Verkehr Sicherheit
Auf dem Weg zum intelligenten Verkehr
Die Autos von morgen werden über verschiedenste Sensoren und Assistenzsysteme verfügen, um Unfälle zu vermeiden. In einer späteren Phase könnten diese Geräte dann in ein fahrzeugübergreifendes Netzwerk eingebunden werden. Das Fernziel: ein umfassendes, schnell arbeitendes intelligentes Verkehrsinformationssystem.
In Zukunft können Fahrzeuge selbst Teil eines umfassenden Telematikverbunds werden, wenn ihre Bordsensoren Verkehrs- und Ortsinformationen ausstrahlen, die andere Pkw und Lkw empfangen und auswerten können. So kann etwa ein umgestürzter Lkw selbsttätig Fahrzeuge in der nahen Umgebung warnen, und diese entscheiden dann, ob die Information für sie relevant ist
Wer hat schon einmal von Frontalzusammenstößen mit fatalen Folgen zwischen Fußgängern gehört? Oder: Wie viele Todesopfer fordern Unfälle, bei denen ein Fußgänger dem anderen "hinten rein läuft"? Und: Wie viele Menschen verursachen übermannt von Müdigkeit beim Joggen in der Fußgängerzone eine Massenkarambolage? Die Antwort lautet sicherlich dreimal Null! Der Grund ist einfach: Menschen haben Augen, Ohren und zudem eine Art eingebautes Radar: den siebten Sinn. Doch bald wird Ähnliches auch für Fahrzeuge gelten, denn Autos werden sich nun verstärkt ihrer Umgebung "bewusst".
In Europa, den USA und in Japan werden Kameras, Radarsensoren und Informationssysteme entwickelt, die Fahrzeuge in mobile Sensoren verwandeln. "Die Autos von morgen werden mit Systemen ausgerüstet sein, die den Fahrer auf potenzielle Gefahren aufmerksam machen", sagt Anton Anthofer, Professor an der Fachhochschule Amberg-Weiden in der Oberpfalz. "Darüber hinaus", fährt er fort, "werden sie sogar aktuelle Informationen über den Straßenzustand, ihre Geschwindigkeit und Fahrtrichtung an andere Fahrzeuge weiterleiten können". Anthofer weiß, wovon er spricht: Als Spezialist für Autoelektronik arbeitet er eng mit Siemens und anderen Firmen zusammen, um deren Entwicklungsaktivitäten im Rahmen der Forschungsinitiative INVENT (Intelligenter Verkehr und nutzergerechte Technik) zu unterstützen. Das im Juli 2001 gestartete, 76 Mio. umfassende Programm ist eine Forschungsinitiative vieler deutscher Unternehmen darunter alle Autohersteller sowie Siemens, Bosch und einige Universitäten und Institute. INVENT wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt und ist in drei Bereiche gegliedert: Fahrerassistenz und aktive Sicherheit; Verkehrsmanagement 2010 sowie Verkehrsmanagement in Transport und Logistik. Ziel ist es, ein intelligentes Verkehrssystem aufzubauen, um den Verkehr der Zukunft sicherer und effizienter zu machen.
Konzept fürs automatische Einparken, entwickelt von Roke Manor Research, dem Siemens-Forschungs- und Entwicklungszentrum in Großbritannien. Ultraschall- und Radarsensoren identifizieren die Position von Hindernissen (auch von bewegten), während Videokameras die beste Route ermitteln. Für den realen Einsatz dürfte ein derart komplexes System aber zu teuer sein
Ein Hauptbeitrag zum INVENT-Programm von Siemens VDO Automotive ist der "Stop-and-Go-Assistent". Dieses System ist derzeit in der Entwicklungsphase, soll aber bis März 2005 in einem Testfahrzeug eingesetzt werden. Dabei kontrollieren zwei Kameras, die im Gehäuse der vorderen Scheinwerfer oder hinter der Windschutzscheibe installiert sind, einen bis zu drei Fahrspuren breiten Bereich vor dem Fahrzeug. Laut Martin Hummel, Siemens-Experte für Kfz-Sicherheitstechnologie, werden die Kameras bei einer Geschwindigkeit bis 50 km/h etwa 60 m weit sehen. Das Fahrzeug kann daraufhin seine Geschwindigkeit den Gegebenheiten anpassen, auch wenn vorausfahrende Fahrzeuge die Spur wechseln. "Bei hohem Verkehrsaufkommen kann das Fahrzeug sozusagen von alleine fahren", so Hummel. Das System soll in Sekundenbruchteilen auf langsamer werdende Fahrzeuge reagieren und so nicht nur den Fahrstress, sondern auch die Häufigkeit und Schwere von Auffahrunfällen vermindern, die alljährlich millionenfach passieren.
Mit Hilfe neuer schneller Bildverarbeitungsverfahren könnten Kamerasysteme selbst bei noch wesentlich höheren Fahrgeschwindigkeiten funktionieren. So haben Wissenschaftler von Roke Manor Research (RMR), dem in Großbritannien ansässigen Forschungs- und Entwicklungszentrum von Siemens, ein Verfahren entwickelt, das Strukturen aus der Bewegung errechnet. Damit lassen sich wesentliche Elemente in aufeinanderfolgenden Videobildern erkennen und zugleich deren Entfernungen durch Triangulation bestimmen. "Wenn sich ein Fahrzeug von hinten oder der Seite nähert, kann das System den Zeitpunkt des Aufpralls oder den Minimalabstand vorausberechnen", erklärt RMR-Entwickler Chris Gilham. "Wir schaffen das in Echtzeit, weil wir die Videobilder auf 400 oder 500 wichtige Punkte reduzieren."
Doch Kameras werden künftig nicht nur bei diesen anpassungsfähigen Tempomaten zum Einsatz kommen. Sie eignen sich auch, um Unfälle zu vermeiden, bei denen Autos aufgrund von Fahrfehlern oder Schläfrigkeit des Fahrers von der Spur oder der Straße abkommen. Auch dabei kracht es allein in den USA und Europa mehrere Millionen Mal im Jahr. "Wir haben Algorithmen entwickelt, mit denen die Kameras die Fahrbahnmarkierungen und Straßenränder erkennen können", berichtet Dr. Thorsten Köhler, Experte für Videosensorik bei Siemens VDO. "Jeder Spurwechsel des Fahrzeugs, der nicht durch das Setzen des Blinkers angekündigt wird, löst dann einen Warnton oder ein anderes Warnsignal aus".
Neben Kameras werden Systeme wie der "Stop-and-Go-Assistent" vermutlich auch Radarköpfe nutzen, die an den Stoßdämpfern montiert sind. Sie sind eine wertvolle Ergänzung, da sie sehr präzise Abstände messen und weder durch Schmutz noch Regen oder wechselnde Lichtverhältnisse beeinträchtigt werden. Derzeit ist allerdings die Nachfrage nach langreichweitigen Radarsystemen (Frequenz 77 GHz, Reichweite 150 m), die sich für Tempomaten der "Adaptive Cruise Control" (ACC) einsetzen lassen, auf Autos der Luxusklasse beschränkt.
Daher arbeiten die Siemens-Ingenieure vor allem am Radar mit kurzer Reichweite (24 GHz). "Die Automobilfirmen haben schon starkes Interesse signalisiert, weil diese Technologie zahlreiche Einsatzmöglichkeiten bietet", erklärt Dr. Reiner Doerfler, Fachmann für Radarsensorik. "Damit kann man z.B. Objekte in Entfernungen zwischen drei und 20 Metern erfassen. Das bedeutet, dass diese Sensoren nicht nur für den Stop-and-Go-Verkehr eingesetzt werden können, sondern auch für die Pre-Crash-Sensorik, um die Airbags gezielt kurz vor dem Aufprall zu zünden. Zudem lassen sie sich für die Überwachung des toten Winkels und in Kombination mit Kameras für Fußgängererkennung und fürs automatische Einparken nutzen".
In den USA, wo der Einsatz der in Europa üblichen gebogenen Rückspiegel nicht zulässig ist, sind die Hersteller besonders an Systemen zur "Ausleuchtung" des toten Winkels interessiert. Hier sieht Siemens VDO erhebliches Marktpotenzial. "Unser Gerät ist so klein, dass es in die Gehäuse der Außenspiegel eingebaut werden kann", sagt Doerfler. "Einen besseren Ort dafür gibt es nicht".
Zwei weitere wichtige Fragen treiben Forscher und Entwickler derzeit um: Wie kann die Datenflut von Kameras und anderen Sensoren sinnvoll kombiniert werden, und wie lassen sich solche Systeme kostengünstig herstellen? "Wir arbeiten vor allem an einer Zusammenführung von Radar- und Video-Daten", berichtet Doerfler. "Kameras erzielen hervorragende Ergebnisse in der lateralen Auflösung, wo Radaranlagen relativ schlecht abschneiden. Die wiederum lassen sich wunderbar für die Messung von Entfernungen und Relativgeschwindigkeiten einsetzen". Eine Entwicklung scheint vorgezeichnet: Wenn sich Radarköpfe synchronisieren lassen, müssen insgesamt weniger Geräte ins Auto eingebaut werden. Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts Radar Net untersuchen Siemens VDO und andere Firmen, was die optimalen Frequenzen für eine solche Kopplung sind. "Wir wollen ein Radarsystem entwickeln, das eine hochauflösende Rundumsicht einen 360 °-Blick erlaubt", sagt Doerfler.
Um die Sensoren möglichst effizient einzusetzen, müssen sie in eine offene standardisierte Plattform eingebunden werden. Nur dann können sie optimal kommunizieren und im Lauf des Fahrzeuglebens aufgerüstet werden was auch notwendig ist, da eine Produktgeneration in der Informations- und Kommunikationstechnik wesentlich kürzer ist als eine im Fahrzeugbau. Eine derartige "Multimedia-Plattform" befindet sich bei Siemens kurz vor der Marktreife. Sie soll 2004 zum Einsatz kommen.
Damit lassen sich alle neuen Geräte über ein einfaches "Plug and Play" installieren. Dann erkennt etwa das Fahrzeug neu eingebaute Sensoren für die Airbag-Auslösung und räumt deren Signalen oberste Priorität ein. Oder das Navigationssystem kann über eine Funkverbindung Adressen direkt vom Mobiltelefon oder Pocket-PC herunterladen. "Wir wollen Fahrzeuge in offene Systeme verwandeln", erklärt Dr. Hongjun Pu, Projektmanager für das INVENT-Verkehrsmanagement-Projekt bei Siemens VDO. Hat man erst einmal eine offene Multimedia-Plattform mit einer standardisierten Schnittstelle, so lässt sich beispielsweise auch die Software für eine neue Kamera vom Server des Herstellers über Mobilfunk ins Fahrzeug herunterladen und in bestehende Programme integrieren.
Mit Konzepten wie der Multimedia-Plattform eröffnet sich für Fahrzeuge eine Welt, wie man sie vom PC kennt. So wird es die Top Level Architecture (TLA) von Siemens eine offene Plattform für Entertainment- und Informations-Dienste auch ermöglichen, dass sich die vielen Knöpfe und Regler durch eine fortgeschrittene Spracherkennung ersetzen lassen. "TLA ist modular, skalierbar und aufrüstbar", sagt Dr. Thomas Olbrich, Projektmanager für die Markteinführung. "Damit können sich Autofahrer jedes Jahr neue Funktionen von ihrem Service-Provider herunterladen."
Wenn TLA im Jahr 2003 auf den Markt kommt, erreichen die Fahrzeuge die nächste Stufe der Evolution: Sie werden selbst Teil eines Telematikverbundes. Ihre Sensoren helfen dann nicht nur Unfälle vermeiden; sie können auch als Augen und Ohren eines stets aktuellen Verkehrsinformationssystems arbeiten, das mit jedem neu eingebundenen Fahrzeug detaillierter wird. Daten über Verkehrsaufkommen, Fahrbahnbedingungen und Witterung könnten mit den Positionsdaten des Navigationssystems an einen Service-Provider weitergeleitet werden. Dieser sendet sie in "entschlackter" Form oder angereichert mit Zusatzhinweisen etwa über Großveranstaltungen, die den Verkehr beeinträchtigen an die Fahrzeuge einer bestimmten Region. Die wiederum vergleichen sie mit ihren Ortsdaten und überprüfen, ob sie für ihre Route von Bedeutung sind.
Der potenzielle Wert eines solchen Systems ist beträchtlich. Verkehrsstaus verursachen jährliche Produktionsausfälle in zweistelliger Milliardenhöhe. Und schlimmer noch: Jedes Jahr sterben in Europa und den USA jeweils über 40 000 Menschen im Verkehr. Sensoren und Fahrerassistenzsysteme könnten diese Zahl dramatisch reduzieren. Autofirmen wie DaimlerChrysler und Länder wie Schweden haben sich sogar die "Vision Zero" das unfallfreie Fahren auf die Fahnen geschrieben. "Niemand zweifelt, dass die neuen Systeme jedes Jahr Tausende von Menschenleben retten könnten", urteilt Anton Anthofer. "Die entscheidende Frage lautet aber, wie schnell wir sie implementieren können."
Arthur F. Pease
Der Airbag beobachtet die Autoinsassen
Airbags haben schon Tausenden von Autofahrern das Leben gerettet, doch in seltenen Fällen können sie auch eine Gefahr darstellen. So hatten die rund 3,8 Millionen Airbageinsätze in den USA zwischen den späten 80er Jahren und 1999 in 146 Fällen tödliche Folgen. Fast immer war dafür der zu geringe Abstand zu den Airbags verantwortlich. Um die Zahl solcher Unfälle drastisch zu senken, hat die US-Regierung ein Gesetz verabschiedet, nach dem 35 % der Neufahrzeuge aller Hersteller bis 2004 mit einem Sensor ausgestattet sein müssen, der die Größe und Sitzposition der Autoinsassen erkennt. Nun haben Siemens-Ingenieure eine 3D-Kamera entwickelt, die genau diese Aufgaben erfüllt. Sie wird direkt vor dem Rückspiegel am Autodach montiert und hat von dort die beiden Vordersitze ständig im Blick. Die Kamera arbeitet mit Laserdioden, die extrem kurze Infrarotpulse aussenden. Objekte in der Umgebung reflektieren das Licht, und eine Art "elektronischer Verschluss" lässt nur eine kurze Zeit lang dieses reflektierte Licht auf die Sensorelemente der Kamera fallen. Über diese indirekte Laufzeitmessung kann das System für jeden Bildpunkt die Entfernung bestimmen.
"Das Besondere dabei ist, dass sich die Kamera nicht irritieren lässt auch nicht durch schwarze oder weiße Kleidung", erklärt Dr. Werner Hosp, Vice President Generic Development bei Siemens VDO. "Falsche Berechnungen werden einfach dadurch vermieden, dass auf jeden kurzen Infrarotpuls ein längerer folgt. Die längeren Pulse geben einen Wert für die Reflexion eines jeden Bildpunktes vor". Wegen der hohen Präzision des Systems sind pro Blitz nur etwa 1000 Pixel für die Berechnung notwendig, und die werden durch den Prozessor der Kamera in einer tausendstel Sekunde ausgewertet. "Dank dieser 3D-Kamera können Airbags auf verschiedene Art reagieren, von minimalem bis maximalem Aufblasvolumen je nach Position der Insassen", erklärt Dirk Zittlau, Manager für Videosysteme bei Siemens VDO. "Damit haben wir eines der ersten Systeme zur Gestalterkennung für die Automobilindustrie entwickelt".