Die Evolution von ADAS und die Zukunft des autonomen Fahrens – Sensortechnologien, unterstützt durch Dexerials

Die Entwicklung des Autonomes Fahren und der Aufstieg von CASE

Die Automobilindustrie erlebt derzeit eine Welle technologischer Innovationen, die sich auf vier Schlüsselkonzepte konzentrieren, die unter dem Akronym CASE zusammengefasst werden. CASE steht für „Connected“, „Autonomes Fahren“, „Shared Services“ und „Electric“. Diese Innovationen werden die Zukunft der Mobilität voraussichtlich grundlegend verändern.

Die Elemente von CASE

1. 1. Vernetzt: Fahrzeuge sind permanent mit dem Internet, anderen Fahrzeugen und der Infrastruktur verbunden, was den Informationsaustausch in Echtzeit und die Bereitstellung fortschrittlicher Dienste ermöglicht.
   
2. Autonomes Fahren: Technologien, die es Fahrzeugen ermöglichen, autonom zu fahren, indem künstliche Intelligenz und Sensortechnologien genutzt werden. Diese sollen Verkehrsunfälle reduzieren und die Verkehrseffizienz verbessern.
   
3. Shared & Services: Neue Mobilitätsdienste wie Carsharing und Ridesharing, bei denen Fahrzeuge von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt werden.
   
4. Elektrifizierung: Die zunehmende Nutzung von Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybridfahrzeugen (HVs) zur Reduzierung der Umweltbelastung.

Dieser Artikel konzentriert sich auf Autonomes Fahren, die zweite Säule von CASE, und erläutert fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) sowie die entscheidende Rolle, die Sensoren darin spielen.

Was ist ADAS? – Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme zur Unterstützung Autonomes Fahren

ADAS, die Abkürzung für Advanced Driver Assistance Systems (fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme), bezeichnet Systeme, die Fahrer unterstützen und Sicherheit und Komfort im Zuge der Entwicklung hin zum Autonomes Fahren verbessern sollen. Typische ADAS-Funktionen umfassen:

• Spurverlassenswarnung (LDW)
• Automatisches Notbremssystem (AEB)
• Adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC)
• Einparkhilfesysteme

Diese Funktionen gelten als unerlässliche technologische Grundlagen für das Autonomes Fahren.

Klassifizierung der Stufen Autonomes Fahren (Stufen 0–5)

Das autonome Fahren wird international in sechs Stufen (0 bis 5) eingeteilt:

Autonomes Fahren der Stufe 2 ist derzeit in neu auf den Markt gebrachten Fahrzeugen weltweit weit verbreitet. Insbesondere in Europa und Japan gehören ADAS-Funktionen zunehmend zur Standardausstattung. Technologien der Stufe 3 und höher erfordern hingegen weitere regulatorische Entwicklungen und Sicherheitsvalidierungen, weshalb ihr Einsatz noch begrenzt ist.

Ein japanischer Automobilhersteller brachte beispielsweise 2021 ein mit Level-3-Technologie ausgestattetes Fahrzeug auf den Markt, der Verkauf war jedoch auf lediglich 100 Einheiten begrenzt. Auch europäische Automobilhersteller haben Level-3-Systeme in ausgewählten Märkten bestimmter Länder eingeführt.

Neueste Trends beim Autonomes Fahren der Stufen 4 und 5

Auf Stufe 4 werden Robotaxis (vollständig fahrerlose Taxis) zunächst nur in bestimmten geografischen Gebieten eingeführt, wobei die Bemühungen um eine Kommerzialisierung fortgesetzt werden.

• Autonome Fahrdienste in Nordamerika: In bestimmten Gebieten von Kalifornien, Arizona, Texas und Nevada in den Vereinigten Staaten werden Robotaxi-Dienste eingesetzt (obwohl ein nordamerikanisches Unternehmen bereits seinen Rückzug angekündigt hat).
• Autonome Fahrdienste in China: Autonome Taxis werden in Peking und Shanghai im Pilotbetrieb getestet.

Das vollständig Autonomes Fahren im öffentlichen Straßenverkehr unterliegt jedoch weiterhin erheblichen rechtlichen Beschränkungen, und die Kommerzialisierung erfordert ein vorsichtiges Vorgehen. In verschiedenen Ländern werden derzeit Diskussionen über die rechtlichen Rahmenbedingungen für Autonomes Fahren geführt. Insbesondere die Frage der Haftungsfrage bei Unfällen mit Fahrzeugen der Stufe 4 oder höher bleibt ein zentrales Thema, und die regulatorischen Maßnahmen zur Einführung von Fahrzeugen der Stufe 4 unterscheiden sich von Land zu Land.

Unterdessen wird erwartet, dass der fahrerlose Betrieb in begrenzten Gebieten oder für spezifische Anwendungen wie Logistik und Zustellung mit Nutzfahrzeugen die betriebliche Effizienz und Rentabilität steigern wird. In Nordamerika hat beispielsweise ein führendes Unternehmen Autonomes Fahren kürzlich eine Partnerschaft mit einem Anbieter von Fahrdienstvermittlungsplattformen geschlossen, um neue Dienste einzuführen.

Expansion des ADAS-Marktes und aktuelle Einführungstrends

Laut Umfragedaten aus dem Jahr 2022 erreichte die weltweit installierte Basis von Fahrerassistenzsystemen (ADAS) und Autonomes Fahren im Jahr 2021 rund 40 Millionen Fahrzeuge. Seitdem gehören Fahrerassistenzfunktionen in vielen Ländern zunehmend zur Standardausstattung von Neuwagen, und die Verbreitung von ADAS steigt kontinuierlich. Insbesondere die laufenden Funktionserweiterungen auf Level 2 und Level 2+ dürften das Marktwachstum weiter ankurbeln. (Quelle: „Globaler Markt für autonome Fahrzeuge soll bis 2030 79 Millionen Einheiten erreichen – doppelt so viel wie 2021“, Prognose des Yano Research Institute, Japanischer Verband für Automobilwirtschaft und -kultur)

Hochpräzise Sensorik in ADAS durch Sensorfusion unterstützt

Verschiedene Sensoren, die die Fahrzeugumgebung präzise erfassen können, sind für ADAS-Funktionen, die den Kern des Autonomes Fahren bilden, unerlässlich. Derzeit werden vorwiegend folgende Technologien eingesetzt:

Hauptsensoren

• Kameras: Erkennen Fahrbahnmarkierungen, Verkehrszeichen und Fußgänger anhand von Bilddaten
• Radar: Nutzt elektromagnetische Wellen zur Messung der relativen Fahrzeuggeschwindigkeit und des Abstands
• LiDAR: Ermöglicht 3D-Kartierung und hochpräzise Objekterkennung mithilfe von Lasertechnologie
• Ultraschallsensoren: Erkennen Hindernisse in der Nähe mithilfe von Ultraschallwellen

Jeder dieser Sensoren hat seine eigenen Stärken und Schwächen. Durch die Kombination mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Eigenschaften können Fahrzeuge ihre Umgebung präziser erfassen. Sicheres autonomes Fahren muss nicht nur bei klarem Tageslicht, sondern auch bei Regen, Schnee, Nebel und in der Nacht funktionieren. Eine Schlüsseltechnologie hierfür ist die Sensorfusion, die Daten mehrerer Sensoren integriert und so eine genauere Umgebungswahrnehmung ermöglicht.

Durch die Weiterentwicklung der Sensorfusion lassen sich die Schwächen einzelner Sensoren ausgleichen, was eine sicherere und zuverlässigere Fahrerassistenz ermöglicht. Um auch unter extremen Wetterbedingungen wie Starkregen oder Schneefall bestehen zu können, werden zudem infrastrukturbasierte Lösungen erforscht, beispielsweise die Übertragung von Funksignalen von Ampeln oder Straßenrandsystemen zur Unterstützung der Fahrzeugerkennung.

Beispiele für die praktische Anwendung von Sensorfusion: Ein 2018 vorgestelltes Fahrzeug eines europäischen Automobilherstellers war mit 6 Kameras, 5 Millimeterwellenradaren, 1 LiDAR Sensor und 12 Ultraschallsensoren ausgestattet. Fahrzeuge, die in Nordamerika im Autonomes Fahren eingesetzt werden, verfügen über 16 Kameras, 21 Millimeterwellenradaren und 5 LiDAR Sensoren. Ein 2021 von einem japanischen Automobilhersteller eingeführtes Modell war mit 2 Frontkameras, 5 Radarsensoren, 12 Sonarsensoren und 5 LiDAR Sensoren ausgestattet. Wie diese Beispiele zeigen, verbessert eine höhere Anzahl von Sensoren die Erfassungsleistung. Mit der steigenden Sensorleistung und der zunehmenden Sensoranzahl stellen die steigenden Fahrzeugkosten jedoch eine erhebliche Herausforderung dar.

Die Rolle und Konfiguration von ADAS-Kameras

Kameras, die visuelle Informationen aus der Umgebung erfassen, spielen in Fahrerassistenzsystemen eine besonders wichtige Rolle. In letzter Zeit finden Systeme, die mehrere Kameras in einem einzigen Modul integrieren – sogenannte Dual-Kamera- und Triple-Kamera-Systeme –, zunehmend Anwendung.

• Zweikamerasysteme: Durch den Einsatz zweier Kameras wird stereoskopisches Sehen ermöglicht, wodurch die Genauigkeit der Entfernungsmessung zu Objekten verbessert wird. Dies ermöglicht eine präzisere Kollisionsvermeidung und Fußgängererkennung.
  
• Dreifachkamerasysteme: Durch den Einsatz von drei Kameras lässt sich eine flächendeckendere und präzisere Bilderkennung erzielen. Beispielsweise können durch die Kombination von Kameras mit unterschiedlichen Brennweiten Objekte in naher und ferner Entfernung gleichzeitig genau erkannt werden.

Kamerasysteme werden üblicherweise im oberen Bereich der Windschutzscheibe installiert und überwachen einen großen Bereich vor dem Fahrzeug. Dies ermöglicht verschiedene Fahrassistenzsysteme wie Spurhalteassistent und Verkehrszeichenerkennung.

Neueste Trends in der ADAS-Kameratechnologie

Da sich ADAS stetig weiterentwickelt, werden auch weitere Fortschritte in der Kameratechnologie erwartet. Insbesondere die folgenden technischen Anforderungen gewinnen zunehmend an Bedeutung:

• Höhere Auflösung: Die Verwendung hochauflösender Kameras schreitet voran, um auch entfernte Hindernisse und Verkehrszeichen präzise erkennen zu können.
• Leistungsfähigkeit bei Nacht und widrigen Wetterbedingungen: Die Entwicklung von Kameratechnologien, die einen stabilen Betrieb unter schlechten Lichtverhältnissen, Regen, Nebel und anderen anspruchsvollen Umgebungsbedingungen ermöglichen, ist unerlässlich.
• Integration mit KI: Bildverarbeitungstechnologien, die Deep Learning nutzen, ermöglichen eine fortschrittlichere Objekterkennung.
• Geringerer Stromverbrauch: Mit fortschreitender Elektrifizierung werden Technologien, die den Stromverbrauch von Kamerasystemen reduzieren, immer wichtiger.

In Sensoranwendungen besteht insbesondere ein wachsender Bedarf an der Unterdrückung von durch Streulicht (unerwünschtes reflektiertes Licht) verursachtem Rauschen. Dexerials begegnet diesem Bedarf mit folgenden Maßnahmen:

Materialtechnologien zur Reduzierung von optischem Rauschen

• Hochtransparente Behandlungen, die mit Wellenlängen kompatibel sind, die bestimmten Sensortypen entsprechen (z. B. Mottenaugenstrukturen).
• Entwicklung von Antibeschlagmaterialien zur Behebung des Beschlagens der Windschutzscheibe vor dem Sensor
• Entwicklung von Harzen mit geringer Reflexion, die Streulicht und anderes unerwünschtes Licht unterdrücken, das auf Sensorkameras und LiDAR Sensoren trifft.

Diese Technologien verbessern das gesamte Signal-Rausch-Verhältnis von ADAS-Systemen, indem sie das durch externe Lichtstörungen verursachte Rauschen (N) relativ zu den Signalen (S) unterdrücken, die die Sensoren erfassen sollen.

Die Materialtechnologien von Dexerials zur Unterstützung des ADAS-Kameramoduldesigns

In ADAS-Kamerasystemen, die in den letzten Jahren immer häufiger eingesetzt werden, dienen starr-flexible Leiterplatten (Rigid-FPCs) zur Verbindung von Kameraplatine und Hauptplatine. Traditionell stellt die gleichzeitige Realisierung von Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit bei Starr-FPC Verbindungen eine Herausforderung dar. Durch die Verbindung von FPCs mit Platinen mittels ACF von Dexerials konnten jedoch Konfigurationen implementiert werden, die Zuverlässigkeit gewährleisten und gleichzeitig die Kosten senken. Dies ist bei vielen europäischen Automobilherstellern der Fall. Ein konkretes Beispiel hierfür ist die CP881AM-Serie, eine anisotrope leitfähige Folie (ACF) für „Film-on-Board“-Anwendungen im Automobilbereich, die IATF-zertifiziert ist. Kunden, die dieses Produkt einsetzen, profitieren von hoher Zuverlässigkeit und reduzierten Kosten.

Darüber hinaus werden die Präzisionsklebstoffe von Dexerials zur Befestigung von Kameraobjektiven und zum Verkleben optischer Komponenten eingesetzt, und es wird erwartet, dass sich die Anwendung in Zukunft noch weiter ausdehnen wird.

Komplettlösungen für optisches Rauschen und optische Achsenfehlausrichtung

Die Stärke von Dexerials liegt nicht nur in der Materialversorgung, sondern auch in der Bereitstellung einer Komplettlösung zur Behebung von Problemen mit der optischen Achsenfehlausrichtung und dem optischen Rauschen in Sensoren wie Fahrzeugkameras und LiDAR Sensoren. Diese Herausforderungen sind direkt mit der Produktqualität und -sicherheit in der Serienfertigung verknüpft. Konkret entwickeln und liefern wir neben Materialien für die präzise Kamerabefestigung auch Messgeräte zur Bestimmung der optischen Achsenfehlausrichtung sowie Optimierungsunterstützung in der Designphase. Anstatt lediglich Materialien zu verkaufen, tragen wir durch umfassende Unterstützung – von der Evaluierung bis zur Designberatung – dazu bei, die von unseren Kunden geforderte Sensorleistung zu erzielen.

In den letzten Jahren hat sich die Auflösung von Automobilkameras kontinuierlich verbessert, und die Toleranzgrenzen für optische Achsenabweichungen sind jährlich strenger geworden. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien bieten die Produkte von Dexerials Vorteile sowohl in Z- als auch in Neigungsrichtung. Aufbauend auf unserem Erfolg in Japan planen wir, den Einsatz schrittweise auf Asien, Europa, die USA und die ASEAN-Staaten auszuweiten.

Darüber hinaus haben wir unabhängig eine schwarze Beschichtungstechnologie entwickelt, die Infrarot-Streulicht in Kameras und LiDAR Systemen unterdrückt. In Anwendungen Autonomes Fahren und Fahrerassistenzsysteme (ADAS) wird Infrarotlicht bei 905 nm und 1550 nm zur Detektion eingesetzt. Herkömmliche schwarze Harze absorbieren zwar sichtbares Licht, reflektieren aber Infrarotwellenlängen, was die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann. Um dieses Problem zu lösen, haben wir ein neues Beschichtungsharz entwickelt, das durch einen dreischichtigen Mechanismus aus Absorption, interner und externer Streuung eine extrem niedrige Reflexion im Infrarotbereich erzielt. Vergleichstests mit Materialien in Automobilqualität anderer Hersteller haben seine überlegene Leistung bestätigt.

Durch die Kombination von Materialien und Expertise wollen wir zwei entscheidende Faktoren für die Bildqualität lösen: das Verrutschen von Kamerakomponenten und das Stören von reflektiertem Streulicht. Gemeinsam mit Automobilherstellern entwickeln wir weiterhin Kerntechnologien für das Autonomes Fahren.

Dexerials Initiativen für das Zeitalter Autonomes Fahren

Die Elemente von CASE sind miteinander verknüpft und prägen gemeinsam die Zukunft der Automobilindustrie. Insbesondere die Weiterentwicklung von ADAS stellt einen wichtigen Schritt hin zur Realisierung Autonomes Fahren dar, deren Zukunft immer mehr Menschen interessiert. Während die technologische Entwicklung im Bereich Autonomes Fahren rasant voranschreitet, werden regulatorische Rahmenbedingungen und gesellschaftliche Akzeptanz künftig entscheidende Faktoren sein.

Im Zuge der Weiterentwicklung von Autonomes Fahren und Fahrerassistenzsystemen (ADAS) wird Dexerials sein Portfolio an hochzuverlässigen, auf Materialtechnologien basierenden Lösungen kontinuierlich ausbauen. Wir werden auch in den kommenden Jahren die Sensorleistung weiter verbessern.