Automotive

In autonomen Fahrzeugen ist der Mensch nur noch Mitfahrer, das Auto steuert selbständig und erkennt Hindernisse und Gefahren. Damit das Fahrzeug seine Umwelt erfassen kann, kommen LiDAR-Sensoren zum Einsatz. LiDAR (Light Detection and Ranging) ermöglicht die Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung zwischen Objekten und Fahrzeug und beruht auf der Aussendung von Lasersignalen in die Umgebung, deren Reflexion detektiert und analysiert wird. Das Fraunhofer IPMS entwickelt dafür Mikroscannerspiegel, die die hohen Anforderungen des autonomen Fahrens erfüllen und gleichzeitig klein und integrierbar sind. Verfolgt wird der Ansatz eines „scannenden Auges“, das digitales Sehen in drei Dimensionen ermöglicht. Ein Mikrospiegelscanner-Modul erfasst die Umgebung, indem der Spiegel Laserstrahlung in zwei Dimensionen verteilt. Die dritte Dimension im Raum wird anhand des vom Objekt reflektierten Lichts mit Hilfe verschiedener Methoden wie z.B. Laufzeitmessung, codierte Pulse oder der Demodulation von FMCW-Signalen bestimmt. Die MEMS-Spiegel des Fraunhofer IPMS können eine Umgebungserfassung in der Reichweite weniger Zentimeter bis zu mehreren hundert Metern gewährleisten. Aufgrund ihres geringen Gewichts und der guten Integrierbarkeit sind die Module trotz ihrer Beweglichkeit vibrationsunempfindlich und können die Umgebung ohne Messunschärfe detektieren. Die aus einkristallinem Silizium  gefertigten MEMS-Scanner sind äußerst robust und ermüdungsfrei und erfüllen die Anforderungen sowohl hinsichtlich der optischen Scanbereiche als auch der Schock und Vibrationsstabilität. Damit erfüllen sie die Zuverlässigkeitsanforderungen eines Solid State LiDAR. Die CMOS-kompatible Siliziumtechnologie erlaubt zudem eine skalierbare, kosteneffektive Herstellung der Module und ermöglicht deren Integration in bestehende Systeme. Die Anwendung der LiDAR-Technologie für ein MEMS-Scanner-basiertes „Auge“ für Fahrzeuge ist somit ein vielversprechender Weg hin zum autonomen Fahren. 

Vernetzte Fahrzeuge sind für Innovationen wie autonomes Fahren und Platooning, also das automatisierte Fahren in Kolonnen mit geringen Abständen, grundlegend. Bisher werden funkbasierte Verfahren wie beispielsweise WLAN (IEEE 802.11p) eingesetzt. Diese Technologie ist bewährt und erlaubt hohe Datenraten. Solche Standards aber haben auch ihre Schwächen, wie einen eng begrenzten Frequenzbereich, manipulierbare Signale und die elektromagnetische Verträglichkeit. Alternative Übertragungswege zur Ergänzung der Systeme sind also gefragt. Li-Fi nutzt statt Funkwellen, Lichtquellen wie LEDs und moduliert diese. Die emittierten Signale werden dann von einer Fotodiode aufgenommen. Die echtzeitfähige Technologie Li-Fi, mit Latenzen im Mikrosekundenbereich, bietet sich als redundanter Kanal zu WLAN an. Ebenso denkbar ist eine Aufgabenverteilung. Zu Wireless Fidelity (Wi-Fi) käme dann Light Fidelity (Li-Fi), als zusätzlicher Kanal dazu.

Unsere Leistungen:

• Li-Fi Workshops
• Technologie Consulting
• Konzeptentwicklung
• Hardware- und Moduldesign
• Pilotproduktion

Eine virtuelle Projektion, die so realitätsnah erscheint, dass man sie berühren möchte. In die Frontscheibe eingeblendete Verkehrszeichen, die dreidimensional und realistisch ins Blickfeld des Fahrers eingebettet sind: Das ist keine Fiktion, sondern soll zukünftig möglich werden mit den Mikrospiegelmatrizen des Fraunhofer IPMS.

Millionen kleinster Spiegel, die auf einem Halbleiterchip aufgebaut sind, beugen das Licht so, dass damit realitätsgetreue 3-D-Bilder als räumliche Projektionen entstehen. Die Einzelspiegel, die anwendungsspezifisch in Zahl und Größe pro Chip variieren, können individuell abgesenkt werden, sodass ein flächiges Muster entsteht, mit dessen Hilfe dreidimensionale holographische Bilder erzeugt werden. 

Das zugrundeliegende Verfahren der Holographie nutzt den Wellencharakter des Lichts, um räumliche Darstellungen zu erzielen. Grundlage dafür ist die Wahrnehmung des menschlichen Auges, das nur die reflektierten Lichtwellen und nicht den Gegenstand an sich wahrnimmt. Holographische Projektionen ermöglichen auf dieser Basis die räumliche Abbildung von Objekten als Hologramm. Diese Abbildungen waren allerdings meistens statisch und nicht in der Lage, bewegte Bilder abzubilden. Die bisherigen Ansätze für bewegte Holographie waren dagegen nicht realitätsnah genug, da Lichtmodulatoren nicht in ausreichender Qualität verfügbar sind.

Mit den Mikrospiegelarrays des Fraunhofer IPMS soll in Zukunft eine computeranimierte Holographie erfolgen, die ein so realistisches Lichtfeld reproduziert, dass reale und virtuelle Welt verschmelzen – bewegt und in Echtzeit. Das macht den Einsatz der Holographie beim Autofahren als Augmented Reality oder auch im Bereich des mehrdimensionalen Fernsehens möglich. 

Ziel des Projekts ist die Erforschung einer verteilten, effizienten Datenverarbeitung mittels KI-Methoden in digitalen Radarnetzwerken, die in vollautomatisierten Fahrzeugen genutzt werden sollen. Der Fokus liegt dabei auf der umfassenden Digitalisierung aller systemrelevanten Funktionalitäten und der Entwicklung einer optimalen Verteilung der Rechenlast zwischen Domänencontrollern, Sensorknoten und dem Zentralrechner. Die Verteilung der Rechenlast soll hinsichtlich Bildqualität, Kosten, Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit optimiert werden. Am Ende des Projekts ist die Demonstration eines intelligenten Radarsensornetzwerks geplant.

Das Projekt trägt zur Entwicklung nachhaltiger Kommunikationstechnologie bei und unterstützt damit die die Erreichung von Klimaschutzzielen. In erster Linie ermöglicht es den ressourcenschonenden und sicheren Einsatz von Kommunikationstechnik für das vollautomatisierte Fahren. Die Projektergebnisse lassen sich aber auch auf andere Sensortypen und Anwendungen wie Industrie 4.0, Logistik und Medizintechnik übertragen.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt innerhalb des Projekts eine zukunftsfähige automobile TSN-Netzwerkarchitektur sowie geeignete performante Netzwerkknoten zum Austausch von Fahrzeugdaten. Hierbei bringt es seine Expertise in den Bereichen Ethernet TSN Netzwerke und Sybsysteme sowie zu IP-Core Design ein. Das Institut wird neue Konzepte für anforderungsspezifische TSN Netzwerk-IP-Cores auf Basis bestehender TSN-IP-Cores mit dem Fokus auf Echtzeit, sehr geringer Latenz, geringer Jitter, Determinismus, hoher Datenraten (10GBit/s), Redundanz und funktionale Sicherheit (ISO26262) entwickeln.

Zudem ist das Fraunhofer Institut für die Entwicklung und Integration in FPGA Plattformen sowie das Setup und die Konfiguration von zonenbasierten Demonstrationsnetzwerken und den Demonstrationsaufbau zuständig. Gemeinsam mit den Partnern ist es abschließend an der Performanceanalyse in einer Anwendungsumgebung mit Anbindung von Radarsensoren und Zonengateways beteiligt.

Das autonome Fahren revolutioniert die elektronische/elektrische Fahrzeugarchitektur. Zur Verarbeitung und Berechnung der zahlreichen und komplexen Datenmengen in hochautomatisierten Fahrzeugen, bedarf es - völlig neuer maßgeschneiderter und zugleich flexibler Ansätze mit energieeffizienten und sicheren automotive qualifizierten Hochleistungsprozessoren. Im Projekt CeCaS erfolgt hierzu ein erster Schritt der Umsetzung.

Das Projekt schafft zunächst die Prozessor- und Software-seitige Basis für heterogene echtzeitfähige Hochleistungs-Zentralrechner im Auto. Sicherheit und Höchstleistung werden dazu speziell für den Automotive-Bereich verbunden, in dem eigene Prozessoren, Interfaces und Systemarchitekturen entwickelt werden. Kurzum: Automotive Supercomputing.

Die zentrale Recheneinheit basiert auf nichtplanarer Transistortechnologie (FinFET), wobei applikationsspezifische Hardware-Beschleuniger sowie eine adaptive Software-Plattform für autonome Fahrzeuge die Prozessoren ergänzen. Dabei strebt das Konsortium eine Automotive-Qualifizierung (ASIL-D) auf Systemebene an.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS unterstützt innerhalb des Projektes die Definition der Anforderungen an das Gesamtsystem mit Fokus auf die Fahrzeugvernetzung. Dabei bringt das Institut seine Expertise im Bereich der Ethernet TSN Kommunikationsnetze für die Anforderungsanalyse der Server Systemarchitektur als auch der kommunikativen Anbindung des Central Car Servers in ein In-Car Netzwerk ein. Diesbezüglich entwirft und analysiert das Institut neue TSN-Vernetzungstechnologien basierend auf automotiven Anforderungen mit Datenraten bis 50Gbit/s und entwickelt automotive Kommunikationscontroller für ASIC & FPGA-Systeme nach ISO 26262 bis ASIL-D. Zusätzlich unterstützt das Fraunhofer IPMS die TSN Performanceanalyse des Demonstrators.