Autonomes Fahren: Wer hat die besten Karten?

Autonome Autos können ohne digitales Kartenmaterial nicht navigieren. Doch wie genau und aktuell müssen die Daten sein? In dieser Frage verfolgen die Autohersteller und Kartendienste unterschiedliche Konzepte.

2. September 2015 um 12:00 Uhr / Von Friedhelm Greis

So sieht eine hochgenaue Karte von Nokia Here für autonome Autos aus. Bild: here

Es ist eine ziemliche triviale Feststellung: Damit ein autonomes oder hochautomatisiertes Auto sicher fahren kann, muss es zunächst einmal wissen, wo es sich überhaupt befindet. Doch die Frage, wie genau die Ortung auf der Straße erfolgen muss, ist alles andere als einfach zu beantworten. Zwar scheint klar, dass autonome Autos auf Basis des bisherigen Kartenmaterials nicht überall sicher fahren können. Aber noch wissen die Autohersteller nicht genau, welchen Aufwand sie bei der Erstellung der Karten und deren Aktualisierung betreiben müssen. Sicher ist: Der Aufwand wird sehr groß sein.

Bild 1/9: Nokia Here nimmt mit einer eigenen Fahrzeugflotte weltweit hochgenaue Karten auf. (Fotos: Nokia Here)

Bild 2/9: Der Lidar verfügt über 32 Laser, die 700.000 Bildpunkte pro Sekunde aufzeichnen.

Bild 3/9: Aus Milliarden von Bildpunkten setzt die Software eine 3D-Aufnahme der Straßen zusammen.

Bild 4/9: Eine hochauflösende Karte einer Straßenkreuzung im US-Bundesstaat Michigan

Bild 5/9: Die Karten müssen so genau sein, dass sie auch die Bordsteinkanten der Straßen erfassen.

Bild 6/9: So sieht eine Lidar-Aufnahme aus, nachdem sie vollständig bearbeitet wurde.

Bild 7/9: Die hochgenauen Karten sollen die autonomen Autos in die Lage versetzen, im Voraus den Verlauf der Fahrbahn zu kennen.

Bild 8/9: Mit dem Konzept der "lebenden Straßen" (live roads) sollen die Autos auch über solche Hindernisse informiert werden, die nicht auf Karten verzeichnet werden können.

Bild 9/9: Dazu werden aktuelle Verkehrsdaten in die Cloud hochgeladen und anschließend an Fahrzeuge weitergegeben, die davon betroffen sein könnten.

Wie stark sich die unterschiedlichen Konzepte auf die automatisierten Testfahrzeuge auswirken, zeigt ein Vergleich zwischen den deutschen Herstellern BMW, Audi und Daimler. Während BMW mit seinem Prototyp in der Lage ist, am Münchner Autobahnkreuz Neufahrn abzubiegen, kann Audi mit seinem Testwagen zwar schon lange Autobahnstrecken bewältigen, aber immer nur geradeaus. Daimler präsentierte hingegen schon 2013 einen modifizierten S-Klasse-Wagen , der die 103 Kilometer lange historische Bertha-Benz-Strecke zwischen Mannheim und Pforzheim autonom bewältigte. Allerdings wurde die Fahrt durch Städte und über Landstraßen zweieinhalb Jahre lang akribisch vorbereitet, um die Fahrzeugposition mit den eigens aufgenommenen Karten zentimetergenau bestimmen zu können. Lässt sich dieser Aufwand für das weltweite Straßennetz betreiben?

Genaue Karten für Autobahnkreuze erforderlich

Dabei stellt sich die Frage, warum die Erfassung der Fahrzeugumgebung und Straßenmarkierungen durch die Sensoren in den meisten Situationen nicht ausreicht. Schließlich zeigt Audi, dass sein Autobahnpilot in der Lage ist, Hunderte Kilometer am Stück hochautomatisiert zu fahren. Wenn es hingegen darum geht, in der erlaubten Geschwindigkeit eine Autobahn zu wechseln, muss bislang der Fahrer wieder das Lenkrad übernehmen. Das genaue Einfädeln auf die verschiedenen Abbiegespuren sowie die engen Kurven in den Auf- und Abfahrten überfordern das Sensorsystem. Diese Abschnitte lassen sich offenbar nur dann bewältigen, wenn das Auto auf Basis der Karten und seiner Position fast zentimetergenau weiß, wo es sich befindet und was es auf den kommenden Metern erwartet.

Auf Grundlage dieser Erfahrungen hat BMW seine Teststrecke exakt vermessen und seinem Testwagen ein hochpräzises GPS-System spendiert. Damit steuert der Wagen nicht nur durch das Autobahnkreuz, sondern auch über die normale Strecke. Auch hier stellt sich die Frage, wie ein solches Konzept serienmäßig umgesetzt werden kann. So müsste BMW für ein hochautomatisiertes Autobahnsystem zunächst alle Strecken exakt kartiert haben. Bei Audi wird hingegen wohl eher das Konzept verfolgt, nur bei schwierigen Passagen wie in Autobahnkreuzen auf das Kartenmaterial zurückzugreifen.

Kartendienste erstellen eigene HD-Karten

Vor diesem Hintergrund scheint es verwunderlich, dass sich die drei deutschen Hersteller gemeinsam auf den Erwerb des Kartendienstes Nokia Here geeinigt haben . Zumal Audi erst im Mai 2015 eine Kooperation mit dem Kartendienst Tomtom bekanntgegeben hat. Inzwischen hat Nokia Here angekündigt , mit Hilfe von Laserscannern hochpräzise Karten zu erstellen. Aus Milliarden von 3D-Punkten soll ein Modell der Straßen entwickelt werden, das bis auf 10 bis 20 Zentimeter genau ist. Schon in mehreren Ländern wurden auf diese Weise Karten erstellt, die von den Autoherstellern getestet werden können - so in Deutschland von der A9 zwischen München und Holledau. Auch die Bertha-Benz-Fahrt von Daimler wurde mit Material von Here umgesetzt.

Die Genauigkeit wäre damit nicht so groß wie bei den aktuellen Versuchsfahrzeugen von BMW. Werner Huber, Leiter der Forschungsgruppe hochautomatisiertes Fahren bei dem Münchner Autokonzern, sagte aber auf Nachfrage von Golem.de: "Wir können mit diesen Genauigkeiten leben. Nokia Here war ja bereits bei einem früheren Projekt mit an Bord und hat die Anforderungen für das hochautomatisierte Fahren mit auf den Weg bekommen." Ein Sprecher von Audi sagte: "Der Kauf von Nokia Here beeinflusst nicht die weitere Verwendung von Daten des Unternehmens Tomtom. Im Volkswagen-Konzern kommen sowohl Daten von Nokia Here als auch von Tomtom zum Einsatz."

Das in Berlin ansässige Unternehmen Nokia Here will mit dem hochpräzisen Material die begrenzte Reichweite der Sensoren praktisch bis ins Unendliche ausdehnen, wie es in einem Blogbeitrag heißt . So müsse ein autonomes Auto für Überholvorgänge über die Reichweite der Sensoren hinausschauen können, um den Verlauf der Fahrspuren und mögliche Einschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeiten zu kennen. Schon vor Jahren hat Nokia Here seine Karten mit Daten über Gefälle, Höhe, Krümmung der Strecke sowie die aufgestellten Verkehrsschilder angereichert. Solche speziellen Karten für Fahrassistenzsysteme nutzt BMW seit 2006 für seinen Abstandsregelungstempomaten. Doch für automatisiertes Fahren reichen diese Daten nicht.

Aktualisierung der Karten über die Cloud

Das sieht auch Tomtom so. Zusammen mit dem Automobilzulieferer Bosch will das niederländische Unternehmen die deutschen Autobahnen bis Ende 2015 genau vermessen. Laut Bosch sollen die Karten künftig aus mehreren Schichten bestehen: für Navigation, Lokalisierung und Planung. Über die Navigationsschicht erfolge die Berechnung der Fahrtroute von A nach B mit den zu befahrenden Straßen, erklärt Bosch. Anhand der Lokalisierungsschicht ermittele das Fahrzeug seine genaue Position in der Fahrspur. Dazu würden Informationen zu Objekten, die über die Umfeldsensoren gewonnen würden, mit den entsprechenden Daten in der Schicht verglichen. Die Planungsschicht wiederum enthalte Daten zu Fahrbahnmarkierungen, Verkehrsschildern und Tempolimits sowie zur Fahrbahngeometrie. Damit entscheide ein automatisiert fahrendes Fahrzeug beispielsweise, wann es die Spur wechsele.

Auch Tomtom plant eine Genauigkeit im Dezimeterbereich. Mit solchen Karten seien die Testfahrzeuge von Bosch bereits seit Anfang 2013 hochautomatisiert im öffentlichen Straßenverkehr unterwegs, sagte ein Bosch-Sprecher auf Anfrage von Golem.de. Vom heutigen Stand aus gesehen reiche eine solche Genauigkeit aus. GPS-Signale würden lediglich dazu verwendet, ein Fahrzeug nach dem Start des Systems und vor Beginn einer automatisierten Fahrt grob zu lokalisieren. Dazu genüge eine Genauigkeit im Meterbereich. Die GPS-Signale dienten später nur noch dazu, die hochgenauen Kartendaten zu plausibilisieren.

Verkehrsteilnehmer laden eigene Sensordaten hoch

Aber was nützt das genaueste Material, wenn plötzlich eine Baustelle den Weg versperrt und es, was häufig vorkommt, eine neue Spurführung gibt? "Informationen zu Staus, Unfällen, Wanderbaustellen oder Tempolimits müssen dem hochautomatisiert fahrenden Fahrzeug aktuell und rechtzeitig zur Verfügung stehen. Nur dann kann es vorausschauend die beste Fahrstrategie wählen" , schreibt Bosch. Um solch kurzfristige Veränderungen zu erkennen, will Tomtom nicht nur seine eigene Kartierungsflotte nutzen, sondern plant nach eigenen Angaben zusammen mit Bosch "den Einsatz weiterer Fahrzeugflotten mit entsprechenden Sensoren an Bord" . Welche Flotten das sein sollen, steht derzeit noch nicht fest.

Ein anderes Konzept verfolgt hingegen Nokia Here mit seinen "lebenden Straßen" (live roads ). Das Unternehmen hat eine Schnittstellen-Spezifikation entwickelt, die definiert, wie sensorbasierte Daten verschiedener Fahrzeuge in einer Cloud verarbeitet werden können. Diese Spezifikation wurde im Juni 2015 der Automobilindustrie über eine CC-Lizenz zur freien Verfügung gestellt . "Die erzeugten Daten können so in standardisierter Form in der Cloud zusammengefasst, verarbeitet und analysiert werden, um ein detailliertes Echtzeit-Bild von Straßen und Verkehr zu entwerfen" , teilte Here mit. Anhand der gesammelten Daten ließen sich zudem Karteninformationen abgleichen und verbessern. Zudem könnten Warnungen über Straßenschäden oder Baustellen gegeben werden.

Jede Ampel muss genau erfasst sein

Allerdings dürfte das dabei entstehende Datenvolumen sehr groß sein. Laut einer Prognose des Marktforschungsunternehmens SBD sollen schon bis zum Jahr 2020 jährlich rund 33 Millionen vernetzungsfähige Fahrzeuge verkauft werden. Diese erzeugten pro Jahr mehr als 163 Millionen Terabytes an Daten. Here setze darauf, dass sich bis zum Einsatz der Fahrzeuge die Netzwerktechnik weiterentwickelt haben werde, sagte ein Sprecher auf Anfrage. Dann könne beispielsweise der Mobilfunkstandard 5G marktreif sein. Auch Google setzt bei seinen autonomen Autos darauf, dass sie nicht-kartierte Verkehrszeichen an die Zentrale melden .

Noch deutlich höher werden die Anforderungen an die Karten, wenn automatisierte Autos die Autobahn verlassen und in der Stadt herumfahren wollen. Da ist es erforderlich, dass jeder Zebrastreifen und jede Ampel erfasst und erkannt wird. Die Autos müssen genau wissen, wo und in welcher Höhe sich die für sie relevanten Ampeln befinden. Zwar zeigt Google mit seinen Testfahrzeugen in den USA, dass auch Stadtverkehr prinzipiell automatisiert zu beherrschen ist. Allerdings sind von den rund 6,6 Millionen Straßenkilometern in den USA bis vor einem Jahr erst wenige Tausend von Google kartiert worden . Die gesamte Kartierung der USA sei dennoch keine "furchteinflößende Aufgabe" , sagte der Chef von Google-Car, Chris Urmson.

"Städte müssen sich ändern"

In diesem Zusammenhang ist nicht ausgeschlossen, dass ein Hersteller wie Audi in den USA auf Kartenmaterial von Google zurückgreift. Die nächste Modellgeneration des Audi A8 soll 2017 mit den ersten hochautomatisierten Funktionen wie einem Staupiloten ausgestattet sein. "Wir können heute nicht sagen, welche Navigationsdaten in zwei bis drei Jahren in unseren Fahrzeugen für den US-Markt verwendet werden" , sagte ein Sprecher. Zum jetzigen Zeitpunkt könne nicht einmal gesagt werden, "wann wir hochauflösendes Kartenmaterial erstmalig in Verbindung mit hochautomatisierten Funktionen zum Einsatz bringen" . Das heißt: Möglicherweise fährt der A8 in den USA zunächst lediglich auf Basis der Sensordaten. Im Falle eines Staupiloten wäre das jedoch nicht so entscheidend, da das Auto dann im Verkehr leicht mitschwimmen könne.

Angesichts der noch zu lösenden Probleme gehen deutsche Hersteller davon aus, dass erst in 15 Jahren Fahrzeuge in allen Verkehrssituationen komplett autonom unterwegs sein können. Derzeit sind sie noch der Ansicht, allein mit besseren Karten dieses Ziel nicht zu erreichen. "Im städtischen Umfeld rechnen wir mit autonomen Autos erst im Jahr 2030. Die Städte müssen sich ändern" , sagte BMW-Entwicklungsleiter Huber. So könnten Ampeln dann in der Lage sein, mit den Fahrzeugen zu kommunizieren. Google hingegen setzt weiterhin darauf, dass dieser Schritt viel früher erfolgt. Sein derzeit elfjähriger Sohn solle mit 16 Jahren keine Führerscheinprüfung mehr machen müssen, sagte Urmson. Sollte Google dieses Ziel wirklich erreichen, hätte die deutsche Konkurrenz erstmal schlechte Karten.

In einer vierteiligen Artikelserie hat Golem.de den derzeitigen Entwicklungsstand autonomer Fahrzeuge dargestellt. Die weiteren Artikel der Serie lauten:

Teil 1: Auf dem Highway ist das Lenkrad los (Golem.de testet hochautomatsierte Autos)

Teil 3: Wozu das Auto mit dem Internet verkehrt (Anforderungen an vernetzten Verkehr)

Teil 4: Die neue Autonomiebehörde (Rechtliche Hürden für autonome Autos)