autohersteller auf hochaufgelöste digitale Karten, die auf rund fünf Zentimeter genau die Position etwa von Fahrbahnrändern beinhalten.

Das kann der Mensch besser

Radar und Lidar können Entfernungen genau bestimmen, der Mensch kann sie nur schätzen. Dafür kann der Mensch aufgrund seiner Erfahrung Situationen besser einschätzen. Er erkennt Muster und versteht Szenen, kann darauf reagieren. "Diese komplexen Verhalten kann noch kein Computer lösen", sagt Markus Lienkamp.

So setzen Hersteller bei automatisierten Fahrzeugen unterschiedliche Techniken ein, die redundant arbeiten. Nach dem Motto: Doppelt hält besser.

So funktioniert es in der Praxis

Bei der Mercedes S-Klasse sitzt in der Front ein Lidar für die 3-D-Umfelddarstellung, dazu ein Radar für die Abstands- und Geschwindigkeitsmessung. In der Frontscheibe sorgt eine Stereokamera für die optische Bilderfassung. Eine Kamera im Cockpit erkennt die Aufmerksamkeit des Menschen am Steuer – er darf nicht schlafen, wenn das Auto bis Tempo 60 übernimmt und muss jederzeit eingreifen können.

Im Radkasten horcht ein Sensor, ob die Fahrbahn stark beregnet ist, bei Starkregen muss der Fahrer zurück ans Steuer. Und auf dem Dach gibt eine sensible Antenne, die die genaue Position weitergibt, die mit hochauflösenden Karten verglichen wird.

Für den Nahbereich erkennen Ultraschallsensoren, ob sich jemand am Auto befindet, wie spielende Kinder. Eine Kamera in der Heckscheibe und Mikrofone erkennen Blaulicht und Einsatzfahrzeuge – und sorgen im Notfall dafür, dass das Auto für eine Rettungsgasse zur Seite fährt.

Sensoren: Das bringt die Zukunft

Seit Dezember 2021 besitzt Mercedes vom Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) als erster Hersteller die Zulassung für die neue automatisierte Funktion. Aktuell ist die nur in den Luxusmodellen EQS und S-Klasse erhätlich.

In den nächsten zehn Jahren werden alle Fahrzeuge, die hochautomatisiert fahren sollen, auf die Kombination der verschiedenen Sensoren setzen. "Nach den Oberklassefahrzeugen wird die Technik auch in anderen Klassen Einzug finden, denn sie wird günstiger", sagt Prof. Stiller.

Auch Lienkamp geht davon aus, dass künftig alle automatisierten Fahrzeuge mit vollständiger Sensorik ausgestattet werden. Bei Fahrzeugen für vollautomatisiertes Fahren ändere sich die Sensorik zwar kaum, dafür aber die Algorithmen und die Software der Systeme, die auf Autobahnen dauerhaft das Steuer übernehmen können. Damit werden die Lenkräder künftig noch präziser arbeiten und dem Verkehr genauer folgen.