Auto: Der Kampf ums Cockpit

24.11.2014

Das Internet der Dinge im Auto: Das Auto wird zum Computer auf Rädern. Dabei stehen wir an der Schwelle eines Paradigmenwechsels, der sich langsam vom fahrerzentrierten Design wegbewegt

Im Laufe der letzten vierzig Jahre wurden mehr und mehr mechanische Komponenten in Fahrzeugen entweder vollständig durch Elektronik ersetzt, bzw. ihre Funktionalität elektronisch erweitert. Steuergeräte (engl. ECUs für Electronic Control Units) wachen heute im Auto über alles Mögliche, von den Türen über die Airbags bis hin zur elektronischen Parkbremse. Die "Vernetzung der Dinge" ist in PKWs längst Realität geworden. Google und Apple wollen langfristig davon profitieren.

Mein Vater hat 40 Jahre für General Motors gearbeitet und konnte ein Auto komplett auseinandernehmen und dann mühsam Teil für Teil wieder zusammensetzen - bis die elektronischen Komponenten massiv in Erscheinung traten und das Innenleben der Fahrzeuge vollständig modifizierten. Irgendwann gab er resigniert zu, dass er moderne Autos nicht mehr reparieren könne.

Heutige Automechaniker kommen ohne Computer ebenfalls nicht mehr klar. Wenn man heute in eine Autowerkstatt kommt, wird das Auto zuerst an einen Rechner angeschlossen, der alle Fehlercodes aus den ECUs liest. Womöglich gibt der Computer auch die vermeintliche Lösung des Problems aus. So musste ich vor Jahren einen Bordrechner ersetzen, nur weil der Diagnoserechner der Werkstatt dies verlangte. Nur eine Woche danach stand leider fest, dass das Problem eher mechanischer Natur war.

Die Elektronik ist der komplexeste Teil des Fahrzeugs geworden. Ein Auto ist ein Computer auf Rädern oder, besser gesagt, ein Computernetzwerk auf Rädern. Wir sind daran gewöhnt, dass komplexe Computersysteme eher in Top-down-Manier entworfen werden. Die Elektronik im Fahrzeug ist dagegen organisch und bottom-up entstanden - und dies aus einem einfachen Grund: Im Zentrum des Geschehens stand immer der Fahrer.

Er oder sie kann mit seinen/ihren kognitiven Fähigkeiten die Führung übernehmen und behält jederzeit alle Fäden in der Hand. Man möchte deswegen dem Fahrer lediglich elektronische "Hebel" überreichen - jeder davon hat eine begrenzte Aufgabe und eine überschaubare Wirkung. Die elektronischen Fensterheber oder die elektronische Steuerung der Klimaanlage z.B. werden heute durch Mikrokontroller in ECUs geregelt. Wenn einer davon ausfällt, ist dies nicht tragisch, meistens ist keine Sicherheitsfunktion davon betroffen. Man kann weiterfahren und danach wird das komplette Modul einfach ersetzt.

Nicht mehr am Steuer und nicht mehr ganz im Zentrum: der Fahrer eines von Raúl Rojas mit seinem Team entwickelten PKWs "MadeInGermany". Bild: autonomos-labs.com

In modernen Fahrzeugen ist die Anzahl der auf diese Weise durch ECUs gesteuerten Funktionen beachtlich. Ein Katalog von Infineon zu den von dieser Firma angebotenen ECUs liest sich wie ein Who is Who der Fahrzeugelektronik.1 Dabei unterteilt Infineon die ECUs in Elektronik für Sicherheit (airbags, Sicherheitsgürtel, Bremsen, Lenkung, aktive Federung, Radare, Videokamera und Reifensensoren), Karosserie (alle Lichter und Aktoren, Klimanlage, Sitze, Spiegel), Antriebssysteme (Kupplung, Motor, Kühlung) und Kommunikation/Sicherheit (eCall, Navigationssysteme, Ferndiagnoise, usw.). Dazu kommt heute das wachsende Gebiet der "aktiven Sicherheit". Bevor ein Unfall stattfindet, kann das Auto in das Geschehen eingreifen, z.B. durch eine Vollbremsung, auch wenn der Fahrer abgelenkt ist. So kommen heutige Fahrzeuge auf weit über 100 Mikroprozessoren, die überall verteilt die verschiedensten Aufgaben erledigen.2

Man kann sich also ein Fahrzeug wie etwas Mechanisches, aber mit unzähligen Sensoren und lokal gesteuerten Komponenten ausgestattet, vorstellen, die jeweils nur eine einfache Aufgabe übernehmen, mit dem Fahrer im Mittelpunkt, der über Lenkung, Pedale und Tasten Fahrrichtung und -tempo angibt. Je besser die Bedienelemente dahingehend mit dem Fahrer verbunden sind, so dass das Auto eine Weiterführung und Vervollständigung seines Körpers wird, desto intuitiver das Fahren. Der Autobesitzer wird zum Cyborg, der mit dem Vehikel verschmilzt, so wie die wilden Zentauren der griechischen Mythologie halb Mensch halb Pferd waren.

Es sind wahrscheinlich diese gelungene Integration und das dazugehörige Machtgefühl, welche die "Freude am Fahren" letztendlich erklären. Bei Podiumsdiskussionen über autonome Fahrzeuge, in denen die Integration des privaten mit dem öffentlichen Verkehr thematisiert wird, wird mir immer vorgeworfen, dass Menschen nicht gefahren werden wollen, d.h. sie wollen grundsätzlich selber steuern. Manche Diskutanten sagen unumwunden, sie würden sich "mit Händen und Füßen wehren", bevor man ihnen die Lenkung aus der Hand reißen könne.

Allerdings ist bis heute ist die gesamte Autoelektronik nur aus Sicherheits- (ABS-Systeme z.B.) oder aus Komfortüberlegungen entstanden, ohne dass jemand dem Fahrer die Lenkung nehmen möchte. Der Fahrer (nicht so sehr der Passagier) steht immer im Mittelpunkt, so auch beim Autodesign. Das Cockpit und alle steuerbaren Elementen sollen das Bedürfnis nach Macht und Kontrolle widerspiegeln. Je mehr es im Cockpit wie im Flugzeug aussieht, desto besser. David Gartman hat deswegen, Marx paraphrasierend, das Auto als "Opium des Volkes" bezeichnet.

Das private Auto ist fester und unabdingbarer Teil des American Way of Life im 20. Jahrhundert gewesen. Das Aussehen und die PS des Fahrzeugs waren über Jahrzehnte wichtiger als die Sicherheitsfunktionen, da Repräsentieren genauso wichtig oder wichtiger als das Fahren selbst war. Allerdings befinden wir uns an der Schwelle eines Paradigmenwechsels, der uns langsam vom fahrerzentrischen zum computerzentrischen Design bringt.

Das Netzwerk im Fahrzeug

Die Autoindustrie ist schnell von der Verkabelung im Fahrzeug von jeweils einzelnen Komponenten zu einer Zentralstelle (eine Art von Stern-Verkabelung) abgewichen. Viel effizienter sind Bussysteme, bei denen die Komponenten an einem gemeinsamen Strang hängen. Die Benutzung des Busses wird durch Protokolle geregelt und so kann jede ECU ihre Daten an eine Zentralstelle oder direkt an eine andere ECU verschicken. Ein Sensor kann mit seinem Aktuator über den Bus gekoppelt werden.

Heute findet man deswegen viele Kommunikationskanäle im Fahrzeug: einen langsamen LIN-Bus (Local Interconnect Network, mit 20 kb/s), einen etwas schnelleren CAN-Bus (Controller Area Network, mit 1 Mb/s) und vielleicht sogar das neuere FlexRay3 (mit 10 Mb/s). Für Multimedia gibt es dazu noch einen MOST-Bus (Media Oriented Systems Transport). Abb. 1 zeigt die Transfergeschwindigkeiten der verschiedenen Bussysteme und die relativen Kosten:

Den CAN-Bus gibt es in einer langsameren (CAN-B) und einer schnelleren (CAN-C) Variante. Ethernet für Fahrzeuge gibt es ebenfalls bereits in der Form eines Standards namens BroadR-Reach für twisted-pair-Verkabelung, womit Datentransferraten bis 100 Mb/s realisiert werden können. Solche Geschwindigkeiten sind z.B. für hochauflösende Videokameras notwendig, vor allem, wenn gleichzeitig mehrere davon im Fahrzeug verwendet werden. Durch die vielen verschiedenen Arten von Bussystemen braucht man auch Komponenten für die Überbrückung der Kommunikation untereinander.

Abb. 1: Bussysteme im Fahrzeug und relative Kosten

Man kann also feststellen, dass moderne Fahrzeuge bereits eine ganze Hierarchie von Netzverbindungen enthalten, und dass der Designer einfach eine neue Funktion an einen der vorhandenen Kommunikationsbusse anschließen kann. Eine ECU besteht deswegen in der Regel aus Kommunikationsbauteilen (Transceivers) und einem Mikrokontroller für die Ausführung des relevanten Codes. Eine ECU kann gleichzeitig an mehreren Bussen hängen, je nachdem woher die Sensordaten kommen und wohin die Aktordaten gehen sollen. Abb. 2 zeigt den Ausschnitt eines zentralen Moduls von Infineon für die Steuerung eines Fahrzeugs. FlexRay, CAN und LIN-Bus können durch diesen Mikroprozessor angesprochen werden.

Die Schnittstellen eines Bordrechners von Infineon zu FlexRay, CAN Bus und LIN Bus (Infineon)

Durch die Busvernetzung in Fahrzeug wurde die Kontrolle desselben auch dezentralisiert. Eine Taste im Fahrzeug kann ein Fenster aufmachen - die Signale dafür können über den langsamen LIN-Bus verschickt werden -- ohne dass die Zentralsteuerung eingreifen muss. Ein Drucksensor kann die Airbags auslösen, wiederum ohne zentrale Kontrollinstanz. Alle Teile des Fahrzeugs können über die Kommunikationsbusse alle anderen vernetzten Teile des Fahrzeugs "reaktiv" ansprechen.

Eine solche "organische Architektur" ähnelt mehr der Struktur von Lebewesen wie Insekten, die stark modularisiert sind, als der von klassischen Computersystemen. In letzteren wird die Architektur rund um den Prozessor entworfen. In Fahrzeugen, wie oben bereits gesagt, wurde die gesamte Elektronik rund um den Fahrer gelegt, ohne seine Steuerungsfunktion in Frage zu stellen (allein aus rechtlichen Gründen). Deswegen ist das Auto von der Gesamtarchitektur eigentlich ein interessanterer "Computer" als der Computer am Schreibtisch. Ein Auto ist ein organisches Internet im Kleinen.4

Fahrerunterstützung

Im Auto-Zentaur hat das halbe Pferd (das Auto) den halben Menschen (den Fahrer) langsam überholt. Die Elektronik kann schneller als der Mensch reagieren und hat mehr Überblick über die Fahrsituation. Ein gutes Beispiel dafür ist das sogenannte ESP (Electronic Stability Program), das über die Konsistenz der Fahrzeugtrajektorie und die Richtung der Lenkung wacht.

Wenn der hintere Teil des Fahrzeugs in einer Kurve nach außen ausbricht, kommt es zum Übersteuern. Durch die Bremsung des vorderen Außenrads (außen in Bezug auf die Fahrkurve) wird eine Gegenkraft eingesetzt, die dem Ausbrechen entgegenwirken kann. Kann das Fahrzeug der gewünschten Fahrkurve mit den Vorderrädern nicht folgen, kann man durch das Bremsen des hinteren inneren Rades dieses "Untersteuern" verhindern.

Das ESP überwacht die Bewegung der vier Räder (über Tickzähler) und den Winkel der Lenkung und setzt solche Korrekturen blitzschnell um. Damit wird jeder Fahrer zum "guten" Fahrer, auch unter schweren Fahrbedingungen. Manche Fahrzeuge können die Zulassungstests ohne ESP gar nicht mehr bestehen (wie der berühmte Elchtest zeigt).

Abb. 3: Untersteuern und Übersteuern und ESP-Ausgleichmomente durch gezieltes Bremsen (Bild: bs-wiki.de)

So wie das ESP gibt es auch ABS-Systeme (Anti-lock Brake Systems), die bei Vollbremsung den Bremsweg minimieren und Unfälle vermeiden. Solche Eingriffe beim Fahren gehören bereits zum Feld der sogenannten "aktiven Sicherheit" und kein Fahrer ist beleidigt, nur weil die Elektronik im Hintergrund ihm zum Fahren verhilft.

Aktive Sicherheit kann aber noch "aktiver" in dem Sinne sein, dass drastischere Fahreingriffe ausgeübt werden: Bei automatischen Notbremsungen wird das Fahrzeug bei unmittelbarer Kollisionsgefahr unter einer gewissen Geschwindigkeitsschwelle gestoppt. So kann ein unaufmerksamer Autofahrer, an einer Ampel oder im Stau, nicht mehr auf ein anderes Auto auffahren.

Es gibt jedoch subtilere Formen der Fahrerbeeinflussung, wie bei Spurhaltesystemen, die die Lenkung in eine Richtung "schwer" machen und so den Fahrer automatisch dazu bringen, in der Mitte der Spur zu bleiben. Der Fahrer merkt es meistens gar nicht. Bei "pre-crash" Systemen wird mit dem Radar und Drucksensoren ermittelt, dass eine Kollision wahrscheinlich ist und ob der Fahrer gerade bremst. Der Verstärkungsfaktor zur Hydraulik kann dann heraufgesetzt werden. Der Fahrer is dadurch in der Lage, die Vollbremsung schneller durchzuführen, was u.U. bis zu einem halben oder ganzen Meter Fahrweg spart. Dies kann den Unterschied zwischen Kollision und Nicht-Kollision bedeuten.

Ein Auto enthält also bereits viel verteilte Intelligenz. Neuere automatische Funktionen und aktive Sicherheit verlangen jedoch mehr zentrale Intelligenz, d.h. größere und mächtigere Bordcomputer, sogar mit einem Betriebssystem wie für andere Rechner, z.B. Linux.

Der Kampf um das Cockpit

Das Autonetz ist komplex, aber der Zentralrechner ist schwach. Die Zentralrechner der verschiedenen Fahrzeughersteller zeichnen sich durch ihre Variabilität, ihre begrenzte Rechenleistung und sogar ihr Alter aus. Manche der verwendeten Rechner sind lange obsolet geworden, da Fahrzeuge jahrzehntelang im Einsatz bleiben.

Der Kampf um das Cockpit wird deswegen auf zwei Ebenen ausgetragen: Einerseits sind Hersteller von Desktop-Mikroprozessoren, wie Intel, auf den Fahrzeugbereich aufmerksam geworden. Andererseits ringen bereits Google und Apple um das Betriebssystem im Auto, zunächst einmal für den Entertainment-Bereich.

Der Weg von fahrerzentrischen zum rechnerzentrischen Design. Heute steht der Fahrer immer noch im Mittelpunkt und schließt die Steuerungsschleife (man-in-the-loop). In Zukunft soll der Rechner dies übernehmen

Abb. 4 zeigt ein Diagramm der Paradigmenwechsel bei der Fahrzeugführung. Früher war das Design vollständig fahrerzentrisch, in dem Sinne, dass der Fahrer Unterstützung in der Elektronik fand, aber keinen Ersatz. Wir befinden uns längst im Übergangbereich, wo der Fahrer gewisse Kompetenzen an die Elektronik abgibt, aber noch nicht die komplette Fahrzeuglenkung. Wenn aber die Fahrzeuge von alleine fahren, haben wir ein rechnerzentrisches Design, das sehr schwer zu realisieren ist. Die kognitiven Fähigkeiten des Menschen müssen durch Software ersetzt werden. Fehlertoleranz und Flexibilität (intuitives Fahren) gehören dazu.

Google und Apple wollen im Übergangszeitalter zuerst den Multimedia-Bildschirm im Fahrzeug beherrschen. Das System "Android Auto", so der Vorschlag von Google, soll aus einer Hand Musik, Telefonie, Spracherkennung, Navigation und Apps anbieten. "Apple CarPlay" soll dies ebenfalls können und womöglich sogar mit Siri als Butler im Fahrzeug.

Zu schade nur, dass die American Automobile Association kürzlich Siri als den größten Erzeuger von Unaufmerksamkeit im Fahrzeug aufdeckte. Seltsam auch, dass die Autoindustrie dafür bei bei den Firmen Schlange steht. Bis heute war solches Zubehör eine der größten Einnahmequellen der Autoindustrie. Das Beispiel von Microsoft und dem IBM-PC hat bewiesen: Wer das Betriebssystem beherrscht, hat langfristig die besseren Karten in Konkurrenzkampf.

Ein zusätzliches Betriebssystem (Abb. 4, Mitte) bleibt für den Fahrer unsichtbar. Diese OS läuft im Bordrechner und kümmert sich um die Fahrzeugdynamik und Fahrerassistenzsysteme. Dafür gibt es Vorschläge wie AUTOSAR, ein von diversen Herstellern unterstützen Standard für die Softwarearchitektur im Fahrzeug. Für einige industrielle Fahrzeuge werden Echtzeitbetriebssysteme eingesetzt wie z.B. QNX. Wenn aber der Computer im Auto so weit ist, das Fahren übernehmen zu können, stellt sich die Frage nach dem dafür notwendigen Betriebssystem. Wenn die Autoindustrie wieder nicht aufpasst, wird es von Google geliefert.

Autos werden in Zukunft auch spezielle Rechner benötigen, die sich durch Redundanz und Ausfallsicherheit auszeichnen. Die Firma Intel bietet durch seine In-Vehicle-Solutions-Plattform neuerdings einen kompletten Bausatz für die notwendige Fahrintelligenz im Fahrzeug, eine Art Ergänzung für die Vorstellungen von Google und Apple.5

Mit einer einzigen Intel-Platine erhält man großen Speicher mit Datenpersistenz, Graphiksteuerung für Bildschirme, Kommunikation über Bluetooth, Ethernet und USB, digitales Video und Multimediamanagement. Durch einen solchen Rechner könnte zunächst einmal die gesamte Anzeige der Fahrdaten und die Steuerung der multimedialen Geräte abgedeckt werden. Das Betriebssystem lässt sich in zwei Sekunden starten.

Der lange Weg zur Autonomie

Die Autoindustrie ist vielen Regulierungen unterworfen. Es ist klar, warum: Ein Auto kann Unfälle produzieren und Menschenleben gefährden. Deswegen ist der technologische Fortschritt im Autobereich immer im Schneckentempo vorangeschritten. Manches nagelneue Zubehör für Fahrzeuge habe ich in den Forschungsabteilungen der Fahrzeughersteller bereits vor acht oder mehr Jahren gesehen.

Im Falle des rechnerzentrischen Designs wird es im Auto notwendig sein, wie bei Flugzeugen oder Satelliten, Rechnerredundanz und Ausfallsicherheit zu haben. Die Software wird in Fahrten über Millionen von Kilometern, über Jahrzehnte, nach und nach getestet, zuerst mit dem Fahrer als Wächter. Irgendwann wird aber sogar der eingefleischteste Autofahrer keine Lust mehr haben, Wächter zu sein und sich mit seiner Passagierrolle zurecht finden und das sogar mit "Freude am Gefahren-Werden".

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Können Roboter lügen?
Essays von Raúl Rojas zur Robotik und Künstlichen Intelligenz
Als eBook bei Telepolis erschienen

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