Leistungsstarke Infrarotstrahler für moderne Fahrerassistenzsysteme

Im Sommer vor meinem Abschlussjahr am College war ich Barkeeper, habe hauptsächlich Zapfhähne bedient und Korken geknallt, nichts Ausgefallenes. Wir schlossen üblicherweise um 4:00 Uhr morgens. Eines Abends, als ich nach Hause fuhr, schlief ich an einer Ampel ein. Anscheinend habe ich meinen Fuß auf der Bremse gelassen, aber ich weiß nicht, wie lange ich geschlummert habe, bestimmt ein paar Ampelphasen. Zum Glück war sonst niemand auf der Straße, so dass, als ich endlich aufwachte, kein Schaden entstanden war. Wenn Sie schon einige Jahre Auto gefahren sind oder lange Fahrten unternommen haben, kennen Sie bestimmt diese Momente, in denen Sie ein wenig müde werden, die Augen für etwas länger als einen Wimpernschlag schließen, und dann vielleicht die Musik aufdrehen und singen, oder vielleicht die Fenster herunterkurbeln, um sich wach zu halten. Schätzungen zufolge sind weltweit mindestens 10 % aller Verkehrsunfälle auf Müdigkeit zurückzuführen. Die U.S. National Highway Traffic Safety Administration schätzt, dass jedes Jahr 100.000 polizeilich gemeldete Unfälle mit schläfrigen Fahrern zu fast 800 Todesfällen und 50.000 Verletzten führen. Es ist ein ernstes Problem, und die Automobilhersteller arbeiten an einer Lösung.

Die Hersteller haben ein Überwachungssystem für schläfrige Fahrer als Teil eines fortschrittlichen Fahrerassistenzsystems eingeführt. In Europa müssen ab 2024 alle Neuwagen mit einem kamerabasierten Fahrerüberwachungssystem ausgestattet sein, um Unfälle zu vermeiden, die durch übermüdete Fahrer verursacht werden. In Amerika werden in der Regel zunächst die Fahrzeuge der Oberklasse mit dieser Option ausgestattet, die dann in den nächsten fünf Jahren auf alle Fahrzeuge ausgedehnt wird. Das Fahrerüberwachungssystem muss in der Lage sein, die Wachsamkeit des Fahrers zu beurteilen. Die Funktion basiert auf einer CMOS-Kamera, wie sie in Smartphones oder Sicherheitssystemen zu finden ist, und verfügt über eine proprietäre Software zur Erkennung der Lidschlagfrequenz. Die Kamera kann hinter oder neben der Rückspiegelhalterung oder im Armaturenbrett angebracht werden und hat ein auf das Gesicht „fokussiertes“ Sichtfeld. Die Videokamera ist auf eine externe Lichtquelle angewiesen, um das Gesicht des Fahrers zu beleuchten: tagsüber das Sonnenlicht, nachts ein leistungsstarker Infrarotstrahler.

CMOS-Sensoren sind empfindlich für Wellenlängen von etwa 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm. Bei Überwachungssystemen für schläfrige Fahrer werden Infrarot-Strahler mit einer Spitzenintensität bei 850 nm oder 940 nm verwendet, z. B. der VSMA1094250X02 von Vishay. „Hohe Leistung“ hat zwei Gründe. Erstens können die Strahler so eine hohe Intensität erzeugen. Die Strahler VSMA1094259X02 sind mit 0,042 Zoll x 0,042 Zoll oder 1,07 mm x 1,07 mm für Infrarot-Chips recht groß. Das Gehäuse hat eine Größe von 3,4 mm x 3,4 mm. Der VSMA1094250X02 besteht aus zwei Chips, die gestapelt sind und eine typische Intensität von 1350 mW/sr mit einem gepulsten Durchlassstrom von 1,0 A erzeugen. Zweitens sind die Emitter für hohe Betriebsströme von bis zu 1,5 A (DC) und bis zu 5 A (gepulst) ausgelegt. Bei 5 A hat der Emitter eine Intensität von 6000 mW/sr. In Anbetracht dieser hohen Intensität benötigt das Kamerasystem für schläfrige Fahrer relativ wenig Platz, da es nur einen Infrarotstrahler benötigt.

Im Gegensatz zu Sicherheitskameras, die ein weites Sichtfeld haben, hat das System für schläfrige Fahrer ein viel engeres Sichtfeld und konzentriert sich nur auf das Gesicht und die Augen des Fahrers. Die Infrarotstrahler sind mit Linsen ausgestattet, die diesen Blickwinkel unterstützen, indem sie einen Halbwertswinkel (der Intensität) von ±28° aufweisen; die Hälfte der abgestrahlten Leistung wird auf diesen schmalen konischen Bereich konzentriert. Jeder Emitter, der von den Automobilherstellern verwendet wird, muss den Automobilstandards gemäß AEC-Q102 entsprechen und eine Betriebstemperatur von bis zu 125°C unterstützen. Um Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der hohen Infrarotleistung auszuräumen, sind in einigen Lösungen Näherungssensoren wie der VCNL3040 eingebaut, die die Leistung der Strahler abschalten oder reduzieren, wenn sich eine Person dem Emissionsbereich zu sehr nähert. Um festzustellen, ob die Kabinenbeleuchtung ausreicht, um die Augen des Fahrers zu erkennen, ist ein Umgebungslichtsensor wie der VEML6031X00 erforderlich.

Die Hersteller arbeiten auch an einer erweiterten Insassensensorik als Teil eines fortschrittlichen Fahrerassistenzsystems. In der Bosch-Literatur heißt es: „Die Kabinenüberwachungslösung bietet ein umfassendes Verständnis über die Situation des Fahrers, der Insassen und der gesamten Kabinenszene. Durch die Kombination unseres Know-hows auf dem Gebiet der Automobiltechnik mit unserer großen Erfahrung in den Bereichen computerbasierte Bildverarbeitung und Sensorik ermöglichen wir ein Höchstmaß an Sicherheit und Komfort und machen das automatisierte Fahren zu einem sicheren Erlebnis“. Als Fahrer- und Beifahrerairbag eingeführt wurden, lösten bei einem Unfall beide Airbags aus. Die Versicherungsgesellschaften machten die Hersteller darauf aufmerksam, dass die Kosten für den Austausch eines Airbags, der vor einem leeren Beifahrersitz ausgelöst wurde, hoch waren, und ermutigten sie, Systeme zu entwickeln, die die Anwesenheit eines Beifahrers erkennen. Alle Autos in Amerika und Europa sind inzwischen mit einem solchen System ausgestattet. Im Fahrgastraum leuchtet eine LED-Anzeige auf, wenn der Beifahrersitz besetzt ist. Bei den Beifahrer-Airbags funktioniert dies einwandfrei, aber die Airbags in der B-Säule und die Seitenairbags auf den Rücksitzen erfordern dieselbe Funktion und müssen ebenfalls ausgelöst werden, wenn sie besetzt sind. Kamerabasierte Kabinenüberwachungssysteme werden diese Funktion ermöglichen, da sie erkennen können, wo sich alle Passagiere befinden. Die Soundsysteme werden immer ausgeklügelter und ändern ihre Einstellung, wenn sich Passagiere auf den vorderen und hinteren Sitzen befinden und nicht nur auf dem Vordersitz. Auch die Klimatisierung kann je nach Aufenthaltsort der Passagiere und Sonneneinstrahlung angepasst werden. Mit dem Aufkommen autonomer Fahrzeuge ist es möglich, dass es keinen Vordersitz und keinen Rücksitz mehr gibt, sondern eher eine Wohnzimmerumgebung. In diesem Fall müssen die Sicherheits-, Klima- und Unterhaltungssysteme wirklich wissen, wo sich jeder Fahrgast im Fahrzeug befindet.

Wie bei der Erkennung von Schläfrigkeit des Fahrers bestehen die grundlegenden Elemente der Kabinenüberwachung aus einer oder mehreren Kameras und Hochleistungs-Infrarotstrahlern. Anstelle von engwinkligen Strahlern werden breitwinklige Strahler eingesetzt, um eine gleichmäßige Lichtverteilung in der gesamten Kabine zu erreichen. Es wird dann ein Emitter wie der VSMA108575X02 von Vishay verwendet. Er hat den gleichen Emitter-Chip, die gleiche Stapeltechnologie und das gleiche wärmeleitende Gehäuse wie die VSMA109425X02, aber die Linse ist anders. Er bündelt das Licht nicht, sondern streut es. Der Winkel der halben Intensität dieses Strahlers beträgt ±75°. Da die gleiche Lichtmenge über einen größeren Winkel verteilt wird, ist die Intensität in einem bestimmten Bereich geringer. Bei einem gepulsten Durchlassstrom von 5 A hat der VSMA108575X02 eine Intensität von 1600 mW/sr. Auch hier werden die Strahler benötigt, wenn die Kabine dunkel ist. Dies kann nachts oder bei stark getönten Scheiben der Fall sein.

Die Erkennung übermüdeter Fahrer ist Realität. Und in ein paar Jahren wird sie in jedem neuen Auto zu finden sein. Kabinenüberwachungssysteme werden bald verfügbar sein. Autonome Fahrzeuge, insbesondere aufgabenspezifische Fahrzeuge wie Shuttles zu und von einem gemeinsamen Standort, werden heute auf städtischen Straßen getestet. Sicherheit und Komfort werden durch Innenkamerasysteme mit leistungsstarken Infrarotstrahlern verbessert.