Neues Design für KI-gestützte Radarsysteme macht autonomes Fahren sicherer – und billiger

Dank der Radarexpertise des Fraunhofer IZM wird die Sensorik für autonome Fahrzeuge künftig nicht nur günstiger, sondern auch leistungsfähiger. Gemeinsam mit Industriepartnern haben die Forscherinnen und Forscher ein Radarsystem mit einer Trennschärfe von unter einem Grad und einem Erfassungswinkel von 180° entwickelt. Der Vorteil: Am Fahrzeug muss nur noch weniger als die Hälfte der Radarsensoren verbaut werden. Möglich wurde dies durch eine Kombination aus neuen Elektronik- und Gehäuselösungen in Verbindung mit dem Einsatz von künstlicher Intelligenz bei der Auswertung der Radarsignale.

Ziel eingeben, anschnallen und zurücklehnen, während das Fahrzeug autonom durch die Straßen gleitet: Fortschritte in Technik und Gesetzgebung versprechen in Zukunft autonome Mobilität auf Europas Straßen. Während sich das autonome Fahren in den letzten Jahren nur langsam durchsetzte, deuten Prognos-Analysen auf eine Trendwende hin: Ab 2030 soll die Zahl der Neufahrzeuge mit mindestens einer Pilotfunktion für Autobahnen und Landstraßen deutlich steigen1. Bis dahin müssen Expert*innen aus Forschung und Industrie die Erkennungssicherheit automatisierter Fahrzeuge verbessern. Die integrierten Sensorsysteme müssen die Umgebung zuverlässig erfassen, so dass 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.

Mehr Sicherheit durch genauere Messung

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat daher zusammen mit der InnoSenT GmbH, der KSG GmbH, der Creonic GmbH und der Universität Bielefeld im Projekt KI-Radar ein Sensorsystem mit einer Trennschärfe von unter 1° bei einem Erfassungswinkel von 180° entwickelt. Bisherige Radarsensoren erreichen 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 gemacht. Um den Erfassungsbereich des Radars auf die bisher nicht möglichen 180° auszudehnen, bauten die Forscherinnen und Forscher dreidimensionale Antennenstrukturen auf. Die Herausforderung 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.“

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 Forschenden auch den zweiten Funktionsdemonstrator unter realen Bedingungen. Auf einem Fahrzeug montiert, erkannte er zuverlässig Hindernisse auf der Fahrbahn.

Höhere Auflösung bei geringeren Kosten

Durch den größeren Erfassungsbereich der neuen Radarsensoren müssen statt der bisher üblichen ca. 16 Radarsensoren pro Fahrzeug nur noch sechs Sensoren verbaut werden, um eine 360°-Erfassung mit der geforderten Sicherheit zu erreichen. Dadurch reduzieren sich die Herstellungskosten der Radarsysteme 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 Millionen 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.

Foto: © Fraunhofer IZM | Volker Mai