Kameratechnik für ADAS Anforderungen an Kameras für sichere Fahrerassistenzsysteme

Anbieter zum Thema

VIA Optronics Holding AG

SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Ob autonomes Fahren oder erweiterte Fahrerassistenzsysteme: Moderne Kameratechnik ermöglicht sicheres Fahren. Welche technischen Anforderungen an Kameras gestellt werden.

Kameras im Auto spielen eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung von Sicherheit, Funktionalität und Komfort im Fahrzeug. Je mehr ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) und Displays im Fahrzeug verbaut werden, desto wichtiger wird die darin integrierte Kameratechnik. Hinzu kommt, dass gesetzliche Regelungen die wachsende Bedeutung begünstigen: So schreibt die EU ab Mitte 2022 verschiedene Fahrerassistenzsysteme wie Rückfahrkameras in Neufahrzeugen vor. Damit zieht sie mit den USA gleich, wo dies bereits seit 2018 der Fall ist. Kameras im Auto spielen also eine immer größere Rolle.

Standard-Kamerasysteme finden sich im Außeneinsatz im vorderen und hinteren Sichtbereich, bei der 360°-Umfeld- sowie bei der Toter-Winkel-Erfassung wieder und übernehmen vielfältige Arbeiten wie Spurhaltefunktion, Notbremsassistenz oder Verkehrszeichenerkennung. Innen dienen sie als Spiegelersatz, Cluster (Tacho), in der Navigation, in Fahrer- und Passagierkontroll- sowie Entertainmentsystemen.

Der Vorteil von Kamera-Systemen im Fahrzeug

Je nach Bauart des Fahrzeugs kann die Sicht nach vorne eingeschränkt sein, so dass Frontkameras beim Rangieren, beim Erkennen von Hindernissen und beim Einparken helfen. Rückfahrkameras erfassen einen größeren Bereich hinter dem Fahrzeug – vor allem, wenn sie mit einer Weitwinkellinse ausgestattet sind – als herkömmliche Rückspiegel und minimieren so das Risiko, beim Rückwärtsfahren an unübersichtlichen Stellen Personen oder Gegenstände zu berühren. Surround-View-Kameras verarbeiten die Bilder mehrerer Kameras, die rund um das Fahrzeug angebracht sind, um eine vollständige 360-Grad-Ansicht von oben zu liefern.

Zunehmend kommen auch digitale Außenspiegel zum Einsatz, vor allem bei Elektrofahrzeugen und Modellen der Oberklasse. Ein stark reduzierter toter Winkel und ein größeres Sichtfeld erhöhen die Sicherheit in Situationen wie Spurwechsel oder Wendemanövern. Je nach Einsatzgebiet werden Kameras mit unterschiedlich großen Sichtfeldern angeboten – von nah über weit bis ultraweit. Der Wegfall von Spiegeln reduziert den Luftwiderstand und den Energieverbrauch - ein Aspekt, der zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Anforderungen an die verbauten Kameras

Da die generierten Informationen nicht selten sicherheitsrelevant sind, werden entsprechend hohe Anforderungen an die Kameratechnik und deren Funktionalität gestellt. Um präzise Informationen für ADAS zu liefern, müssen Kameras eine hohe Auflösung, einen hohen Kontrast und eine hohe Lichtempfindlichkeit aufweisen. Für die Integration müssen sie zudem möglichst kompakt und – was besonders in Elektrofahrzeugen zum Tragen kommt – möglichst leicht sein. Ein weiter Betriebstemperaturbereich von -40 bis 85 °C gehört ebenfalls zu den Anforderungen. Auch bei Temperaturschwankungen muss eine gute Bildqualität erhalten bleiben.

Optisch spielen bei der Feinabstimmung die Beleuchtungsstärke, die Balance zwischen menschlichem und maschinellem Sehen und die Korrektur von chromatischen Aberrationen ebenso eine Rolle wie die optimale Wellenlänge, die Maximierung des Sichtfeldes durch Verzerrungskontrolle, ein gleichmäßiges Bild ohne Beleuchtungsabfall über das gesamte Sichtfeld sowie eine möglichst geringe Abweichung des Hauptstrahlwinkels zwischen Objektiv und Sensor. Nimmt die Kamera Reflexionen aus der Umgebung auf, führt dies häufig zu unscharfen oder verschobenen Bildern, so genannten Geisterbildern. Die eingesetzte Technik sollte daher in der Lage sein, diese so weit wie möglich zu reduzieren.

Komplexe Hard- und Software in den Kameras

In den kleinen Kameras verbirgt sich mittlerweile enorm viel Performance. Aufgrund der vielen Aufgaben und der wachsenden Vernetzung im Auto sind in den Kameras komplexe Hardware und Software verbaut. So können unterschiedliche Sensoren zum Einsatz kommen. Beispielsweise CCD (Charge-Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), welche verschiedene Eigenschaften in Bezug auf Bildqualität, Geschwindigkeit und Energieverbrauch haben.

Robuste Gehäuse schützen die Kamera vor allem im Außeneinsatz vor Umwelteinflüssen und mechanischen Schäden. Darüber hinaus gibt es verschiedene Integrationsmöglichkeiten wie Snap-in-Mechanik oder vollständigen Einbau. Auch die Aufgaben der Software sind vielfältig: Bildverarbeitungssoftware ist für Funktionen wie Gesichtserkennung, Umgebungs- und Bewegungserfassung sowie Bildanalyse- und -verbesserung verantwortlich. Steuerungssoftware kontrolliert Features wie Belichtung, Kontrast und Fokus – meist über ein HMI. Speichersoftware ist für die Übertragung der Daten in die Cloud und Speicherung der Bilder zuständig. Durch die vielen Datenverarbeitungsprozesse und die umfangreich verbaute Elektronik im Auto steigt der Strombedarf. Kameras sollten deshalb darauf ausgelegt sein, möglichst energieeffizient zu arbeiten.

Die E-Mobilität und worauf es bei Kameras in Fahrzeugen ankommt

Wie andere Fahrzeugkomponenten unterliegen auch Kameras aufgrund ihrer hohen funktionalen Anforderungen den strengen Automotive-Grade-Anforderungen. Sie müssen umfangreiche Tests und Qualifizierungsprozesse durchlaufen, um sicherzustellen, dass sie den extremen Bedingungen im Automobilbereich standhalten. Zu den geforderten Eigenschaften – entsprechend beispielsweise der Schutzklasse IP69K – zählen Robustheit und Langlebigkeit, Vibrations- und Schockfestigkeit, Wasser- und Staubdichtigkeit, EMV-Konformität sowie hohe Temperaturbeständigkeit.

Mit dem Aufkommen der Elektromobilität sind neben den üblichen Kriterien zusätzliche Anforderungen wie hohe Spannungsfestigkeit, Energieeffizienz, effektive Entwärmung, Kurzschlussschutz und Isolationsfestigkeit in den Fokus gerückt, um den spezifischen Herausforderungen dieser Fahrzeuge gerecht zu werden. Um die erforderliche Robustheit zu erreichen, wird bei der Beschichtung von Kameras – ähnlich wie bei Motorenteilen – häufig das E-Coating-Verfahren eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird mittels Gleichstrom eine Schutzschicht auf metallische Untergründe aufgebracht. Dabei haften die Lackpartikel gleichmäßig auf der Oberfläche und härten im Ofen zu einer widerstandsfähigen und attraktiven Oberfläche aus. Das Verfahren ist vor allem für Branchen wie die Automobilindustrie unverzichtbar und garantiert hochwertige, robuste und gleichmäßige Oberflächen. Das Ergebnis ist auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit, was bei feuchter oder salzhaltiger Luft nicht unerheblich ist.

Kameras für die Automobilindustrie validieren

Angesichts der langen Liste von Anforderungen ist die Validierung von Kameras für die Automobilindustrie ein komplexer Prozess, der zahlreiche Tests wie Hardware-in-the-Loop-Simulation, End-of-Line-Tests für die korrekte Kalibrierung und Sicherheitstests für die Failsafe-Funktionalität umfasst. Darüber hinaus wird das Verhalten bei Hitze, Schock, chemischer Einwirkung, Sonneneinstrahlung oder Streulicht streng geprüft. Schließlich müssen sich die Kameras möglichst einfach in die Anwendung integrieren lassen.

Standard-Kameratechnik bietet einige Vorteile, wie beispielsweise einen geringen Handhabungsaufwand. Zubehör, wie eine Auswahl an Objektiven und Sensoren von der Stange, ermöglicht eine schnelle Markteinführung und Implementierung und reduziert den Schnittstellen- und Validierungsbedarf und damit die Gesamtherstellungskosten. Interaktive Anzeigesysteme bieten eine durchgängige und umfassende Funktionalität und kombinieren Displays, Kameratechnik und zentrale Steuerelemente zu einer homogenen Gesamtlösung.

Kameratypen mit unterschiedlichen optischen Anforderungen

Der Automobilmarkt befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel – und die Entwicklung geht rasant weiter. Zuverlässige und effiziente Kameratechnik ist in diesem dynamischen Umfeld von entscheidender Bedeutung. Als etablierter Spezialist bietet VIA optronics verschiedene Kameratypen an, deren optisches Design leicht an unterschiedliche optische Anforderungen und andere spezifische Bedürfnisse angepasst werden kann – mit unterschiedlichen Sichtfeldern und kombinierbar mit verschiedenen Sensoren und Objektiven.

Die Systeme sind auf hohe und stabile Bildqualität sowie gute Lesbarkeit bei wechselnden Lichtverhältnissen optimiert und erfüllen alle wesentlichen Anforderungen an fortschrittliche Technologie. Bei der Designmethodik und der Auswahl der Schlüsselkomponenten wird großer Wert auf die funktionalen Sicherheitsstandards gemäß ISO 26262 gelegt. Langjährige praktische Erfahrung im mechanischen, elektrischen und optischen Design und ein Netzwerk erfahrener Partner ermöglichen leistungsfähige, zuverlässige und schnell marktreife Anwendungen. (heh)

Mehr Fahrkomfort und Sicherheit

Wie Spezialkameras und Sensoren im Fahrzeug unterstützen

Touch-Sensorik im Überblick

Touch-Eingabe: Von PCAP bis Metal-Mesh mit Kupfer

* Alexandra Müller-Plötz ist Global Director Marketing bei VIA optronics.

(ID:50220301)