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  • Das Mercedes-Benz Vision URBANETIC People-Mover-Modul.
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    Wie autonomes Fahren gelingt – Ein Pilotprojekt von Daimler und Bosch.

    2019 testen Daimler und Bosch in einem Pilotprojekt vollautomatisierte Technologie im Stadtverkehr. Das Auto wird dabei seine Umgebung wahrnehmen und sich einen sicheren Weg durch die Stadt suchen.

Sicherheit an erster Stelle.

Was der Mensch am Steuer eines herkömmlichen Fahrzeugs im dichten Stadtverkehr vollbringt, ist eine außergewöhnliche Leistung. Aufmerksam beobachtet er die Umgebung, trifft in Sekundenbruchteilen Entscheidungen, bedient das Fahrzeug und orientiert sich geografisch. Dieses hohe Niveau gilt es auch beim Autonomen Fahren zu erreichen: Wird die Technologie ebenso leistungsfähig sein wie der Mensch – oder gar noch besser? Michael Hafner, Leiter Automatisiertes Fahren bei Daimler hat hier eine klare Antwort: „Wir nähern uns dem Ziel des automatisierten Fahrens konsequent und auch schneller, als viele vermuten.“ Wesentlich dabei sei jedoch, „ein sicheres, zuverlässiges und serienreifes System einzuführen. Sicherheit steht an erster Stelle und zieht sich bei uns wie ein roter Faden durch alle Aspekte und Entwicklungsschritte auf dem Weg zur Serieneinführung. Gründlichkeit geht dabei im Zweifel vor Schnelligkeit.“


Mit dem Intelligent World Drive testet Mercedes-Benz mit einem Erprobungsfahrzeug auf Basis der S‑Klasse automatisierte Fahrfunktionen auf fünf Kontinenten.
TecDay #urban automated driving Immendingen 2018: Kameras erlauben dem Fahrzeug, Ampeln und Verkehrszeichen zu lesen.

Die Stadt als Testfeld.

Realität wird das vollautomatisierte Fahren bereits im nächsten Jahr. Denn in der zweiten Jahreshälfte 2019 nimmt Daimler zusammen mit Bosch im Silicon Valley in Kalifornien den Pilotbetrieb im Stadtverkehr auf. Damit beschleunigen beide Unternehmen die Entwicklung des vollautomatisierten sowie des fahrerlosen Fahrens. Ziel ist eine Serienreife in Kundenfahrzeugen zu Beginn des nächsten Jahrzehnts.

Mit dem vorgesehenen Testfeld begeben sich die beiden Entwicklungspartner in eine Umgebung höchster Komplexität: In Städten tummeln sich auf geringem Raum und in unübersichtlichen Situationen Personenwagen, Nutzfahrzeuge, Fußgänger, Radfahrer, Skateboarder und Haustiere. Einige dieser Verkehrsteilnehmer werden niemals mit Technologie ausgestattet sein, die eine direkte Vernetzung mit anderen Verkehrsteilnehmern ermöglicht. Genau das gibt die Entwicklungsrichtung vor: Die Systeme des vollautomatisierten Fahrens müssen nicht nur die damit ausgestatteten Fahrzeuge voranbringen, sondern diese gleichzeitig auch über ihre Sensoren mit der kompletten Umgebung in Beziehung setzen, sodass die Interessen aller berücksichtigt sind. Das Ergebnis: ein sicherer Verkehr. „Wir halten an unserer Vision vom unfallfreien Fahren fest“, sagt Hafner. „Dieses ambitionierte Ziel lässt sich nur mit vielen kleinen Schritten hin zum autonom fahrenden Auto verwirklichen.“

Hohe Technikanforderungen.

Wie vollautomatisiertes Fahren funktioniert? Vereinfacht gesagt: Das Auto kennt Startpunkt, Fahrtziel und verfügt über das entsprechende detaillierte und hochauflösende Kartenmaterial. Es hat Sensoren, um das Umfeld zu erkennen, und alle technischen Möglichkeiten, um ohne Zutun des Fahrers zu lenken, zu beschleunigen und zu bremsen. Der Computer berechnet die ideale Route. Geht die Fahrt los, erfasst das Auto wie ein menschlicher Fahrer Abschnitt für Abschnitt die Umgebung und legt selbstständig seine Aktionen fest. Das ermöglicht auch flexibles Verhalten, zum Beispiel einem auf die Fahrbahn rollenden Ball auszuweichen oder rechtzeitig abzubremsen.

Klingt simpel. Doch die Anforderungen an die Technik sind enorm. „Ein moderner Bürocomputer ist heutzutage eine sehr leistungsfähige, kompakte Recheneinheit. Im vollautomatisierten Fahrzeug stellen alle Steuergeräte zusammen die sechsfache Kapazität zur Verfügung, um in jeder Sekunde Billionen von Operationen zu bewältigen“, sagt Theresa Kienle, bei Bosch in der Entwicklung Autonomes Fahren tätig. Bei der Hardware arbeiten Daimler und Bosch mit dem auf Bildverarbeitung und künstliche Intelligenz spezialisierten nordamerikanischen Unternehmen Nvidia zusammen.

Mit dem Intelligent World Drive testet Mercedes-Benz mit einem Erprobungsfahrzeug auf Basis der S‑Klasse automatisierte Fahrfunktionen auf fünf Kontinenten.

Zuverlässige Umfelderkennung als Basis.

Entscheidend für vollautomatisiertes und fahrerloses Fahren im urbanen Umfeld ist die zuverlässige Umfelderkennung mithilfe unterschiedlicher Sensoren: Kameras, Radarsignale, Ultraschall und Lidar werden zu den Sinnesorganen des Autos. Jeder Sensor hat spezifische Qualitäten. So kann eine Kamera Farben erkennen, zwei Kameras ermöglichen räumliches Sehen. Radar arbeitet schnell, kann sogar unter Autos durchschauen und reicht bis zu einer Entfernung von 250 Metern. Ultraschall spielt seine Stärken dagegen im Nahbereich aus. Lidar – die Abkürzung steht für „Light Detection and Ranging“, eine Messung per Laserstrahlen, – ergänzt mit einer hochgenauen dreidimensionalen Messung der Distanz zum erkannten Objekt sowie dessen Position und Höhe.


Alle Sensoren tasten ständig und in Echtzeit die komplette Umgebung ab. Aus der Kombination ihrer Daten wird in der sogenannten Sensorfusion innerhalb von Millisekunden ein hochgenaues Umgebungsmodell errechnet und präzise der Weg des Fahrzeugs geplant. Die Algorithmen erarbeiten Daimler und Bosch gemeinsam. Dabei entstehen große Datenmengen. So liefert allein eine Stereo-Videokamera pro gefahrenen Kilometer etwa 100 Gigabyte Daten. Das Umgebungsmodell erfüllt die hohen Sicherheitsanforderungen von Daimler und Bosch – aus Sicht beider Unternehmen eine Grundvoraussetzung für das vollautomatisierte und fahrerlose Fahren. Für eine maximale Zuverlässigkeit führen verschiedene Schaltkreise die erforderlichen Rechenoperationen parallel durch.


TecDay #urban automated driving Immendingen 2018: Kameras erlauben dem Fahrzeug, Ampeln und Verkehrszeichen zu lesen.

Maschinenlernen.

Gearbeitet wird mit neuronalen Netzen, künstlicher Intelligenz und Maschinenlernen, auch „Deep Learning“ genannt. Die Entwickler füttern die neuronalen Netze mit einer maximalen Zahl von Verkehrssituationen. „Um Straßensituationen korrekt zu beurteilen, muss der Computer viele Straßensituationen gesehen haben – mit korrekter Zuordnung, was was ist“, erläutert Uwe Franke, Leiter Bildsemantik bei Daimler. „Dabei geben unsere Ingenieure vor, was gelernt werden soll. Das System kommt nicht von selbst auf die Idee, zu schauen, was hinter dem nächsten Hügel liegt.“ So lernen die Systeme, welche Schlüsse im jeweiligen Fall zu ziehen sind – ganz wie der Mensch.

Auf dem Display der Entwickler sieht beispielsweise das von einem Lidar während einer Fahrt durch den Ort erkannte Bild so aus: Auf dem Gehweg laufen zwei Fußgänger – beide sind rot dargestellt. Ein Radfahrer erscheint ebenfalls in Rot, sein Rad hingegen wird dunkelrot gezeigt. Autos sind mittelblau, Nutzfahrzeuge dunkelblau. Straßenlaternen erscheinen auf dem Display grau. Parallel dazu tasten alle anderen Sensoren die Szene ab und liefern ebenfalls Daten.


Umgebungserkennung.

„Ein großer Fortschritt ist die genaue Klassifizierung und Detailerkennung“, sagt Markus Enzweiler, bei Daimler für Lidar-Systeme zuständig. „Das vollautomatisierte Auto sieht nicht einfach nur Objekte, sondern es weiß gewissermaßen, dass es sich tatsächlich um eine Person oder eine bestimmte Fahrzeugart handelt, und kennt die Eigenheiten.“

Zusätzlich geben die Rechner eine Prognose zur Bewegungsrichtung. Für Entscheidungen insbesondere im dichten Straßenverkehr sind das essenzielle Informationen. Geht ein Fußgänger parallel zur Fahrbahn auf dem Bürgersteig? Ist zu erwarten, dass er dort eine andere Person mit Kinderwagen überholt und dabei vielleicht auf die Fahrbahn tritt? Oder will er die Straße überqueren und nähert sich einem Zebrastreifen? Sogar verdeckte Personen werden erkannt, wenn sie etwa hinter einem stehenden Auto auftauchen. Gesten müssen ebenfalls berücksichtigt werden, etwa wenn ein am Überweg stehender Fußgänger einem Auto per Winken signalisiert, dass es vorbeifahren kann.


Mit dem Intelligent World Drive testet Mercedes-Benz mit einem Erprobungsfahrzeug auf Basis der S‑Klasse automatisierte Fahrfunktionen auf fünf Kontinenten.
Mit dem Intelligent World Drive testet Mercedes-Benz mit einem Erprobungsfahrzeug auf Basis der S‑Klasse automatisierte Fahrfunktionen auf fünf Kontinenten.

Unterschiedliche Verkehrssituationen.

Worin die größten Erfolge der jüngeren Zeit liegen? „Die Erkennungsrate ist in ganz unterschiedlichen Verkehrssituationen vorzüglich geworden“, sagt Markus Braun, Informatiker und seit drei Jahren in der Daimler-Entwicklung des automatisierten Fahrens. Die Systeme „sind robuster geworden, wie wir das nennen – das Ziel ist die geringstmögliche Zahl von Fehlerkennungen.“ Um den Computern einen möglichst breiten Erfahrungshorizont mitzugeben und auch regionale Eigenheiten zu berücksichtigen, habe man die neuronalen Netze mit Daten aus zwölf europäischen Ländern gefüttert, erläutert Braun. „In Rom verhalten sich die Verkehrsteilnehmer vollkommen anders als in Berlin.“


Alle wichtigen Systeme sind doppelt vorhanden.

Alle Daten fließen im Automated Drive Controller (ADC) zusammen, dem Zentralrechner des vollautomatisierten, fahrerlosen Fahrzeugs. Er trifft die Entscheidungen und gibt sie an die Motion Control Unit weiter. Diese steuert die Aktuatoren an – das Lenkrad, das Gaspedal, die Bremsen. Daimler macht dafür klare Vorgaben: Alle kritischen Aktuatoren und Bewegungssensoren müssen in einem vollautomatisierten Mercedes-Benz doppelt vorhanden sein, inklusive der Steuergeräte und der Stromversorgung.


So hat die von Elektromotoren angesteuerte Lenkung nicht nur zwei Motoren, sondern auch eine doppelte Leistungselektronik. Der bisher übliche pneumatische Bremskraftverstärker wird ersetzt durch den iBooster von Bosch, einen elektromechanischen Bremskraftverstärker. Zusammen mit dem System des Elektronischen Stabilitäts-Programms ESP entsteht ein Bremssystem, das auch beim Ausfall einzelner Komponenten ein sicheres Anhalten erlaubt.


TecDay #urban automated driving Immendingen 2018: Kameras erlauben dem Fahrzeug, Ampeln und Verkehrszeichen zu lesen.

Sicher auf die Straße.

Ein auf mehrere Steuergeräte verteilter Verbund von Software-Modulen steuert das Zusammenspiel der Aktuatoren. Dazu gehört auch das Erkennen und Ausgleichen von Störgrößen wie Seitenwind, Bodenwellen oder eine unerwartet rutschige Fahrbahn. Außerdem kann dieser das Fahrzeug sicher zum Stehen bringen, falls die Fahrtanweisungen des ADC ausfallen sollten oder nicht plausibel sind. Das System generiert permanent einen Anhaltepfad, auf den der verbleibende Verbund notfalls zurückgreifen kann.

Insgesamt ein sehr hoher Aufwand. Aber Daimler und Bosch sind sich einig: Mit weniger geht es nicht. „Die serienreife Entwicklung des automatisierten Fahrens ist wie ein Zehnkampf“, sagt Stephan Hönle, Produktbereichsleiter für automatisiertes Fahren bei Bosch. „Es genügt nicht, in ein oder zwei Bereichen gut zu sein. Man muss, wie wir, alle Disziplinen beherrschen. Nur dann wird es gelingen, automatisiertes Fahren sicher auf die Straße und in die Stadt zu bringen.“