Ultra-Wideband In-Cabin Sensing
Use Cases – UWB Radar
UWB Radar – In-Cabin Sensing
Neben der UWB-Entfernungsmessung, bei der die Signallaufzeit zwischen zwei UWB-Knoten gemessen wird, kann die UWB-Technologie auch als (gepulstes) Doppler-Radar eingesetzt werden. In diesem Szenario sendet ein UWB-Knoten einen UWB-Puls aus und empfängt dessen Reflexionen aus dem umgebenden Raum. Das Ergebnis ist ein komplexes Muster, das die Reflexionen verschiedener Reflektoren überlagert. Durch den Dopplereffekt können selbst die kleinsten Bewegungen von Objekten erfasst werden.
Durch die hohe Auflösungsgenauigkeit ist UWB in der Lage Kleinstbewegungen von Lebewesen zu erkennen. Dazu zählen vor allem die Bewegung des Brustkorbs beim Atmen (vgl. Abbildung) sowie die Bewegung des Herzmuskels. Letztere lässt sich allerdings vor allem unter Laborbedingungen messen, da in der praktischen Anwendung die Bewegung des Herzschlangs von vielen anderen Bewegungen (bspw. Amtung und sonstige Körperbewegungen) überlagert ist und somit im Sensorsignal untergeht.
Es ergeben sich zahlreiche Use Cases.
UWB Sensor Set-up
Embedded AI ist führend in der Entwicklung von Algorithmen zur Erkennung von Vitalparametern im automobilen Umfeld unter Verwendung von UWB-Radar.
Für die Innenraumüberwachung (In-Cabin Sensoring/In-Cabin Montoring) gibt es verschiedene Ansätze zur Platzierung der UWB-Anker.
- linkes Bild: externe UWB-Knoten – etablierte Variante
- rechtes Bild (Forschungsgegenstand): externe UWB-Knoten werden in die Seitentüren geschoben, um sowohl die Außen- als auch die Innenraumüberwachung zu unterstützen.
In beiden Varianten befinden sich zusätzlich zwei UWB-Knoten im Dachhimmel.
Die Erkennungs-Algorithmen arbeiten verteilt. Im UWB-Knoten selbst werden Algorithmen berechnet, die ein einzelner UWB-Knoten ausführen kann, insbesondere Algorithmen der Signalverarbeitung und Extraktion von Features, in einigen Fällen auch bereits KI-Algorithmen zur Erkennung von Ereignissen im Signal. Bestimmte Features werden an das Steuergerät (ECU) gesendet. Die ECU fasst die Zwischenergebnisse der einzelnen Knoten zusammen und kann so Algorithmen zur räumlichen Erkennung ausführen.
Anwendungsbeispiel: 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: Hitzetod
Schon nach kurzer Zeit können bspw. in den Sommermonaten im verschlossenen Automobil die Temperaturen lebensbedrohlich ansteigen, insbesondere für Babys und Tiere. Die kritische Temperatur von 42°C im Wageninneren wird bei einer Außentemperatur von 26°C bereits nach 30 Minuten und bei einer Außentemperatur von 35°C sogar schon nach 10 Minuten erreicht. Laut aktueller Statistik (und Hochrechnung) sterben weltweit jährlich ca. 800 Kinder an einem Hitzschlag, weil sie an einem heißen Tag in einem verschlossenen Auto zurückgelassen werden (Dunkelziffer für Tiere).
Das Thema ist so relevant, dass die europäische Gesellschaft EURO-NCAP zur Bewertung der Sicherheit von Fahrzeugen als Kriterium seit 2023 sowohl die Innenraumüberwachung als auch die Fahrerüberwachung als Kriterium zur Bewertung der Fahrgastsicherheit einführt. In den USA wird diesen Technologien sogar ein noch größerer Wert beigemessen. Eine Gesetzesvorlage zum sogenannten “Hot Car Act” ist 2021 erfolgreich durch den Kongress verabschiedet worden.
Die Lösung – UWB-Radar
Die UWB-Technologie ist in der Lage die Vitalzeichen von Lebewesen zu erkennen und diese auch im Fahrzeug zu orten. UWB hat einen Vorteil gegenüber optischen Verfahren oder auch gegenüber dem herkömmlichen FMCW-Radar, da die UWB-Signale durch die größeren Wellenlängen auch Materialien wie Kleidung und Decken problemlos durchbringen und somit die Bewegung des Lebewesens sensieren können. Die Vitalparameter werden im UWB-Radar-Signal durch KI-basierte Erkennungsalgorithmen detektiert, die ressourcenarm in Echtzeit auf dem Mikrocontroller der UWB-Sensorelektronik laufen.
Die Child Presence Detection (CPD) ist zweifelsohne der größte Motivator, um die Investitionen für das UWB-System einzugehen. In den folgenden Abschnitten werden weitere Funktionalitäten aufgezeigt, die mit der einmal etablierten UWB-Technologie zusätzlich zu erreichen sind.
Use Case: In-Cabin Sensing während der Fahrt
Driver/Occupant Monitoring
Das System kann zusätzlich dafür sorgen, dass Vitalparameter von Insassen und Tieren während der Fahrt überwacht werden. Der Fahrer wird gewarnt, wenn Vitalparameter der Insassen gefährliche Werte erreichen.
Alarmierung Rettungskräfte
Treten gefährliche Werte bei Vitalparameteren beim Fahrer aus, können direkt Rettungskräfte alarmiert werden.
Vitalinformation bei Unfall
Bei einem Unfall können Daten automatisch an die Rettungskräfte übermittelt werden, um diesen wertvolle Zeit bei der Lebensrettung zu sparen (Wer hat wo gesessen und bis wann geatmet, Auffälligkeiten der Vitalparameter einzelner Personen, z.B. unregelmäßiger Herzschlag, flache, schnelle oder ausbleibende Atmung).
Vitalüberwachung des passiven Fahrers
Für autonomes Fahren bis Level 3 muss eine Person mit Führerschein das Auto kontrollieren bzw. im Notfall eingreifen. Bei langen, eintönigen Fahrten, stellt sich schnell Müdigkeit beim nur zuschauenden Fahrer ein – eine latente Gefahr. Für diese Stufe des autonomen Fahrens stellt das UWB-System durch die Erkennung von Müdigkeit, Schlafen, atypische Situationen (bspw. Herzinfarkt) oder Atemstillstand eine Unterstützung bei der Überwachung des (passiven) Fahrers bereit.
Use Case: Intrusion Detection
Zusätzliche Kosteneinsparungen bei den Systemkosten des Fahrzeugs ergeben sich durch den Einsatz des UWB-Systems, wenn die Innenraumüberwachung auch in einem geparkten und abgeschlossenen Fahrzeug durchgeführt wird. Das UWB-System kann durch die Bewegungserkennung Einbrüche zuverlässig erkennen. Die Kosten für herkömmliche Sensoren der Alarmanlage entfallen somit.
Im Gegensatz zur Innenraumüberwachung während der Fahrt arbeitet der Modus „Alarmanlage“ mit einer deutlich geringeren Frequenz von Messzyklen, um den Standby-Stromverbrauch zu minimieren.
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