• Die Vermessung der automobilen Welt.

  • Die Vermessung der automobilen Welt

    • 26. February 2014
    • Autonomes Fahren
    • Fotos: Daimler
    • Text: Kai-Holger Eisele

    Daimler-Forscher arbeiten an der zentimetergenauen Positionsbestimmung von Fahrzeugen als Voraussetzung für die Entwicklung autonomer Fahrsysteme.

    Autonomes Fahren wird über die kommende Dekade hinweg Schritt für Schritt zur Realität auf den Straßen. Stufenweise wird Mercedes-Benz neue autonome Fahrfunktionen in Serienmodelle bringen, die dem Fahrer auf Wunsch immer mehr Aufgaben abnehmen und ihn etwa im Stau oder auf der Autobahn entlasten. Am Ende dieser phasenweisen technologischen Entwicklung steht die Vision vom vollautonomen Fahrzeug mit höchstem Komfort für die Insassen und maximaler Sicherheit für alle Verkehrsteilnehmer.

    Bis es soweit ist, läuft die Entwicklung unterschiedlichster Technologien, die für eine absolut zuverlässige Funktionalität der autonomen Systeme im realen Alltagsverkehr benötigt werden, bei Daimler auf Hochtouren. Neben den Sensortechnologien – sozusagen die Hardware, die dazu dient, das nahe und weitere Umfeld eines autonom fahrenden Automobils mittels Kamera, Radar und Ultraschall exakt zu erfassen – sind dabei vor allem Informationstechnik und intelligente Datenverarbeitung gefragt. Die Herausforderungen sind vielfältig: Die Fahrzeugumgebung muss nicht nur erfasst sondern in einer permanenten Situationsanalyse vom System erkannt, interpretiert und korrekt „verstanden“ werden. Damit diese Analyse absolut verlässlich ausfällt, werden die Daten der verschiedenen Sensoren nicht einzeln sondern stets gebündelt analysiert („Sensorfusion“). Unter anderem auf Basis dieser Auswertung ist das autonome Fahrzeug zukünftig dann in der Lage seine weiteren Manöver zu planen und durch das elektronische Ansteuern von Lenkung, Bremsen und Antrieb innerhalb von Millisekunden umzusetzen. Das muss weitaus schneller funktionieren, als es einem menschlichen Fahrer möglich wäre.

    GENAUIGKEIT DER LOKALISIERUNG IM ZENTIMETERBEREICH

    Eine zentrale Voraussetzung für Situationsanalyse und Manöverplanung durch das autonome Fahrsystem ist dabei die höchst exakte Standortbestimmung des Fahrzeugs in einer Karte. Anders ausgedrückt: Nur wenn das Fahrzeug sich des eigenen Platzes in der Welt „bewusst“ ist, kann es auch die richtigen Entscheidungen daraus ableiten und den optimalen Fahrkorridor hin zu einem gewählten Ziel selbst bestimmen. Die technischen Anforderungen für die Lokalisierung sind dabei durchaus komplex, denn herkömmliche, satellitengestützte Verfahren der Positionsbestimmung im Fahrzeug, wie etwa der Einsatz von GPS in Navigationssystemen, stellen keine ausreichend genauen Daten bereit. „GPS liefert uns Standortinformationen mit einer Genauigkeit von einigen Metern – wir aber benötigen für hochautomatisierte Fahrfunktionen je nach Situation eine Genauigkeit von bis zu zwanzig Zentimetern“, erklärt Martin Haueis, Leiter Lokalisierung und Datenmanagement in der Konzernforschung und Vorentwicklung bei Daimler.

    Beispiel Kreuzungssituation: Zum Einen muss das autonome Fahrzeug so weit an die Kreuzung heranfahren, dass seine Sensorsysteme herannahende Verkehrsteilnehmer selbst bei schlecht einsehbaren Verhältnissen zuverlässig erfassen kann. Zum Anderen darf es keinesfalls so weit in die Kreuzung einfahren, dass andere Teilnehmer behindert oder im ungünstigsten Fall gar gefährdet würden. Dass hierfür eine Standortgenauigkeit mit einer Varianz von mehreren Metern keineswegs ausreicht erklärt sich von selbst. Der erforderliche feinere Grad der Genauigkeit bei der Lokalisierung, berichtet Haueis, hängt damit auch vom Umfeld ab, in dem sich ein autonomes Fahrzeug bewegt. In komplexen Verkehrssituationen, wie beispielsweise im Stadtverkehr mit Abbiegesituationen, Fußgängerwegen, Ampeln und Kreisverkehren, ist eine höhere Lokalisierungsgenauigkeit erforderlich als auf einer Autobahn. Viel Zeit für die Standortbestimmung bleibt dem System aber in keinem Fall: Sie muss innerhalb einer Zehntelsekunde (100 Millisekunden) erfolgen.

    DIGITALE KARTEN FÜR DIE ZUKUNFT

    Eine wichtige Grundlage bei der Beschreibung der Umgebung um das Fahrzeug an einer gegebenen Position werden in Zukunft hochgenaue digitale Karten sein, deren Informationsgehalt weit über den von heute gebräuchlichen Navigationssystemen hinausgeht. Sie enthalten in verschiedenen Kartenschichten etwa Informationen über Spurverläufe und -breiten oder den Standort von Verkehrsschildern, Ampeln und Gebäuden mit einer Exaktheit von bis zu zehn Zentimetern. Erstellt werden die neuartigen Karten durch den Einsatz spezieller Messfahrzeuge, wie sie auch heute schon bei Kartenherstellern vorhanden sind. Während des autonomen Fahrvorgangs lokalisiert sich das Fahrzeug in der digitalen Karte. Dazu werden die in der Karte gespeicherten Landmarken genutzt, um durch Korrespondenzfindung die genaue Position des Fahrzeugs zentimetergenau zu berechnen. Ist dies geschehen, gewinnen die Sensorfusion und die Situationsanalyse aus der digitalen Karte Umgebungsinformationen zum vorausliegenden Fahrkorridor, zu Ampeln, Fußgängerüberwegen, Stoppschildern und vielem mehr.

    Auf diese Weise steht dem Fahrzeug während des Fahrens ein Modell der Umgebung zur Verfügung, das sich sowohl der Informationen der sensorischen Umgebungserfassung als auch der Informationen der digitalen Karte bedient. Dabei werden die jeweiligen Schwächen ausgeglichen, die Karte und Sensorik zumindest nach dem heutigen Stand der Technik noch innewohnen. Die dynamischen Informationen, die die zu einem vorherigen Zeitpunkt erfassten Daten der digitalen Karte nicht enthalten, werden von den Sensoren geliefert. Der Nachteil der begrenzten Sichtweite von Sensoren – die zum Beispiel nicht um sichtversperrende Objekte herum sehen können – wird wiederum von der Karte wettgemacht, die etwa den weiteren Spurverlauf hinter einer Kurve bereits kennt.

    EIN NETZWERK AUS FAHRZEUGEN

    Daimler-Experte Haueis denkt jedoch längst über die technischen Limitierungen von heute hinaus: „Die Vision ist die Einbeziehung der Fahrzeuge in die Aktualisierung der digitalen Karten,“ sagt er, „wobei sie als ständige Sender von Kartenänderungen die Karteninformationen aktuell halten und zum Beispiel einen neu entstandenen Kreisverkehr oder eine Baustelle sofort an ein entsprechendes Backend melden.“ Umgekehrt profitiert jedes Fahrzeug als Empfänger zugleich von den Informationen des Netzwerks. Schon heute ist die flächendeckende, direkte Kommunikation von Fahrzeugen untereinander („Car-to-Car-Kommunikation“) längst möglich, indem Sensordaten, etwa über Staus oder Unfälle, direkt an nachfolgende Autos gemeldet werden – egal ob diese autonom oder mit einem menschlichen Fahrer hinter dem Steuer unterwegs sind.

    Darüber, welche Art von Daten die einzelnen Schichten der Karte für autonome Fahrzeuge enthalten müssen, entscheiden die Anforderungen der Sensorfusion, der Situationsanalyse sowie der Fahrzeuglokalisierung. Für die erfolgreichen Testfahrten des autonomen Forschungsfahrzeugs S 500 INTELLIGENT DRIVE, die im Spätsommer 2013 auf der historischen Bertha-Benz-Route zwischen Mannheim und Pforzheim stattfanden, haben die Entwickler von Mercedes-Benz einen kamerabasierten Lokalisierungsansatz gewählt, der Bezug auf charakteristische Landmarken entlang der Strecke nimmt. Die Bilder der im Forschungsfahrzeug verwendeten Kameras – eine Stereokamera mit Blick nach vorne und eine Monokamera nach hinten – wurden dabei permanent mit dem in der Karte hinterlegten dreidimensionalen Abbild der Umgebung verglichen. Um die Robustheit kamerabasierter Lokalisierungsverfahren zu steigern, werden sogenannte MEMS („Microelectromechanical systems“) im Fahrzeug genutzt – mikroskopisch kleine Beschleunigungssensoren, die ausgehend von einem geografischen Bezugspunkt die zurückgelegte Strecke und Richtung des Fahrzeugs messen. MEMS-Sensoren sind schon heute Voraussetzung für die Zündung des lebensrettenden Airbags oder für die Erkennung fahrdynamisch kritischer Situationen durch das elektronische Stabilitäts-Programm ESP®.

    Zu den verglichenen Merkmalen von Kamerabildern und Karte gehören dabei selbst feinste Details in der Fahrzeugumgebung: Straßenschilder und -markierungen, Bordsteinkanten, Fenstersimse, Gebäudekanten und vieles mehr. In der Kombination der verschiedenen Merkmale erhält so jede denkbare Position auf der Strecke ihr charakteristisches „Gesicht“. Eine Herausforderung für die Zukunft wird laut Martin Haueis dabei die Regionalisierung der digitalen Karten darstellen, denn beispielsweise ein US-amerikanischer Highway sieht unter Umständen ganz anders aus, als eine deutsche Autobahn – und die Lokalisierung muss schließlich überall auf der Welt absolut zuverlässig funktionieren.

    Eine solche merkmalsbasierte Positionsbestimmung kann dabei nicht nur mithilfe einer Kamera erfolgen. Der Einsatz von Radar oder die Umgebungsmodellierung mittels Laserscanner sind mögliche Alternativen, die mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen in der Daimler-Forschung ebenfalls verfolgt werden.

    Keine Frage: Der technologische Fortschritt im Bereich der Informations- und Sensortechnologie wird über die kommende Dekade eine völlig neue Dimension der fahrassistenzgestützten Mobilität eröffnen. Bis hin zum vollautonomen Fahrsystem, das auf Wunsch ohne menschliche Eingriffe auskommt. Für Daimler-Forscher Martin Haueis hat die intensive Beschäftigung mit dem Thema Fahrzeuglokalisierung bereits den Blick verändert. Bei der Entwicklung der neuartigen digitalen Karten für autonome Fahrzeuge, sagt er, „beginnt man schon, die Welt um uns herum mit ganz anderen Augen zu sehen.“

    FAHRKORRIDOR

    Die Berechnung der “Ideallinie”

    Der rechnerisch festgelegte Fahrkorridor, auch „Fahrschlauch“ genannt, legt die exakten Grenzen des Raumes fest, durch den sich das autonome Fahrzeug auf ein angesteuertes Ziel hin sicher bewegen kann. In diese Berechnung fließen zahlreiche Parameter, wie der augenblickliche Standort, die Spurbreite, Topographie, Geschwindigkeitsbeschränkungen und die Abmessungen des Fahrzeugs, mit ein. Im Rahmen dieses sicheren Korridors liegt dann die ideale Trajektorie des Fahrzeugs – sein genauer Bewegungspfad im dreidimensionalen Raum über die Zeit hinweg, wobei auch mögliche Hindernisse mit einbezogen werden müssen. Wie weit im Voraus der Fahrkorridor berechnet werden muss hängt dabei maßgeblich von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab.

    FAHRZEUGSENSORIK

    Die Augen und Ohren des Automobils

    Für die erfolgreichen Testfahrten des autonomen Forschungsfahrzeugs S 500 INTELLIGENT DRIVE kamen nur solche Sensortechnologien zum Einsatz, die ähnlich schon heute in Serienfahrzeugen von Mercedes-Benz zur Anwendung kommen. Am Beispiel der Mercedes-Benz S-Klasse gehören dazu die beiden „Augen“ der Stereokamera im Bereich des Innenspiegels, sechs Radarsensoren für die Erfassung des Nah- und Fernbereichs vorn, hinten und seitlich am Fahrzeug, insgesamt zwölf Ultraschallsensoren sowie vier weitere Kameras für das 360-Grad-Kamerasystem. Während die Stereokamera im Nahbereich bis 50 Meter dreidimensional „sehen“ kann, erfassen die Radarsensoren der S-Klasse das Fahrzeugumfeld bis zu einer Entfernung von 200 Metern. Für die Fahrt des S 500 INTELLIGENT DRIVE wurde die Basisbreite der Stereokamera dagegen vergrößert, um Objekte auch in größerer Entfernung mittels Kamera erkennen zu können. Gegenüber der Serienversion der S-Klasse kam außerdem eine Farbkamera hinzu, die der Beobachtung von Ampeln dient.

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