Continental und Knorr-Bremse entwickeln gemeinsam Level-4-Systeme

Auch wenn es technisch gesehen viele Parallelen zwischen hochautomatisierten Pkw und Nutzfahrzeugen gibt, so sind die Ausgangsbedingungen doch sehr unterschiedlich. Wurden weltweit laut OICA-Statistik (Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles) im Jahr 2017 etwa 73,5 Millionen Personenkraftwagen hergestellt, waren es dagegen nur 3,3 Millionen schwere Lkw mit einem zulässigen Gesamtgewicht von mehr als sechs Tonnen. Die vergleichsweise niedrigen Stückzahlen erschweren es, die Kosten für die Entwicklung neuer Technologien zu refinanzieren.

Außerdem ist die Variantenvielfalt, die einen Einfluss auf die Fahrdynamik hat, bei Nutzfahrzeugen um ein Vielfaches höher. Gleichzeitig steht der Transportmarkt vor großen Herausforderungen. Das Verkehrsaufkommen steigt weiter an, die Infrastruktur ist überlastet. Vor allem aber stehen die Transportunternehmen schon seit längerer Zeit unter hohem Kostendruck, der sich durch die Ausweitung der Lkw-Maut, tarifliche Rahmenbedingungen sowie einen sich zuspitzenden Mangel an Berufskraftfahrern weiter verstärkt. Vor diesem Hintergrund müssen sich Investitionsentscheidungen schnell refinanzieren und technische Lösungen deswegen einen hohen Nutzen bei möglichst niedrigen Kosten versprechen.

Kostendruck verlangt effiziente Systeme

Die Automatisierung von Nutzfahrzeugen verspricht ein hohes Potenzial diesen Herausforderungen zu begegnen und die Effizienz im Transportsektor signifikant zu erhöhen. Jedoch können Systeme für hochautomatisierte Nutzfahrzeuge vor allem angesichts des Kostendrucks nur evolutionär entstehen, denn für sich genommen sind die Kosten für hochautomatisierte Nutzfahrzeuge heute noch nicht marktkonform. Ein Beispiel dafür ist die benötigte Prozessorleistung, die bei einer Level-4-Automatisierung um bis zu drei Größenordnungen höher liegen wird als bei derzeitigen Level-2-Fahrzeugen. Unklar sind auch die Kosten für die Validierung und Homologation von Level-4-Systemen, da die gesetzlichen Rahmenbedingungen noch nicht hinreichend definiert sind.

Daher gilt es zum einen, die bestehenden Technologien zur Teilautomatisierung von Nfz wie Sensortopologien und Elektronikarchitekturen (SAE-Level 2) zu nutzen und weiterzuentwickeln. Zum anderen müssen Hersteller die Ansätze aus dem Pkw-Markt für hochautomatisierte Fahrzeuge so weit wie möglich übernehmen können. Darüber hinaus empfiehlt sich die Fokussierung auf konkrete Anwendungsbereiche.

Level-4-Systeme zur Serienreife führen

Ein zentraler Ansatz, die Kosten für die Level-4-Automatisierung von Nutzfahrzeugen zu begrenzen, liegt in der Bündelung von Kompetenzen. Deswegen entwickeln Continental und Knorr-Bremse seit 2018 im Rahmen einer Partnerschaft Systeme für zwei konkrete Anwendungsbereiche, mit dem Ziel, diese zur Serienreife zu führen:

• für das Platooning, also das kraftstoffsparende Kolonnenfahren von Nutzfahrzeugen, sowie
• für den Highway Pilot, mit dem das hochautomatisierte Fahren von Nutzfahrzeugen auf Autobahnen möglich ist (SAE Level 4).

Der genaue Zeitplan und der konkrete Funktionsumfang bis zur Serie sind unter anderem abhängig von der erfolgreichen Ausgestaltung der gesetzlichen Rahmenbedingungen und der Produktstrategie der Nutzfahrzeughersteller.

Bild 1: Umfeldmodell einer Fahrsituation auf der Autobahn mithilfe der Fusion von Sensordaten. Continental

Die Kompetenzen beider Partner ergänzen sich: Der Fokus von Continental liegt auf der Sensorik, also den eingesetzten Kameras, Radar- und Lidar-Sensoren, sowie auf der Verarbeitung der Sensorsignale, wobei diese auch von Daten anderer Fahrzeuge (V2V) oder der Verkehrsinfrastruktur (V2X) kommen können. Für die Fusion der Sensorsignale verwendet das System die Kontrolleinheit von Continental für das automatisierte Fahren (Assisted & Automated Driving Control Unit, ADCU) und erstellt daraus ein Umfeldmodell (Bild 1). Dabei profitieren die Entwickler von den langjährigen Erfahrungen mit Fahrerassistenzsystemen in der Pkw-Großserie. Die Interaktion mit dem Fahrer übernehmen die Mensch-Maschine-Schnittstellen von Continental, wobei die größte Herausforderung darin liegt, aus der großen Fülle an Daten nur die gerade relevanten Informationen anzuzeigen. Zur Planung der Spurführung (Trajektorie) bringt Knorr-Bremse seine Expertise hinsichtlich der spezifischen Anforderungen für Nfz ein. Darüber hinaus setzt Knorr-Bremse die Anforderungen an die Fahrstabilität (Motion Control) und auf dieser Grundlage auch die Betätigung von Lenkung und Bremsen zur Längs- und Querführung sowie die Getriebesteuerung der hochautomatisierten Lkw um. Ebenso übernimmt Knorr-Bremse die Funktion des Systemintegrators für den Nfz-Hersteller, der dennoch flexibel bleibt: Er muss nicht das ganze System kaufen, sondern kann auch nur einzelne Subsysteme oder Komponenten erwerben.

Bild 2 zeigt die Rollenverteilung der einzelnen Partner für die jeweiligen Technologiebereiche. Dabei wird deutlich, dass sich mit einem komplementären Ansatz die größtmöglichen Synergien hinsichtlich Entwicklungskosten und -zeiten realisieren lassen.

Topologie der Sensorsysteme

Bild 2: Technologiefelder der Entwicklungspartnerschaft für Systeme zur Automatisierung von Nutzfahrzeugen. Continental/Knorr-Bremse

Wie notwendig es ist, bei der Entwicklung von Systemen für hochautomatisierte Nutzfahrzeuge Synergien zu realisieren, zeigt sich am Beispiel der eingesetzten Sensorsysteme besonders deutlich. Denn deren Komplexität und Anzahl steigt vom Automatisierungs-Level 2 (Teilautomatisierung) zu Level 4 (hochautomatisiertes Fahren) beträchtlich. Bild 3 zeigt den typischen Aufbau einer Sensorik für die Level-2-Automatisierung, mit deren Hilfe Funktionen wie das Spurhalten und die Längsführung mit einem Stauassistenten möglich sind.

Dabei unterstützt die nach vorne gerichtete Monokamera vor allem die Funktion des Spurhalteassistenten und das ebenfalls nach vorne gerichtete Fernradar das Kollisionswarnsystem und den Abstandstempomaten. Die fusionierten Daten von Kamera und Radar nutzt das System unter anderem für das automatische Notbremssystem. Seitlich im Bereich des toten Winkels sind außerdem Kurzstrecken-Radarsensoren für die Erkennung von Fußgängern und Zweiradfahrern (Vulnerable Road Users, VRU) angebracht, etwa um mithilfe eines Abbiegeassistenten schwere Unfälle zu vermeiden.

Im Gegensatz dazu erweist sich die erforderliche Sensortopologie für Automatisierungs-Level 4 als weitaus komplexer (Bild 4): Neben weiteren Kurzstrecken-Radarsensoren und seitlich angebrachtem Fernradar kommen weitere Kameras sowie Lidar-Lasersensoren an der Front und seitlich am Fahrerhaus hinzu. Um die zahlreichen Sensordaten möglichst effizient zu fusionieren, ist eine separate Steuereinheit (ADCU) notwendig. Auf diese Weise kann das System ein Umfeldmodell mit einer ausreichenden Rundumsicht für zahlreiche Fahrfunktionen erstellen.

Hochautomatisiertes Fahren im Platoon

Bild 3: Kurzstreckenradar (SRR), Fernradar (LRR) sowie Monokamera (MCA) als Sensorik für Automatisierungs-Level 2. Continental

Ein Ansatz, um die Betriebskosten für Transportunternehmen zu senken, liegt im Platooning von Nutzfahrzeugen. Dabei fahren die einzelnen Lkw im Abstand von typischerweise zehn bis 15 Metern in einer Kolonne dicht hintereinander, um den Windschatten des Vordermanns zu nutzen. Je nach Randbedingungen sinkt der Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent. Die wesentliche Herausforderung eines Platoons liegt darin, den sehr kurzen Abstand sicher zu halten. Zentraler technischer Baustein dafür ist eine direkte Fahrzeug-zu-Fahrzeug (V2V)-Kommunikation mit sehr niedriger Latzenzzeit. Continental hat dafür das System M2X-Pro mit den für Platooning notwendigen Protokollen erweitert. Über diesen Kanal lassen sich im Platoon die Signale zwischen den Fahrzeugen austauschen.

Besonders wichtig sind die Latenzzeiten bei einer Notbremsung des vorderen Fahrzeugs. Hier muss das Assistenzsystem außerdem die unterschiedlichen Bremsleistungen der Fahrzeuge berücksichtigen, die unter anderem vom Fahrzeuggewicht und dem Zustand von Bremsen, Reifen und Fahrbahn abhängen (Bild 5). Das hintere Fahrzeug muss in Echtzeit das Verhalten des vorderen Fahrzeugs erfahren und automatisch ebenfalls eine Notbremsung einleiten. Zusätzlich zur V2V-Kommunikation erfassen Umfeldsensoren den Abstand zwischen den Fahrzeugen, damit das Platooning-System ihn konstant halten kann. In einem Steuergerät erfolgt dann die Fusion der Signale aus der V2V-Kommunikation und von den Umfeldsensoren. Gemeinsam bilden sie dann den Input für die Fahrstrategie, die wiederum Anweisungen an die Bremse gibt. Bei höheren Automatisierungsstufen (größer Level 1) gibt es zusätzlich eine Querregelung. Input für die Querregelung des Fahrzeuges ist sowohl die ermittelte Fahrzeugposition innerhalb einer hochaufgelösten Karte als auch die unmittelbar erkannten Umgebungsmerkmale wie zum Beispiel Fahrbahnmarkierungen.

Bild 4: Erforderliche Sensorik für Automatisierungs-Level 4 (Highway Pilot): Kurzstreckenradar (SRR), Fernradar (LRR), Mono-, Stereo- und Telekamera (MCA, SCA, TCA), Lidar (HFL) und Steuereinheit für automatisiertes Fahren (ADCU). Continental

Neben der Notbremsfunktion sollen im Rahmen des Projektes weitere Fahrfunktionen umgesetzt werden, beispielsweise gemeinsame Bremsmanöver im Regelbetrieb und das sichere Entkoppeln der Kolonne mit der Rückgabe der Fahraufgabe an die Lkw-Fahrer. Dazu ist unter anderem eine sorgfältige Auslegung der Systemarchitektur unter Berücksichtigung der hohen Anforderungen an ganzheitliche Systemsicherheit und eine leistungsfähige Mensch-Maschine-Schnittstelle zur sicheren Kommunikation zwischen Lkw und Fahrer erforderlich. Einige dieser Anwendungsfälle wurden bereits erfolgreich im Testbetrieb erprobt.

Hochautomatisiertes Fahren mit dem Highway Pilot

Den Highway Pilot kann man sich wie einen Autopiloten vorstellen. In fast allen Situationen führt er das Fahrzeug auf der Autobahn und hält dabei sowohl die Spur als auch den sicheren Abstand zu allen anderen Verkehrsteilnehmern. Es gibt mehrere Ausbaustufen des Highway Pilot bis hin zum vollständig autonomen Fahren. Basis für die Funktionalität ist eine ausreichende Erfassung des Umfelds. Der Einsatz unterschiedlicher Sensortechnologien wie beispielsweise Nahbereichs- und Fernbereichsradar, Kameras und Lidar-Lasertechnik soll dabei eine bestmögliche Sicht trotz wechselnder Sicht- und Witterungsbedingungen wie etwa Regen, Nebel oder die Blendung durch eine tief stehende Sonne ermöglichen – denn jeder Sensortyp hat Stärken und Schwächen.

Die Signale der Sensoren werden in dem als Steuergerät eingesetzten Hochleistungsrechner ADCU fusioniert, um daraus ein Umfeldmodell zu erstellen. Aufgabe dieses Umfeldmodells ist die Identifizierung von statischen und dynamischen Objekten sowie eine Vorhersage, in welche Richtung sich diese Objekte wahrscheinlich bewegen werden. Aus diesen Daten lässt sich der für das Fahrzeug frei verfügbare Raum und die vorliegende Verkehrssituation auf der Fahrbahn ermitteln. Diese Ergebnisse sind wichtiger Input für die Fahrstrategie, die ebenfalls auf der ADCU errechnet wird.

Bild 5: Notbremsung eines Testfahrzeugs im Platoon. Continental

Aufgabe der Fahrstrategie ist es, die optimale Trajektorie zu bestimmen. In den meisten Fällen stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Intelligente Algorithmen in der ADCU entscheiden darüber, welche davon am sichersten ist. Die Algorithmen müssen dabei die besondere Dynamik eines schweren Nutzfahrzeugs berücksichtigen, die sich zudem je nach Beladungszustand mit der wechselnden Last ändert. Hier liegt die besondere Kompetenz von Knorr-Bremse. Die Fahrstrategie bestimmt die Signale, die an die Aktoren wie Bremse, Lenkung und Antrieb gesendet werden und die die optimale Trajektorie umsetzen.

Wesentlich für den funktional sicheren Betrieb des Highway Pilot ist – wie beim Platooning – die Redundanz in allen Funktionsbereichen. Für eine möglichst kosteneffiziente Lösung ist dabei sinnvoll, Redundanzfunktionen nicht allein durch die Dopplung von Komponenten, sondern auch durch die Übernahme bestimmter Aufgaben durch andere Systeme umzusetzen.

Bild 6 zeigt ein Beispiel für eine übergreifende Redundanz. Dabei realisiert Knorr-Bremse die Rückfallebene der Lenkfunktion mithilfe der Bremse (Steer-by-Braking). Das Bremssystem veranlasst einen Bremseingriff – hier für eine Rechtskurve dargestellt – am rechten Vorderrad, während auf das linke Vorderrad kein oder ein geringeres Bremsmoment wirkt. Die unterschiedliche Drehmomentverteilung an der Vorderachse führt dazu, dass der Lenkbefehl weiterhin umgesetzt werden kann, auch wenn die eigentliche Lenkung ausgefallen ist.

Ausblick

Bild 6: Übergreifende Realisierung von Redundanzfunktionen durch Lenkung per Bremseingriff. Continental

Auf dem Weg zu vollständig fahrerlosen Lkw (SAE Level 5) ist eine schrittweise Implementierung von Funktionen sinnvoll, die auf spezifische Anwendungsfälle hin entwickelt werden und die sich im effizienzgetriebenen Logistikgeschäft rechnen. Am ehesten denkbar sind fahrerlose Nutzfahrzeuge in abgegrenzten Bereichen wie etwa innerhalb von Logistikzentren, in Hafengebieten, auf Großbaustellen oder im Bergbau. Im öffentlichen Bereich könnten autonome Lkw beispielsweise auf wenig frequentierten Straßen zwischen zwei Logistikzentren oder auf Spezialstrecken mit eigenen Fahrspuren zum Einsatz kommen. Eine wesentliche Rolle spielen dabei auch die Rahmenbedingungen durch den Gesetzgeber.

(prm)