Ultra-Wideband In-Cabin Sensing
Radarbasierte Insassenüberwachung und Präsenzerkennung
UWB Radar basiertes In-Cabin Sensing
Die Ultra-Wideband-Technologie (UWB) eröffnet neue Möglichkeiten für die Überwachung des Fahrzeuginnenraums. Embedded AI entwickelt hierfür führende Algorithmen zur Erkennung von Vitalparametern mittels UWB-Radar.
Im Fahrzeuginnenraum entstehen durch Reflexionen an Sitzen, Armaturen, Fenstern und Insassen komplexe Signalmuster. Mithilfe des Doppler-Effekts lassen sich selbst kleinste Bewegungen erkennen.
Durch die hohe räumliche Auflösung können unter anderem folgende Bewegungen detektiert werden:
- Atembewegungen
- Mikrobewegungen lebender Personen
- Bewegungen von Haustieren
- Anwesenheit von Personen
Die Erfassung des Herzschlags ist unter idealen Laborbedingungen möglich. Im realen Fahrzeug wird das Herzsignal jedoch häufig durch stärkere Bewegungen wie die Atmung überlagert und ist deshalb wesentlich schwieriger auszuwerten.
Diese Fähigkeit bildet die Grundlage für zahlreiche Use-Cases im Fahrzeuginnenraum.
Die UWB-Sensorarchitektur
Das UWB-Sensor-Setup bestimmt, welche Erfassungsfunktionen abgedeckt werden können und wie robust reflektierte Signale im und um das Fahrzeug interpretiert werden können. Je nach Anzahl und Platzierung der UWB-Knoten kann dieselbe Basistechnologie verschiedene Funktionen unterstützen, zum Beispiel:
- CPD – Child Presence Detection
- Sitzplatz-belegungs-erkennung
- Atem- oder Vitalzeichenerkennung
- Schlüsselloser, sicherer Fahrzeug-Zugang
- Kick-Opening
- Einbruchs Überwachung
Für die Innenraumüberwachung können UWB-Anker abhängig vom Zielanwendungsfall und den Systemanforderungen flexibel an unterschiedlichen Positionen platziert werden. Beispielsweise kann ein Minimal-Setup die Hardwarekomplexität deutlich reduzieren und dennoch ausgewählte Erfassungsfunktionen in definierten Bereichen des Fahrzeuginnenraums oder rund um das Fahrzeug ermöglichen. Ein Advanced Setup mit zusätzlichen oder anders positionierten UWB-Knoten kann die räumliche Abdeckung erhöhen, die Robustheit verbessern und anspruchsvollere Anwendungsfälle unterstützen, indem zusätzliche Beobachtungswinkel bereitgestellt werden.
Alle Arten von Setups ermöglichen die Konsolidierung mehrerer dedizierter Sensoren.
Die Systemarchitektur kann daher flexibel an die erforderliche Erkennungsqualität, Integrationsbedingungen und Kostenziele angepasst werden. Einige Algorithmen zur Signalverarbeitung, Merkmalsextraktion oder Ereigniserkennung können direkt auf den UWB-Knoten laufen, während ausgewählte Merkmale an die ECU gesendet werden. Die ECU kann anschließend die Zwischenergebnisse mehrerer Knoten zusammenführen und eine Sensorfusion durchführen, wodurch räumliche Erkennung, Genauigkeit und Gesamtleistung der Erfassung verbessert werden.
Demo: Vitalerkennung Atmung, Respiration
Embedded AI verfügt über mehrere Ansätze für das In-Cabin-Sensing, bei dem Vitalparameter aus Atemmonitoring-Szenarien bestimmt werden und ist damit führend in der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet.
Use Case: CPD – Child Presence Detection
Das Problem: Hitzschlag
Besonders im Sommer oder an Tagen mit hoher Sonneneinstrahlung können die Temperaturen in einem verschlossenen Fahrzeug lebensbedrohlich werden, insbesondere für Babys und Tiere. Die kritische Innentemperatur von 42 °C wird bei einer Außentemperatur von 26 °C bereits nach etwa 30 Minuten erreicht, bei einer Außentemperatur von 35 °C sogar schon nach rund 10 Minuten.
Nach aktuellen Statistiken und Schätzungen sterben weltweit jedes Jahr etwa 800 Kinder an einem Hitzschlag, weil sie an einem heißen Tag in einem geschlossenen Fahrzeug zurückgelassen werden. Die tatsächliche Zahl dürfte insbesondere bei Tieren aufgrund fehlender Erfassung deutlich höher liegen.
Die Relevanz dieses Problems ist so groß, dass die europäische Fahrzeugsicherheitsorganisation EURO NCAP seit 2023 sowohl die Innenraumüberwachung (Occupant Monitoring) als auch die Fahrerüberwachung (Driver Monitoring) als Bewertungskriterien für die Fahrzeugsicherheit berücksichtigt. In den USA werden diese Technologien sogar noch stärker gewichtet. Dort verabschiedete der Kongress bereits 2021 den sogenannten „Hot Car Act“, der die Einführung entsprechender Sicherheitssysteme fördert.
Die Lösung: UWB-Radar
Die UWB-Technologie ermöglicht die Erkennung von Vitalzeichen von Menschen und Tieren sowie deren präzise Lokalisierung im Fahrzeuginnenraum.
Gegenüber optischen Verfahren und selbst herkömmlichem FMCW-Radar bietet UWB-Radar entscheidende Vorteile. Aufgrund seiner längeren Wellenlängen können UWB-Radarsignale Materialien wie Kleidung oder Decken problemlos durchdringen. Dadurch eignet sich die Technologie besonders gut zur Erfassung selbst kleinster Bewegungen lebender Personen oder Tiere, beispielsweise der Atmung.
Im Vergleich zu FMCW-Radar arbeitet UWB mit niedrigeren Frequenzen. Dadurch sind die Anforderungen an die Hochfrequenz(HF)-Komponenten geringer, was die Materialkosten reduziert und eine wirtschaftliche Umsetzung ermöglicht.
Die Erkennung der Vitalparameter erfolgt mithilfe KI-basierter Algorithmen, die das UWB-Radarsignal auswerten. Diese Algorithmen arbeiten ressourcenschonend und in Echtzeit direkt auf dem Mikrocontroller der UWB-Sensorelektronik.
Child Presence Detection (CPD) ist zweifellos der wichtigste Anwendungsfall und der Hauptgrund für den Einsatz von UWB-Systemen in Fahrzeugen. Die folgenden Abschnitte zeigen weitere Funktionen und Anwendungsbereiche auf, die sich mit der etablierten UWB-Technologie realisieren lassen.
Use Case: Insassenerkennung während der Fahrt
Fahrer- und Insassenüberwachung
Das System kann außerdem sicherstellen, dass die Vitalparameter von Insassen und Tieren während der Fahrt überwacht werden.
Der Fahrer wird alarmiert, sobald die Vitalparameter der Insassen kritische Werte erreichen.
Automatische Alarmierung der Rettungsdienste
Werden beim Fahrer kritische Vitalparameter erkannt, kann das System automatisch die Rettungsdienste verständigen, um eine schnelle medizinische Hilfe einzuleiten.
Vitalzeicheninformationen im Falle eines Unfalls
Im Falle eines Unfalls können relevante Daten automatisch an Rettungsdienste übermittelt werden, um wertvolle Zeit bei lebensrettenden Maßnahmen zu sparen.
Dazu zählen beispielsweise Informationen darüber, welche Person sich auf welchem Sitzplatz befand, bis zu welchem Zeitpunkt Atmung erkannt wurde sowie mögliche Auffälligkeiten in den Vitalparametern einzelner Personen – etwa ein unregelmäßiger Herzschlag, flache oder schnelle Atmung oder das Ausbleiben der Atmung.
Passive Überwachung der Vitalparameter des Fahrers
Beim autonomen Fahren bis Level 3 muss weiterhin eine Person mit gültiger Fahrerlaubnis das Fahrzeug kontrollieren oder im Notfall eingreifen können.
Insbesondere bei langen, monotonen Fahrten kann beim passiven Beobachter schnell Müdigkeit auftreten – ein latentes Sicherheitsrisiko. Für diese Stufe des autonomen Fahrens unterstützt das UWB-System die Überwachung des passiven Fahrers, indem es Müdigkeit, Schlaf, atypische Situationen wie einen Herzinfarkt oder einen Atemstillstand erkennen kann.
Use Case: Intrusion Detection
Zusätzliche Einsparungen bei den Systemkosten des Fahrzeugs ergeben sich, wenn das UWB-System auch zur Innenraumüberwachung im geparkten und verriegelten Fahrzeug eingesetzt wird.
Durch Bewegungserkennung kann das UWB-System Einbrüche zuverlässig erkennen. Dadurch können die Kosten für herkömmliche Sensoren einer Alarmanlage entfallen.
Im Gegensatz zur Innenraumüberwachung während der Fahrt arbeitet der „Alarmanlagenmodus“ mit einer deutlich geringeren Frequenz der Messzyklen, um den Energieverbrauch im Standby-Betrieb zu minimieren.
Extended UWB Automotive Platform: X-UWB™
In Automobilprojekten lässt sich die UWB-Innenraumüberwachung mit Lokalisierungsfunktionen und weiteren UWB-basierten Anwendungen kombinieren. Unser X-UWB-Konzept zeigt, wie sich diese Funktionen zu einer ganzheitlichen UWB-Fahrzeugplattform integrieren lassen.
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Wir entwickeln und validieren UWB-basierte Sensorik-Algorithmen, Demos und Live-Anwendungen für Anwesenheitserkennung, Atemanalyse, Kinderanwesenheitserkennung, Einbruchserkennung und weitere Embedded-Sensing-Anwendungen.
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