Mobilität der Zukunft

Der irre Aufwand für das autonome Fahren

Von Holger Appel
 - 11:02

Die Zukunft des Automobils ist angeblich elektrisch und autonom. Während es in der Gesellschaft zunehmenden Zuspruch zum elektrischen Fahren zumindest in der Stadt gibt, ist beim autonomen Fahren nicht eindeutig, wer der Treiber ist. Wollen die Menschen wirklich das Lenkrad aus der Hand geben, oder wittert die Industrie ein lukratives Geschäftsfeld?

Sicher ist, dass neben ethischen Fragen zur Programmierung von Algorithmen auf Leben und Tod und dem Umgang mit den allumfassend erhobenen persönlichen Bewegungsdaten die technischen Herausforderungen enorm sind. Kein Assistenzsystem arbeitet heute zuverlässig, nicht mal ein so simples wie die Verkehrsschilderkennung. Sind die Schilder verschmiert oder verdreckt, geht mit den sie lesenden Kameras schon gleich gar nichts mehr. Ob Regen, tiefstehende Sonne, Eis, Schmutz oder Systemfehler – immer wieder melden sich die Assistenten ab. Das aber dürfte unter autonomer Fahrt niemals geschehen.

Einen gewissen Konsens gibt es über den Stau auf der Autobahn. Den empfinden die meisten als ärgerliche Zeitverschwendung, weshalb die Option, währenddessen E-Mails abzurufen oder fernzusehen, verlockend klingt. Für die Industrie hat er den angenehmen Nebeneffekt, dass die Stand- und Langsamfahrsituation vom Computer am leichtesten zu beherrschen ist. Die Autobahn ist das sicherste Straßennetz und technisch zugleich das einfachste. Doch selbst hier ist eine ganze Armada an Sensoren und Rechnern notwendig, um den Menschen halbwegs zu ersetzen.

Zur Serieneinführung fehlt noch der Gesetzgeber

Audi geht als erster Hersteller mit dem brandneuen Oberklassemodell A8 so weit, die Haftung zu übernehmen, während der Stau-Assistent fährt. Das tut er zwischen 0 und 60 km/h. Und er übernimmt das Kommando dauerhaft, der Fahrer muss nicht mehr nach Sekunden die Hand ans Lenkrad nehmen. Zur Serieneinführung fehlt freilich noch der Gesetzgeber, der sich schon schwergetan hat, das zugrundeliegende Wiener Abkommen aufzuweichen. Derzeit ist automatisiertes Lenken nur bis 10 km/h erlaubt, das soll Einparken von Geisterhand möglich machen. Auf einer ersten Testfahrt konnten wir uns indes überzeugen, dass Audi technisch in der Lage ist, den Computer steuern zu lassen. Mit Einschränkungen. Der Automat beherrscht nur Stau und zähfließenden Verkehr auf der Autobahn. Er könnte bis zu 130 km/h regeln, wird aber aus Gründen der Sicherheit auf 60 km/h beschränkt. Überholen kann der computergesteuerte A8 nicht, wohl aber beachtet er automatisch die Rettungsgasse beim Anhalten.

Während unserer Testfahrt gelang all das, allerdings beschleunigt und bremst der Automat ruppiger als ein geübter Fahrer, und er zieht im Zweifel immer zurück, statt eine sich öffnende Lücke zu nutzen. Die Systeme sind maximal konservativ ausgelegt. Und sie sind bislang nicht oder kaum in der Lage, an dem direkt vorausfahrenden Fahrzeug vorbeizuschauen und sich wie ein Mensch frühzeitig darauf einzustellen, was weiter vorn passiert. Dafür lässt sich am Steuer Zeitung lesen oder fernsehen. Schläft der Fahrer ein, setzt eine Kaskade von Warnungen ein, auch das Verlassen des Fahrersitzes legt das Auto lahm. Reagiert der Fahrer nicht auf die Aufforderung, ins Geschehen einzugreifen, bremst der Wagen bis zum Stillstand, setzt Warnblinker, schaltet das Infotainment aus und das Licht im Inneren an, entriegelt die Türen und sendet schlussendlich einen Notruf, weil sein Rechner von einem medizinischen Notfall ausgeht.

Sicherheit geht über alles

Die notwendigen Steuergeräte, die vor wenigen Jahren noch einen Kofferraum gefüllt hätten, sind auf Laptopformat geschrumpft und unter dem Fahrersitz montiert. Weil Sicherheit über alles geht, sind sie redundant ausgelegt. Das gilt nicht nur für die Hardware, auch die Algorithmen werden gleichzeitig und doppelt gerechnet, damit ein Computer nahtlos übernehmen kann, falls sein Kompagnon einen Schwächeanfall erleidet. Es sind zwei Bordnetze tätig, eines mit 12 Volt und eines mit 48 Volt. Falls eine Batterie ausfällt, kann die Bremse so über das ESP angesteuert werden.

Im zentralen Steuergerät laufen alle Daten aus den zwei Dutzend Sensoren zusammen, die zur Umfelderfassung notwendig sind. Es errechnet einen dreidimensionalen Clip, der auch dann die richtigen Informationen liefern muss, wenn einer der Sensoren streikt. Die wiederum werden zur Vermeidung eines Ausfalls beheizt oder belüftet. Die Sensoren sitzen rundum in oder hinter den Stoßfängern, den Kotflügeln, der Windschutzscheibe, den Spiegeln. In den Audi-Ringen ist die Frontkamera versteckt. Schon mahnen Werkstätten, wer das Ensemble warten oder nach einem Unfall reparieren soll. Und was das kosten wird.

Radarsensoren reichen bis zu 250 Meter voraus

Der Zulieferer Bosch hat einmal zusammengestellt, auf was der (Alb-)Traum vom automatisierten Fahren Einfluss hat. Kurzum, auf alle Bereiche im Auto: Antrieb, Bremse, Lenkung, Anzeigeninstrumente, Navigation und Sensorik sowie die Vernetzung innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs. Zu den notwendigen Sensoren zählen Radar-, Video- und Ultraschallsensoren sowie Laserscanner, jeweils für den Nah- und für den Fernbereich. Radarsensoren reichen bis zu 250 Meter voraus. Sie dienen vor allem dem Erkennen von Objekten sowie der Messung von deren Geschwindigkeit und Position im Vergleich zur Bewegung des eigenen Fahrzeugs. Der Zulieferer Bosch lässt seine Radarsensoren über eine Sendeantenne frequenzmodulierte Radarwellen im Frequenzbereich zwischen 76 und 77 GHz aussenden. Diese werden von Objekten vor dem Fahrzeug reflektiert. Die Relativgeschwindigkeit und die Entfernung werden anhand des Dopplereffekts und der Zeitverzögerung gemessen, die beide Frequenzverschiebungen zwischen gesendetem und empfangenem Signal erzeugen. Aus dem Vergleich von Amplitude und Phase der gemessenen Radarsignale ist ein Rückschluss auf die Position des Objekts möglich. Für die nähere Umgebung sind Ultraschallsensoren zuständig. Hier geht es um Distanzen unter zehn Metern und um niedrige Geschwindigkeiten, man kennt die Helfer schon länger als Piepser beim Einparken. Die Sensoren funktionieren nach dem Echolotprinzip, mit dem sich Fledermäuse und Wale orientieren. Sie senden kurze Ultraschallimpulse aus, die von Hindernissen reflektiert werden. Eine Videokamera gehört auch dazu. Vor kurzem noch dachte man, es müsse eine Stereokamera mit zwei Augen sein, heute macht der Fortschritt meist eine Monokamera möglich. Sie deckt den Bereich jenseits von 50 Metern ab und liefert Bilder für ein 3D-Panorama. Damit soll sichergestellt werden, dass Objekte räumlich erfasst und Freiflächen erkannt werden.

Branche und Politik haben sich auf fünf Levels geeinigt

Wichtigster Datenlieferant ist ein Laserscanner, ohne den die autonome Fahrt nach Level 3, also in der von Audi demonstrierten Form, nach jetzigem Stand unmöglich ist. Für das vollständig allein fahrende Roboterauto, das eines fernen Tages die höchste Stufe (Level 5) erfüllen soll, wären allerdings fünf Laserscanner notwendig, sagt BMW-Entwicklungsvorstand Klaus Fröhlich. Und zwar deutlich bessere, als es derzeit gibt. Zur Erinnerung: Branche und Politik haben sich auf fünf Levels geeinigt, die den Grad automatisierten Fahrens darstellen. Grob gesagt, sind sie folgendermaßen eingeteilt: Füße weg, Hände weg, Augen weg, Fahrer liest Zeitung, Fahrer weg. Die ersten beiden Schritte sind mit Tempomat und Spurhalteassistent erreicht, Stufe drei erlebt, wie hier vorgestellt, erste Anwendungen, die Stufen vier und fünf werden, wenn überhaupt, erst in vielen Jahren möglich sein.

Neben dem Haufen an Sensoren und Rechnern muss das Auto selbst an allerlei Stellen entsprechend ausgerüstet werden. Hierzu zählt vor allem die Erfassung und Verarbeitung von Umfelddaten in Echtzeit. Spätestens hier kommt die Frage nach der Infrastruktur außerhalb des Autos auf. Müssen Ampeln und Verkehrsschilder mit dem Fahrzeug kommunizieren können? Vermutlich ja. Der Technologiekonzern 3M etwa entwickelt unsichtbare Barcodes, die in Verkehrsschilder und Fahrbahnmarkierungen eingelassen werden und Daten an das Fahrzeug übermitteln sollen. Aber wer bezahlt das? Weil sich die Industrie weder auf Innovationsfreude noch auf Investionslust der Kommunen, der Länder oder des Bundes verlassen will, versucht sie, soweit es eben geht ohne externe Einrichtungen auszukommen.

Ob das klappen wird, steht in den Sternen. Gewisse Daten sind unerlässlich, weshalb ein schnelles, vor allem aber flächendeckend stabiles Mobilfunknetz als Grundvoraussetzung gilt. Bosch nennt sein System Connected Horizon. Automatisiert fahrende Fahrzeuge sind auf Umfeldinformationen angewiesen, die über den Erfassungsbereich der Sensoren hinausgehen. Benötigt werden Echtzeit-Verkehrsdaten, etwa zu Staus und Unfällen. Das lässt sich nur über die Vernetzung der Fahrzeuge mit einem Server lösen. Mit dem Connected Horizon sollen die Fahrzeuge vorausdenken. Die Idee: Gefahrenstellen hinter einer Kurve oder Kuppe weiß das vernetzte Fahrzeug früher als der Fahrer, es kann stets rechtzeitig vom Gas gehen. Routen können durch Stauinformationen optimiert werden.

Mindestens 50 Prozent elektrische Lenkkraftunterstützung

Benötigt wird in jedem Fall eine elektrische Servolenkung. Sie muss ausfallsicher konstruiert sein, damit auch bei einem Systemfehler noch gelenkt werden kann. Mindestens 50 Prozent der elektrischen Lenkkraftunterstützung gelten dann als Mindestmaß. Das amerikanische Verkehrsministerium und die Bundesbehörde für Straßen- und Fahrzeugsicherheit haben dies in ihrer Richtlinie für automatisierte Fahrzeuge (Federal Automated Vehicles Policy) festgelegt.

Eine zentrale Rolle für automatisiertes Fahren kommt dem elektronischen Stabilitätsprogramm ESP zu. Wird die Fahraufgabe an das Auto delegiert, dürfen sicherheitsrelevante Systeme wie die Bremse keinesfalls versagen. Ohne Eingriff des Fahrers können ESP und der elektromechanische Bremskraftverstärker unabhängig voneinander ein Auto abbremsen. Bosch hat dazu einen vakuum-unabhängigen, elektromechanischen Bremskraftverstärker entwickelt, der einem zweiten Bremssystem ähnlich wirkt.

Davon bekommt der Fahrer in der Regel nichts mit, wohl aber von Einrichtungen zur Kommunikation. Stichwort Mensch-Maschine-Schnittstelle, insbesondere frei konfigurierbare digitale Cockpits. Mit den neuen Funktionen ziehen neue Anzeigen ein. Und regelmäßige Updates erfordern womöglich Symbole, die heute noch nicht vorgesehen sind. Audi übrigens nimmt bislang keine Updates online vor, der Kunde muss in die Werkstatt fahren, das Fahrzeug wird an einen Zentralrechner über Datenkabel angeschlossen. Der amerikanische Elektroautohersteller Tesla hält Over-the-Air-Updates indes für unanfällig und spielt sie auf.

Letztlich läuft, besser: fährt, das alles ins Leere, wenn das digitale Kartenmaterial ungenau ist. Nicht umsonst haben sich die deutschen Hersteller Audi, Mercedes-Benz und BMW zusammengetan und den Kartendienst Here übernommen. Ohne hochauflösende, immer aktuelle Karten wird es automatisiertes Fahren nicht geben. Und dabei geht es nicht mehr um solche, die halbwegs genau sind. Für das vollautomatische Fahren sind Angaben im Zentimeterbereich erforderlich, auch und gerade im (Funk-)Schatten von Hochhäusern in Innenstädten.

Man sieht schon und ahnt es, die Autoindustrie hat sich auf eine spannende Reise begeben. Sie wird sie nicht allein unternehmen, ohne die Kooperation mit der IT-Branche ist die Zukunft nicht zu erobern. Wird sie vollautomatisch sein? Wollen wir das überhaupt? Wollen die Menschen all ihre Bewegungen erfassen und von wem auch immer verwenden lassen? Auch wenn er noch ein weiter sein wird und er womöglich in die Sackgasse führt, die Technik ist auf dem Weg.

Quelle: F.A.Z.
Autorenporträt / Appel, Frank-Holger (hap.)
Holger Appel
Redakteur in der Wirtschaft, zuständig für „Technik und Motor“.
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