Autonomes Fahren. Die Zukunft des Fahrens

Inhalt

1 Begriffserklärung/Ausgangssituation

2 Verschiedene Automatisierungsstufen
2.1 Erstes Level: Assistiertes Fahren
2.2 Zweites Level: Teilautomatisiertes Fahren
2.3 Drittes Level: Hochautomatisiertes Fahren
2.4 Viertes Level: Vollautomatisiertes Fahren
2.5 Fünftes Level: Autonomes Fahren

3 Die Technik hinter dem autonomen Fahren
3.1 Kamera
3.2 Radar
3.3 Lidar
3.4 Bilderkennungsalgorithmen
3.5 Umgebungsmodell
3.6 Vernetzte Fahrzeuge

4 Chancen und Herausforderungen
4.1 Kraftstoffersparnis
4.2 Zeitkostenersparnis
4.3 Sicherheitsgewinn
4.4 Verringerung städtischer Stellplätze
4.5 Haftung
4.6 Akzeptanz der Nutzer

5 Das ethische Dilemma

6 Was muss sich neben den Autos ändern?

7 Aktueller Stand der Technik

8 Ausblick

9 Quellenangaben

1 Begriffserklärung/Ausgangssituation

Unter autonomem Fahren versteht man, dass Fahrzeuge selbstständig fahren. Man unterscheidet dabei verschiedene Level/Stufen, je nachdem, wie selbstständig das Auto fährt. Heute ist der Verkehr zum größten Teil noch manuell. Das heißt, die Fahrer fahren noch selbst. Es gibt allerdings schon verschiedene Assistenzsysteme. In Kapitel 3 werden die einzelnen Automatisierungsstufen noch näher vorgestellt.

Motorisierte Fortbewegungsmittel nehmen einen großen Platz in unserem Alltag ein. Seit der Erfindung durch Carl Benz im Jahr 1886 hat sich die Zahl der Autos sehr schnell entwickelt. Viele besitzen heute ein eigenes Auto oder sind fast jeden Tag damit unterwegs.

In Deutschland sind aktuell über 46 Millionen Autos zugelassen. Insgesamt gibt es 68 Millionen Menschen in Deutschland, die über 18 Jahre alt sind. Und da sind auch die vielen alten Menschen dabei, die gar nicht mehr Auto fahren. Das heißt, dass beinahe jeder, der schon oder noch fahren kann, auch ein eigenes Auto hat.

Hier noch ein paar Fakten zum globalen Autoverkehr (aus dem Buch: Die autonome Revolution; A. Herrmann, W. Brenner)

- Weltweit gibt es 1,2 Milliarden Autos.
- Diese fahren pro Jahr ca. 16 Billionen Kilometer (108 x der Weg zwischen Sonne und Erde).
- Sie verbrauchen fast 3 Billionen Liter Benzin.
- Das Benzin kostet ca. 1,5 Billionen Dollar.
- Nur 1,1 der Sitzplätze in allen Autos sind im Durchschnitt besetzt (in 24 Stunden).
D.h. die meiste Zeit sitzt nur der Fahrer im Auto.
- Es gibt 1,25 Millionen Verkehrstote im Jahr und 50 Millionen Verletzte.

Neben dem Individualverkehr gibt es noch den öffentlichen Personenverkehr und den Güterverkehr. Auch auf Baustellen und in der Landwirtschaft gibt es Fahrzeuge. Außerdem kann man noch zwischen dem Straßenverkehr und dem Schienenverkehr unterscheiden.

Die Hausarbeit handelt allerdings hauptsächlich vom Individualverkehr.

2 Verschiedene Automatisierungsstufen

Der ADAC hat in einem Artikel vom 7.11.2018 die 5 Stufen des autonomen Fahrens folgendermaßen erklärt:

2.1 Erstes Level: Assistiertes Fahren

- Der Fahrer beherrscht ständig sein Fahrzeug.
- Der Fahrer muss den Verkehr ständig im Blick behalten.
- Der Fahrer haftet für Verkehrsverstöße und Schäden.
- Einzelne Assistenzsysteme unterstützen bei bestimmten Fahraufgaben.

2.2 Zweites Level: Teilautomatisiertes Fahren2

- Der Fahrer beherrscht ständig sein Fahrzeug.
- Der Fahrer muss den Verkehr ständig im Blick behalten.
- Der Fahrer haftet für Verkehrsverstöße und Schäden.
- Unter definierten Bedingungen hält das Fahrzeug die Spur, bremst und beschleunigt.

Beim teilautomatisierten Fahren kann der Pkw manche Aufgaben zeitweilig selbst ausführen; ganz ohne Eingriff eines Menschen. Zum Beispiel ist ein Level-2-Wagen dazu in der Lage, auf der Autobahn gleichzeitig die Spur zu halten, zu bremsen und zu beschleunigen.

2.3 Drittes Level: Hochautomatisiertes Fahren

- Der Fahrer darf sich vorübergehend von der Fahraufgabe und dem Verkehr abwenden.
- In vom Hersteller vorgegebenen Anwendungsfällen fährt der Pkw selbstständig.
- Der Fahrer muss auf Aufforderung durch das System kurzfristig übernehmen.
- Der Fahrer haftet nur dann, wenn er dieser Aufforderung nicht nachkommt.

Hochautomatisierte Autos (Level 3) können bestimmte Fahraufgaben selbstständig und ohne menschlichen Eingriff bewältigen, allerdings nur für einen begrenzten Zeitraum und unter geeigneten, vom Hersteller vorgegebenen Bedingungen. Sie überholen, bremsen, beschleunigen – je nachdem, wie es die Verkehrssituation erfordert.

2.4 Viertes Level: Vollautomatisiertes Fahren

- Der Fahrer kann die Fahrzeugführung komplett abgeben und wird zum Passagier.
- Das Fahrzeug bewältigt Fahrten auf bestimmten Strecken (z.B. Autobahn, Parkhaus) völlig selbstständig. Es darf dann auch ohne Insassen fahren.
- Die Passagiere dürfen schlafen, ihr Smartphone verwenden oder Zeitung lesen.
- Das System erkennt seine Grenzen so rechtzeitig, dass es regelkonform einen sicheren Zustand erreichen kann.
- Die Passagiere haften während der vollautomatisierten Fahrt nicht für Verkehrsverstöße oder Schäden.

In diesem Level führen die technischen Systeme alle Fahraufgaben selbsttätig durch, der Pkw kann auch längere Strecken ohne Eingriff zurücklegen. Der Wagen könnte also auf die Autobahn auffahren, sich auch bei hoher Geschwindigkeit in den Verkehr einordnen, der Spur folgen, blinken, überholen, bei Bedarf bremsen, beschleunigen und die Autobahn schließlich wieder verlassen. Am Ende einer solchen vollautomatisierten Fahrt können die Insassen das Steuer wieder übernehmen. Sind sie dazu allerdings nicht in der Lage oder wollen sie es nicht, muss das Auto einen sicheren Zustand erreichen und beispielsweise einen Parkplatz ansteuern.

2.5 Fünftes Level: Autonomes Fahren

- Es gibt nur noch Passagiere ohne Fahraufgabe.
- Fahrten ohne Insassen sind möglich.
- Die Technik im Auto bewältigt alle Verkehrssituationen.
- Regelverstöße werden nicht den Fahrzeuginsassen angelastet.
- Die Passagiere haften während der autonomen Fahrt nicht für Verkehrsverstöße oder Schäden.

Mit der fünften und letzten Stufe ist das autonome Fahren vollendet. Der Pkw wird jetzt komplett vom System geführt und erledigt alle dazu erforderlichen Aufgaben selbsttätig. Selbst komplexe Situationen; etwa das Queren einer Kreuzung, das Durchfahren eines Kreisverkehrs oder das richtige Verhalten an einem Zebrastreifen kann der autonome Wagen bewältigen. Es gibt keinen Autofahrer mehr, sondern nur noch Passagiere.

3 Die Technik hinter dem autonomen Fahren

Kameras, Radars und Lidar sind die wichtigsten Sensoren im autonomen Fahrzeug. Zu den einzelnen Systemen lässt sich folgendes sagen:

3.1 Kamera

Die Kameras sitzen mit Fischaugenoptik zum Beispiel im Rückspiegelfuß, im Gehäuse der Seitenspiegel oder in der Heck- beziehungsweise Kofferraumklappe. Sie blicken für den Fahrer nach vorn, zur Seite, nach hinten: Dies ergibt dann ein 360-Grad-Bild. Die Technik ermöglicht auffahrfreies Einparken, das Erkennen von Verkehrszeichen und von Fahrzeugen im toten Winkel. Im Innenraum können sie den Fahrer überwachen. Schaut er zu lange nicht auf die Straße oder macht die Augen auffällig lange zu, schlägt das System Alarm.

3.2 Radar

Der Begriff steht für „Radio detection and ranging“, was frei übersetzt „Funkortung und Abstandsmessung“ heißt. Nicht nur in der polizeilichen Geschwindigkeitsmessung sind Radare notwendig; auch Abstandsregeltempomat, Notbremssystem und Staupilot greifen darauf zurück. All diese Assistenzsysteme wären ohne Radartechnik nicht möglich.

3.3 Lidar

Der Begriff steht für "Light detection and ranging" (Lichtortungs- und Lichtabstands- messung). Statt Radiowellen werden hier Laserimpulse verwendet, die haben zwar eine geringere Reichweite, liefern aber das exaktere Bild.

3.4 Bilderkennungsalgorithmen

Mit diesen Sensoren sollen die autonomen Fahrzeuge die Umgebung analysieren und so einordnen, dass sie ohne Fahrer fahren können. Sie müssen verschiedenste Objekte in der Umgebung identifizieren. (Verkehrsschilder, Verkehrsteilnehmer und andere Dinge). Es müssen Schilder in verschiedensten Tageszeiten einprogrammiert werden, so dass das System Schilder in jeder Situation erkennen kann. Außerdem müssen auch noch andere Objekte klassifiziert werden, z.B. Bäume. Von Menschen muss die Bewegungsrichtung eingeordnet werden können, am besten auch vorhergesagt werden können.

Dies übernehmen Bilderkennungsalgorithmen (Rechenvorgang). Diese basieren auf neuronalen Netzen mit ganz viel Rechenleistung. Ein solches neuronales Netz hat zum Beispiel 24 Millionen künstliche Neuronen mit 282 Millionen Verknüpfungen.

Das menschliche Gehirn hat zum Vergleich 86 Milliarden Neuronen und über 100 Billionen Synapsen. Das sind Verbindungen zwischen den Neuronen.

Um diese neuronalen Netze zu trainieren braucht man eine Menge an Daten, die auch gelabelt sind, also die eine Bezeichnung haben. Z.B. ein Bild von einem Stoppschild, welches das Auto dann später wieder erkennt (als wirkliches Stoppschild).

Dieses Einprogrammieren von Daten wie z.B. einem Stoppschild übernehmen häufig Studenten für die Autohersteller.

Man kann sich das so wie eine Verkehrssituation vorstellen und zwar tragen die Studenten die ganzen Objekte jeder möglichen Verkehrssituation ein. Es wurden schon um die 50.000 Bilder mit solchen Verfahren einprogrammiert. Dies aber reicht noch lange nicht aus, da ein Stoppschild immer wieder anders aussehen kann (am Tag, in der Nacht, im Winter, im Sommer, bei Nebel oder Regen etc.).

Bei einem Menschen ist dies noch schwieriger, da er sich meist im Straßenverkehr bewegt. Wenn ein Mensch erkannt wird, wird er an das nächste neuronale Netzwerk weitergeleitet. Dies beobachtet dann die Körperhaltung des Menschen oder die Richtung in die der Körper/Kopf gedreht ist. Auch eine Rolle in der Erkennung spielt die Schnelligkeit der Bewegung des Menschen.

3.5 Umgebungsmodell

Zum Schluss fasst man die Daten aus den verschiedenen Sensoren zusammen und prüft diese auch auf ihre Plausibilität. Wenn Radar und Kamera melden „dort ist ein Baum“ und Lidar meldet „da ist nichts“, dann wird angenommen, dass da ein Baum ist; da dies zwei Sensoren erkannt haben.

Alle 100 Millisekunden wird ein Bild von der Umgebung gemacht. Das entspricht 10 Frames per second. Ein Film hat 26-30 frames per second. Man sagt, das Auge kann 25 Bilder pro Sekunde auseinander halten.

[...]