Alles über Autonomes Fahren
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Autonomes Fahren: Systeme intelligent vernetzen

Mit den im vergangenen Jahr von unterschiedlichen Herstellern und Zulieferern vorgestellten Versuchsfahrzeugen wurden einige der großen Herausforderungen des autonom fahrenden Nutzfahrzeugs gelöst.

Die Basistechnologien in intelligenten Subsystemen wie Sensorik, Antrieb, Lenkung und Bremse sind bereits in Serie verfügbar. Die Kunst besteht jetzt vor allem darin, diese Subsysteme möglichst intelligent zu vernetzen.

In der schrittweisen Automatisierung der Fahrfunktionen von Nutzfahrzeugen liegen viele Möglichkeiten, den Fahrer zu entlasten und die Sicherheit im Verkehr zu erhöhen. Mit deren Vernetzung kann bereits auf dem Weg zum voll automatisierten Fahren durch die Hersteller von Subsystemen ein Mehrwert geschaffen werden. Knorr-Bremse zum Beispiel hat mit dem sogenannten Autonomous-Yard-Maneuvering-System den komplett autonom fahrenden Lkw als Pilotsystem realisiert und auf der IAA Nutzfahrzeuge vorgestellt. Schon bei den bereits in Serie befindlichen Fahrerassistenzsystemen, wie dem 2015 vorgestellten Abstandstempomaten Wingman Fusion, der in den USA tätigen Knorr-Bremse Tochter Bendix, interagieren Videokamera, Radarsensor, Bremssystem und Motorsteuerung miteinander.

Die intelligente Zusammenarbeit dieser einzelnen Komponenten ermöglicht die Einleitung einer Notbremsung genauso wie das automatisierte Einhalten des Abstands zum Vordermann.

Fehlertoleranz als kritischer Faktor

Für den nächsten evolutionären Schritt spielen Technologie und Know-how rund um die Lenkung eine wichtige Rolle. Durch die Akquisition von tedrive Steering Systems führte Knorr-Bremse diese Kompetenz im vergangenen Jahr unter das Dach des Unternehmens. Die tedrive-Lösung, eine elektronisch gesteuerte Hydrauliklenkung, ermöglicht ein fahrerunabhängiges Lenkmoment und ist somit eine wesentliche Basis für automatisierte Fahrfunktionen. Ein Schwerpunkt der weiteren Entwicklung ist jetzt die integrierte Regelung für das hochautomatisierte Fahren, mit der die Längs- und Querführung sicher realisiert werden kann. Denn das System muss auch in fahrdynamisch kritischen Zuständen und bei einem möglichen Ausfall von Einzelkomponenten noch zuverlässig funktionieren.

Die Fehlertoleranz ist ein sehr wichtiger Punkt bei der Entwicklung dieser Steuerungssysteme. Darunter ist die Eigenschaft eines technischen Systems zu verstehen, seine Funktionsweise auch dann noch aufrechtzuerhalten, wenn unvorhergesehene Störungen oder Fehler in der Elektronik, Mechanik oder Elektrik auftreten. Ein großer Teil der Entwicklungsarbeit wird in Zukunft darin bestehen, die immer komplexeren Netzwerke robust zu machen gegen die Vielzahl an Störungen, die unter realen Fahrbedingungen auftreten können. Denn die Fehlfunktion einer einzigen Baugruppe, der Ausfall einzelner Systemkomponenten oder der Ausfall eines gesamten Bordnetzes können fatale Folgen haben. Vor diesem Hintergrund ist entscheidend, dass Zulieferer Systemverantwortung übernehmen.

Knorr-Bremse entwickelt und liefert bereits seit Jahrzehnten komplexe sicherheitsrelevante Mechatroniksysteme für Nutzfahrzeuge und übernimmt dabei die Gesamtverantwortung für Hardware, Software und die Systemfunktionen. In Verbindung mit automatisiertem Fahren gehört dazu beispielsweise der Einsatz von Redundanzsystemen für die kritischen Systempfade, insbesondere für Bremse und Lenkung. Als Redundanz für eine ausgefallene Lenkung kann dabei etwa das Lenken mithilfe der Bremssteuerung herangezogen werden, indem einzelne Räder gezielt gebremst werden – das sogenannte Steer-by-Braking. Um die Sicherheit zu gewährleisten, durchlaufen die Lösungen von Knorr-Bremse außerdem aufwendige Testverfahren. Und die wichtigen Software-Algorithmen für Steuerung und Regelung entwickelt die Knorr-Bremse-Gruppe selbst.

Vernetzung am Beispiel Platooning

Zusätzlich zur fahrdynamischen Regelung automatisierter Nutzfahrzeuge stellen die Kommunikation zwischen einzelnen Fahrzeugen und der Datenaustausch zwischen dem Fahrzeug und der Verkehrsinfrastruktur einen weiteren Schritt in Richtung autonomes Fahren dar. Ein Beispiel dafür ist das sogenannte Platooning, also das automatisierte Kolonnenfahren. Hier eröffnet sich bei Autobahnfahrten mit Fahrzeugabständen von 10 bis 15 Metern ein signifikantes Potenzial, um Kraftstoff einzusparen. Die Lkw hinter dem Leitfahrzeug fahren dann im Windschatten und profitieren von einem deutlich geringeren Luftwiderstand. Auch das Leitfahrzeug profitiert durch eine verbesserte Aerodynamik. Heute gilt bei einer Geschwindigkeit von 85 Kilometern pro Stunde ein Sicherheitsabstand von 50 Metern. Um den deutlich geringeren Abstand sicher zu beherrschen, ist eine Kommunikation zwischen den Fahrzeugen innerhalb der Kolonne unerlässlich. Sie ermöglicht eine gleichzeitige Beschleunigung und Verzögerung aller Fahrzeuge der Kolonne und vermeidet dadurch den sogenannten Ziehharmonika-Effekt. Mit dieser gleichmäßigeren Fahrweise wird ein zusätzlicher Einspareffekt erzielt.

Am Beispiel Platooning lässt sich auch die Relevanz der telematischen Anbindung einzelner Fahrzeuge zeigen. Dazu gehört etwa die Verbindung mit dem Managementsystem des Betreibers oder einer anderen Softwareplattform zur Koordination von Platoons in der Cloud. Erst das ermöglicht eine sinnvolle Planung von Kolonnen-Gemeinschaften, die Berechnung von geeigneten, gemeinsamen Strecken sowie die faire Verteilung des Vorteils unter den beteiligten Fahrzeugen. Als effiziente Basis für die fehlertolerante Steuerung einer Nutzfahrzeugkombination hat Knorr-Bremse im letzten Jahr die neue Generation der Bremsensteuerung GSBC vorgestellt. Neben den bekannten elektronischen Bremssteuer- und Stabilisierungsfunktionen wie ABS und ESP wird GSBC zukünftig Redundanzlösungen für Lenk- und Bremsfunktionen anbieten und dient so als Integrationsplattform für weitergehende Fahrzeugfunktionen.

Fahrer bleibt beim hochautomatisierten Fahren in der Kabine

Heute bekannte Assistenzsysteme entlasten den Fahrer bei seiner Arbeit und machen die Abläufe sicherer. Warnende Systeme wie der Spurverlassenswarner beschränken sich in einer Gefahrensituation darauf, den Fahrer auf die möglicherweise kritische Situation aufmerksam zu machen. Dies geschieht durch optische, akustische oder haptische Signale. Eingreifende Systeme wie der Notbremsassistent reagieren in einer kritischen Situation mit einer Eingriffs-Kaskade, die zum Beispiel von einer akustischen Warnung über eine schwache Bremsung bis hin zu einer Vollbremsung führt. Andere Assistenzsysteme wie das ESP unterstützen den Fahrer in kritischen Fahrsituationen, indem sie das Schleudern oder Umkippen verhindern. Die Verantwortung und die Entscheidungsgewalt über das Fahrzeug liegen auf dieser Stufe der assistierenden Systeme jedoch allein beim Fahrer. Das ändert sich beim Übergang zum hochautomatisierten Fahren.

Hier wird die Verantwortung des Fahrers in bestimmten Fahrsituationen oder auf klar vorgegebenen Streckenabschnitten vorübergehend ganz oder teilweise auf das Automated Driving-System übertragen. Dazu muss ein solches System nicht nur in Standard-Fahrsituationen das Fahrzeug vollständig unter seiner Kontrolle haben, sondern auch in Gefahrensituationen selbstständig entscheiden, ob es etwa eine Notbremsung einleitet oder ausweicht. Der Fahrer bleibt beim hochautomatisierten Fahren weiterhin in der Kabine und muss die Fahrzeugkontrolle jederzeit innerhalb von rund zehn Sekunden wieder übernehmen. Sollte er dazu nicht in der Lage sein, so wird das Fahrzeug mittels eines Minimal-Risk-Manövers – also einer kontrollierten Bremsung – automatisiert zum Stillstand gebracht.

Beim rechtlichen Rahmen sind viele Fragen ungeklärt

Beim voll automatisierten oder autonomen Fahren bewegt sich das Fahrzeug ohne Zutun des Fahrers. Die Systeme allein übernehmen die Verantwortung für einen reibungslosen Verkehrsablauf. Um das zu gewährleisten und dabei Fehler mit fatalen Folgen sicher ausschließen zu können, muss die Komplexität der Umgebungsbedingungen derzeit noch stark eingeschränkt werden. Deshalb werden sich solche Systeme im Nutzfahrzeuggeschäft zunächst in geschlossenen, nicht öffentlichen Umgebungen wie auf einem Betriebshof oder beispielsweise in einer Mine durchsetzen. Denn hier lassen sich die möglichen Verkehrssituationen sehr gut kontrollieren. Beim Autonomous Yard Maneuvering von Knorr-Bremse zum Beispiel beginnt der Lkw seine autonome Fahrt ohne Fahrer erst, nachdem das Fahrzeug im Managementsystem eines Betriebsgeländes eingeloggt ist und ihm eine Zielposition zugewiesen wurde. Auf vorgegebenen Streckenverläufen fährt das Fahrzeug dann GPS-gesteuert zur zugewiesenen Verladerampe. Ist die Strecke durch ein Hindernis wie einen querenden Gabelstapler versperrt, erkennen das die Umfeldsensoren des Fahrzeugs und es bleibt stehen.

Die automatisierte Fahrt wird erst fortgesetzt, wenn die Strecke wieder frei ist. An der Zielposition angekommen, rangiert das Fahrzeug automatisch und präzise rückwärts bis an die Verladerampe. Auch hier wird das Umfeld permanent überwacht, um Unfälle zu vermeiden. Für den Einsatz autonomer Nutzfahrzeuge auf öffentlichen Straßen sind jedoch noch viele Fragen zu klären. Die heutige Gesetzgebung schreibt beispielsweise einen Mindestabstand von 50 Metern vor, womit Platooning nicht zugelassen ist. Die Vorschriften müssen daher so angepasst werden, dass unter bestimmten Voraussetzungen Platooning möglich ist. Eine wichtige Fragestellung ist dabei unter anderem: Was passiert bei einer Kolonne von mehreren Lkw, die sich in voller Fahrt im optimierten Abstand von gut zehn Metern auf der Autobahn einer Ausfahrt nähern? Müssen die Abstände vorübergehend erweitert werden, um aus- und einfahrenden Fahrzeugen mehr Raum zu geben?

Hohe Komplexität beim innerstädtischen Fahren

Gegenüber der Verkehrssituation auf einer Autobahn erreicht der innerstädtische Verkehr eine deutlich höhere technische Komplexität. Auch hier wird es weitere Assistenzfunktionen geben. Dazu gehört der Abbiegeassistent von Knorr-Bremse. Er warnt den Fahrer vor möglichen Kollisionen mit Verkehrsteilnehmern an den Seiten des eigenen Fahrzeugs. In der auf der IAA Nutzfahrzeuge 2016 von Knorr-Bremse vorgestellten Version beschränkt sich der Assistent auf das Warnen. Für eine der nächsten Evolutionsstufen sind auch hier automatisierte Eingriffe in die Bremse vorgesehen. Denn der geringe Abstand zwischen dem Lkw und einem rechts vorbeifahrenden Radfahrer beispielsweise ist so gering, dass die Zeit für eine vollständige Warnkaskade fehlt. Mit dem direkten Eingriff in die Bremse können schwere Unfälle verhindert werden.

Mit den kommenden Funktionen des automatisierten Fahrens verändert sich auch die Aufgabenstellung des Fahrers. Er wird künftig immer mehr Fahrzeug-Manager, übernimmt Überwachungsaufgaben oder betreut weitere logistische Prozesse. Das autonome Nutzfahrzeug wird dabei zunächst nur auf Autobahnen fahren. Bis zu seinem Einsatz im öffentlichen, innerstädtischen Bereich wird es dagegen wohl noch deutlich länger dauern. Mit dem sogenannten Automation Level 3 (SAE J3016), das dem Fahrer in bestimmten Situationen und für eine begrenzte Zeit die Führungsverantwortung abnimmt, ist ab dem Jahr 2023 zu rechnen. Voraussetzung ist bei alledem, dass der Gesetzgeber die ausstehenden rechtlichen Fragestellungen eindeutig löst.

Autor

Foto

Jann Averwerser

Datum

23. Mai 2017
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