Fachartikel
01. Juni 2015
In den letzten Monaten ist viel Bewegung in den Bereich des autonomen Fahrens gekommen, zumindest von außen betrachtet. Google präsentierte seinen knuffigen Chauffeur, Mercedes definierte mit dem F015 die Privatsphäre als neuen Luxus der Mobilität. BMW ließ seinen i3 per Smartwatch selbständig einparken und Audi kutschierte Journalisten in einem autonomen A7 über 900km weit von San Francisco nach Las Vegas. In Deutschland ließ sich Verkehrsminister Alexander Dobrindt, der auf der A9 zwischen München und Nürnberg das Digitale Testfeld plant, von dem „Jack“ getauften Auto in Ingolstadt chauffieren. Auch die Gerüchteküche um Apples Einstieg in den Automarkt brodelte.
Foto: Delphi
Delphi setzte noch eine Schippe drauf und schickte einen modifizierten Audi SQ5 in neun Tagen von San Francisco quer durch den amerikanischen Kontinent nach New York. Die gut 5.400 Kilometer lange Strecke durch 15 Bundesstaaten wurde nur zu einem Prozent von den sechs Fahrern, etwa bei Verlassen des Highways, an Baustellen oder bei Stadtfahrten, bewältigt. Selbst in widrigen Witterungsverhältnissen und komplexen Fahrsituationen wie im Kreisverkehr, auf Brücken und in Tunneln meisterte das Fahrzeug die autonome Fahrweise. Dieser erfolgreiche Versuch zeigt eindrucksvoll, wie weit die Technologie bereits entwickelt ist und welche entscheidende Rolle die Zulieferindustrie spielt. Delphi hatte das Fahrzeug mit einer Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen ausgestattet. Neben einer Frontkamera, die Fahrspuren, Verkehrsschilder und Ampeln erkennt, kamen sechs Radarsysteme zum Einsatz. Vier LIDaRs an jeder Ecke mit 80 Meter Reichweite wurden mit je einem vorwärts und rückwärts schauenden System gepaart. Das zentrale Fahrerassistenzsteuergerät (zFAS), es wurde speziell für Audi entwickelt und soll dort zukünftig in Serie eingesetzt werden, übernahm die Steuerung der notwendigen Funktionen wie beispielsweise Kollisionsvermeidung, Stau- und Spurhalteassistent oder Auffahrunfallwarner und Autopilotfunktionen auf Autobahnen oder in der Stadt. Aus allen verfügbaren Sensorinformationen wurde in Sekundenbruchteilen die gesamte Fahrzeugumgebung modelliert. Selbst schwierige Aufgaben wie das Überqueren einer Kreuzung mit vier Stoppschildern, das sichere Ausweichen um einen Fahrradfahrer oder die Einfahrt auf eine Schnellstraße konnten bewältigt werden. Auf der Fahrt sammelte Delphi insgesamt gut drei Terabyte an Daten, deren Auswertung in die weitere Entwicklung einfließen wird.
Akzeptanz für automobile Roboter
Foto: Rinspeed
Nach Meinung der Ideenschmiede Rinspeed darf neben der technischen Machbarkeit die Akzeptanz beim Benutzer nicht außer Acht gelassen werden. Auf dem Genfer Autosalon präsentierte die Schweizer Firma das selbstfahrende, elektrische Konzeptfahrzeug „Budii“. In dem auf Basis des BMW i3 als transurban vorgestellten SUV wurde die Schnittstelle zwischen Fahrer und Fahrzeug in den Vordergrund gestellt. Das Lenkrad ist auf einem in sieben Achsen beweglichen Roboterarm montiert und dient nicht nur als Lenkeinheit, die im autonomen Fahrmodus platzsparend in der Mitte der Konsole geparkt und auf Wunsch zur jeweiligen Person bewegt wird oder auch als Ablagefläche zwischen den beiden Sitzen dienen kann. Ermöglicht wird diese Multifunktionalität durch eine mehrfach redundante „Steer-by-Wire“-Technologie. Im autonomen Fahrmodus wird das auf dem Dach montierte „TrackView“ Teleskop um 70 Zentimeter ausgefahren, um über die Kombination eines Lasers mit hochauflösender Kamera eine verlässliche 3D-Vorschau der vorausliegenden Gegend zu erstellen und Federung sowie Bodenfreiheit des Fahrzeugs entsprechend anzupassen. Zur Luxusausstattung im Innenraum gehören neben einem großen Infotainmentsystem auch eine Klimadusche im Dachhimmel sowie die unverzichtbare Lademöglichkeit für Handys, die induktiv ausgeführt wurde. Batterietemperierung und Standheizung werden natürlich standesgemäß per Smartphone oder -watch bedient. Hinter dem Lenkrad findet man eine eigenwillige Innovation. Über eine hochauflösende Kamera im Innenraum wird die Gangreserveanzeige der dort abgelegten Armbanduhr überwacht und bei Bedarf der Roboterarm in Bewegung gesetzt, um das Uhrwerk aufzuziehen. Ein mögliches Zeichen dafür, dass trotz aller Toleranz für neue Technologien Besitzer von autonomen Fahrzeugen auch die Unterstützung analoger Produkte erwarten.
Hürdenlauf
Doch was steckt hinter der medienwirksam dargestellten zukünftigen Freiheit beim Fahren und welche Hürden sind zu nehmen, bevor wir das Steuer aus der Hand geben? Autonomes Fahren wird in verschiedene Level gegliedert, je nachdem, wie viel Interaktion mit dem Fahrer stattfindet. In Level 1 und 2 wird der Fahrer durch Funktionen wie adaptiver Tempomat (ACC), Spurhalteassistent (LDW) oder Notbremsassistent unterstützt. Level 3 bietet zusätzlich Autopilot-Funktionen auf der Autobahn oder beim Einparken und Level 4 erlaubt vollständig autonomes Fahren, das der Fahrer jedoch jederzeit beenden kann. Einige Marktteilnehmer unterscheiden noch Level 5, bei dem der Fahrer nicht in das Fahrgeschehen eingreifen kann. Bisher regelte, mit Ausnahme einiger Länder, die Wiener Konvention aus dem Jahr 1968 den Straßenverkehr international und bestimmte, dass ein Fahrer anwesend (Artikel 8) und der Fahrer zu jeder Zeit die Kontrolle über das Fahrzeug haben muss (Artikel 13). Von Premiumhersteller aus Deutschland, Italien und Frankreich geforderte Anpassungen wurden im Frühling 2014 aufgenommen und erlauben Fahrern die Hände vom Lenkrad zu nehmen. Eine Überwachung des Fahrzeugs durch den Fahrer ist weiterhin notwendig. In USA ist die nationale Verkehrssicherheitsbehörde NHTSA zuständig und bundesweite Standards zur Fahrzeugsicherheit (FMVSS) gelten für alle Fahrzeuge. Jeder Staat ist berechtigt, diese Regeln für sich anzupassen.
Neben dem Straßenverkehrsrecht ist die Frage der zivil- aber auch strafrechtlichen Haftung zu klären. Entscheidend hierbei ist, dass der Fahrer je nach Autonomie-Level teilweise oder ganz von der Fahrtätigkeit enthoben wird. Dadurch verlagert, beziehungsweise addiert sich die Sorgfaltspflicht von Fahrer und Fahrzeughersteller. Muss ein Fahrer ähnlich wie ein Pilot vor Fahrtantritt die Funktionalität aller Systeme sicherstellten? Der Fall, dass ein Kind hinter einem ausparkenden Fahrzeug seinem Ball nachläuft und vom Auto verletzt wird, da die rückwärts gerichteten Sensoren verschmutzt oder funktionsunfähig sind, ist als Fahrlässigkeit des Fahrers einzustufen. Das Gleiche gilt für den unbemerkten Ausfall einer sicherheitsrelevanten Komponente während der Fahrt. Das bedeutet, dass bis zum Zeitpunkt der vollumfänglich bewiesenen Funktionstauglichkeit selbstfahrender Autos der Fahrer keine Nebenbeschäftigung während der Fahrt ausüben darf.
Für den Hersteller ergibt sich bei der Entwicklung der Komponenten ein echtes Trolley-Dilemma. Wie soll das Fahrzeug im Ernstfall reagieren? Ist ein Ausweichmanöver gerechtfertigt, bei dem zwar ein schwerer Unfall mit mehreren Personen verhindert, dafür aber eine einzelne Person verletzt oder sogar getötet wird? Nach deutscher Rechtsprechung ist ein Menschenleben ebenso viel wert wie mehrere zusammengenommen. Wie schneiden Gegenstände und Infrastruktur im Vergleich zu einem Menschenleben ab? Wie müssen selbstlernende Systeme entwickelt werden, die im Gegensatz zum Menschen heute Reifenfetzen des LKWs vor uns oder unachtsam aus dem Fenster geworfener Abfall nicht eindeutig klassifizieren und korrekt reagieren können? Wollen wir diesen Systemen überhaupt die Entscheidung über Menschenleben überlassen? Rechtlich gesehen kann ein Mensch, der im Bruchteil einer Sekunde entscheidet, nicht alle eventuellen Folgen absehen. Von im Voraus programmierten Systemen wird dies erwartet, was eine enorme Verantwortungslast auf die Schultern der Entwickler legt. Fraglich ist auch, wie der Endkunde in die Benutzung des Fahrzeugs eingewiesen wird. Benötigt man zukünftig einen speziellen Führerschein? Wie intuitiv wird das autonome Fahren? Welche Standards in der Benutzerschnittstelle müssen herstellerübergreifend geschaffen werden? Beispielsweise eine einheitliche Signalgebung mit Ton, Licht und Vibration, wenn das Auto den Benutzer zur Übernahme der Fahrtätigkeit auffordert. Müssen Fahrzeuge auch nach außen ihren aktuellen Fahrmodus signalisieren?
Schwedisches Vorzeigeprojekt
Bereits Ende Februar trafen sich internationale Branchenvertreter in Berlin zur jährlichen Automotive Tech.AD Konferenz, um sich über die gegenseitigen Fortschritte zu informieren. Große Anerkennung fand das DriveMe Projekt von Volvo Cars, mit dem die Schweden eine hohe Messlatte setzen. Sicherheit hat dort seit jeher oberste Priorität. Ab 2017 werden in einem Feldversuch 100 Fahrzeuge auf die Straßen geschickt, die rund um Göteborg auf zertifizierten Strecken ohne Ampeln, Gegenverkehr oder Passanten mit einer Höchstgeschwindigkeit von 70 Kilometer pro Stunde autonom fahren. Alle Fahrer sind Privatpersonen. Während der Fahrt werden die Aufnahmen der vorwärts gerichteten Dreifach-Kamera und Werte der Winkel- und Langstrecken-Radars konstant mit einer Cloud-basierten 3D Karte abgeglichen, um eine höchstmögliche Genauigkeit der Positionierung zu erreichen. Die funktionale Sicherheit des Systems ist mit der höchsten Sicherheitsintegritätsstufe ASIL D nach ISO26262 definiert. Alle relevanten Systeme wie Sensoren, Aktuatoren und Signalgeber sind redundant ausgelegt, elektronische Lenk- und Bremssysteme werden mit zusätzlicher Hydraulik abgesichert. Die Kontrolle der autonomen Funktionen übernimmt ein dediziertes zweites Steuergerät. Bei Spurwechsel oder Verlassen der zertifizierten Strecke muss der Fahrer das Steuer übernehmen. Volvo verspricht sich nicht nur Erkenntnisse, um Sicherheit und Effizienz der Fahrweise zu erhöhen, sondern auch Antworten auf rechtliche Fragen und die Erwartungen der Fahrer.
Transport der Zukunft
Foto: Daimler Future Truck 2025
Ob sich die Erwartungen von LKW-Fahrern mit den Vorstellungen von Daimler decken, wird sich zeigen. Laut der Future Truck 2025 Studie der Stuttgarter wird sich sein Profil grundlegend ändern: er wird vom Fahrer zum Transportmanager. Schaut man sich die aktuellen Zahlen an, ist dies nicht unwahrscheinlich. Innerhalb der EU werden 76 Prozent aller Waren über die Straße transportiert. Tendenz steigend. In Deutschland allein soll laut der Verkehrsprognose des BMVI (Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur) der LKW-Verkehr bis zum Jahr 2030 um 39 Prozent wachsen und insgesamt mehr als 85 Prozent des Gütertransports ausmachen. Da steckt einiges an Optimierungsmöglichkeiten drin. Die Monotonie hinter dem Lenkrad und das darin verborgene Unfallpotenzial könnten der Organisation des fahrenden Logistikbüros und der Steuerung des Transportflusses weichen. Während der Truck selbständig fährt und am Zielort die Waren ablädt, plant der ehemalige Fahrer ganz bequemen die nächste Tour. Ein Vorteil läge in der Erweiterung der Zeitschiene, die heute durch die maximal zulässige Fahrdauer begrenzt ist. Die Konzentration auf die Straße entfällt. Per Schalter wird einfach der Autopilot aktiviert. Die Augen des Trucks bilden dann eine Stereokamera mit 100 Metern Reichweite und zwei Radarsensoren, die 250 Metern in einem Winkel von 18° und 70 Meter mit 130° Radius nach vorne abtasten, sowie ein Seitenradar, das 60 Meter weit in einem Winkel von 170° abtastet. Der Anhänger wird in den aktuellen Tests als toter Winkel in Kauf genommen, denn eine Einbeziehung aller Hersteller würde die Untersuchung unnötig verkomplizieren.
Effizienz in der Landwirtschaft
Foto: Claas
In der Landwirtschaft decken sich die Anforderungen nur teilweise mit denen der Personen- oder Güterbeförderung, weiß Thilo Steckel vom Advanced Engineering des Herstellers Claas. Der Fokus autonomen Fahrens liegt hier im Bereich der landwirtschaftlich genutzten Flächen und nicht auf den Straßen und Wegen. Wichtig ist es, die Erntetätigkeit so effizient und umweltverträglich wie möglich zu gestalten und dafür einzelne Tätigkeiten zu automatisieren. Schon heute ist es möglich, das Saatgut auf das zuvor in der Erde eingebrachte Düngeband mit einer Toleranz von nur 2-3 Zentimetern aufzubringen. Die Komplexität des autonomen Fahrens in der Landwirtschaft ist dabei nicht weniger groß als im PKW und LKW Bereich, im Gegenteil. Denn kein Feld gleicht dem anderen. Bodenbeschaffenheit, Topologie und natürliche Begrenzungen wie Hecken oder Gräben sowie das Wetter spielen eine entscheidende Rolle. Pflanzen wachsen je nach Nährstoffgehalt des Bodens unterschiedlich, was eine präzise Anpassung der Düngemenge erfordert. Für einen effizienten Ernteprozess werden im Rahmen von Forschungsprojekten die Routen der Mähdrescher geplant und mit Hilfe von RTK-GPS-basierten Lenkautomaten abgefahren. Unter Berücksichtigung der Füllstandveränderung im Korntank des Mähdreschers lassen sich Überladezeitpunkte und –orte prognostizieren und auf dieser Basis auch Transportfahrzeuge im Feld autonom steuern. Kooperatives Verhalten ist daher von großer Bedeutung für das autonome Fahren in der Landwirtschaft. Der Einsatz von Drohnen zur Unterstützung des Prozesses wäre hilfreich, ist aber problematisch, da der Bediener das Fluggerät nach aktuellen Bestimmungen jederzeit im Blick haben muss. Auch Datenschutzaspekte müssen berücksichtigt werden, da Lohnunternehmer als Dienstleister der Landwirte schützenswerte Informationen wie Ertragspotenzial erfassen und dadurch Rückschlüsse auf den Wert der Flächen ziehen können.
Foto: Institut für Technik der Hochschule Geisenheim
Noch spezieller sind die Anforderungen im Weinbau, wie David Brunner von der Hochschule Geisenheim zeigt. Aufgrund der Topologie mit beengten Platzverhältnissen, schwankenden Traktionsbedingungen und extremen Steillagen von über 100 Prozent Steigung werden bereits bei der Konstruktion des Chassis Grenzen gesetzt. Ein tiefliegender Schwerpunkt muss mit Wendigkeit und begrenztem Gewicht bei gleichzeitig hoher Sicherheit für den Fahrer gepaart werden. Komfort ist nachrangig, Gesundheit jedoch nicht. Beim Versprühen von Pflanzenschutzmitteln muss beispielsweise darauf geachtet werden, dass der Fahrer nicht im Sprühnebel sitzt. Neben den physikalischen Rahmenbedingungen kommen erschwerend auch meist kleine Entwicklungsbudgets und fehlende Skaleneffekte hinzu. Ein Ansatz zur Effizienzsteigerung liegt darin, größere Maschinen durch mehrere kleinere, autonom fahrende zu ersetzen. Der „Geisi“ der Hochschule Geisenheim ist ein erster Prototyp, der ferngesteuert werden kann und mit RTK-GPS, Nav2 Navigationssteuerung, Lenkwinkelsensoren, hydraulisch gesteuerten Ventilen und einem eDAQ Datenlogger ausgestattet ist. Gelenkt wird indirekt über die unterschiedlich hoch angesteuerte Geschwindigkeit des in den Stachelwalzen integrierten Antriebsstranges. In der zweiten Generation, die mit einem Hersteller zusammen entwickelt werden soll, ist ein elektrischer Antrieb zur Optimierung des Lenkprozesses angedacht. Einer der wenigen vorteilhaften Aspekte autonomer Fahrzeuge im Weinbau ist, ähnlich wie in der Landwirtschaft, dass im Gegensatz zum öffentlichen Straßenverkehr weniger rechtliche Bedingungen berücksichtigt werden müssen. Denn fremde Personen sind auf dem Gelände unbefugt und es ist nicht mit leeren Flaschen zu rechnen, die der Vordermann unachtsam aus dem Auto wirft.
Dieser Artikel wurde auch im Magazin ke-next (verlag moderne industrie – Mediengruppe des Süddeutschen Verlag) veröffentlicht.
