Fahrerassistenzsysteme Im Fokus: Kfz-Radarsysteme mit Satellitenarchitektur

Mit dem Aufkommen neuer Fahrzeugarchitekturen, wie der Satellitenarchitektur, muss auch die Sensor- und Verarbeitungstechnik dieser Systeme ebenfalls weiterentwickelt werden, um die neuen Fähigkeiten zu unterstützen. Welche Herausforderungen damit verbunden sind und wie sich diese bewältigen lassen, zeigt der nachfolgende Beitrag.

Das weltweit angewandte New Car Assessment Program (NCAP) arbeitet mit seinen immer strenger werdenden Sicherheits-Ratings und -Vorschriften zunehmend auf die Einführung aktiver Sicherheitsfunktionen hin. Das macht das Thema Sicherheit zu einem nicht mehr verhandelbaren Ausstattungsmerkmal moderner Kraftfahrzeuge. Automobilhersteller auf der ganzen Welt erfüllen diese Sicherheitsanforderungen und zielen auf höhere Autonomiegrade, indem sie die Features der Fahrassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) in ihren Fahrzeugen ständig verbessern. Beispiele sind der Notbremsassistent, die Geschwindigkeits- und Abstandsregelung und fortschrittliche Spurhalteassistenten. Um diese Features zu unterstützen und die geltenden Sicherheitsregularien zu erfüllen, werden in modernen Autos immer mehr Radarsensoren verbaut.

Weiterentwicklung der Fahrzeugarchitekturen

Um die Implementierung von ADAS-Funktionen beim Design von Automobilsystemen zu berücksichtigen, wird unter anderem an die Struktur und Integration der Architekturen elektrischer und elektronischer Systeme herangegangen. Üblich ist heute die Edge-Architektur. Diese besteht aus hochintelligenten Radarsensoren, die vorverarbeitete Daten über ein CAN-Netzwerk oder per Ethernet mit 100 Mbit/s an eine ADAS-ECU streamen. Die für hohe Performanz ausgelegten Sensoren enthalten einen Prozessor und sind oft sogar mit einem speziellen Beschleuniger für die Entfernungsmessung sowie die Doppler- und FFT-Verarbeitung (Fast Fourier Transform) ausgestattet. Hinzu kommen die entsprechenden Algorithmen zur Erkennung, Klassifizierung und Verfolgung von Objekten. Die finalen Objektdaten aus den einzelnen Edge-Radarsensoren werden abschließend an das ADAS-Steuergerät übermittelt. Bild 1 veranschaulicht diese Architektur.

Die Edge-Architektur wird weiterentwickelt und macht zusehends neuen Satellitenarchitekturen Platz, bei denen die auf das gesamte Fahrzeug verteilten Sensorköpfe über eine schnelle, 1 Gbit/s unterstützende Ethernet-Leitung vorverarbeitete Entfernungs-FFT-Daten an ein leistungsstarkes zentrales Steuergerät übermitteln. Hierbei wird ein erheblicher Anteil der Datenverarbeitung an das zentrale Steuergerät ausgelagert (Bild 2). Im Gegensatz zu Edge-Architekturen, bei denen die einzelnen Radarsensoren die gesamte Datenverarbeitung eigenständig vornehmen, erlauben Satellitenarchitekturen die Verarbeitung von Daten, die zuvor nur in minimalem Umfang aufbereitet wurden, durch den zentralen Prozessor.

Vorteile von Satellitenarchitekturen

Die zentralisierte Datenverarbeitung gestattet die Implementierung effektiver Sensorfusions-Algorithmen, die exaktere Entscheidungen ermöglichen. Man kann das mit den Vorgängen im menschlichen Gehirn vergleichen, das mit Informationen beispielsweise aus den Augen seine Entscheidungen trifft, anstatt diese Entscheidungen von den Augen eigenständig fällen zu lassen. Automobilhersteller haben die Möglichkeit, Algorithmen zum Verbessern der Winkelauflösung (Distributed Aperture Radar) oder zum Anheben der Maximalgeschwindigkeit, oder sogar Machine-Learning-Algorithmen für die Objektklassifizierung zu implementieren. Das Zusammenführen von Sensorinformationen sorgt gemeinsam mit diesen Algorithmen für eine leistungsfähigere Sensorik und resultiert in einer vergleichsweise präzisen Wahrnehmung, was sich für OEMs durch einen erhöhten Autonomiegrad auszahlt, während die Fahrzeuginsassen von mehr Sicherheit profitieren.

Der Einsatz von Satelliten-Radarsensoren kommt nicht zuletzt der Skalierbarkeit und Modularität der Systeme zugute. Wenn die Möglichkeit besteht, die Sensoren im gesamten Fahrzeug an zweckmäßigeren Orten zu platzieren, ist der Weg frei für eine Vielzahl von ADAS-Anwendungen. Um den Abdeckungsgrad anzupassen, kann man beispielsweise einfach die Anzahl oder Konfiguration der Sensoren variieren. Ein und dieselbe Plattform lässt sich somit vom niedrigpreisigen Low-End-Fahrzeug bis zum hochwertig ausgestatteten Premium-Modell skalieren und für unterschiedliche Autonomiegrade auslegen.

Durch Sensorfusions-Algorithmen und die höhere Rechenleistung des zentralen Steuergeräts ergeben Satellitenarchitekturen einen Mehrwert. Die einfacher gehaltenen Satellitensensoren und die Individualisierung per Software können außerdem dazu beitragen, die Systemkomplexität zu reduzieren und das Sicherheitsniveau anzuheben. Die höhere Leistungsfähigkeit, die gesteigerte Skalierbarkeit und die geringere Komplexität sind gemeinsam ausschlaggebend dafür, dass die Automobilindustrie zunehmend auf Satellitenarchitekturen setzt.

Radarsensor speziell für Satellitenarchitekturen

Texas Instruments hat den Radar-on-Chip-Sensor AWR2544 speziell für Satellitenarchitekturen entwickelt. Der Baustein enthält einen integrierten 77-GHz-Transceiver mit vier Sendern und vier Empfängern, was der Entfernungsmessung zugutekommt und die Leistungsfähigkeit erhöht. Integriert sind ferner ein Radarverarbeitungs-Beschleuniger und eine 1-GBit/s-Ethernet-Schnittstelle zum Generieren und Streamen komprimierter Entfernungs-FFT-Daten. Der Sensor ist für ASIL B geeignet und richtet mit seinem eingebauten Hardware-Security-Moduls eine geschützte Verarbeitungsumgebung ein.

In dem Baustein kommt ferner die Launch-On-Package- Technologie (LOP) von TI zum Einsatz. Diese ermöglicht über einen in die Leiterplatte integrierten Hohlleiter eine direkte Signalübertragung vom strahlenden Element des Bausteins an die 3D-Antenne. In Bild 3 ist das Evaluation Module des AWR2544LOP mit der 3D-Hohlleiterantenne zu sehen.

Auf Systemebene ergibt die LOP-Technologie ein Plus an Leistungsfähigkeit durch den verbesserten Signal-Rauschabstand, ein einfacheres Wärmemanagement sowie niedrigere Kosten, weil auf teures Leiterplattenmaterial verzichtet werden kann. Hinzu kommt ein Gewinn an Flexibilität, weil sich ein und dieselbe Leiterplatte für mehrere Sensordesigns verwenden lässt.

Um die Systemimplementierung zu vereinfachen, gibt es zusätzlich eine kompatible, mit verbesserter Funktionssicherheit aufwartende und optimierte Power-Management-Schaltung. Der Baustein des Typs LP87725-Q1 enthält zwei rauscharme Abwärtswandler, einen Low-Dropout-Regler, einen Lastschalter zur Versorgung einer AWR2544-basierten Satellitenarchitektur und einen Ethernet-PHY.

Fazit

ADAS-Anwendungen werden fortlaufend weiterentwickelt, um mit den ständig wachsenden Autonomiegraden und Sicherheitsanforderungen Schritt halten zu können. Mit dem Aufkommen neuer Architekturen, zu denen auch die Satellitenarchitektur gehört, muss die Sensor- und Verarbeitungstechnik dieser Systeme ebenfalls weiterentwickelt werden, um die neuen Fähigkeiten zu unterstützen. Bausteine wie der Radarsensor AWR2544 bieten die nötige Flexibilität, wenn die erwähnten Trends beim Systemdesign umgesetzt werden sollen, und helfen damit bei der Realisierung sichererer und intelligenterer Fahrzeuge.  (se)

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* Manshul Arora ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments.

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