Radar für autonome Fahrzeuge Weniger Radarsensoren: KI-Algorithmen erhöhen die Winkelauflösung

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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Forscher haben ein Radarsystem entwickelt, das eine Trennschärfe von weniger als einem Grad und einen Erfassungsbereich von 180° bietet. Damit ist nur noch die Hälfte der bisher eingesetzten Radarsensoren nötig. Neben der Elektronik haben dabei auch KI-Algorithmen geholfen.

Nachdem sich das autonome Fahren in den letzten Jahren nur langsam durchgesetzt hat, deuten Analysen von Prognos auf eine Trendwende hin: Ab 2030 soll die Zahl der Neufahrzeuge mit mindestens einer Pilotfunktion auf Autobahnen und Landstraßen deutlich steigen [1]. Bis dahin müssen Experten aus Forschung und Industrie die Erkennungssicherheit automatisierter Fahrzeuge verbessern.

Die integrierten Sensorsysteme müssen ihre Umgebung zuverlässig erfassen, damit das System auch kleine Objekte in einem Radius von mindestens 100 Metern um das Fahrzeug erkennen und mit größtmöglicher Sicherheit zwischen Menschen, Tieren und Gegenständen unterscheiden kann.

Radar mit Trennschärfe von 1 Grad

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat zusammen mit InnoSenT, der KSG, Creonic und der Universität Bielefeld im Projekt KI-Radar ein Sensorsystem mit einer Trennschärfe von unter 1° bei einem Erfassungswinkel von 180° entwickelt. Im Vergleich dazu erreichen bisherige Radarsensoren lediglich 2° bei einem Erfassungswinkel von 90°, so dass mit dem nun entwickelten Radarsystem die sogenannte Winkelauflösung und der Erfassungsbereich verdoppelt werden konnten. Damit können auch Objekte, die sich in einem Abstand von mehr als einem Grad zueinander befinden, eindeutig voneinander getrennt detektiert werden.

Darüber hinaus sollen die neuen Systeme einen Winkelbereich von idealerweise etwa 90° in der Horizontalen abdecken. Damit werden die Grenzen heutiger Radarsysteme überwunden und ein großer Schritt in Richtung sicheres autonomes Fahren getan. Um den Erfassungsbereich des Radars auf die bisher nicht möglichen 180° auszudehnen, bauten die Forscher dreidimensionale Antennenstrukturen auf.

Problem dabei: Bei einem größeren Erfassungsbereich leidet die Detailwahrnehmung der Sensoren. Damit die Radargeräte trotz des größeren Blickwinkels eine hohe Winkelauflösung bieten, mussten sich die Forschenden etwas einfallen lassen. Dr. Christian Tschoban, Projektverantwortlicher und Gruppenleiter am Fraunhofer IZM, erklärt die Idee: „Geholfen haben uns KI-Algorithmen: Mit ihnen konnten wir die Messwerte einzelner Radarsensoren koppeln und so die Winkelauflösung entscheidend erhöhen.“

Demonstrator mit 3D-Antennen und künstlicher Intelligenz

Nach der Fertigung der Einzelkomponenten durch die Projektteilnehmer wurden zwei Demonstratoren aufgebaut und evaluiert. Der Technologiedemonstrator mit 3D-Antennen und integrierter KI konnte seine Leistungsfähigkeit in ersten Tests bereits unter Beweis stellen: Mit einer Winkelseparation von weniger als einem Grad weist er eine sehr hohe Detektionssicherheit auf. Kurz vor Projektende testeten die Forscher außerdem den zweiten Funktionsdemonstrator unter realen Bedingungen. Auf einem Fahrzeug montiert, erkannte er zuverlässig Hindernisse auf der Fahrbahn.

Durch den größeren Erfassungsbereich der neuen Radarsensoren müssen statt der bisher üblichen rund 16 Radarsensoren pro Fahrzeug nur noch sechs Sensoren verbaut werden, um 360° zu erfassen und damit die geforderte Sicherheit zu erreichen. Die Herstellungskosten der Radarsysteme sinken auf weniger als die Hälfte.

Das Projekt KI-Radar ist ein Verbundprojekt unter der Koordination der InnoSenT GmbH zusammen mit der KSG GmbH, der Creonic GmbH sowie der Universität Bielefeld und wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 16ES1018 mit 2,32 Mio. Euro gefördert. Das Team des Fraunhofer IZM war innerhalb des Konsortiums für die Entwicklung des 79-GHz-Radar-Frontends inklusive der Kommunikationsschnittstelle sowie der dreidimensionalen Antenne verantwortlich. Darüber hinaus haben die Forscherinnen und Forscher das gesamte Modul durch den Einsatz von Einbettungstechnologien miniaturisiert und damit die Integrationsfähigkeit des Radars in das Fahrzeug erhöht. Eine Besonderheit des Projekts ist, dass Hard- und Software von Anfang an als Einheit konzipiert wurden. Nur so war es möglich, die Leistungsfähigkeit zu steigern und gleichzeitig Kosten und Bauvolumen zu reduzieren.

Referenz

[1] Prognos: Einführung von Automatisierungsfunktionen in der Pkw-Flotte (PDF).

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