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Foto: Thomas Küppers

Ultraschall-Sensoren

Ultraschallortung im Fahrzeugnahbereich

Fledermäuse, Delfine und Automobile – sie alle nutzen das Prinzip der Ultraschallortung, um nicht mit ihrer Umwelt zu kollidieren.

Neben Radar, Lidar und anderen Sensoren nutzen Fahrzeughersteller häufig Ultraschall, um den Nahbereich rund ums Fahrzeug zu überwachen. Dieses Prinzip haben sie sich in der Tierwelt abgeschaut. Fledermäuse senden beispielsweise Schallwellen im Ultraschallbereich aus, um sich in dunklen Höhlen auch ohne Licht orientieren zu können. Ultraschall bezeichnet Schallwellen mit höheren Frequenzen, als sie gemeinhin für das menschliche Ohr hörbar sind – ultra, lateinisch für jenseits. Dieser Bereich beginnt bei etwa 16.000 Hertz, also 16.000 Schwingungen pro Sekunde. Schallwellen werden, sobald sie auf ein Hindernis treffen, entweder reflektiert, absorbiert oder gestreut. Je nach Material durchläuft die Welle das Objekt auch einfach. Auf diese Weise lassen sich per Echolot oder Sonar Wassertiefen bestimmen oder Fischschwärme aufspüren.

Zoom Mercedes-Benz E-Klasse, Sensoren Mercedes-Benz E-Class, Sensors (german version) Foto: Daimler AG
Kameras, Radar und Ultraschall speisen in modernen Fahrzeugen die vielfältigen Sicherheitssysteme mit Daten aus der Umwelt.

Prinzip von Radar und Ultraschall ist ähnlich

Dieses Prinzip macht sich die Industrie auch an Land zunutze. In der Automobiltechnik arbeitet die Ultraschalltechnik vor allem in Annäherungssensoren, wie sie in Einparkhilfen verbaut werden. Sensoren vorne und hinten überwachen das Fahrzeugumfeld bis zu einer Entfernung von wenigen Metern. Das angeschlossene System wird erst bei einem Abstand von weniger als einem Meter so richtig aktiv und meldet je nach Fabrikat den Abstand als optisches oder akustisches Signal an den Fahrer. Feste Objekte wie Bäume oder andere Fahrzeuge reflektieren den ausgesandten Ultraschall und werfen ihn an den Sensor zurück. Dieser ermittelt anhand der Laufzeit, wie lange der Schallimpuls bis zum Hindernis unterwegs war. Das elektronische Gehirn errechnet aus der Laufzeit den Abstand. Wie beispielsweise bei Radarwellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, geht die Elektronik auch beim Schall von einer konstanten Geschwindigkeit aus. In der Luft beträgt dieser Wert bei Raumtemperatur 344 Meter pro Sekunde.

Das grundlegende Prinzip von Radar und Ultraschall ist also an sich identisch. Allerdings reichen die Ultraschallwellen in der Luft lange nicht so weit wie Radarwellen. Hinzu kommt der enorme Geschwindigkeitsnachteil der Schall- gegenüber der Lichtgeschwindigkeit, weshalb Ultraschall nur im Nahbereich zum Einsatz kommt. Außerdem schränkt das Medium Luft die Bandbreite der Wellenfrequenz ein. Anders als beispielsweise Wasser dämpft die Luft Schallwellen mit steigender Frequenz immer stärker und macht sie damit ab einem bestimmten Bereich für die technische Anwendung nutzlos. Gleichzeitig sind die Sensoren aber relativ günstig zu haben. Der Messwertgeber ist ähnlich aufgebaut wie ein Lautsprecher. Schließlich besteht die Hälfte seiner Arbeit ja auch darin, Töne zu senden. Statt einer Magnetspule erzeugt ein Piezoelement die Wellen. Elektrischer Strom bringt den Piezokristall und die angeschlossene Membran zum Schwingen. Nach dem Senden treffen wiederum die Schallwellen des Echos auf die Membran. Diese gibt die Wellen an das Piezoelement weiter, das aus der Bewegung ein elektrisches Signal erzeugt.

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Kleine Erhebungen in der Stoßstange verraten die Position der Sensoren. Die Technik lässt sich relativ einfach integrieren.

Elektronischer Flankenschutz schützt in engen Passagen

Um das Hindernis zuverlässig zu verorten, reicht ein einzelner Sensor allerdings nicht aus. Der Lautsprecher sendet den Schall kegelförmig von dem Sensor weg. Dieser kann dann lediglich erfassen, dass ein Echo vorliegt, aber nicht exakt, woher dieses kommt. Darum sind an dem Fahrzeug mehrere Einheiten verbaut. Wieder ist die Elektronik gefragt, um aus den einzelnen Signalen ein einfaches Bild zu generieren. Dazu kommt, dass nicht jede Form gleich zuverlässig reflektiert. Ein einzelner Sensor könnte also einen Pfosten leicht übersehen, da runde Objekte nur ein dünnes Echo zurückwerfen. Am besten funktionieren naturgemäß flächige Hindernisse vor oder hinter dem Fahrzeug.

Zum ersten Mal kam die Technik zu Beginn der 1980er-Jahre im Pkw zum Einsatz, damals im Toyota Corona. Heutzutage hat die Einparkhilfe über praktisch alle Pkw-Modelle auch ihren Weg ins Nutzfahrzeug gefunden. In der neuen Generation des VW Crafter beziehungsweise im MAN TGE sind die sensitiven Bauteile zusätzlich an den Seiten verbaut. Dieser elektronische Flankenschutz soll in engen Passagen vor Kratzern und Dellen bewahren. Im Verbund mit weiteren Systemen leistet der Ultraschall damit seinen Beitrag zum möglichst unfallfreien Fahren.

Dieser Artikel stammt aus Heft lastauto omnibus 01-02/2018.
Hier finden Sie alle Artikel dieser Ausgabe im Überblick.
Ford Transit Custom

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Datum

28. Januar 2018
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