Sind wir schon da?

Roboter-Autos mischen sich in den Verkehr

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Sie sind unter uns: Autos, deren Fahrer tatenlos zuschauen, wie sich das Lenkrad dreht. Noch sind es wenige Testfahrzeuge, doch immer mehr Hersteller sind zuversichtlich, automatisiertes Fahren in den kommenden fünf bis zehn Jahren als Sonderausstattung für Serienfahrzeuge anbieten zu können.

Unter wolkenlosem Himmel geht es auf der A92 in Richtung Airport München. An diesem Freitagnachmittag herrscht dichter Verkehr. Dennoch schaut mich Testfahrer Michael Aeberhard beim Sprechen an, gestikuliert mit beiden Händen und seine Füße stehen vor den Pedalen. Wir sitzen in einem Testwagen von BMW Group Forschung und Technik, der auf zuvor vermessenen Autobahnabschnitten bis 130 km/h schnell automatisiert fährt, also lenkt, beschleunigt, bremst und überholt.

Vor uns taucht ein Lkw auf. Ohne Zutun des Fahrers schaltet sich der linke Blinker ein und der BMW lenkt zur mittleren Spur. Der Testfahrer schaut in den Rückspiegel – und greift schnell ans Steuer, um den Wagen wieder nach rechts zu lenken und abzubremsen. Ein dunkelblauer Polo zieht auf der Mittelspur an uns vorbei.

Der Polo kam auf der linken Spur schnell heran und wollte ebenso wie wir auf die mittlere wechseln. In dieser Situation gibt es keine klare Vorrangregelung. Beide Fahrzeuge dürfen die Spur nur wechseln, wenn sie dabei niemanden behindern oder gefährden. Dabei kommt es auf kooperatives Verhalten an. Doch weder der Polo-Fahrer noch der Algorithmus, der den BMW steuerte, wollte nachgeben. Testfahrten liefern die Daten, um die Software für solche Situationen fit zu machen.

Autopilot im Kofferraum

Der silberne BMW 525i fällt im Straßenverkehr nicht auf. Die zwölf zusätzlich zur Serienausstattung benötigten Sensoren sind in der Karosserie integriert, auf dem Dach befinden sich nur zwei flache GPS-Antennen zur exakten Positionsermittlung.

Nach vorne überwachen ein Radar- und ein Lidar-Sensor den Verkehr. Lidar arbeitet nach dem Radar-Prinzip, aber mit Laserstrahlen statt Radiowellen. Es hat eine geringere Reichweite als Radar, liefert aber viel mehr Daten, aus denen sich eine Art 3D-Modell der Umgebung errechnen lässt. An den beiden vorderen Kotflügeln befinden sich weitere Lidar-Sensoren mit weitem Öffnungswinkel, der vierte sitzt mittig am Heck. Dort sind rechts und links außen noch Radarsensoren unter dem Stoßfänger verborgen. Eine Kamera hinter der Frontscheibe erfasst die Fahrspurmarkierungen und je zwei Ultraschallsensoren an jeder Seite überwachen den Nahbereich.

Beim Einsteigen fällt zunächst der große rote Notausschalter auf der Mittelkonsole auf, mit dem sich der Testwagen in den manuellen Modus zwingen lässt. In den Ablagefächern sind zusätzliche Geräte untergebracht und am Armaturenbrett hängt ein Monitor. Er stellt dar, wie der Windows-PC im Kofferraum die Umwelt anhand der Sensordaten interpretiert und zeigt Bilder der Kameras.

Außer dem PC liegen noch zwei Echtzeitrechner im Kofferraum. Sie berechnen die Fahrstrategie und steuern die Systeme des Autos an: Lenkung, Automatikgetriebe, Motor und Bremse. Da diese Systeme bereits im Serienfahrzeug elektronisch gesteuert werden, war hierfür wenig Umbau nötig – nur sehr viel Kabel.

Die vorhandenen Assistenzsysteme des BMWs werden fürs automatisierte Fahren nicht genutzt, auch nicht der Radarsensor der aktiven Geschwindigkeitsregelung und das Navigationsgerät. Stattdessen enthält der Testwagen ein zweites Navi mit hochgenauem differenziellem GPS und sehr präzisen Karten für die Autobahnabschnitte, auf denen die Testfahrten stattfinden.

Die Lidar-Sensoren stammen nicht aus der Serienfertigung. Sie sind jedoch bei Weitem nicht so teuer wie die rotierenden Laser-Scanner mit denen Google und Forscher an Universitäten ihre Testfahrzeuge ausstatten (siehe Seite 136). Deren Sensoren kosten mehr als der fahrbare Untersatz.

Hoch statt voll

Allerdings verfolgen Autohersteller und Forscher unterschiedliche Ziele. Audi, BMW, Mercedes, Nissan, Volvo und andere Marken arbeiten derzeit gemeinsam mit Zulieferern wie Continental oder Bosch daran, das sogenannte hochautomatisierte Fahren zur Serienreife zu bringen. Dabei kann das Auto nur in bestimmten Situationen, etwa auf der Autobahn und bei guter Sicht, automatisch fahren. Continental schätzt, dass diese Systeme bis 2020 serienreif sind.

Werner Huber, Leiter Fahrassistenz bei BMW Group Forschung und Technik, glaubt nicht, dass man das Fahren in absehbarer Zeit immer und überall automatisieren kann. Ein Grund dafür seien die physikalischen Grenzen der Sensoren, die sich nur bedingt überwinden lassen. So wird eine Kamera nie durch Nebel schauen können.

Die Forscher sind hingegen zuversichtlich, vollständig autonom fahrende Autos entwickeln zu können. Das wäre nicht im Sinne der Hersteller. Die US-Unternehmensberatung PWC hat in einer Studie geschätzt, dass ein Netz aus Roboter-Taxis in den USA 99 Prozent der Pkw überflüssig machen könnte. Hierzulande wird über Car-Sharing-Modelle nachgedacht, bei denen die Autos autonom oder ferngesteuert zum Kunden fahren. Am sogenannten teleoperierten Fahren, bei dem ein Fahrer in einem Fahrsimulator sitzt und per Mobilfunk mit dem Auto verbunden ist, wird beispielsweise an der Technischen Universität München gearbeitet. Einem Auto-Manager dürften solche Visionen den Schlaf rauben.

Nun bauen Universitäten keine Serienautos. Doch Google denkt in die gleiche Richtung und nennt in den spärlichen Veröffentlichungen zu seinen fahrerlosen Autos den gleichen Zeithorizont wie Continental für das hochautomatisierte Fahren: 2020. Und Google ist durchaus bereit, ins Hardware-Geschäft einzusteigen, um seine Visionen umzusetzen.

Stufenweise

Zurück ins Jahr 2014 und auf die deutsche Straße. Nach Definition der Bundesanstalt für Straßenwesen muss der Autofahrer dort drei Aufgaben erfüllen: Querführung, Längsführung und Überwachung. Aktuelle Assistenzsysteme übernehmen die Längs- oder Querführung. Beim teilautomatisierten Fahren werden sie kombiniert, der Fahrer bleibt aber stets involviert.

Wer diverse Autos mit Spurhalte-, Spurwechsel-, Brems- und sonstigen Assistenten gefahren hat, kann ein Lied davon singen. Beim Citroen C4 Picasso etwa blinkte nachts auf der Autobahn pausenlos der rechte Außenspiegel, obwohl wirklich niemand auf dem Standstreifen vorbeifahren wollte. Der Volvo V40 verlor auf schmutzigen Landstraßen schnell die Fahrspurmarkierungen. Die Mercedes-S-Klasse der letzten Generation zwang den Fahrer im Liniengewirr von Baustellen zu ständigem Ausgleichen automatischer Kurskorrekturen per Bremseingriff. Und die Kollisionswarnung piepte nervös wegen Blechtafeln auf Verkehrsinseln. Selbst die Verkehrszeichenerkennung arbeitet nicht immer zuverlässig, sondern registriert auch schon mal das Tempolimit, das nur für die gerade passierte Abfahrt gilt.

Damit ist klar, warum wir nicht schon heute automatisiert fahren und es ist sicherlich eine gute Idee, dass komplexe Assistenzsystemen wie Staupiloten fordern, dass der Fahrer die Hände am Steuer lässt. Nimmt er sie weg, piept es nach wenigen Sekunden und das System schaltet sich kurz darauf ab.

Das ist auch der Rechtslage geschuldet: Im Übereinkommen über den Straßenverkehr definierten die Vereinten Nationen 1968 in Wien internationale Rahmenbedingungen, die die Mitgliedsstaaten durch nationale Gesetze umsetzen mussten. Darin heißt es: „Jeder Führer muss dauernd sein Fahrzeug beherrschen.“ Arbeitsgruppen der Vereinten Nationen prüfen derzeit, ob man das Wiener Übereinkommen in diesem Punkt ändern soll. Der Ausgang ist noch ungewiss.

Aus ergonomischer und psychologischer Sicht ist es nachteilig, dem Fahrer die aktiven Aufgaben zu entziehen, ihm aber die mentale weiter aufzubürden. Das kann zu einem gefährlichen Leitwarteneffekt führen: Man sieht lange zu, soll dann plötzlich eingreifen und ist vielleicht gar nicht mehr fit genug.

Ganz entspannt

Beim hochautomatisierten Fahren wird der Fahrer hingegen von der Kontrollaufgabe entbunden; das Auto überwacht sich selbst. Es muss dabei erkennen, wenn es an seine Grenze stößt, und dann die Kontrolle an den Fahrer zurückgeben. Wenn der nicht reagiert, muss sich das Auto in einen sicheren Zustand versetzen: Abhängig vom nachfolgenden Verkehr bremst es stark oder vorsichtig, schaltet die Warnblinkanlage ein, steuert nach Möglichkeit zum Straßenrand und hält an.

Ziel des hochautomatisierten Fahrens ist es, dass sich der Fahrer unterwegs mit anderen Dingen beschäftigen kann: telefonieren, E-Mail lesen oder sogar einen Film schauen. Daher muss man ihm etwas Zeit einräumen, ehe er die Kontrolle übernimmt. Fachleute sind sich weitgehend einig, dass 10 Sekunden hierfür angemessen sind.

Dazu müssen einige Randbedingungen eingehalten werden. Der Fahrer darf auf keinen Fall einschlafen, da er dann innerhalb der 10 Sekunden nicht einsatzbereit wäre. Er darf sich die Sicht auf die Straße nicht versperren, etwa indem er eine Zeitung auffaltet. Idealerweise hat er auch kein Mobilgerät in der Hand, das er weglegen muss, sondern nutzt das Infotainmentsystem des Fahrzeugs, um sich die Zeit zu vertreiben.

Hochautomatisierte Autos überwachen daher nicht nur die Umgebung, sondern auch den Fahrer. Audi etwa baut in seine Testfahrzeuge zwei Infrarotkameras ein, die dessen Augen beobachten. Sie durchschauen nahezu alle Sonnenbrillen; in der Serie soll später eine Kamera genügen. Bleiben die Augen mehrere Sekunden geschlossen oder verschwinden sie hinter einem Gegenstand, wird der Fahrer aufgefordert, die Kontrolle zu übernehmen. Reagiert der nicht, hält das Fahrzeug nach weiteren 10 Sekunden an.

Möglicherweise werden solche Kameras in Serienfahrzeugen eine Zeitschleife aufzeichnen. So ließe sich nach einem Unfall auswerten, wie sich der Fahrer verhalten hat. Denn der soll nach Vorstellung der Hersteller auch beim hochautomatisierten Fahren die Verantwortung für Schäden tragen, die das Auto anrichtet. Das entbindet sie aber nicht von der Produkthaftung. Nach einem Unfall muss also geklärt werden, ob sich der Fahrer falsch verhalten hat oder ob die Technik versagte.

Außenwelt

Fährt ein anderes Fahrzeug vorweg, genügt es, den Sicherheitsabstand einzuhalten. Allein auf der Strecke muss jedoch eine Geschwindigkeit zwischen der maximal erlaubten beziehungsweise möglichen und jener gewählt werden, bei der das Auto einen Unfall mit eigenen Mitteln mindestens 10 Sekunden lang vermeiden kann. Hierbei ist die Reichweite der Sensoren entscheidend, die wiederum von Umweltbedingungen abhängt.

Die Sensoren des BMW-Testwagens messen jeden Punkt zweimal. Wenn ein Sensor ausfällt, muss das Auto dennoch sicher zum Stehen kommen. Die Daten der Sensoren werden zusammengeführt, um ein Abbild der Umgebung zu erzeugen. Dazu gibt es zwei Fusionsarten. Bei der ersten modelliert der PC im Kofferraum aus den Sensordaten statische und dynamische Objekte im Umfeld: Autos, Fußgänger und Randbebauung. Das Ergebnis wird auf dem Monitor am Armaturenbrett visualisiert. In Serienfahrzeugen könnte das Head-up-Display erfasste Objekte auf der Frontscheibe markieren.

Die Grid-Fusion stammt aus der Robotik und dient als Grundlage, um den Fahrweg vorzugeben (Trajektorie). Dazu wird ein Gitter über die Umgebung gelegt, in das die Sensoren quasi hineinarbeiten: Belegte Gitterplätze werden markiert, um dann einen Pfad durch die freien zu finden – natürlich unter Berücksichtigung der Straßenführung.

Die erkennt das Auto anhand hochpräziser Kartendaten. Wichtig ist es ferner, die eigene Position mit einer Genauigkeit von etwa 10 Zentimetern zu bestimmen. Nur so kann es zum Beispiel erkennen, auf welcher Spur sich ein 250 Meter vorausfahrendes Fahrzeug befindet. Diese Präzision stellen ein differenzielles GPS und die Kamera zur Spurerkennung sicher. Mittels der Bilder aus der Kamera kann sich das Auto außerdem an markanter Randbebauung orientieren.

Volle Kraft voraus

Die Fahrstrategie interpretiert die Situation auf Basis des Umfeldmodells, das die Sensoren liefern. Sie entscheidet anhand der Geschwindigkeitsvorgabe und dem eingestellten Fahrziel, welches Fahrmanöver geeignet ist: zum Beispiel den vorausfahrenden Lkw überholen oder abbremsen und schnellere Fahrzeuge vorbeilassen.

Die Fahrstrategie arbeitet in zwei Betriebsmodi: normal und sicher. Im Normalbetrieb werden mit niedriger Frequenz kleine Korrekturen durchgeführt. Abrupte Richtungs- oder Geschwindigkeitswechsel unterbleiben, um den Passagieren ein komfortables Fahrgefühl zu geben.

Parallel überwacht der Sicherheitsbetrieb die Sensordaten mit hoher Frequenz: Liegt etwas auf der Straße, droht eine Kollision? Er kann jederzeit den Normalbetrieb übersteuern, um ein Notfahrmanöver zum Ausweichen oder eine Vollbremsung auszuführen. Dann geht es nicht mehr um Komfort, sondern nur noch darum, das Fahrzeug kollisionsfrei durch die Situation zu bringen.

Der Normal- oder der Sicherheitsbetrieb gibt eine Trajektorie an die Motion-Control-Unit weiter. Der Fahrwerksregler erhält den Befehl, das Fahrzeug mit vorgegebener Geschwindigkeit entlang eines Pfads zu bewegen. Er entscheidet, mit wie viel Bremskraft, Motorschleppmoment und Lenkung er diese Vorgabe erfüllt.

Die Möglichkeiten der Fahrdynamik demonstrierte BMW während der CES auf dem Las Vegas Speedway. Auf der Rennstrecke ging es nicht darum, den Weg zu finden oder auf Hindernisse zu reagieren. Stattdessen hatten die Techniker Kurvenradien und Reibwerte des Belags erfasst und ließen den Wagen quasi von einem Renn-Autopiloten über den Kurs jagen. Der lenkte so präzise ein wie ein Profifahrer. Künstlich bewässerte Kurven provozierten zwar spektakuläre Drifts, doch der Fahrwerksregler verlor nicht die Kontrolle über das Auto.

Kommunikativ

Das hochautomatisierte Auto wird nicht ohne Vernetzung auskommen. Das kann eine Mobilfunkverbindung sein, über die es mit einem Backend kommuniziert, das der Hersteller betreibt. Der sammelt relevante Daten zum Beispiel von Verkehrszentralen und Wetterdiensten. Aber auch die Autos liefern Informationen über Verkehrsfluss oder über Gefahrenstellen. Alle Daten werden auf Servern zusammengeführt, aufbereitet und an die Fahrzeuge weitergeleitet, für die sie wichtig sind. So lassen sich zum Beispiel Strecken bei Glatteis oder nach einem Unfall für hochautomatisiertes Fahren sperren und Warnungen an die Fahrer verbreiten.

Andere Konzepte sehen die Kommunikation zwischen Autos (Car-to-Car) untereinander und direkt mit anderen Systemen wie der Verkehrssteuerung (Car-to-X) vor. Bevor jedoch ein vorausfahrendes Fahrzeug die nachfolgenden zum Beispiel vor Glatteis warnen kann, müssen Standards für diese Kommunikation geschaffen werden. Solche Standards hatte die EU-Kommission bereits 2009 in Auftrag gegeben. Im Februar haben die zuständigen Gremien des European Telecoms Standards Institute (ETSI) und des European Committee for Standardisation (CEN) die Ergebnisse vorgelegt.

Sicherheit

Die zunehmende Vernetzung der Autos wirft zwei Probleme auf: Datenschutz und Systemsicherheit. Beim Backend-Konzept laufen große Datenmengen bei den Autoherstellern auf. Noch ist unklar, was davon personalisiert und was anonymisiert gespeichert wird, wie lange die Daten vorgehalten werden, welche Auswertungen möglich sind und wem die Daten zur Verfügung stehen. Darf beispielsweise die Leasing-Bank des Herstellers prüfen, ob der Kunde pfleglich mit dem Fahrzeug umgeht oder es stets am Limit fährt, um den Restwert neu zu kalkulieren? Eine rechtliche Betrachtung zum Datenschutz finden Sie auf Seite 142.

Die Kommunikation zwischen Auto und Backend lässt sich prinzipiell einfacher durch Kryptografie gegen Hackerangriffe absichern als eine Car-to-X-Kommunikation, an der viele Geräte beteiligt sind. Doch alle Internet- und Funkschnittstellen öffnen potenzielle Einfallstore. Bislang sind die Schnittstellen meist im Infotainment integriert und vom Fahrzeugbus getrennt, der die Steuergeräte verbindet. Hack-Versuche, wie der des Toyota Prius, von dem der Forbes-Jounalist Andy Greenberg berichtete, setzten daher Eingriffe in die Fahrzeugelektronik voraus.

Doch Entwicklungen in Richtung von Firmware-Updates für Steuergeräte und auch zum automatisierten Fahren könnten das ändern. Und eines zeigt Greenbergs Bericht: Unerwünschte Eingriffe in die Fahrsteuerung wären fatal. Die Hersteller beteuern, für höchstmögliche Sicherheit zu sorgen. Doch Autos können gekauft, zerlegt und bis zur letzten Schraube und zum letzten Bit analysiert werden. Das Thema Tachomanipulation beispielsweise zeigt, dass dies gemacht wird, wenn sich die Mühe lohnt.

Schwarmintelligenz

BMWs Testwagen fährt derzeit noch unvernetzt; im nächsten Schritt soll das Konzept um ein Backend erweitert werden. Werner Huber glaubt, dass die Car-to-Car-Kommunikation für einen im automatisierten Fahrbetrieb benötigten elektronischen Horizont eine zentrale Rolle spielen wird. Beim Backend-Konzept muss kein Auto in der Nähe sein, das vor einer Gefahrenstelle warnt. Es reicht, wenn irgendwann zuvor jemand den Punkt passiert hat, damit man rechtzeitig informiert wird.

Fürs hochautomatisierte Fahren benötigt man genauere und aktuelle digitale Karten als die heute verfügbaren. Sie müssen außerdem mit Informationen wie Landmarken angereichert werden. BMW hat die Karten für seine Teststrecken selbst entwickelt. Für eine flächendeckende Erfassung müssen jedoch viele Autos mit Sensoren ausgestattet werden, um das im Crowdsourcing zu leisten. Auch dazu soll das Backend dienen.

Noch sind die hochautomatisierten Autos zu dumm. Der Mensch sieht einen Blinker und weiß, wenn dort vorne jemand die Spur wechselt, bremst die ganze Kolonne. Er geht daher schon mal vom Gas. Das hochautomatisierte Auto bremst erst, wenn der Vordermann bremst. Das vorausschauende Fahren ist ein wesentlicher Punkt der aktuellen Forschung. Situationen müssen gelernt werden, um sie künftig richtig einzuschätzen.

Babyschritte

Die technischen und rechtlichen Hindernisse beim autonomen Fahren lassen sich nur schrittweise überwinden. Es wäre eine schlechte Idee, morgen ein vollständig autonom fahrendes Auto auf den Markt zu bringen. Schon weil sich mindestens jeder zweite Deutsche für den besten Autofahrer der Welt hält und nicht bevormunden lassen will. Und die Technik ist einfach noch nicht so weit, dass man sich ihr anvertrauen kann.

Von Herstellern in Auftrag gegebene Studien, die sinkende Unfallzahlen, geringeren Verbrauch und weniger Staus vorhersagen, gehen von unrealistischen Idealzuständen aus. Hochautomatisiert fahrende Autos schauen sich hundert Mal in der Sekunde um, treffen Entscheidungen 15-mal schneller als Menschen, lassen sich nicht ablenken, werden nicht müde und können dank Vernetzung sogar um die Ecke sehen. Doch sie können nicht alle Situationen richtig einschätzen.

Im Unterschied zum geregelten Luftverkehr herrscht auf der Straße Chaos und der Autopilot ist hier unten umzingelt von nicht deterministisch agierenden Verkehrsteilnehmern. Daher wird er irgendwann einen Unfall verursachen. Und obwohl er bis dahin womöglich schon zehn verhindert hat, wird die Schlagzeile „Auto tötet Menschen“ lauten.

Dennoch ist die Entwicklung hoch- und womöglich auch vollautomatisiert fahrender Autos nicht aufzuhalten. Und sie macht große Fortschritte. Audi lässt Autos fahrerlos einparken und hochautomatisiert durch Nevada fahren. Daimler legte mit einer seriennahen S-Klasse den Weg von Mannheim nach Pforzheim zurück – über Land und durch die Stadt. Der Fahrer soll dabei nur einmal eingegriffen haben, als eine Fußgängerin am Zebrastreifen stand und das Fahrzeug durchwinkte.

Vielleicht werden Autos dann auch für junge Menschen wieder attraktiver. Denn wie Ralf Herrtwich, der bei Daimler für Fahrassistenz zuständig ist, sagte: „Wir haben eine Generation, die lenkt das Autofahren vom SMS-Schreiben ab.“ Aber noch sind wir nicht da. (ad)

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