Autonomes Fahren: Auf dem Highway ist das Lenkrad los
Es sind zwei kleine Knöpfe, die das Lenkrad des Audi A7 von dem eines gewöhnlichen Autos unterscheiden. Doch sie ermöglichen bei der Testfahrt auf der Autobahn 39 bei Wolfsburg eine Reise in die Zukunft. Drückt man beide Knöpfe gleichzeitig und nimmt die Hände weg vom Lenkrad, startet der Autobahnpilot des Prototyps. Das Lenkrad fährt leicht ein, ein LED-Band unter der Windschutzscheibe erstrahlt türkisfarben.
Erstaunlich schnell gewöhnt man sich als Fahrer daran, dass der Wagen selbst blinkt, die Spur wechselt, überholt und automatisch über die Autobahn gleitet. Sind autonome Autos also in wenigen Jahren schon Normalität auf Deutschlands Straßen? Trotz des Hypes um Google-Autos und die Versuche vieler Hersteller sind bis dahin noch viele Hürden zu überwinden. Nicht nur technische, sondern auch politische und juristische.
Das autonome Fahren ist dennoch neben dem Elektroantrieb und den vernetzten Autos das große Zukunftsthema der Autobranche. "Alle deutschen Autos werden autonom fahren" , sagte vor kurzem Googles Verwaltungsratschef Eric Schmidt , dessen Konzern die Branche ziemlich aufgescheucht zu haben scheint.
Fünf Automatisierungsgrade
Kein Wunder, dass die deutschen Oberklassehersteller heftig an eigenen Konzepten basteln und versuchen, in wenigen Jahren eigene Modelle auf den Markt zu bringen. Dabei verfolgt Google mit seinen Kugelautos im Vergleich zu BMW, Audi oder Daimler ein revolutionäres Konzept. Die deutschen Hersteller setzen hingegen auf eine schrittweise Evolution ihrer Modellpalette. Nach und nach sollen immer mehr Assistenzfunktionen in die Autos eingebaut werden, die langfristig dem Autofahrer komplett das Fahren abnehmen könnten. Nach Ansicht von Chris Urmson, Chef von Google Car, ein Irrweg. "Auch wenn ich noch so viele Sprünge übe, kann ich damit nicht fliegen lernen. Wir müssen daher etwas anderes machen" , sagte er im März 2015 auf der TED-Konferenz(öffnet im neuen Fenster) .
Aus diesem Grund ist es verwirrend, wenn pauschal von "autonomen Autos" gesprochen wird. Denn darunter werden sehr unterschiedliche Stufen von assistiertem und automatisiertem Fahren verstanden, die von einem wirklich autonomen Fahrzeug zum Teil noch weit entfernt sind. Die deutschen Hersteller und die Bundesregierung unterscheiden daher fünf Automatisierungsgrade(öffnet im neuen Fenster) : assistiertes, teil-, hoch- und vollautomatisiertes sowie autonomes Fahren. Die US-Straßenverkehrsbehörde NHTSA definierte vier Automatisierungsstufen(öffnet im neuen Fenster) . Dabei entsprechen die Stufe 1 bis 3 dem deutschen System, während Stufe 4 das vollautomatisierte und autonome Fahren vereint. Das Standardisierungsinstitut SAE hat ebenfalls ein System mit fünf Automatisierungsgraden entwickelt(öffnet im neuen Fenster) .
Derzeit bereiten die Konzerne die ersten hochautomatisierten (pilotierten) Serienfunktionen wie den Staupiloten oder einen Parkhauspiloten vor. Damit dürfte in den kommenden drei Jahren zu rechnen sein. Funktionen wie der von Golem.de getestete Autobahnpilot dürften in Deutschland vermutlich erst um das Jahr 2020 oder etwas später serienmäßig angeboten werden. In den USA könnte ein Audi A8 mit einem Staupiloten bereits in zwei Jahren unterwegs sein.
Zehn Sekunden bis zum Eingreifen des Fahrers
Dabei stellt erst das hochautomatisierte Fahren eine neue Qualität für den Straßenverkehr dar. Während beim teilautomatisierten Fahren der Fahrer jederzeit in der Lage sein muss, die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen, gilt das für hochautomatisierte oder pilotierte Autos nicht mehr. Laut Definition erhält der Fahrer dann eine ausreichende Zeitreserve, bevor er eingreifen muss. Das heißt: In einem Zeitraum von etwa zehn Sekunden muss das Fahrzeug in der Lage sein, brenzlige Verkehrssituationen oder den Ausfall von Steuerungs- und Sensorsystemen alleine zu beherrschen. In Notfall fährt der Wagen automatisch auf den Standstreifen.
In Stufe vier, dem vollautomatisierten Fahren, ist das Fahrzeug "in allen Situationen in der Lage, einen risikominimalen Zustand herzustellen" , wie es in einem Infopapier des Bundesverkehrsministeriums heißt. Das wirklich autonome Auto kann sogar vollständig ohne Fahrer durch den Verkehr steuern. Eine Vision, die man derzeit am ehesten mit den Kugelautos von Google verbindet, die den öffentlichen Nahverkehr vor allem in den USA revolutionieren könnten. Mit autonomen Stadtautos wird aber erst in 15 Jahren gerechnet. Auch Urmson räumte zuletzt ein(öffnet im neuen Fenster) : "Es ist hundertmal schwieriger, in einer Stadt zu fahren als auf einer Autobahn."
Leichtes Schlingern irritiert Sensorik
Es liegt nahe, dass sich Hersteller auf diesem fünfstufigen Weg von den einfachen Verkehrssituationen auf hochkomplexe Umgebungen wie dem Stadtverkehr vortasten. Dies ermöglicht es, Sensorsysteme und Steuerungssoftware Schritt für Schritt zu entwickeln und praktische Erfahrungen im Einsatz zu sammeln. Wie schwierig dabei scheinbar einfache Dinge sein können, zeigte uns eine Fahrt mit einem BMW-Prototyp auf der A 9 bei München. Auch dieser Wagen beherrscht bereits das automatische Überholen und kann sogar auf dem Weg zum Münchner Flughafen die richtige Abzweigung nehmen.
Doch bei dem Versuch, an einem leicht schlingernden Lkw vorbeizufahren, war der 5er-BMW auffallend unsicher. Die Steuersysteme interpretierten die Querbewegungen als möglichen Fahrbahnwechsel und stoppten den Überholversuch mehrfach kurz vor dem Lkw ab. Zu berechnen, was der vorausfahrende Fahrer will, ist für einen Computer offenbar nicht trivial. Zumal die drei von uns befragten Hersteller generell darauf verzichten, die Blinker der Fahrzeuge auszuwerten. Entscheidend ist ausschließlich die tatsächliche Fahrzeugbewegung. Auch ein Wired-Reporter berichtete im April dieses Jahres(öffnet im neuen Fenster) von einer ähnlichen Erfahrung bei einer Audi-Testfahrt: "Kurzzeitig lässt ein taumelnder Lkw den Wagen 'erschreckt' bremsen und einige Zentimeter nach links ausweichen."
Keine Laserscanner auf dem Dach
Es erscheint dennoch realistisch, dass solche hochautomatisierten Funktionen in den kommenden Jahren angeboten werden. So präsentierte Daimler Anfang Juli für seine neue E-Klasse ein Assistenzsystem, das über bereits existierende Abstandsregeltempomaten(öffnet im neuen Fenster) hinausgeht und den Fahrer auch beim Lenken unterstützt. Ein weiterer Assistent soll dabei helfen, Fußgängern in Gefahrensituationen kontrolliert auszuweichen und anschließend in der Spur zu bleiben. Auch ermöglicht ein Parkpilot mit Hilfe des Smartphones das ferngesteuerte Einparken des Autos von außen. Auch der neue 7er BMW verfügt über solche Systeme.
Ermöglicht werden diese Funktionen durch neue Entwicklungen bei der Sensortechnik. So setzen die deutschen Hersteller derzeit auf eine Kombination aus Radar- und Ultraschallsensoren in Verbindung mit Videokameras, Laserscannern und Infrarotsichtgeräten. Die Radare für Nah-, Mittel- und Fernbereiche werden in enger Zusammenarbeit mit den Zulieferern wie Bosch oder Continental entwickelt.
Extrem hohe Rohdatenlast
Dabei analysieren die handgroßen Sensoren schon selbst die Rohdaten und klassifizieren beispielsweise die einzelnen Verkehrsobjekte, die sie erfassen. "Die Sensoren liefern eine extrem hohe Rohdatenlast, die reduziert werden muss" , sagte Werner Huber, Leiter der Forschungsgruppe hochautomatisiertes Fahren bei BMW, im Gespräch mit Golem.de. Diese Daten werden dann über ein Bussystem an das zentrale Steuergerät übertragen, das etwa die Größe eines Tablet-Computers hat.
Hierbei nutzen die Hersteller ihre eigene Auswertungssoftware, um die Gesamtdaten auszuwerten und das Fahrzeug zu steuern. Audi setzt dabei auf die Prozessoren EyeQ3 von Mobileye und den Tegra K1 von Nvidia . Die Datenübertragung zwischen Sensoren, Steuergerät und Aktoren erfolgt dabei über verschiedene Bussysteme wie CAN oder Flexray sowie die echtzeitfähige Ethernetvariante TTEthernet(öffnet im neuen Fenster) .
Vor- und Nachteile von Sensoren
Einen auffälligen und teuren Laserscanner ( Lidar(öffnet im neuen Fenster) ) auf dem Dach, wie er charakteristisch für die Google-Fahrzeuge ist, lehnen die deutschen Hersteller weiter strikt ab. Ihre automatisierten Autos sollen sich von außen nicht von den gewohnten Modellen unterscheiden. Da die Marken sehr stark über das Design verkauft werden, will man sich den technischen Möglichkeiten nicht unterordnen. "Autos sind Emotionsprodukte. Wir müssen das Design für automatisierte Fahrzeuge nicht ändern." , sagte Miklós Kiss, Leiter Vorentwicklung Fahrerassistenz bei der Audi Electronics Venture GmbH, im Gespräch mit Golem.de.
Die Hersteller räumen unter der Hand allerdings ein, dass ein Laserscanner mit 360-Grad-Rundumblick auf dem Dach eine bessere Erkennung ermöglicht, vor allem in Innenstädten. Dazu Kiss: "Für die Forschung an komplexen Verkehrsszenarien in der Stadt werden heute Laserscanner verwendet. Das optimale Sensorset für Stadtszenarien ist aber noch offen."
Bislang verstecken die deutschen Hersteller die Sensoren möglichst hinter der Karosserie oder integrieren sie unauffällig darin. Gänzlich verzichten wollen die deutschen Hersteller auf einen Lidar jedoch nicht. Denn für hochautomatisierte Fahrzeuge zählt vor allem Redundanz: Sensoren müssen in der Lage sein, ihre Daten gegeneinander zu plausibilisieren und bei Ausfällen zu ersetzen. Dabei können auch Lidare helfen, die Audi beispielsweise an Front und Heck platziert. "Mit welchen Sensoren in Zukunft das erste Serienfahrzeug mit pilotierten Funktionen von Audi ausgestattet sein wird, steht heute noch nicht definitiv fest," sagte ein Audi-Sprecher.
Bis zu 20 Megabyte pro Sekunde
Denn alle Sensoren haben ihre Vor- und Nachteile. So funktioniert ein Lidar oder eine Kamera schlecht bei starkem Regen oder Nebel. Auch mit Radaren gibt es Probleme. "Eine gefüllte Blechdose kann Radarstrahlen so reflektieren, dass sie wie ein Fahrzeug wahrgenommen wird," erläuterte Jochen Haab, Teamleiter Assistenzsysteme bei Daimler, im Gespräch mit Golem.de. Offenbar können die Sensoren der Google-Autos keine Steinbrocken von einem Papierknäuel unterscheiden(öffnet im neuen Fenster) .
Zudem gibt es Unterschiede zwischen den einzelnen Sensoren hinsichtlich Reichweite und Erfassungsgeschwindigkeit. Die sogenannte Sensordatenfusion(öffnet im neuen Fenster) soll dabei ein möglichst genaues Bild der Umgebung erzeugen, auf das das Fahrzeug dann reagieren kann. Nach Angaben von BMW und Audi liefern die Sensoren zwischen 5 und 20 MByte an Daten pro Sekunde. Auf Basis dieser Daten entscheidet die Steuerungseinheit dann, ob beispielsweise ein Überholvorgang gestartet wird oder wieder auf die rechte Spur gewechselt werden kann.
Automatisierte Autos fahren anders
Redundanz ist in Zukunft aber auch bei der eigentlichen Fahrzeugsteuerung erforderlich. Das hochautomatisierte Auto muss selbst dann noch lenken können, wenn das Stellelement ( Aktor(öffnet im neuen Fenster) ) für die Bremse ausfallen sollte. Die Hersteller denken dabei daran, beispielsweise das Fahrzeug mit einseitigem Bremsen zu steuern. Diese Technik wird bereits seit langem beim Elektronischen Stabilitätsprogramm(öffnet im neuen Fenster) (ESP) eingesetzt. Was zeigt, dass die Automobilkonzerne bei der Entwicklung automatisierter Systeme auf jahrzehntelange Erfahrungen mit der Digitalisierung und elektronischen Kontrollsystemen zurückgreifen können.
Ein grundsätzliches Handicap haben jedoch alle sensorbasierten Systeme: Ihre Reichweite ist auf wenige Hundert Meter begrenzt. Während das Fernbereichsradar bis zu 250 Meter strahlt, sehen die Kameras rund 150 Meter weit. Der Laserscanner hat nur eine Reichweite von 80 Metern. Würde ein autonomes Auto mit 200 Stundenkilometern über die Autobahn rasen, läge die Reichweite nur bei wenigen Sekunden Fahrtzeit. Schon der reine Bremsweg auf trockener Fahrbahn beträgt dann mehrere Hundert Meter. Es ist daher kein Zufall, dass BMW und Audi ihre Fahrzeuge bislang nicht schneller als 130 Kilometer in der Stunde fahren lassen. Je höher die Geschwindigkeit, desto schneller stoßen die autonomen Systeme an ihre Grenzen.
Diese Grenzen werden auch beim Fahrstil der Prototypen deutlich. Es erscheint nachvollziehbar, dass die Fahrzeuge sehr defensiv programmiert sind: Sie starten keine riskanten Überholmanöver und halten Sicherheitsabstände und die Spur genau ein. Die Fahrweise der Versuchsmodelle wirkt aber insgesamt nicht sehr flüssig, in gewissem Sinne "mechanisch". Während ein menschlicher Pkw-Fahrer möglichst rechtzeitig überholt, um nicht vor einem langsamen Lkw hängenzubleiben, fehlt dem autonomen Auto der Weitblick, den vorausfahrenden und herannahenden Verkehr über eine größere Entfernung abzuschätzen. Es wird daher mehr gebremst und beschleunigt als bei einem vorausschauend fahrenden Menschen. Auch erfolgt manche Beschleunigung und Bremsung dadurch etwas abrupt. Aber was soll's?
Wettbewerb um die besten Entwickler
Das Fahren auf der Autobahn ist letztlich doch eine langweilige und ermüdende Sache, die man gerne einem anderen überlässt. Wenn das Lenkrad beim Audi-Testwagen einfährt, gibt man gedanklich schnell die Kontrolle ab und fühlt sich als Beifahrer, obwohl man selbst hinter dem Steuer sitzt. Die Fahrt ist entspannter, wenn man nicht ständig den gesamten Verkehr im Auge haben muss. "Warum soll ich jetzt schon wieder fahren?" , fragt man sich, wenn der Audi am Autobahnkreuz Wolfsburg/Königslutter die Steuerung wieder abgeben muss. Zwar ist der Wagen nach Angaben der Entwickler schon 280 Kilometer am Stück automatisiert über eine deutsche Autobahn gefahren, doch das Abbiegen beherrscht er noch nicht.
Trotz der technischen Möglichkeiten sind sich die Entwickler noch gar nicht so sicher, ob ihre automatisierten Funktionen überhaupt beim Kunden ankommen. Nicht umsonst wirbt BMW mit dem Slogan "Freude am Fahren" und nicht mit "Freude am Gefahrenwerden" . Allerdings könnten die Autohersteller für ihre autonomen Fahrzeuge unverändert die aktuelle Werbekampagne der Deutschen Bahn übernehmen(öffnet im neuen Fenster) : "Diese Zeit gehört Dir." E-Mails schreiben, im Internet surfen oder Filme anschauen dürfte in ein paar Jahren für Autobahnfahrer kein Problem mehr darstellen.
Für die Vermarktung der Selbstfahrer spielt neben dem Komfort auch der Sicherheitsaspekt eine große Rolle. Denn das Autonomobil(öffnet im neuen Fenster) soll ein unfallfreies Fahrzeug sein. Typische menschliche Fehler, wie sie durch Ermüdung, Alkohol am Steuer oder Ablenkung entstehen, können einem autonomen Auto nicht passieren. Ein Paradebeispiel dafür ist der jüngste Unfall eines Google-Autos , bei dem der Hintermann an einer Kreuzung ungebremst auffuhr, obwohl genügend Zeit und Platz zum Bremsen war.
Fahrkompetenz könnte sinken
Ob es Zufall ist, dass die automatisierten Google-Autos schon in elf Auffahrunfälle verwickelt waren, steht aber auf einem anderen Blatt. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Fahrzeuge aufgrund ihres defensiven Fahrverhaltens oder falscher Dateninterpretationen in Situationen bremsen, in denen es vom nachfolgenden Verkehr nicht erwartet wird. Aus den bisherigen Unfallberichten(öffnet im neuen Fenster) geht das nicht eindeutig hervor. Zudem wird derzeit schon erforscht(öffnet im neuen Fenster) , wie sich die Zunahme von Assistenzsystemen und automatisierten Funktionen auf die Fahrkompetenz der Fahrer auswirkt. Schließlich sollen in absehbarer Zeit noch die Menschen das Steuer übernehmen, wenn der Bordcomputer nicht mehr weiter weiß.
Noch scheint unklar, ob beim Wettlauf um das erste autonome Auto die traditionellen Autohersteller oder ein IT-Konzern wie Google das Rennen macht. Es erinnert ein bisschen an den Ost-West-Systemwettbewerb um die Mondlandung. Wozu passt, dass Google seine ehrgeizigen Forschungsprojekte als " Moonshots(öffnet im neuen Fenster) " bezeichnet. Während die Autohersteller einen sehr großen Vorsprung bei der Hardware besitzen, versteht Google mehr davon, große Datenmengen zu analysieren.
Abkehr von der Evolutionstheorie
Dieser IT-Vorsprung könnte sich noch vergrößern, denn beim Wettbewerb um die besten Programmierer hat Google nicht nur im Silicon Valley die Nase vorn. Selbst in Europa(öffnet im neuen Fenster) ist Google unter Absolventen technischer Fächer noch der beliebteste Arbeitgeber, gefolgt von der Volkswagen Gruppe, Microsoft und BMW. "Das Angebot von gut ausgebildeten und spezialisierten Hochschulabsolventen ist überschaubar. Sie werden auch bei Audi intensiv gesucht," sagte Entwicklungsleiter Kiss.
Für die Herangehensweise der deutschen Hersteller spricht, dass die ersten Autos sich nur langsam vom Pferdekutschendesign lösten. Hätte Carl Benz schon um 1885 einen Prinz-Heinrich-Wagen(öffnet im neuen Fenster) konstruieren wollen, wäre er grandios gescheitert. Aber auch die ambitionierte Mercedes-Zukunftsstudie F 015 zeigt, dass das autonome Auto der Zukunft nicht mehr viel mit den heutigen Fahrzeugen gemein haben muss. Dabei rückt Daimler sogar offen von seiner Evolutionstheorie ab: Der Wagen sei der "Vorbote einer Mobilitätsrevolution" .
In einer vierteiligen Artikelserie hat Golem.de den derzeitigen Entwicklungsstand autonomer Fahrzeuge dargestellt. Die weiteren Artikel der Serie lauten: Teil 2: Wer hat die besten Karten? (Wie genau und aktuell müssen Karten für autonome Autos sein)
Teil 3: Wozu das Auto mit dem Internet verkehrt (Anforderungen an vernetzten Verkehr)
Teil 4: Die neue Autonomiebehörde (Rechtliche Hürden für autonome Autos)