Kamera, Radar, Lidar: Automatisiertes Fahren einfach erklärt

Zum Thema automatisiertes Fahren gibt es mittlerweile schon einiges an Informationen – mehr Sicherheit im Straßenverkehr, Frei-Zeit im Auto, neue Möglichkeiten ganz ohne Führerschein. Aber wer kennt schon die technischen Details, die das fahrerlose Fahren überhaupt erst ermöglichen?

Ich, Laura Bürkle, Bachelorandin beim Daimler-Blog und absoluter Laie was Technik beim Auto betrifft, habe einen kurzen „Deep Dive in die Technik“ gemacht: Nirgendwo sonst ist man an dem Auto der Zukunft so nah dran wie auf dem Testgelände in Immendingen. Hier sind die heute noch unvorstellbaren Möglichkeiten gar nicht mehr so unvorstellbar. Denn es geht beim automatisierten Fahren mittlerweile um einen noch größeren Sprung als von Kontinent zu Kontinent: Vom Testbetrieb zur Serienreife.

Kooperation Bosch & Daimler

Das automatisierte Fahren ist die bisher größte Herausforderung innerhalb der Automobilindustrie. Schließlich soll das Auto der Zukunft ähnlich denken, wie das menschliche Gehirn – und das ist ganz schön komplex. Es muss verstehen, wie der Straßenverkehr abläuft und jederzeit richtig und eigenständig handeln.

Man kann es mit der Ausbildung eines Fußballers vergleichen: Erst lernt er die Technik, die er anschließend im Spiel richtig umsetzen soll und durch die er im besten Fall ein Tor erzielt. Bei den Weltmeisterschaften ist das der deutschen Nationalmannschaft leider nicht allzu oft geglückt. Das Auto der Zukunft hat bei einem Fehler aber nicht einfach in vier Jahren die nächste Chance – es muss das Erlernte immer einwandfrei umsetzen und zu jeder Zeit höchste Sicherheit garantieren.

Dieser Herausforderung stellen sich derzeit Daimler und Bosch. Sie verfügen seit Jahrzehnten über die automobile Kompetenz, Innovationen serienreif und sicher auf den Markt zu bringen. Daimler stellt dafür die notwendigen Entwicklungsfahrzeuge und Prüfeinrichtungen. Bosch ist wiederum für die Entwicklung der Komponenten, wie zum Beispiel Sensoren und Steuergeräte, verantwortlich.

Für die Zusammenarbeit sitzen Mitarbeiter von Daimler und Bosch gemeinsam an einem Schreibtisch und bringen mit ihrem gesamten Wissen die Zukunft der Mobilität voran. Die Kombination der drei Sensoren Kamera, Radar und Lidar soll es dem Auto in wenigen Jahren möglich machen, auf den Fahrer (fast) zu verzichten und die Autofahrt zur Frei-Zeit zu machen.

Von roten Passanten und blauen Autos

Einer der drei wichtigen Bestandteile, ohne den das automatisierte Fahren nicht möglich ist, ist die Kamera. Die „Augen“ des Autos also. Um die Funktion und die Wichtigkeit der Kamera richtig verstehen zu können, darf ich mich in ein Testfahrzeug setzen, das eigentlich mehr Technik als Fahrzeug ist.

Markus Braun, Spezialist im Bereich Mustererkennung/Kamera und Fahrer des Testfahrzeugs, erklärt mir, dass der Fokus des Kamerasystems hauptsächlich auf den schwächeren Verkehrsteilnehmern liegt: Fußgänger, Fahrradfahrer und Motorradfahrer. Aber auch alle anderen Objekte, wie zum Beispiel Autos, Straßenlaternen oder Ampeln, muss das automatisiert fahrende Auto natürlich im Blick haben.

Um das System bestmöglich zu trainieren, wurde es im Straßenverkehr von zwei unterschiedlichen Ländern, nämlich Deutschland und Italien, getestet. Die dort aufgenommenen Bilder dienen als Daten, anhand derer das neuronale Netzwerk des Fahrzeugs lernt – ein typischer Anwendungsfall für Künstliche Intelligenz.

Auf dem Bildschirm färben sich alle vor uns fahrenden Objekte ihrer Farbe entsprechend: die Autos sind blau, die Passanten rot. Insgesamt sind es knapp 20 Bilder pro Sekunde – minimal weniger als beim menschlichen Auge, das 25 Bilder pro Sekunde wahrnimmt.

Die vorausschauende Kamera

Das Fahrzeug hat in den letzten Jahren einiges dazu gelernt, denn die Kamera ist mittlerweile in der Lage, Personen hinter parkenden Autos, Müllcontainern oder Straßenlaternen zu registrieren und einzelne Passanten, getrennt von anderen, zu erkennen. Vor wenigen Jahren noch konnte die Kamera nur Menschengruppen wahrnehmen. Das Training des Systems lohnt sich also und der Algorithmus verbessert sich ständig – so, wie es bei einem Fußballer mit dem richtigen Training und einer dadurch besseren Spieltaktik eben auch ist.

Und es wird noch besser: Mittlerweile kann das Fahrzeug mithilfe der Kamera sogar erkennen, was der Passant als nächstes vorhat. Durch die Körperhaltung oder Kopfbewegung kann das Auto abschätzen, in welche Richtung der Fußgänger geht oder ob er in Kürze über die Straße läuft. Zu erkennen, ob ein Fußgänger stehen bleibt oder doch den letzten Sprung über die Straße nimmt, ist eine ganz schöne Herausforderung.

Trotzdem können unsere Systeme die Fußgänger und ihre Vorhaben schon jetzt auf bis zu 50 Meter präzise erkennen und analysieren, in manchen Fällen sogar über noch größere Distanzen – und diese Leistung wird bei schlechten Sichtverhältnissen wie Regen oder Dunkelheit auch nicht schlechter.

Sollte die Kamera trotzdem in ihrer Analyse behindert werden – zum Beispiel durch ein blendendes Licht von einem entgegenkommenden Auto – unterstützt der zweite Sensor: Der Radar.

„Durchblick“ mit dem Radar

Der Radar ist für das automatisierte Fahren genauso wichtig wie die Kamera. Er sitzt in den Stoßfängern des Autos und sendet elektromagnetische Wellen aus, mittels denen die Informationen über die Objekte gewonnen werden. Mittlerweile sind die Erprobungsfahrzeuge mit bis zu acht Radar-Sensoren ausgestattet, die die Umfeld-Erfassung des Autos abdecken. Und welcher Fahrer kann schon von sich behaupten, acht Augen zu haben?

Der Radar unterscheidet dabei zwischen statischen und dynamischen Objekten – er erkennt also fahrende und parkende Fahrzeuge. Und auch die genaue Erkennung der Objektform ist mittlerweile ganz schön präzise. Da der Radar unter Objekten wie Autos „durchsehen“ kann, kann das System die Länge und Breite vorausfahrender Fahrzeuge abschätzen oder von Autos verdeckte Personen frühzeitig erkennen – mit diesem „Röntgenblick“ kann unser menschliches Sehvermögen nicht mithalten.

Für mich kaum vorstellbar, wie ein so kleiner Bestandteil solche Leistungen erbringen kann und das Autofahren der Zukunft so viel sicherer macht.

Mit dem Lidar auf dem Weg zum unfallfreien Fahren

Um die Umgebung bestmöglich wahrnehmen und noch genauer vorausplanen zu können, ermöglicht der Lidar, der dritte Sensor, eine präzise Messung  aller Entfernungen sowie die Reflektivität von Objekten – und das auf den Zentimeter genau. An Stelle der elektromagnetischen Wellen verwendet der Lidar Laserpulse, die zwar eine geringere Reichweite haben als der Radar, dafür aber das exaktere Bild liefern.

Die Messung von mehreren Distanzen erfolgt durch unterschiedliche Scanner und ist aufgrund des Infrarotlichts für das menschliche Auge nicht erkennbar. Einziger Schwachpunkt: Der Lidar kann keine Farben erkennen. Die circa 10.000 Messungen pro Sekunde geben dem automatisierten Fahrzeug dennoch präzise Informationen, wodurch der Lidar auf dem Weg zum unfallfreien Fahren einen wichtigen Beitrag liefert.

Sicher in der Spur

Ob das automatisierte Auto auch auf unebener Straße mit scharfen Kurven stets unfallfrei unterwegs ist, darf ich in einem weiteren Testfahrzeug ausprobieren. Anhand der Sensorerfassung  soll das Fahrzeug in Zukunft trotz Wind oder sonstigen Hindernissen sicher in seiner Spur bleiben und nicht von der Fahrbahn abkommen.

Bei dem vor mir stehenden Fahrzeug geht es jetzt aber erstmal darum, auf der zuvor abgefahrenen Teststrecke in der Spur zu bleiben – natürlich ohne Hilfe des Fahrers. Per GPS-Regelung konnten Zeitstempel und Positionen der Strecke genau berechnet werden, damit das Auto den Weg im Anschluss präzise und selbstständig abfahren kann, erklären mir die Testfahrer Kuhn und Socher. Na dann mal los!

Über ein im Fahrzeug angebrachtes Laptop erhält das Auto den Befehl, loszulegen und fährt mit höchster Genauigkeit den aufgebauten Parcours ab. Und das in einem ordentlichen Tempo. Ich kann gerade noch die Spiegelreflexkamera meines Arbeitskollegen vor dem Sturz retten…

Die Hände des Testfahrers befinden sich in der Nähe des Lenkrads, um im Notfall eingreifen zu können – das ist aber nicht nötig, denn das Fahrzeug bleibt trotz unebener Fahrbahn sicher in der Spur, ohne die dicht aneinandergereihten Hütchen auch nur zu streifen.

Doppelt hält besser

Apropos Sicherheit: Das Auto der Zukunft besitzt nicht nur ein zentrales Steuergerät, sondern gleich zwei Lenk- und Bremssysteme, die von unabhängigen Steuereinheiten reguliert werden. Das ist eine grundlegende Voraussetzung für automatisiertes Fahren, denn fällt ein Lenk- oder Bremssystem aus, so kann das andere übernehmen.

Durch das Zusammenlegen der drei aufgezeigten Sensoren kann das automatisierte Fahrzeug seine Umgebung bestmöglich analysieren. Die unterschiedlichen Positionen von Kamera, Radar und Lidar zeigen dem Auto unterschiedliche Perspektiven, die wiederum zu einem Gesamtbild führen.

Ich bin begeistert und zugleich total platt was die ganze Technik angeht. Zum Glück haben wir bei Daimler so gute Entwickler, die diese ganzen Informationen und Datenmengen sicher im Auto unterbringen. Ich steige in meinen geliehenen Benz, mache mich auf den Weg zurück zu meinem Arbeitsplatz in Untertürkheim und wünsche mir, mein Auto beherrsche das automatisierte Fahren schon jetzt…


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