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Digitales Licht - Von der Glühbirne zur Interaktion

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  • Digitales Licht - Von der Glühbirne zur Interaktion

    Mit den neuen Möglichkeiten der Digitalisierung kann die Scheinwerfertechnologie für hochadaptive Funktionen entwickelt werden. Die Funktion geht also weit über das Sehen und Gesehenwerden hinaus. Hella entwickelt einen LED-SSL-Scheinwerfer mit ständig steigenden Pixelzahlen, der mit der Umgebung interagieren kann, da er die Solid State Lighting-Technologie verwendet.


    Zunehmend höhere Pixelzahlen

    Die ersten Scheinwerfer mit Glühbirnen hatten zwei Ziele: sehen und gesehen werden. Sie konnten nur ein- oder ausgeschaltet werden. Die erzeugte Lichtverteilung wurde mittels der elektromechanischen Konstruktion festgelegt. Mit der Einführung der ersten Rollensysteme konnte die Lichtverteilung trotz fester Lichtquelle bereits geändert werden (z. B. für das Stadtlicht oder das Autobahnlicht). Erst mit der LED-Technologie wurden jedoch die ersten Matrixsysteme möglich, mit denen nach dem aktuellen Stand der Technik zwischen 13 und 100 Pixel individuell gesteuert werden können. Derzeit gipfelt diese Entwicklung in einer immer höheren Anzahl von Pixeln, was letztendlich der Implementierung neuartiger Beleuchtungsfunktionen keine Grenzen mehr setzt und eine Interaktion mit der Umgebung ermöglicht.

    Auch wenn aus rechtlicher Sicht noch nicht alle denkbaren Funktionen zulässig sind, gibt es eine Vielzahl möglicher Anwendungsfälle. Neben der kontinuierlichen Verbesserung bereits etablierter Beleuchtungsfunktionen wie des adaptiven, blendfreien Fernlichts handelt es sich bei diesen Fällen in erster Linie um sicherheits- und komfortrelevante Funktionen, die den Fahrer bei Dunkelheit aktiv unterstützen. Abbildung 1 zeigt die Projektion eines visuellen Spurassistenten während eines Überholmanövers in einem Bereich einer Baustelle, in dem die Spuren eng sind. Eine teilweise Maskierung entgegenkommender Kraftfahrzeuge ist ebenfalls möglich, das Anzünden von Verkehrszeichen oder das gezielte dynamische Beleuchten von Fußgängern oder Radfahrern, Abbildung 2 .

    Vom visuellen Spurassistenten auf die Straße projizierte Fahrspuren sorgen für ein höheres Maß an Verkehrssicherheit (© Hella)

    Vom visuellen Spurassistenten auf die Straße projizierte Fahrspuren sorgen für ein höheres Maß an Verkehrssicherheit (© Hella)
    Beleuchtung eines Radfahrers am Straßenrand für eine bessere Schutzzone (© Hella)

    Beleuchtung eines Radfahrers am Straßenrand für eine bessere Schutzzone (© Hella)


    Andere perspektivische Anwendungsszenarien zeigen die Projektion von Informationen oder Symbolen auf die Straße. Dies können beispielsweise Symbole für die Interaktion mit dem Fahrer sein, z. B. eine Schneeflocke bei vereisten Straßen oder das Statuszeichen einer Batterie, die somit die im Head-up-Display projizierten Bilder ersetzen können. Sogar die Projektion von Symbolen für die Interaktion des Personenkraftwagens mit anderen Verkehrsteilnehmern ist möglich - beispielsweise die Information, dass ein fahrerloses Auto einen Fußgänger erkannt hat, der die Straße überquert. Im Bereich der Individualisierung können frei definierte Szenarien für das Kommen und Verlassen von Häusern eingerichtet werden. In ähnlicher Weise können kleine Displays in Zukunft sogar vollständige Videoanimationen im Scheinwerfer oder in der Rückleuchte ausführen.


    Zwei hochauflösende Technologien

    Die dafür erforderlichen hohen Auflösungen werden derzeit im Wesentlichen mit zwei Technologien erreicht: Digital Mirror Devices (DMD) und Solid State Lighting (SSL). Bei den DMDs handelt es sich um eine Komponente aus der Mikrosystemtechnik (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS), die aus etwa einer Million einzeln steuerbaren Mikrospiegeln besteht [1, 2]. Diese Technologie wird auch häufig in Büroprojektoren eingesetzt.

    Im Gegensatz dazu sind SSL-Komponenten elektronische Komponenten, mit denen gemäß dem aktuellen technologischen Fortschritt ungefähr 16.000 miniaturisierte LEDs an eine integrierte Schaltung (IC) angeschlossen werden, die dann in einem Scheinwerfer kombiniert werden, um ungefähr 30.000 LEDs bereitzustellen [3]. Diese Technologien können anhand von drei Hauptmerkmalen unterschieden werden: Tabelle 1 .


    Tabelle 1
    Vergleich der Beleuchtungstechnologien DMD und SSL (© Hella)
    Anzahl der Pixel > 1 Million ≈ 16,000 per chip
    Beleuchtungswinkel <20 ° <40 °
    Energieeffizienz Leicht, da LEDs permanent eingeschaltet sind und Licht, das durch Kippen von Mikrospiegeln erzeugt wird, eliminiert werden muss Besser, da LEDs nur dort eingeschaltet werden, wo Licht benötigt wird
    Preis Hoch Gefälliger

    Im Allgemeinen reichen weniger als 30.000 Pixel für die genannten Anwendungsszenarien aus, dh um Funktionen wie Licht zu erleichtern, das für die Verhandlung von Straßenarbeiten oder für die Beleuchtung von Radfahrern oder Fußgängern benötigt wird. Zwar sind mit der DMD-Technologie feinere Auflösungssymbole möglich, aber diese Technologie hat erheblich höhere Systemkosten für den Volumenmarkt: Dies bedeutet einerseits, dass ein ausgefeilteres Wärmemanagement erforderlich ist, da Licht permanent erzeugt wird und sein muss durch absichtliche Maskierung von Spiegeln beseitigt. Andererseits ist der Beleuchtungswinkel kleiner, so dass zusätzliche Lichtquellen für andere Lichtfunktionen erforderlich sind.

    Mit der SSL-Technologie, die bei Hella unter dem Namen "Digital Light SSL | HD" (Festkörperlicht | High Definition) geführt wird, fallen niedrigere Systemkosten an, da die Energieeffizienz besser und der Beleuchtungswinkel größer ist. Dies wird durch die Funktion erreicht, mit der die LEDs einzeln ein- und ausgeschaltet werden können, sowie durch eine bessere Integration in das optische System. Im Gegensatz zur DMD-Technologie können die SSL-LEDs nicht nur die Hauptbeleuchtungsfunktionen wie Fern- und Abblendlicht, sondern auch die Nahbereichsbeleuchtung (Beleuchtung direkt vor dem Fahrzeug) darstellen.

    Hella hat bereits den ersten Serienauftrag eines deutschen Premium-Fahrzeugherstellers zur Herstellung der SSL | HD-Scheinwerfertechnologie in großem Maßstab erhalten. Dies soll Mitte 2022 beginnen. Darüber hinaus hat diese Technologie aufgrund ihrer Skalierbarkeit die Perspektive, das Eindringen in Fahrzeugsegmente mit höherem Volumen zu ermöglichen. Dank unterschiedlicher Systemkonstruktionen von 100 bis 100.000 Pixel mit einer einzigen Komponente bis hin zu mehreren Chiplösungen sind viele Konfigurationen denkbar, die zu einer flexiblen Fahrzeugintegration und Funktionsgestaltung für die verschiedenen Fahrzeugsegmente führen können. Im Vergleich zur DMD-Technologie ist diese SSL-Technologie daher besser für den Volumenmarkt geeignet.


    Individuelles Licht

    Im Bereich der Scheinwerfer wird die SSL | HD-Technologie künftig das Portfolio an Individualisierungsmöglichkeiten erheblich erweitern. Bereits beim Start der Xenon-Scheinwerfer wurden die ersten Coming Home- und Leaving Home-Szenarien eingeführt, die nur durch Aktivieren des Tagfahrlichts oder des Abblendlichts beim Öffnen oder Schließen des Fahrzeugs in die Praxis umgesetzt werden konnten. Diese Szenarien wurden durch Lichtanimationen für Scheinwerfer mit LED-Segmenten ergänzt. Mit der SSL-Technologie hingegen können Lichtsequenzen oder sogar Videoanimationen implementiert werden, ohne dass zusätzliche LED-Segmente in den Scheinwerfer integriert werden müssen. Darüber hinaus werden derzeit Kommunikationsmatrizen mit rund 100 LEDs entwickelt, die jetzt direkt für die Markteinführung bereit sind (voraussichtlich Ende 2020). Diese verbinden sich mit der Außenwelt und dienen als Interaktionsmedium, um sich mit anderen Verkehrsteilnehmern zu verbinden. Ein Beispiel aus einer früheren Entwicklungsphase ist in gezeigt Abbildung 3, damit auch komplizierte chinesische Schriftzeichen dargestellt werden können.

    Beispiel einer Kommunikationsmatrix mit chinesischen Schriftzeichen (rechts) mit Kontrollmöglichkeit zum Testen über einen Laptop (links) (© Hella)

    Beispiel einer Kommunikationsmatrix mit chinesischen Schriftzeichen (rechts) mit Kontrollmöglichkeit zum Testen über einen Laptop (links) (© Hella)


    Zukünftig können sowohl die SSL | HD- als auch die Kommunikationsmatrizen vom Fahrzeughalter konfiguriert werden, um beispielsweise die Auswahl verschiedener Animationsszenarien für Rücklicht oder Bremslicht zu ermöglichen. und sie können dann auf diese Weise als zusätzliches Differenzierungsmerkmal für Automobilhersteller dienen. Die Perspektive hierbei ist, dass Fahrzeugbenutzer das "Erscheinungsbild" des Lichts sogar an ihren ganz persönlichen Geschmack anpassen können, dh innerhalb gesetzlicher Grenzen. Diese personalisierten Konfigurationen können möglicherweise selbst gestaltete Wegweiseranimationen oder Begrüßungs- und Abschiedsanimationen enthalten, die der Endverbraucher mithilfe einer App auf seinem Mobilgerät konfiguriert und so die Außen- und Innenbeleuchtung des Fahrzeugs zu einem wirklich persönlichen und angenehmen Erlebnis macht. Ein Beispiel hier in Abbildung 4 zeigt eine matrixbasierte Frontleuchte in der Fahrzeugfront, die dank der hohen Anzahl von Einzelpixeln unzählige Optionen bietet.



    Matrix in einer Frontlampe mit hoher Anzahl einzelner Pixel (© Hella)

    Matrix in einer Frontlampe mit hoher Anzahl einzelner Pixel (© Hella)


    Dies bedeutet, dass den Animationsmöglichkeiten praktisch keine Grenzen gesetzt sind: Viele und unterschiedliche Visualisierungen, von einzelnen Zeichen bis hin zu grafisch animierten Symbolen, können implementiert werden. Diese müssen jedoch den regionalen und gesetzlichen Anforderungen entsprechen, die die Automobilhersteller im Rahmen der Homologation garantieren müssen. Hier spielen Systemanbieter wie Hella eine wichtige Rolle, um die Entwicklung professionell zu unterstützen und beispielsweise die entsprechenden Entwicklungswerkzeuge wie den Graphical Animation Interpreter (Gain) zur Verfügung zu stellen, der bereits in einem technischen Artikel von vorgestellt wurde ATZelectronics weltweit 9/2020 [4]. Mit diesem Tool können mithilfe einer grafischen Oberfläche verschiedene Beleuchtungsanimationen konfiguriert werden.


    Lichttechnik als Softwareprodukt

    Aufgrund der in Fahrzeugen der Zukunft vorhandenen zentralen Serverarchitektur und der freien Programmierbarkeit der Lichtverteilung durch die SSL-Technologie wird die Fahrzeugbeleuchtungstechnologie zunehmend zu einem Softwareprodukt. Ähnlich wie bei einem 230-V-Haushaltsnetzteil ist es möglich, eine Trennung des physischen Geräts von der Verwendung durch Software zu beobachten. Rein physikalisch gesehen sind es immer die gleichen Elektronen, die in der Haushaltsstromversorgung fließen. Dennoch kann der Kunde seinen ganz persönlichen Energiemix auswählen und bezahlen. Bei der Umstellung auf die Fahrzeugbeleuchtungstechnologie bedeutet dies, dass Endverbraucher Lichtverteilungen oder Funkfunktionen (OTA) je nach ihren Anforderungen und Vorlieben umbuchen oder sie sogar selbst über eine App konfigurieren können. Ähnlich, Sowohl Abonnementmodelle als auch nutzungsbasierte Zahlungsmodelle sind denkbar. Während also die für die Steuerung des SSL | HD-Moduls entwickelte Hardware weiterhin am Scheinwerfer verbleibt, wird die Anwendungssoftware auf Zonenmodule oder den zentralen Server migriert. Es ist bereits heute der Fall, dass verschiedene Automobilhersteller damit begonnen haben, mehr Hardwarefunktionen in einem Auto zu implementieren, die jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt als kostenpflichtiges Software-Upgrade gebucht werden können [5, 6].

    Daher werden Hardwarevarianten immer weniger, während die Komplexität des Systemdesigns zunimmt. Letztendlich müssen die Beleuchtungs- und gesetzlichen Anforderungen trotz sehr unterschiedlicher Plattformen weiterhin auf verschiedenen Hardwareplattformen (SSL | HD ECU, zentraler Server, Smartphone) implementiert werden.


    Sichereres Licht

    Unabhängig davon, wo sich die Software für die Lichtsteuerung befindet, muss diese wie die gesamte Steuereinheit funktionssicher entwickelt werden. Während im Wesentlichen die systematische Entwicklung sowie die Bewertung zufälliger Hardwarefehler und Fehlermodi in ISO 26262 behandelt werden, befasst sich der neue SOTIF-Standard (Safety Of The Intended Function) gemäß ISO / PAS 21448 mit der Sicherheit der Zielfunktion , Abbildung 5. Dies betrifft insbesondere die Aspekte des automatisierten und autonomen Fahrens, da die Funktion oder Leistung der Fahrerassistenzsysteme unter anderem von äußeren Umwelteinflüssen abhängt. Im Bereich der Lichtentwicklung bedeutet dies die Bereitstellung von Licht unter allen äußeren Einflüssen - wie z. B. Feuchtigkeit an der Innenseite des Scheinwerfers, die die Lichtleistung beeinflusst - oder im Bereich der Software die Funktionen des fortschrittlichen Fahrstrahls ( blendfreies Fernlicht). Letztere hängen jedoch stark von der Leistung der Objektklassifizierung ab, wie sie von der Kamerasoftware geliefert wird. Ebenso wirft die individuelle Konfigurationsoption zusammen mit der zuvor beschriebenen Trennung der Funktionalität auf verschiedene Hardwareplattformen anspruchsvolle Herausforderungen auf, wenn es um die Gewährleistung eines sicheren Gesamtsystems geht. Entwickler müssen den unterschiedlichsten Katalog von Problemen überwinden und systematisch lösen. Ein solches Beispiel wäre die enge Wechselwirkung zwischen Sensor (Kamera) und Aktuator (Licht) gleichzeitig: Wie soll das System reagieren, wenn das Licht ausfällt oder nicht ausreicht, und folglich gleichzeitig die automatische kamerabasierte Umgebungserkennung ist wegen der daraus resultierenden Dunkelheit nicht möglich?

    Minimierung des Restrisikos gemäß ISO / PAS 21448 (© Hella)

    Minimierung des Restrisikos gemäß ISO / PAS 21448 (© Hella)


    Die Interaktion mit der Umwelt kann aber auch zu prekären Umständen oder Fehlfunktionen führen. Dies ist der Fall, wenn die Signalleuchte in einem autonomen Fahrszenario dem Fußgänger fälschlicherweise signalisiert, dass sie erkannt wurden, der autonome Antriebsstrang jedoch "denkt", dass die Straße ohne Hindernisse ist. Aber auch der scheinbar einfache Fall unvorhergesehener Konfigurationen, bei denen das gesamte System zur Laufzeit abstürzt, ist ein zu lösendes Problem.

    In dieser Hinsicht muss daher für Anwendungsfälle wie die eingangs genannten immer sichergestellt sein, dass andere Verkehrsteilnehmer nicht geblendet werden oder dass das Licht nicht unbeabsichtigt vollständig ausfällt. Entwickler müssen diese Situationen oder andere Szenarien genau spezifizieren und sie dann validieren und verifizieren, um die Systembeschränkungen genau zu beschreiben. Das Restrisiko eines prekären Zustands muss so weit wie möglich reduziert werden.

    Nicht zuletzt gehört der Aspekt der Cybersicherheit auch zur Kategorie Sicherheit. Mit der zunehmenden Digitalisierung des Lichts und der großen Abhängigkeit von flexiblen Softwarelösungen oder Beleuchtungskonfigurationen mithilfe einer Smartphone-App oder sogar einer Cloud-Integration müssen Entwickler von Lichtsteuergeräten ihre Software vor unbefugtem Zugriff und Manipulation schützen. Dies beginnt mit den Servern ihrer Dienstanbieter bis hin zur eingebetteten Software auf der Steuereinheit. Hier sind in erster Linie sichere Programmierung, sicheres Booten, sichere Kommunikation (authentifiziert und verschlüsselt) und eine Verschärfung der Sicherheit im Allgemeinen erforderlich. Die neue und verbindliche UNECE-Verordnung sieht ein Software-Update-Management-System vor, um sichere Software-Updates zu standardisieren.

    Es können jedoch nicht alle zukünftigen Angriffsvektoren vorhergesehen werden. Aufgrund der ständig steigenden Rechenleistung könnte es durchaus möglich sein, dass die heutigen Codes in Zukunft nicht mehr sicher sind. Das ist nur ein Beispiel. Dies bedeutet, dass Steuergeräte, die normalerweise 15 Jahre oder länger vor Ort arbeiten, ständig aktualisiert werden müssen. Daher muss zum gegenwärtigen Zeitpunkt bereits eine möglicherweise längere Codewortlänge geplant sein.



    Verweise
    [1] Günther, A.: Optisches Konzept für einen aktiven Scheinwerfer mit DMD-Array. Proc. SPIE 7003, Optical Sensors 2008, 70032D (28. April 2008); doi: 10.1117 / 12.782071

    [2] Farris, J.; Ballard, B.: Trends bei hochauflösenden Scheinwerfern. Anwendungsbericht von Texas Instruments, 2019

    [3] Härter, H.: LED-Pixelscheinwerfer: Jetzt kommen mehr als 30.000 Lichtpunkte auf die Straße. Online: www.​elektronikpraxis​.​vogel.​de, access: September 02, 2020

    [4] Wartzek, T.; Saure, M.; Wilks, C.: Zukünftige Komplexität in der Beleuchtungselektronik beherrschbar machen. In: ATZelectronics weltweit 9/2020, S. 44-47

    [5] Krempl, S.: Sitzheizung & Co.: BMW will mehr Zusatzfunktionen im Abo verkaufen. Online: https://​heise.​de/​-4836043, access: July 08, 2020

    [6] Tesla (Hrsg.): Software-Updates. Online: https: // www. Tesla. Com / de_ DE / support / software-updates , Zugriff: 2. September 2020


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