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Sensorik: Das sensible Auto

Sensoren im Auto arbeiten im Hintergrund und unterstützen den Fahrer. Ob intelligente Auslösung des Airbags, Warnung vor dem Einnicken oder Messung des Reifendrucks - ihre Zahl wird in den nächsten Jahren deutlich zunehmen.


Heute ist nahezu jedes neue Auto mit mehreren Airbags und einem Antiblockiersystem (ABS) ausgestattet. Die Sicherheit hat einen Standard erreicht, der weltweit pro Jahr zehntausenden Menschen das Leben rettet. Und doch kamen 2001 auf deutschen Straßen fast 7000 Personen ums Leben; rund 2,36 Millionen Unfälle musste die Polizei aufnehmen. In anderen Ländern sieht die Bilanz noch trauriger aus.

Deshalb sollen künftig Sensoren noch mehr Informationen liefern: über die Verkehrslage, die Umweltbedingungen und die Situation im Inneren des Fahrzeugs. Bosch, weltweit der zweitgrößte Automobilzulieferer, propagiert das "sensitive Fahrzeug". In diesem Szenario spielen Messfühler eine Schlüsselrolle, die mechanische und optische Signale in kürzester Zeit erfassen und verarbeiten; das Auto bekommt mittels Ultraschall, Video, Infrarot und Radar elektronische Augen und eine Art Tastsinn. Bei einem Unfall soll dann das Sicherheitssystem blitzschnell reagieren.

Die neue E-Klasse von Mercedes-Benz gibt einen Vorgeschmack auf die Technik, die in den nächsten Jahren in Serie geht. In den Limousinen sind zwei Beschleunigungssensoren am Kühlerquerträger angebracht, die einen Aufprall einstufen helfen. Eine Elektronik strafft die Gurte, die die Insassen in eine optimale Sitzposition ziehen und Sekundenbruchteile später wieder nachgeben, damit der Oberkörper in den Airbag eintauchen kann. Dieser wird je nach Unfallschwere in Stufen gezündet. Zusätzlich misst eine Folie unter dem Sitz das Gewicht des Beifahrers. Damit wird sichergestellt, dass der Airbag eine zierliche Frau nicht mit derselben Wucht trifft wie einen 100-Kilo-Mann.

Beim Blick ins Innere des Fahrzeugs gehen Forscher des Unternehmens Siemens noch einen Schritt weiter: "Wir entwickeln ein dreidimensional messendes Kamerasystem, das die Sitzposition des Beifahrers erfasst", verspricht Dirk Zittlau von der Automobiltechniksparte Siemens VDO in Regensburg. Hintergrund sind Todesfälle, bei denen der eigentlich lebensrettende Airbag die Ursache war, weil sich der Kopf der Person im Moment der Zündung zu nahe am Armaturenbrett befand. In den USA, wo keine Gurtpflicht besteht, sind von 1996 bis 2000 fast 200 Menschen tödlich vom Airbag verletzt worden; mehr als die Hälfte von ihnen waren Kinder. Ende 2004 soll ein erstes System in Serie gehen, das die Auslösung des Airbags von der Sitzposition abhängig macht und das auch Kinder als Beifahrer erkennt.

Noch in der Vorentwicklung ist eine dreidimensionale CMOS-Kamera (Complementary Metal Oxide Semiconductor), eine Erfindung des Siemens-Forschungszentrums in München. Das System funktioniert mit einem Lichtblitz im nicht sichtbaren Bereich des Spektrums und einem Sensor mit ultraschnellem elektronischem Verschluss. Aus der Zeit, die das Licht zur Person und zurück zum Sensor benötigt, wird die Position des Beifahrers errechnet. Die Messung und die Verarbeitung der Information ist Dutzende Male in der Sekunde möglich – ausreichend oft, um die Reaktion des Airbagsystems rechtzeitig auf die Insassensituation anzupassen.

Alles unter Kontrolle

Von ihrem Funktionsprinzip her hat die CMOS-Technik gegenüber dem heutigen CCD-Verfahren mehrere Vorteile. Beide beruhen auf Halbleitern, die einen dem Lichteinfall proportionalen Strom erzeugen. Bei der CMOS-Technik werden die Pixel aber einzeln und nicht reihenweise ausgelesen, was Bildfehler vermeidet. Direkt auf dem Chip können zusätzliche elektronische Funktionen untergebracht werden, was eine kompakte Bauweise ermöglicht und den Stromverbrauch senkt. Zudem sind CMOS-Chips billiger herzustellen. Die Siemens-Wissenschaftler wollen bis Herbst einen dreidimensional abbildenden CMOS-Sensor mit integrierter Elektronik und 32 mal 32 Pixel entwickeln.

Wenn Autos mit 3D-Kameras ausgestattet sind, die Informationen über Position und Größe der Insassen liefern, können diese auch für den Komfort verwendet werden. So ließen sich etwa Sitze, Außenspiegel oder Luftströme aus der Klimaanlage automatisch anpassen. Bereits mit heutigen Kameras ist ein System möglich, das den Fahrer vor dem Einschlafen warnt. Generell gilt, je schläfriger der Fahrer, desto häufiger blinzelt er und desto länger dauern die Lidschläge. Theoretisch sollte es kein Problem sein, den Fahrer auf Basis solcher Messdaten zu warnen. Denkbar wäre ein akustisches Signal, die Abkühlung des Fußraums, oder auch nur eine Warnung in der Anzeige des Armaturenbretts. Siemens VDO hat im Rahmen eines französischen Forschungsprojektes ein Testfahrzeug mit einem Einschlafwarner ausgestattet. So wünschenswert solch ein System beispielsweise bei übermüdeten Lkw-Lenkern wäre, so problematisch sehen Autohersteller die Anwendung in der Praxis: Müde Fahrer könnten sich zu sehr auf die Technik verlassen und über ihre Grenzen hinausgehen.

Elektronische Knautschzone

Fahrer und Fahrgäste zu beobachten ist eine Aufgabe der Sicherheitssysteme; die so genannte Pre-Crash-Sensorik erfasst zudem die unmittelbare Umgebung des Autos. Noch vor einem Unfall soll sich das Fahrzeug optimal auf den zu erwartenden Aufprall einstellen und so Energie abpuffern, es gewinnt sozusagen eine elektronische Knautschzone. Dies könnten Radar- oder Videosensoren ermöglichen, die die Umgebung des Fahrzeugs abtasten und Alarm schlagen, wenn sich Objekte auf Kollisionskurs nähern. Bosch und Siemens entwickeln derartige virtuelle Sicherheitsgürtel – ab 2003 sollen sie auf dem Markt sein.

Die zusätzlichen Sensoren können dem Sicherheitssystem entscheidende Sekundenbruchteile Zeitvorsprung verschaffen. "Das ist vor allem bei Unfällen mit hoher Geschwindigkeit bedeutend. Es bringt mehr Informationen für die Entscheidung, wie Airbag und Gurtstraffer reagieren sollen", sagt Norbert Eisenreich vom Fraunhofer Institut für Chemische Technologie bei Karlsruhe. Auch die Sitze könnten so noch vor dem Zusammenstoß in eine günstige Position bewegt werden. Patricia Piekenbrock von DaimlerChrysler sieht noch weitere Vorteile: "Wenn ein Unfall doch nicht stattfindet, sind die Maßnahmen reversibel, im Gegensatz zu einem Airbag, der ersetzt werden muss, wenn er einmal gezündet wurde." Das System wird schließlich auch so eingestellt, dass sich die Airbags erst bei einem wirklichen Unfall entfalten.

Die Pre-Crash-Sensorik dürfte sogar für Fußgänger wichtig werden. In der EU-Kommission gibt es derzeit Überlegungen für gesetzliche Regelungen, wie die Fahrzeughersteller den Schutz der schwächsten Verkehrsteilnehmer verbessern könnten. Knapp 40000 Fußgänger kommen pro Jahr in Deutschland zu Schaden; 2001 starben etwa 900. Von ihnen könnten einige noch leben, wären Motorhauben anders konstruiert. Da zum darunter liegenden Motorblock kaum Abstand ist, wird ein aufprallender Kopf schwer verletzt. Siemens arbeitet daher an einer aktiven Motorhaube, die bei einem Unfall um etwa zehn Zentimeter angehoben wird.

Damit es erst gar nicht zu einer unfallträchtigen Situation kommt, entwickeln Hersteller wie DaimlerChrysler eine Sehhilfe für die Nacht oder bei Regen. Infrarot-Scheinwerfer sollen die normale Sichtweite im Abblendlicht von rund 40 Meter auf 150 Meter steigern. Das unsichtbare Infrarotlicht wird von einer Kamera aufgenommen und auf einem Monitor oder der Windschutzscheibe sichtbar gemacht. Rund 40 Prozent aller schweren Autounfälle passieren bei Dunkelheit – obwohl Nachtfahrten weniger als 20 Prozent der gesamten Fahrleistung ausmachen. Das wundert Uwe Kraffel, den Vorsitzenden des Berufsverbandes der Augenärzte nicht, denn "bis zehn Prozent der Bevölkerung können nachts nur eingeschränkt sehen, setzen sich aber dennoch ans Steuer".

Der freien Sicht dienen auch Regensensoren, die heute noch als Option angeboten werden, bald aber zur Serienausstattung gehören sollen. Nach einer Studie der Unternehmensberatung Roland Berger dürfte bis 2005 jedes zweite Neufahrzeug darüber verfügen. Der Sensor misst die Reflexion eines Lichtstrahls auf der Windschutzscheibe, die je nach Wassermenge ein Maß für die Einstellung des Scheibenwischers liefert. "Das System reagiert bei Spritzwasser von einem Lkw schneller als der Fahrer", erklärt Thomas Schuler von Valeo, einem der Hersteller.

Hoher Aufwand – hoher Preis

Schließlich überwachen Sensoren auch den Funktionszustand des Fahrzeugs und seine Fahrtauglichkeit selbst. Einsatzreif ist beispielsweise ein Reifensensor von Siemens, der frühzeitig vor einem Druckverlust warnt. Das Bauteil ist an der Felge befestigt und sehr robust: Es hält Erschütterungen stand und ist bei einer Geschwindigkeit von 250 Kilometern pro Stunde der 1000fachen Erdbeschleunigung ausgesetzt. Ab 2005 soll es Sensoren geben, die im Reifen sitzen.

Klaus Gresser, bei BMW zuständig für dieses Fachgebiet, warnt: "Da es immer wieder Situationen gibt, in denen einzelne Messfühler den Zustand nicht ausreichend korrekt abbilden, müssen die Daten unterschiedlicher Sensoren sorgfältig abgeglichen werden. Und bei Systemen, die aktiv in das Fahrgeschehen eingreifen, müssen die Detektoren ziel-sicher entscheiden können." BMW werde daher immer auf Systeme setzen, die der Fahrer mit seiner Reaktion steuern könne. VW-Sprecher Harthmut Hoffmann verweist auf einen weiteren heiklen Punkt: Insassenüberwachung mit High Tech sei nicht zuletzt auch eine Frage des Preises. "Der Hersteller muss sich immer überlegen, ob der Kunde bereit ist, den hohen Aufwand zu bezahlen."

Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 2002, Seite 85
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
5 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 5 / 2002

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