Die Zukunft der Fahrzeuge ist die Autonomie, und fortschrittliche Positionssensortechnologien helfen Fahrzeugen, die darauf ausgelegt sind, selbstständig und sicher zu fahren. Es gibt viele Vorhersagen darüber, wann wirklich autonome Autos Realität werden.
However, while we wait, many of today’s vehicles are equipped with a variety of advanced driver assistance systems (ADAS) like lane departure warnings, assisted parking, and automatic braking. Although these technologies are very useful, they are considered an SAE autonomy level of just 1 or 2, which means that they still require driver engagement 100% of the time.
Die große Frage ist, wann wir den technologischen Sprung zu Stufe 5 oder vollständig autonomen Fahrzeugen sehen werden, die keine Fahrerinteraktion erfordern. Leider sind wir noch mehrere Jahre von dieser Technologie entfernt, die weitgehend akzeptiert und in irgendeiner Art von Fahrzeug übernommen wird. Warum? Die entscheidende Herausforderung besteht darin, die Sicherheit zu gewährleisten.
Um die volle Autonomie zu erreichen, ist absolutes Vertrauen erforderlich, dass ein Fahrzeug unter allen Wetter- oder Straßenbedingungen sicher und präzise funktioniert und Verletzungen von Insassen, Fußgängern oder Eigentum vermeidet.
Dies würde eine integrierte Führungs- und Navigationstechnologie erfordern, die sicherstellt, dass das Fahrzeug sicher betrieben wird, wenn und falls Fahrzeugwahrnehmungssensoren wie LiDAR, Radar oder Kameras ausfallen oder wenn es zu einer intermittierenden Störung in den GNSS-Satellitensignalen aufgrund von Wetter, Gelände oder Umgebung kommt.
Safe-Stop-Sensorsystem für autonome Fahrzeuge
Diese Fahrzeugsensor-Technologie ist der Inertial Measurement Unit-Sensor oder IMU-Sensor. Da ein IMU-Sensor auf der Schwerkraft und den Gesetzen der Physik basiert und nicht von externen Bedingungen abhängt, kann er weiterhin Daten senden, damit das Fahrzeug sicher auf Kurs bleibt, bis es sicher zum Stillstand kommen kann oder die anderen Navigationssysteme wieder funktionieren, selbst wenn die Wahrnehmungssensoren aufgrund des Wetters versagen. Durch die Beseitigung von Datenunterbrechungen und die Erhöhung der Betriebssicherheit wird der IMU die Realität des vollständig autonomen Fahrens der Stufe 5 beschleunigen. Ohne IMU-Sensoren, die das Sicherheitspolster bieten, werden autonome Fahrzeuge niemals effektiv in Stadtstraßen und Autobahnen arbeiten können.
Was ist ein IMU-Sensor und wie funktioniert er?
Die meisten IMU-Sensoren bestehen aus zwei verschiedenen Sensorsets - Beschleunigungssensoren und Gyrosensors. Die Beschleunigungssensoren messen die lineare Beschleunigung in drei orthogonalen Achsen. Durch Integration der Beschleunigung über die Zeit wird die Geschwindigkeit bereitgestellt, und durch Integration der Geschwindigkeit über die Zeit ergibt sich eine Änderung der Position.
Die Gyrosensors messen die Winkelgeschwindigkeit der drei orthogonalen Achsen. Durch Integration der Winkelgeschwindigkeit entlang der drei Achsen über die Zeit wird eine Änderung in Roll, Nick und Gier erzeugt, was die Änderung in der Ausrichtung eines Objekts ist.
Ein IMU-Modul mit gyroskopischen und Beschleunigungssensoren kann Messungen über 6 Freiheitsgrade liefern.
Warum enthalten einige IMUs auch ein Magnetometer?
Ein Beschleunigungssensor kann erfolgreich Roll- und Nickwerte bezüglich der Erdanziehungskraft berechnen und den Gyroskopdrift korrigieren.
Es kann jedoch nicht verwendet werden, um die absolute Ausrichtung (Gier) zu erkennen, da die Änderung des Giers orthogonal zum Gravitationsvektor ist. Ein Magnetometer misst die magnetische Feldstärke in drei Dimensionen. Durch die Verwendung des Erdmagnetfelds kann es helfen, die Ausrichtung (d. h. Gier) sowie Roll- und Nickwinkel des Objekts zu bestimmen.
Die Integration eines Magnetometers in das IMU kann bei der Erfassung der Ausgangsrichtung eines Objekts helfen und Integrationsfehler des Giergyroskops im Sensorfusionalgorithmus korrigieren.
IMU-Leistungsmessung
Bias-Instabilität ist einer der wichtigsten Leistungsparameter des Gyroskops. Es ist ein direktes Maß dafür, wie stark das Gyroskop im Laufe der Zeit driftet. Da der Ratenausgang des Gyroskops integriert wird, um Änderungen in den Winkeln (Roll, Nick und Gier) zu berechnen, führt jeder Fehler, der mit der Drift verbunden ist, zu einem angesammelten Fehler in relativen Winkeln. Darüber hinaus führen diese Winkelfehler im Laufe der Zeit zu Positionsfehlern. Für Automobilanwendungen ist eine leistungsstarke IMU eine notwendige Komponente, damit das autonome Fahrzeug eine hohe Genauigkeit bei der Positionsbestimmung erreichen kann.
In einem dreifach redundanten IMU werden drei IMUs verwendet, um eine dreifach redundante Sensorarchitektur zu konstruieren, die zusätzliche Zuverlässigkeits- und Genauigkeitsniveaus bietet.
Wenn aus irgendeinem Grund ein oder mehrere Sensoren nicht genau funktionieren, kann das System programmiert werden, um die defekten Sensordaten zu erkennen und nicht zu verwenden. Die defekten Sensorausgaben oder fehlerhaften Datensätze werden ignoriert oder in ihrer Bedeutung herabgestuft. Diese Architektur gewährleistet die Zuverlässigkeit des Systems und verbessert gleichzeitig die Leistung.
IMU-Sensoren erhalten möglicherweise nicht die gleiche Aufmerksamkeit und Medienberichterstattung wie andere Sensoren - z. B. LiDAR-Radar und Kameras. Dennoch sind IMUs in vielerlei Hinsicht die entscheidende Sicherheitssensor-Komponente, die für den erfolgreichen Betrieb von autonomen Fahrzeugen der Stufen 4 und 5 erforderlich ist, die innerhalb der nächsten Dekade auf den Straßen erscheinen werden.
