Dreidimensional messende Kameras sind relativ neue Sensoren, welche Bilddaten zusätzlich mit Entfernungsinformationen verknüpfen. Im Gegensatz zu Stereokameras arbeiten diese Sensoren aktiv und beziehen Tiefeninformationen durch Messung der Entfernung zwischen Kamera und Objekt. Dazu wird von der Kamera moduliertes Infrarotlicht ausgesendet. Das von einem Objekt reflektierte Signal wird durch den Kamerasensor detektiert und daraus direkt die Entfernungsinformation berechnet.

Aktuell werden zwei Systeme evaluiert und zur Sensorsignalverarbeitung und Sensordatenfusion genutzt. Der PMD-Sensor (Photonic Mixing Device) von PMD Technologies und die in dem europäischen Projekt UseRCams entwickelte 3D CMOS Kamera könnten in Zukunft für eine Kollisionserkennung, die Überwachung des Toten Winkels und den Fußgängerschutz eingesetzt werden.

Mit dem CAN-Bus wurde ein digitaler Kommunikationsstandard entwickelt, welcher gegenwärtig im Automobilbereich und der Sensortechnik flächendeckend etabliert ist. Um sich der Informationen sowohl der vom Fahrzeughersteller integrierten Sensoren als auch der zusätzlich installierten Messtechnik bedienen zu können, bedarf es einer weiteren Instanz - dem CAN-Gateway. Es kanalisiert zum einen Daten verschiedenster CAN-Busse als auch anderer Medien (RS 232) und führt eine Protokollumsetzung durch. Durch Isolation der angebundenen Segmente voneinander garantiert das Gateway eine störungsfreie fahrzeuginterne Kommunikations-Infrastruktur.

Um eine einfache, einheitliche Anbindung verschiedenster Sensoren und Aktoren an den CAN-Bus zu ermöglichen, welche nicht nativ mit einer entsprechenden Schnittstelle ausgestattet sind, wurde ein CAN-Interface-Modul entwickelt. Es besteht aus einem Microcontroller mit CAN-Interface (Atmel AT90CAN128), digitalen als auch analogen Ein-/ Ausgängen und entsprechender Peripherie. Durch den Microcontroller wird der Anwender befähigt, Sensordaten aufzunehmen, eine Vorverarbeitung durchzuführen und und die gewonnenen Informationen auf dem CAN-Bus zu kommunizieren. ferner können Aktoren oder Anzeigen über den CAN-Bus angesteuert werden.

Das Geographische Informationsystem (GIS) verfügt über digital gespeicherte Karten mit detallierten Informationen zum Straßenverlauf und stellt darüber hinaus zusätzliche Daten über Straßenmarkierungen, Bordsteinkanten und Fußwege bereit. In der Sensordatenfusion werden digitale Landkarten ebenfalls als Sensor betrachtet. Sie liefern weiterhin wertvolle Informationen über die Verkehrsinfrastruktur, den Aufbau und Zustand der Verkehrswege und über markante Objekte im Fahrzeugumfeld (Landmarken, z.B. Gebäude, Bäume, Straßenbeleuchtung).

Auch der Fahrzeuginnenraum ist Gegenstand aktueller Forschung. Zwei Kameras messen die dreidimensionale Ausrichtung des Kopfes und erkennen die Blickrichtung des Fahrers. Um diese Informationen auch bei Dunkelheit auswerten zu können, werden die Kameras durch zwei Infrarotbeleuchter unterstützt. Der eye und head tracker wird meist oberhalb des Lenkrades angebracht.
Aus den Daten über Kopfbewegung, Blickrichtung und Bewegung der Augenlider können u.a. Informationen über den Ermüdungszustand des Fahrers abgeleitet werden.
 

Diese Kamera dient der Erfassung der Fahrzeugumgebung insbesondere bei guten Sichtverhältnissen am Tage. Die Erfassung von Farbinformationen ist hauptsächlich bei der Detektion und Erkennung von Verkehrsleiteinrichtungen (Verkehrszeichen, Ampeln) von Bedeutung.

Eine Fern-Infrarot Kamera ist ein Sensor, welcher Wärmestrahlung erfassen kann - sie ist daher auch als Wärmebildkamera bekannt. Die Fern-Infrarot Kamera dient der Erfassung der Fahrzeugumgebung in Situationen mit schlechter Sicht (z.B. bei Dunkelheit). Sie eignet sich dabei besonders gut für die Detektion von anderen Verkehrsteilnehmern (Fahrzeuge, Fahrradfahrer, Fußgänger). Der Vorteil dieser Kamera ist ihr passives Sensorprinzip (sie benötigt keine externen Beleuchter) und ihre Fähigkeit, Wärmeunterschiede sehr gut zu erfassen. Lebende Objekte (Menschen, Tiere) sind deshalb mit diesem Sensor gut zu detektieren. Eine Wärmebildkamera wird z.B. im aktuellen Night-Vision System von BMW eingesetzt.

Für die Sensorsignalverarbeitung stehen drei Fern-Infrarot Sensoren zur Verfügung: Eine auf dem pyroelektrischen Sensorprinzip basierende Wärmebildkamera mit einer Auflösung von 160 x 120 px und zwei Kameras, welche einen mikrobolometrischen Sensor besitzen (320 x 240 px). Beide Kameratypen können Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich von 7 µm - 14µm detektieren.

Der Geschwindigkeitssensor dient der Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie der Erfassung der Fahrtrichtung (vorwärts oder rückwärts). Der Drehratensensor erfasst die Drehgeschwindigkeit des Sensors (Winkelgeschwindigkeit). Beide Sensoren sind für die Bestimmung der Lageänderung des Fahrzeugs verantwortlich.

Das Globale Positionsbestimmungssystem (GPS) ist ein satellitenbasiertes System zur Positionsbestimmung und Navigation. Ein GPS-System wird heute in fast jedem Fahrzeug genutzt. In der aktuellen Forschung ist das GPS einer der wichtigsten Sensoren um die Position und Eigenbewegung des Fahrzeuges zu schätzen. Mit Standard GPS-Sensoren kann eine räumliche Genauigkeit von ca. 15m erreicht werden. Für die präzise Schätzung der Eigenbewegung (des Fahrzeuges) wird das absolut messende GPS durch Daten aus Inertialsensoren ergänzt.
Eine Verbesserung der Genauigkeit von GPS-Sensoren erreicht man durch die Berücksichtigung zusätzlicher Korrekturdaten welche durch terrestrische Funksignale an den GPS-Empfänger übermittelt werden. Solche Systeme erreichen eine Genauigkeit von bis zu 0,2m und werden Differential GPS (DGPS) genannt.

Zusätzlich zu den gängigen GPS-Modulen steht ein hochpräzises DGPS zur Verfügung. Dieses DGPS liefert für die Sensordatenfusion unverzichtbare Referenzmessungen (eng: Ground Truth). Mit den hochgenauen Informationen können z.B. die Algorithmen der Signalverarbeitung (für Objektdetektion, Eigenbewegungsschätzung, usw.) überprüft und verbessert werden.
Das System liefert Positionsmessungen mit einer Genauigkeit von bis zu 0,01m.
 

Der GSM-Mobilfunkkanal (Global System for Mobile Communication) erlaubt über Mobiltelefone die Übertragung lokal an der Fahrzeugposition gemessener aktueller Daten zu einer Zentrale, die diese lokale Information mit der anderer mobiler Messsysteme verknüpft und aufbereitet wieder den Verkehrsteilnehmern zur Verfügung stellt.

Ein Inertialsensor kann dreidimensionale Bewegungen hochpräzise relativ messen. Das System erfasst Translationen und Rotationen bezüglich der drei Raumachsen. Inertialsensoren sind mechanisch oder mikromechanisch aufgebaute Systeme. Ihr Vorteil ist die hochgenaue Erfassung von Beschleunigungen relativ zum eigenen Koordinatensystem. Durch ihre Funktionsweise sind sie nicht geeignet, um über einen langen Zeitraum absolute Positionsinformationen zu liefern. Sie werden deshalb bei der Positionsschätzung des Fahrzeuges mit GPS-Sensoren kombiniert.

Das Lasermesssystem LMS 221 ist ein berührungslos arbeitendes Messsystem, das die Umgebung mit Hilfe eines Laserstrahls zweidimensional abtastet. Ausgegeben werden pro Tastzeitpunkt die Entfernung zum Objekt und der Reflektionswert des Objektes. Der Laserscanner arbeitet mit einer maximalen Scanfrequenz von 75Hz (1 Grad Auflösung) und hat eine maximale Winkelauflösung von 0,25 Grad. Die Auflösung der Entfernungswerte ist im Vergleich zu Radarsensoren sehr hoch. Das Lasermesssystem wird verwendet, um Objekte und den Straßenrand im Fahrzeugumfeld zu detektieren.

Diese Beleuchter senden Licht im nahen Infrarotbereich (~800nm) aus. Licht dieser Wellenlänge ist für Menschen nicht sichtbar. Die Beleuchter werden zur Unterstützung der Nah-Infrarot Kamera eingesetzt. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Illumination kann eine Infrarotkamera Objekte bis zu einer Entfernung von 150m erkennen. Infrarotlampen dieser Art werden u.a. im aktiven Nachtsichtsystem von Mercedes-Benz genutzt.

Für die Unterstützung unserer Forschung danken wir der Firma Automotive Lighting, die uns diese Beleuchter zur Verfügung gestellt hat.

Die Nah-Infrarot Kamera dient der Erfassung der Fahrzeugumgebung insbesondere in Situationen mit schlechter Sicht (z.B. bei Dunkelheit). Sie eignet sich dabei zur Erkennung des Straßenrandes ebenso wie für die Detektion von anderen Verkehrsteilnehmern (Fahrzeuge, Fahrradfahrer, Fußgänger). Um die Leistung der Kamera weiter zu erhöhen, können externe Infrarotbeleuchter eingesetzt werden.

Radare sind aktiv messende Sensoren. Sie senden elektromagnetische Signale im Gigahertzbereich (GHz) aus. Radarsensoren sind wichtige Systeme im Bereich der Fahrzeugumfelderkennung, da sie gleichzeitig Daten über Position und Geschwindigkeitsvektoren von mehreren Zielen liefern können. Ihre etwas geringere Meßgenauigkeit bei der Positionsbestimmung von Objekten kann durch die Fusion mit anderen Sensoren (z.B. Lidar) ausgeglichen werden. Für die Objektdetektion im Nahbereich kommen Short-Range Radare mit einer Frequenz von 24GHz und einer Reichweite von bis zu 60m zum Einsatz. Long-Range Radarsensoren arbeiten mit 77GHz Signalen und erkennen Ziele bis zu Entfernungen von 150m.

Eine Stereokamera kombiniert zwei Einzelkameras zu einem Sensorsystem, um zusätzlich zu den zweidimensionalen Bildinformationen auch Daten über die dritte Dimension (Entfernung) generieren zu können. Eine Stereokamera arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der Sehapparat des Menschen. Die Verknüpfung von zwei Bildsensoren ermöglicht die Berechnung von Tiefeninformationen zu jedem Bildpunkt. Dies ist ein Vorteil gegenüber einzelnen Kameras, die keine Entfernungsinformationen zu den Objekten im Blickfeld der Kamera liefern können. Die Stereokamera arbeitet passiv und generiert die Entfernungsinformationen aus der algorithmischen Verknüpfung der zwei Einzelbilder.

In den letzten Jahren nahm die Ausstattung der Verkehrswege mit Sensorik beständig zu. Doch eine flächendeckende Erfassung des Verkehrszustandes ist so nur schwer zu erreichen. Deshalb werden Fahrzeuge mit verschiedenster Sensorik ausgestattet, die den aktuellen Verkehrszustand (z.B. Stau) oder wie in diesem Falle den aktuellen Zustand der Fahrbahn (trocken, Wasser, Eis) erfassen. Der Straßenzustandssensor ist ein aktiver Sensor, der mit Hilfe elektromagnetischer Impulse und einer Signalauswertung den wetterabhängigen Zustand der Straße detektieren kann.