Die Rolle und Lösungen von Gyroskopen und Beschleunigungssensoren in ADAS

ADAS hat sich über Jahre hinweg entwickelt. In seinen frühen Stadien (um 2000) konzentrierte es sich hauptsächlich auf einzelne funktionale Unterstützungssysteme wie ABS (Anti-lock Braking System), ESC (Electronic Stability Control) und Tempomat. Sensoren basierten größtenteils auf Radar und boten grundlegende Kollisionsvermeidung und Abstandsregelung. Um 2010 trat es in eine Phase der funktionalen Erweiterung ein und führte Kameras, Millimeterwellenradar und Ultraschallsensoren ein, um Systeme wie Spurverlassenswarnung (Lane Departure Warning, LDW), Toter-Winkel-Erkennung (Blind Spot Detection, BSD) und Automatisches Notbremssystem (Automatic Emergency Braking, AEB) zu implementieren. Systeme entwickelten sich schrittweise von Einzelfunktionen zu Mehrfunktionsintegrationen.   Um 2020 bewegte sich ADAS in ein intelligentes und Fusionsstadium mit Multi-Sensor-Fusion. Zum Beispiel ermöglichte die Kombination von Radar, Kameras und Ultraschall sowie die Einführung von AI-Algorithmen halbautonome Fahrfunktionen wie autonomes Fahren der Stufe 2 (Highway Auto Cruise, Spurhalteassistenz). In der Zukunft wird der Übergang zu fortschrittlicher Unterstützung und autonomem Fahren erfolgen, mit Entwicklungen in Richtung autonomem Fahren der Stufen 3 und höher, was hochpräzise Karten, V2X (Vehicle-to-Everything) und leistungsstärkere Automotive-AI-Chips erfordert. Die Systemarchitektur tendiert zur Zentralisierung (zentrale ECU / Domänencontroller), um mehr Sensoren und Algorithmen zu unterstützen.   Die ADAS-Systemarchitektur kann im Allgemeinen in drei Hauptteile unterteilt werden: die Erfassungsebene, die Entscheidungsebene und die Handlungs- bzw. Ausführungsebene. Die Erfassungsebene umfasst Sensoren wie Kameras (Frontansicht / Rundumsicht / Innenraum), Millimeterwellenradar (Kurzdistanz / Mittelstrecke / Langdistanz), Ultraschallsensoren und LiDAR (für fortschrittliches ADAS oder autonomes Fahren der Stufe L3+). Ihre Funktion liegt in der Umfelderfassung (Objekterkennung, Spurerkennung, Fußgängeridentifikation, Hinderniserkennung).   Die Entscheidungsebene umfasst die zentrale Steuereinheit (ECU / Domänencontroller), die Algorithmen zur Sensorfusion, AI-/Deep-Learning-Modelle (zur Erkennung von Fußgängern, Fahrzeugen und Straßenschildern), Pfadplanung und Entscheidungslogik abdeckt. Funktional wird sie verwendet, um Fahrerassistenz- oder autonome Fahrentscheidungen zu treffen.   Die Handlungs- bzw. Ausführungsebene umfasst Fahrzeugsteuerungseinheiten wie Bremssysteme (ABS/ESC/AEB), Lenksysteme (Elektrische Servolenkung EPS, Spurhaltung) und Antriebssysteme (Drosselklappensteuerung, intelligenter Tempomat). Funktional wird sie zur tatsächlichen Ausführung von Steuerbefehlen verwendet, um die Fahrdynamik und Sicherheit zu gewährleisten.   Die Entwicklung von ADAS hat sich schrittweise von Einzelfunktionsunterstützung zu Multi-Sensor-Fusion und AI-gesteuerter intelligenter Architektur entwickelt und bewegt sich letztlich in Richtung autonomem Fahren der Stufe 3 und höher. Die Systemarchitektur umfasst die drei Hauptebenen Erfassung, Entscheidung und Handlung, wobei der Kern in der Anwendung von Multi-Sensor-Fusion und leistungsstarken Rechnerplattformen liegt.

Die Rolle von Gyroskopen und Beschleunigungssensoren in ADAS-Anwendungen

Das Gyroskop und der Beschleunigungssensor sind wichtige Komponenten in ADAS-Anwendungen. Der Beschleunigungssensor misst die Beschleunigung des Fahrzeugs in den X-, Y- und Z-Achsen, wodurch Geschwindigkeitsänderungen und die Aufprallkraft im Moment eines Zusammenstoßes berechnet werden können. Das Gyroskop misst die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs (Gieren, Nicken, Rollen) und erfasst so den Lenkwinkel, Haltungsänderungen sowie die Quer- und Längsdynamik. Beide werden oft in Form eines IMU integriert, um hochpräzise Informationen zur Fahrzeugdynamik bereitzustellen.   In ADAS werden Gyroskope und Beschleunigungssensoren häufig in der Fahrzeugdynamikregelung (VDC) eingesetzt. Der Beschleunigungssensor überwacht die Querbeschleunigung, erkennt Schleudern oder Traktionsverlust, während das Gyroskop die Giergeschwindigkeit misst und somit Über- oder Untersteuern beurteilt. Sie können mit dem Elektronischen Stabilitätsprogramm (ESC) integriert werden, um automatisch Bremsen und Motorleistung anzupassen und so einen Kontrollverlust zu verhindern.   In Anwendungen wie Automatisches Notbremsen (AEB) und Kollisionsdetektion kann der Beschleunigungssensor einen Aufprall im Moment der Kollision präzise erkennen und schnell Airbags auslösen. In Kombination mit Radar-/Kameradaten kann er vor einer Kollision vorausschauend bremsen.   In Anwendungen von Spurhalteassistenten (LKA/LKS) und Spurverlassenswarnsystemen (LDW) überwacht das Gyroskop die Richtungsstabilität des Fahrzeugs und hilft dabei festzustellen, ob das Fahrzeug aufgrund von Fahrereingaben oder externen Kräften aus der Spur driftet. In Verbindung mit der Fahrspurerkennung der Kamera kann es genauer bestimmen, ob das Fahrzeug von der Spur abweicht.   In Anwendungen wie Adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC) und autonomer Fahrnavigation liefert der Beschleunigungssensor Echtzeitdaten zur Fahrzeugbeschleunigung und -verzögerung und verbessert die Regelmäßigkeit der Geschwindigkeitsregelung. Das Gyroskop kann mit GPS zusammenarbeiten, um hochpräzises Positionieren und Haltungsanpassungen zu ermöglichen, wodurch Driftfehler vermieden werden, die allein bei GPS auftreten können.   In Anwendungen zur Einparkhilfe und zum autonomen Fahren bei niedriger Geschwindigkeit bietet das IMU (Beschleunigung + Gyroskop) relative Positions- und Haltungsinformationen in Umgebungen mit geringer Geschwindigkeit oder schwachem GPS-Signal (z. B. Tiefgaragen) und unterstützt das Fahrzeug bei der Durchführung von Parkmanövern.   Innerhalb der ADAS-Architektur sind Gyroskope und Beschleunigungssensoren wesentliche grundlegende Sensoren, die zur Perzeptionsschicht gehören. Sie ergänzen Kameras, Millimeterwellenradar und LiDAR, indem sie Informationen über den “eigenen Zustand des Fahrzeugs” und nicht über die Umgebung liefern. Nach der Fusion durch Algorithmen in der Entscheidungsschicht (ECU / Domänencontroller) geben sie Fahrzeugdynamikparameter aus, die die Brems-, Lenk- oder Beschleunigungssteuerung der Aktionsschicht weiter antreiben.   Gyroskope und Beschleunigungssensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der “Fahrdynamikerkennung” in ADAS. Sie stellen Echtzeitinformationen über Fahrzeughaltung, Beschleunigung und Giergeschwindigkeit bereit und unterstützen Kernfunktionen wie Fahrzeugstabilitätskontrolle, Kollisionsdetektion, Spurhaltung, automatisches Fahren und präzises Positionieren. Besonders in Szenarien, die nicht vollständig durch Kameras und Radar abgedeckt sind, bieten sie essenzielle Redundanz und Sicherheitsgarantien.

IMU-Module tragen zu hochpräzisen Messdaten für ADAS bei

Es gibt mehrere Stufen der Funktionalität für autonomes Fahren, aber alle erfordern hochpräzise Sensorik und Algorithmen, um die gewonnenen Daten auf integrierte Weise zu verarbeiten. Bei der Entwicklung von Produkten für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und autonome Fahrsysteme führt Murata Fahrtests mit einem Testfahrzeug durch, das mit einem intern entwickelten IMU-Modul ausgestattet ist. Die gewonnenen Daten werden verwendet, um die Sicherheit in verschiedenen voraussichtlichen Anwendungsfällen zu bewerten und zu verifizieren. Durch sein Produktportfolio, das kostengünstige und präzise Messung ermöglicht, trägt Murata zur entscheidenden Verbesserung der Genauigkeit von Messdaten für das autonome Fahren in der Automobilindustrie bei.   Am Beispiel des integrierten 6DoF-Gyroskops und Beschleunigungssensors für den Automobilbereich von Murata – des SCH1600 – zeigt sich, dass der SCH1600 ein optimales 6DoF-Komponentenpaket in einem Gehäuse ist. Er wird für ADAS-Funktionen und Autonomes Fahren (AD) verwendet, indem er Daten von GNSS und verschiedenen Umgebungssensoren wie Kameras, Radar und LiDAR fusioniert.   Der SCH1600-Sensor bietet marktführende Leistung in Bezug auf Winkelzufallsrauschen (Angle Random Walk) und Bias-Stabilität und gewährleistet eine hochwertige Gyrosignal-Erzeugung, selbst bei Integrationszeiten von nur wenigen Sekunden. Seine schnellen Datenraten, Zeit-Synchronisationsfunktionen und hohe Leistung ermöglichen die effiziente Weitergabe von IMU-Signalen in alle Subsysteme des Fahrzeugs, von der HUD-Steuerung bis hin zu Kamera- und Scheinwerfernivellierungssystemen.

Hochpräzise IMU-Lösungen, die strenge funktionale und Sicherheitsanforderungen erfüllen

Der Murata SCH1600 integriert über 200 interne Überwachungssignale und erzielt so ein hohes Maß an funktionaler Sicherheitsleistung auf dem Markt. Die Orthogonalität der Messachsen wird bei Murata kalibriert, sodass Systemintegratoren diesen kostspieligen und leistungsentscheidenden Prozessschritt überspringen können.   Die Sensorfamilie SCH1600 bietet fortgeschrittenen Kunden dank Redundanzdesignoptionen und eingebauter einstellbarer Dual-Ausgangskanäle eine größere Flexibilität. Sie unterstützt einen Winkelgeschwindigkeitsmessbereich von ±300°/s und einen Beschleunigungsmessbereich von ±8g, wobei ein redundanter digitaler Beschleunigungsmesserkanal mit einem Dynamikbereich von bis zu ±26g vorhanden ist. Die Gyroskop-Bias-Instabilität liegt bei nur 0,5°/h, und das Winkel-Zufallsrauschen kann so niedrig wie 0,03 °/√Hz sein. Es bietet Optionen zur Ausgabeinterpolation und -dezimation und umfasst Funktionen wie Data Ready-Ausgabe, Timestamp-Index und SYNC-Eingang zur Taktdomänensynchronisation. Es arbeitet in einem Temperaturbereich von −40 bis 110°C, unterstützt eine Versorgungsspannung von 3,0 bis 3,6V sowie eine I/O-Versorgungsspannung von 1,7 bis 3,6V und verfügt über eine SafeSPI v2.0-Schnittstelle. Die Ausgabedaten von 20 Bit und 16 Bit können über den SPI-Frame ausgewählt werden. Es beinhaltet umfassende Selbstdiagnosefunktionen, die über 200 Überwachungssignale nutzen. Die Abmessungen betragen 11,8 mm x 13,4 mm x 2,9 mm (l x b x h), mit einem umgedrehten SOIC-24-Gehäuse. Es ist gemäß AEC-Q100 Grade 1 qualifiziert und wird in einem robusten, RoHS-konformen SOIC-Kunststoffgehäuse geliefert, das für bleifreie Lötprozesse und SMD-Montage geeignet ist und bewährte kapazitive 3D-MEMS-Technologie nutzt.   Die SCH1600-Serie wurde entwickelt, um als zentrales Fahrzeug-IMU zu dienen und hochwertige Signale für alle Subsysteme innerhalb des Fahrzeugs bereitzustellen, selbst in sehr rauen Umgebungen. Repräsentative Anwendungsbereiche sind Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), Autonomes Fahren (AD), kurzfristige Dead-Reckoning-Navigation (DR), GNSS, Kamera- und Radar-Sensorfusion, Trägheitsnavigation, fortschrittliches Fahrzeugstabilitätsmanagement sowie dynamische und statische Scheinwerfernivellierung. Murata bietet auch das SCH1600 Chip Carrier PCB an, das eine schnelle Prototypenerstellung ermöglicht. Es enthält den SCH1600-Sensor, der auf eine Leiterplatte gelötet ist, wobei das PCB-Design (#MFI01398) Steckverbinder und passive Bauelemente beinhaltet.   Im Bereich der Automobilanwendungen bietet Murata zahlreiche Produkte an, die für ADAS ECU (Advanced Driver Assist Systems ECU), Parksysteme, LiDAR, RADAR, Sensorkameras und In-Cabin-Monitoring-Systeme anwendbar sind. Das Produktangebot für automotive ADAS ECUs umfasst beispielsweise eine Serie von Produktlinien, die in Bereichen wie SoC, DC-DC/PMIC, Baseband, SerDes, CAN-Transceiver, Ethernet und Clock einsetzbar sind. Dazu gehören keramische Kondensatoren, Chip-Ferritperlen, Thermistoren, Leistungs-Induktivitäten, Chip-Induktivitäten (Chip-Spulen), Chip-Gleichtaktdrosselspulen, Gyrosensoren, Keramikresonatoren (CERALOCK), Kristalleinheiten usw., die die vielfältigen Anforderungen von Automobilanwendungen erfüllen.

Fazit

In fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystemen sind Kreisel und Beschleunigungssensoren nicht nur die Grundlage für das Verständnis der Fahrzeugdynamik, sondern auch Schlüsselelemente, die die Fahrsicherheit gewährleisten und das intelligente Fahrerlebnis verbessern. Durch die Bereitstellung hochpräziser Beschleunigungs- und Haltungserkennung ergänzen sie externe Sensortechnologien wie Kameras, Radar und LiDAR und ermöglichen stabile Entscheidungsfindung und Kontrolle unter Multi-Sensor-Fusion. Mit steigenden Stufen des autonomen Fahrens werden zukünftige Lösungen verstärkt auf hohe Zuverlässigkeit der Sensoren, niedrigen Energieverbrauch und KI-Fusionsfähigkeiten setzen, um somit ein effizienteres und sichereres intelligentes Mobilitätsökosystem für Fahrzeuge zu schaffen. Die von Murata angebotenen Kreisel und Beschleunigungssensoren, die sich durch ihre hohe Präzision und Stabilität auszeichnen, stellen eine der optimalen Lösungen für ADAS- und autonome Fahranwendungen dar.