Akustische Umfelderfassung – Der Hörsinn von Fahrzeugen

22. Februar 2022 | Michael Kwade, Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen University

Aktuelle Fahrzeuge verarbeiten verschiedenste Informationen aus der Umgebung. Dazu werden häufig Kameras, Radar- und Lidar-Sensoren verwendet. Doch der Mensch verlässt sich nicht nur auf das Sehen, auch das Hören hilft, die aktuelle Situation zu erfassen. Wäre also ein Hörsinn auch für ein Fahrzeug sinnvoll?

Michael Kwade, Gruppenleiter Akustik am Institut für Kraftfahrzeuge (ika) – RWTH Aachen University, beforscht die akustische Umfelderfassung seit über drei Jahren unter anderem in Kooperationsprojekten mit der Industrie. Der Einsatz dieser innovativen Technologie in der automatisierten und vernetzen Mobilität bietet hier großes Potential, um Redundanz und Sicherheit insbesondere in unübersichtlichen Verkehrsszenarien zu steigern:

Die Geräusche, die unsere Fahrzeuge im Straßenverkehr umgeben, liefern wichtige Informationen über die aktuelle Verkehrssituation, das Wetter und die Straßenbedingungen sowie andere Verkehrsteilnehmer. Die Akustik im Inneren der Fahrzeuge wird jedoch immer weiter optimiert, um den Komfort für die Insassen zu steigern. Dadurch werden wichtige Außengeräusche weniger deutlich wahrgenommen. Besonders die Erkennung von sicherheitsrelevanten Warnsignalen, beispielsweise der Sirene eines Einsatzfahrzeuges, ist wichtig und kann die Vermeidung kritischer Situationen begünstigen. Automatisierte und autonome Fahrzeuge sollten diese Signale ebenfalls erfassen und verarbeiten, um in den relevanten Situationen selbständig die an die Fahrzeugführung gerichteten Verkehrsvorschriften einzuhalten. Eine entsprechende gesetzliche Anforderung ist bereits umgesetzt, die Konsequenz lautet: Das Fahrzeug der Zukunft muss hören können.

Anwendungsgestützte Entwicklung mit ganzheitlichem Lösungsansatz

Die Basis bei der Entwicklung des Hörsinnes für Fahrzeuge sind ganzheitliche Lösungsansätze: Von der Erfassung eines Signals über eine ausgeklügelte Signalverarbeitung bis hin zur Ableitung der korrekten Reaktion. Dabei werden mögliche Anwendungsfälle der Technologie identifiziert und deren Umsetzbarkeit aus technischer Sicht bewertet. Die prototypischen Umsetzungen der Anwendungsfälle erfüllen hierbei stets den Anspruch, dass eine Übertragbarkeit auf den etablierten Fahrzeugentwicklungsprozess gewährleistet ist. Von verschiedenen Partnern wurde ein System realisiert, das Geräusche aus dem Straßenverkehr erkennen und angemessen darauf reagieren kann. Das akustische Sensorkonzept wurde hierbei unter Berücksichtigung der Ergebnisse umfangreicher Untersuchungen der Ziel- und Störgrößen gewählt.

Erkennung von Einsatzfahrzeugen mithilfe Künstlicher Intelligenz

Als erster Anwendungsfall bietet sich aufgrund der Kritikalität in der Fahrsituation sowie der Anforderungen durch die Gesetzgebung die Erkennung der Sirene von Einsatzfahrzeugen an. In Deutschland wird das Martinshorn als Wechselton-Sirene mit zwei Grundfrequenzen verwendet. Mit einem akustischen Sensorkonzept zur Signalerfassung, das die Leistungsfähigkeit des Systems definiert, wird der Luftschall in der gesamten Fahrzeugumgebung erfasst.

Zur Erkennung und Klassifizierung von Nutz- und Störsignalen werden unter anderem KI-basierte Ansätze verfolgt. Die Funktionalität des Gesamtsystems wurde bereits unter verschiedenen Randbedingungen verifiziert und weist eine hohe Genauigkeit auf. Besonders in Situationen mit eingeschränkter Sicht, wie an einer Kreuzung oder im dichten Verkehr, wird das Potenzial der Technologie deutlich, da nicht wie bei bildgebenden Sensorsystemen eine direkte Sichtlinie zur Erkennung des Einsatzfahrzeuges erforderlich ist.

Außerdem ist der zeitliche Vorteil in der Erkennung im Vergleich zu bildgebenden Sensoren in diesen Situationen signifikant. Weiterhin wird durch dieses neue Sensorkonzept Redundanz generiert und so die funktionale Sicherheit erhöht.

Farbcodierte wissenschaftliche Diagramme mit Zeit- und Frequenzachsen, die verschiedene Messdaten oder Simulationen darstellen; fünf einzelne Grafiken nebeneinander gruppiert. — Visualisierung der relevanten Warnsignale im Straßenverkehr

Technologie mit großem Potential für die Serienentwicklung

Neben der Erkennung des Martinhorns können auch weitere sicherheitsrelevante Warnsignale wie internationale Sirenensignale (Yelp, Wail), Fahrzeughupen oder auch Rückfahrwarner von LKWs in der Erkennung berücksichtigt werden.

Weiteres Potential der Technologie wird außerdem in der Erkennung der aktuellen Fahrbahneigenschaften, der akustischen Systemüberwachung oder in der Realisierung von sprachgesteuerten Komfortfunktionen gesehen. Das Verständnis der breitbandigen Anwendungsmöglichkeiten der akustischen Umfelderfassung sowie die Übertragbarkeit des entwickelten Systems ist eine ideale Ausgangssituation für eine Serienentwicklung des Hörsinns für Fahrzeuge.

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