Pictures of the Future Herbst 2005
Das mitdenkende Auto – Fahrerassistenz
Das Auto bekommt Augen
Im Straßenverkehr sollte der Fahrer manchmal mehr als nur zwei Augen haben. Hier schlägt die Stunde von Assistenzsystemen, die Verkehrssituationen erkennen und vor potenziellen Gefahren warnen. Siemens VDO hat unter dem Namen pro.pilot mehrere Systeme vereint und auf der Internationalen Automobilaussstellung 2005 präsentiert.
Schlaue Sensoren: Elektronische Augen unterstützen den Fahrer. Ein Nachtsichtsystem erfasst Fußgänger (oben) besser als jedes Fernlicht. Sensoren für den toten Winkel (rechts) oder automatisches Einparken (Mitte) sowie Verkehrszeichen-Erkennung und die Vernetzung der Sensoren (links) bieten dem Fahrer ein umfassendes Bild der Verkehrssituation
Ein Albtraum für Autofahrer: Plötzlich taucht im Scheinwerferlicht auf einer dunklen Landstraße ein Fußgänger oder ein kapitaler Hirsch auf. Das Hindernis versperrt die Fahrbahn, der Adrenalinspiegel schießt in die Höhe. Jetzt ist höchste Präzision beim Lenken und Bremsen vonnöten. Dabei helfen Regelsysteme wie ABS und ESP, die Situation zu meistern. Schon bald wird dieses Szenario durch weitere Assistenzsysteme vollends seinen Schrecken verlieren: Früher als das Fernlicht erfassen Nachtsichtsysteme die Hindernisse und informieren rechtzeitig den Fahrer. Im Vorfeld der Internationalen Automobilausstellung im September 2005 in Frankfurt hat Siemens VDO Automotive ein Auto mit einigen zukunftsweisenden Assistenzfunktionen ausgestattet.
Diese Fahrerassistenzsysteme verbessern die Sicht, halten das Auto in der Fahrspur oder immer den gleichen Abstand zum Vordermann. Eines nehmen sie dem Fahrer jedoch nicht ab: die Verantwortung. "Auch in 10 oder 20 Jahren werden Assistenzsysteme den Fahrer nur unterstützen, nicht entmündigen. Er wird weiterhin oberste Instanz im Auto bleiben", ist Dirk Zittlau, Leiter Fahrerassistenzsysteme bei Siemens VDO Automotive in Regensburg, überzeugt. Auch Befürchtungen, dass die Elektronik sich zum Kommandeur aufschwingen könnte, teilt der Elektroingenieur nicht. "Der Fahrer wird jederzeit die Assistenzsysteme überstimmen können. Einige Systeme wird er vermutlich auch ganz abschalten können, wenn sie stören."
Licht, Laser, Infrarot oder Radar
- CMOS-Sensor:
Videokameras mit CMOS-Sensor sind temperaturbeständiger und kostengünstiger als die bisher verwendete CCD-Technik. Das System hat eine hohe Dynamik – auch bei großen Helligkeitsunterschieden wird richtig belichtet - Lidarsensor:
Lidar steht für Light Detection and Ranging: Ein Laser strahlt Lichtimpulse aus. Das System analysiert dann das von Objekten reflektierte Licht und ermittelt daraus deren Entfernung (bis etwa 150 m) - Radarsensor:
Sendet elektromagnetische Wellen im Gigahertz-Bereich aus und wertet die zurückgeworfenen Echos aus (Radio Detection and Ranging). Daraus lassen sich Entfernung und Geschwindigkeit des reflektierenden Objekts ermitteln. Im Auto sind bisher 77-GHz- und seit neuestem auch 24-GHz-Sensoren im Einsatz. Fast alle Objekte reflektieren Radarstrahlen, metallische besonders gut. Die Reichweite beträgt zwischen 50 und 150 m - Infrarot-Sensor:
Empfängt die von Objekten reflektierten elektromagnetischen Wellen (im infraroten Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellenstrahlung), die von einem Infrarotscheinwerfer ausgesandt wurden - Wärmebildkamera:
Fängt auf einem speziellen Fotodetektor die Wärmestrahlung eines Körpers auf und erkennt so Konturen und Gestalt von Lebewesen
Wo liegt dann der Sinn für elektronische Helfer, wenn sie nur begrenzt wirksam sind? Ein Treiber der Entwicklung ist das Ziel der Europäischen Union, bis 2010 die Zahl der Verkehrstoten von etwa 40 000 (im Jahr 2001) zu halbieren. Dies ist, da sind sich alle Experten einig, ohne elektronische Assistenzsysteme kaum zu erreichen. Die Erfahrungen mit dem Stabilitätssystem ESP unterstützen diese Annahme. Laut einer Studie der US-Verkehrssicherheitsbehörde (NHTSA) sind von 1997 bis 2002 in den USA bei großen Geländewagen mit ESP die Zahl der Fahrunfälle und der Toten um jeweils zwei Drittel zurückgegangen. Die Fahrunfälle – das sind Unfälle ohne Einfluss anderer Verkehrsteilnehmer – sanken bei US-Pkw mit ESP um durchschnittlich 35 %.
Der Mensch als Maß. Auch die Altersstruktur moderner Gesellschaften spricht für Assistenzsysteme (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2005, Alternde Gesellschaft). "Immer mehr ältere Menschen werden auf die gewohnte Mobilität nicht verzichten wollen, auch wenn körperliche Handicaps zu- und die Reaktionsfähigkeit abnehmen. Hier kompensiert – um ein Beispiel zu nennen – unser Spurwechselassistent Defizite, falls die Beweglichkeit des Fahrers und das Sichtfeld eingeschränkt sind", sagt Zittlau. Bei dieser Technik überwachen Radarsensoren die Zone seitlich hinter dem Fahrzeug. Falls dort andere Verkehrsteilnehmer auftauchen, die bei einem Spurwechsel oder beim Abbiegen gefährlich werden könnten, erhält der Fahrer eine Warnung. Dieselben Sensoren erleichtern auch das Aussteigen. Wollen die Passagiere die Türen öffnen, warnt das System vor herannahenden Radlern, Inlineskatern oder Autos im toten Winkel.
Folgen Sie dem Wagen! – Neue Lösungen aus der Siemens-Forschung
Ständig Gas geben und wieder bremsen – Staus ermüden den Fahrer. Um Auffahrunfälle zu vermeiden, entwickelt Siemens Stauassistenten, die das Auto immer in einem sicheren Abstand zum Vordermann halten, automatisch anfahren und wieder abbremsen – und das selbst in Kurven, wie ein Testfahrzeug Ende April 2005 im Förderprojekt Invent (Intelligenter Verkehr und nutzergerechte Technik) des Bundesforschungsministeriums demonstrierte. Das Auto ist mit einer Videokamera und einem Infrarotlaser (Lidar) an der Windschutzscheibe sowie zudem mit Radarsensoren hinter dem Stoßfänger ausgestattet. "Dabei ergänzen sich die Messverfahren und -bereiche der verschiedenen Sensorsysteme", erläutert Dr. Georg von Wichert vom Fachzentrum Intelligent Autonomous Systems bei Siemens Corporate Technology. Die Sensormischung erhöht die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, "denn es wird immer Situationen geben, wo die Umgebungsbedingungen einzelne Sensoren behindern", sagt Wichert. Das Bildverarbeitungssystem der Videokamera stellt aufgrund der Größenveränderungen der vorausfahrenden Autos fest, ob diese bremsen oder beschleunigen. Die Kamera erfasst zusätzlich die Fahrbahnmarkierungen, wobei unter anderem Breite und Krümmung der Spur ermittelt werden.
Mit diesen Informationen hält ein Motor an der Lenksäule das Versuchsfahrzeug automatisch in der Spurmitte und kann dem vorausfahrenden Auto sogar in Kurven folgen. Das Radarsystem misst zusammen mit dem Lidarsensor Abstand und Geschwindigkeit von vorausfahrenden Fahrzeugen. Im Gegensatz zu heutigen Abstandsregelungen wie der Automatic Cruise Control (ACC), die am besten bei höheren Geschwindigkeiten funktionieren und dabei nicht selbst lenken, kann dieser Stauassistent das Auto gerade im langsamen Bereich zwischen 0 und 50 km/h vollautomatisch fahren. Möglich macht das neben den Video-, Radar- und Lidarsensoren eine besondere Software, die innerhalb weniger Millisekunden überprüft, ob die Messwerte der drei Sensortypen mit einem Modell der Umwelt widerspruchsfrei übereinstimmen. Darin sind die wahrscheinlichen Fahrzeugbewegungen beschrieben, die auf physikalischen Gesetzen beruhen. Ein Beispiel: Haben die Sensoren ein vorausfahrendes Fahrzeug erfasst, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit fährt, ist im Modell hinterlegt, dass es vermutlich auch so weiterfährt. Da die eigene Fahrzeuggeschwindigkeit bekannt ist, lässt sich berechnen, wo der Vorausfahrende zum nächsten Zeitpunkt sein müsste, was wiederum mit Hilfe neuer Sensordaten abgeglichen wird. So wird der genaue Ort des Vorausfahrers bestimmt, und das Auto kann in sicherem Abstand folgen. Der Fahrer kann dabei natürlich den Stauassistenten jederzeit überstimmen und selbst wieder Gas und Bremse übernehmen.
Rolf Sterbak
Ein weiterer Treiber ist das zunehmende Komfortbedürfnis. Wer schon einmal längere Zeit im Stop-and-go-Verkehr auf der Autobahn mitschwamm, weiß, wie anstrengend das ständige Beschleunigen und Bremsen ist. "Hier hilft unser Stauassistent, indem er das Auto selbstständig beschleunigt oder bis zum Stillstand abbremst", sagt Michael Lütz, der das Projekt- und Produktmanagement für die Fahrerassistenzsysteme leitet. "Sein ‚Auge’, eine moderne CMOS-Videokamera, beobachtet ständig den Vordermann. Ein Rechner koordiniert mit diesen Bildinformationen die Brems- und Motoraktivitäten des Fahrzeugs." Wechselt das vordere Fahrzeug die Spur, erfasst die Kamera den nächsten Vordermann und regelt dann Abstand und Geschwindigkeit neu.
Nach dem gleichen Prinzip wie der Stauassistent arbeitet der Spurassistent, international Lane Departure Warning (LDW) genannt. Die Videokamera erfasst die Straßenmarkierungen. Erkennt die Software, dass das Fahrzeug die Begrenzungslinien der Spur zu überqueren droht, warnt es durch deutliches Vibrieren im Lenkrad. In Zukunft könnte aus dem Warnsystem ein Spurhaltesystem werden, das kamerageführt durch automatische Lenkmanöver auf der Autobahn die Spur hält.
Virtuelles Verkehrszeichen: In Zukunft könnte der Fahrer wichtige Informationen in die Scheibe eingeblendet bekommen
Hilfreich ist auch eine Software von Siemens VDO, die Geschwindigkeitsinformationen in Verkehrszeichen erkennt. Fährt der Fahrer schneller als auf diesem Streckenabschnitt erlaubt, weist ihn das System optisch darauf hin. "Eine automatische Tempodrosselung", betont Lütz, "ist aber nicht vorgesehen, auch kann der Fahrer das System deaktivieren." In Zukunft wollen die Fahrerassistenz-Experten auch Stoppschilder und die Vorfahrt regelnde Verkehrszeichen erfassen.
Für eine andere Anwendung, den Tempomat mit variabler Geschwindigkeit (ACC), setzt Siemens VDO eine neue Technik zur Abstandsmessung ein: so genannte Lidarsensoren. Ihre auf Licht basierende Erfassungstechnik ist ähnlich leistungsfähig wie die der bisher üblichen Radarsensoren, aber wesentlich kostengünstiger. Außerdem wird der Lidarsensor hinter der Windschutzscheibe eingebaut und muss nicht aufwändig gegen Umwelteinflüsse geschützt werden wie der Radarsensor hinter dem Kühlergrill oder den Stoßfängern.
Roboter erkennen Orte wieder
Wie Maschinen einen Orientierungssinn in einer unbekannten Umwelt bekommen, damit beschäftigen sich Forscher bei Siemens Corporate Technology in München. Michael Fiegert und sein Team aus dem Fachzentrum Intelligent Autonomous Systems arbeiten seit einiger Zeit an automatisch fahrenden Robotern, beispielsweise Transportsystemen für Krankenhäuser oder Putzmaschinen für Supermärkte oder Lagerhallen. "Die Prinzipien lassen sich auf andere Fahrzeuge übertragen, die mit visuellen Wahrnehmungstechniken arbeiten. Dazu könnten künftig auch kamerabewehrte Autos zählen", sagt Fiegert. Im Augenblick verwenden die Forscher noch Laserscanner, um die Umwelt dreidimensional zu erfassen. In Zukunft sollen das kostengünstigere Videokameras erledigen. Das Prinzip ist dasselbe: Es werden Bilder von bestimmten Orten in verschiedener Auflösung und unterschiedlicher Perspektive aufgenommen, daraus signifikante Merkmale bestimmt und diese dann in einer Art Code gespeichert. Aus einem anderen Blickwinkel werden die gleichen Punkte noch einmal codiert, um daraus die dreidimensionale Lage des Merkmals im Raum zu berechnen. Damit kann die mobile Maschine den eigenen Standort im Verhältnis zur Umgebung bestimmen. Kommt sie wieder an diesem Ort vorbei, erkennt sie ihn mit Hilfe der gespeicherten Merkmale wieder. Mit der Erkennungstechnik rüstet Siemens zurzeit einen autonom fahrenden Gabelstapler aus, der im Lager selbstständig Paletten transportieren soll. Seine Entwicklung ist schon so weit fortgeschritten, dass Fiegert bald mit seinem Einsatz in der Praxis rechnet.
Rolf Sterbak
Selbst in der Dunkelheit setzt Siemens VDO den Fahrer ins Bild: mit zwei Nachtsichtsystemen für den Nah- und Fernbereich. Das Nahbereich-System sendet für Menschen unsichtbares Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 900 nm aus. Eine Infrarot-sensible Videokamera in der Nähe des Rückspiegels fängt das reflektierte Infrarotlicht auf. Auf einem Bildschirm oder im Head-up-Display auf der Windschutzscheibe sieht der Fahrer dann ein realistisches Schwarzweißbild, das die Straße in einer Entfernung bis 150 m zeigt. Das zweite Nachtsichtsystem arbeitet mit einer Wärmebildkamera. Je nach Temperaturunterschied der erfassten Objekte im Verhältnis zur Umgebung reicht sie mehrere hundert Meter weit.
Mehrwert durch Vernetzung. Die Stärke von Siemens VDO ist die Vernetzung der Systeme, die einen erheblichen Mehrwert schafft. Falls das Navigationssystem das Abbiegen empfiehlt, überwacht in diesem Fall gleichzeitig der Spurwechselassistent, ob dies gefahrlos möglich ist. Kann der Fahrer die Spur nicht rechtzeitig wechseln, errechnet das Navigationssystem bereits vor dem Abbiegepunkt eine Alternativroute und erspart dem Fahrer so unnötigen Stress. Ein anderes Beispiel ist der so genannte elektronische Horizont. Wechselt ein Fahrzeug an der Autobahnausfahrt auf die Abbiegespur, verliert der variable Tempomat unter Umständen den Vordermann und würde dann auf die Wunschgeschwindigkeit beschleunigen. In Verbindung mit einer digitalisierten Karte und der GPS-Positionsbestimmung erkennt das System aber, dass es sich um eine Autobahnausfahrt handelt und regelt den Tempomat entsprechend.
Weiterer Pluspunkt der Vernetzung: Dieselben Sensoren werden für verschiedene Anwendungen verwendet. So arbeitet die daumengroße CMOS-Kamera für die Verkehrszeichenerkennung, für den Stau- und Spurwechsel-Assistenten und – mit einem anderen Objektiv – auch für die Nachtsichtsysteme.
Virtuelle Realität ergänzt Navigationssystem
Navigationssysteme könnten mit Augmented Reality den Autofahrer künftig noch besser unterstützen. Bei dieser Technik der "erweiterten Realität" wird die reale Sicht auf die Umgebung durch virtuelle, im Computer erzeugte Informationen ergänzt. "Wir arbeiten derzeit an einem entsprechenden Prototypen, der in wenigen Jahren zum Produkt werden könnte", sagt Dieter Kolb, Software-Ingenieur bei Siemens Corporate Technology. Heute wird der Straßenverlauf auf dem Navigationsdisplay als Pixelgrafik oder in einer Kartendarstellung präsentiert, begleitet von Sprachausgaben wie "in 100 Metern links abbiegen". Künftig kann der Routenverlauf als farbiges Band direkt in ein von der Bordkamera aufgenommenes Bild der Straßenszene eingeblendet werden. Der Fahrer sieht dann die Route im Display, als wäre sie auf die Straße gemalt. Da der Fahrer im Display die gleiche Sicht wie durch die Frontscheibe hat, kann er sich intuitiv sehr schnell orientieren. Auch in der Nacht oder wenn die Sicht durch andere Verkehrsteilnehmer teilweise verdeckt ist, zeigt der "Pfadfinder" die Route deutlich an. Der Fahrer erkennt so z.B. den weiteren Straßenverlauf nach Unterführungen oder hinter Hügeln und kann sich rechtzeitig auf Kurven einstellen. In einer nächsten Ausbaustufe ist geplant, die Routendarstellung direkt auf die Frontscheibe zu projizieren – allerdings nur bei Bedarf, um die freie Sicht auf die Straße nicht zu stören. Benötigt der Fahrer Hilfe, bräuchte er beispielsweise am Lenkrad nur einen Knopf zu drücken, um den grafischen Leitpfad in sein Head-up-Display zu holen. Ein wichtiger Vorteil der Augmented-Reality-Lösung ist, dass der Fahrer auch beim Blick aufs Navigationsdisplay stets das Verkehrsgeschehen voll präsent hat. Diese Lösung verbessert somit nicht nur die Ergonomie der Navigationssysteme, sie erhöht auch die Sicherheit im Straßenverkehr.
Rolf Sterbak
Weniger ist mehr. Da der Mensch in seiner Aufnahmefähigkeit begrenzt ist, kann er unmöglich alle Assistenzsysteme gleichzeitig bedienen und ablesen. "Es kommt darauf an, neue Techniken und die Präsentation der Ergebnisse sinnvoll zu integrieren", argumentiert Prof. Henning Wallentowitz, Leiter des Instituts für Kraftfahrwesen an der RWTH in Aachen. "Denn letztlich wird die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle darüber entscheiden, ob der Fahrer die künftigen Assistenzsysteme auch annimmt."
Siemens VDO hat deshalb ein umfassendes Konzept erarbeitet, das auf maximale Benutzerfreundlichkeit und minimale Beanspruchung des Fahrers ausgerichtet ist. Beispielsweise sind flexible Anzeigenelemente an Stellen angebracht, wo sie der Fahrer intuitiv erwartet – etwa ein Display im Kombi-Instrument, ein großer Bildschirm in der Mittelkonsole oder Warnleuchten an geeigneten Stellen. Als Sahnehäubchen gilt das frei konfigurierbare Head-up-Display, das fahrrelevante Informationen direkt auf die Scheibe in das Sichtfeld des Fahrers projiziert. Nur Siemens VDO bietet zurzeit diese Technik an und rüstet seit 2003 den 5er BMW damit aus.
Prima Klima im Auto
Vor allem in Oberklasse-Autos spüren heute schon Gas-Sensoren nach Abgasfahnen in der Außenluft. Bei Bedarf schaltet dann die Klimaanlage kurzzeitig auf Umluft oder leitet mit Kohlenmonoxid- und Stickoxidgasen belastete Luft durch einen Aktivkohlefilter. "Künftig wollen wir auch weitere lästige Gerüche aus der Innenluft filtern, die etwa durch Smog oder Teerarbeiten entstehen", schildert Dr. Maximilian Fleischer von Siemens Corporate Technology sein Projekt über neue Schnüffelsensoren (Bild). Bisher mussten die Forscher für jedes zu detektierende Gas einen eigenen Sensor bauen. Nun entwickeln sie einen Siliziumchip, auf dem mehrere Sensoren integriert sind und der etwa fünf verschiedene Gase detektieren kann. Für jedes Gas wird eine spezielle chemische Fängerschicht benötigt, die etwa einen Quadratmillimeter groß ist. Das Know-how steckt unter anderem in der Materialauswahl dieser chemischen Schichten. Bestimmte Metalloxid-Schichten beispielsweise erkennen Schadstoffe aus Abgasen (siehe Pictures of the Future, Herbst 2004, ? Gas-Sensoren). Eine weitere Herausforderung für die Forscher ist, diese Oberflächen so herzustellen, dass sie die aufgespürten Gasmoleküle nur kurz festhalten, bis das Gas erkannt ist, und dann den Sensor für eine erneute Prüfung frei machen. Die Gasmoleküle erzeugen dabei einen elektrischen Impuls für die Auswerteelektronik. Die Forscher arbeiten aber auch schon an so genannten Wohlfühlsensoren, die im Fahrzeug Luftfeuchte, Temperatur oder CO2-Gehalt der Luft messen. Steigt der CO2-Gehalt auf über 1000 ppm (Teile pro Million) wird der Fahrer müde. In einem voll besetzten Auto ist dieser Wert bei abgestellter Lüftung wegen der verbrauchten Atemluft nach etwa einer Viertelstunde erreicht. "Wir wollen, dass sich die Passagiere drinnen wohler fühlen als draußen", sagt Maximilian Fleischer. Da klassische Aktivkohlefilter nur eine begrenzte Menge an Geruchsstoffen aufnehmen können, untersuchen die Forscher auch andere Filterverfahren. Eingesetzt werden dabei komplexe Farbstoffe, die beispielsweise auf den Dachhimmel aufgetragen werden. Diese Farbstoffe können den Sauerstoff aus der Luft binden und chemisch aktivieren, so dass er die Moleküle zerstört, die den unangenehmen Geruch verursachen.
Rolf Sterbak
Welche Informationen in welcher Fahrsituation wo angezeigt werden, entscheidet die Systemsteuerung nach einem ausgeklügelten Funktionsmanagement, das für Wallentowitz entscheidend für nutzerfreundliche Systeme ist. Die Informationsverteilung basiert nicht nur auf ergonomischen Forschungen, sondern auch auf Usability-Tests mit typischen Nutzern. Generell wird die Information mit der höchsten Priorität im Head-up-Display dargestellt, geringer gewichtete Daten im Kombi-Instrument oder dann im Bildschirm in der Mittelkonsole. Manche Informationen präsentiert das System außerhalb der Bildschirme an Orten, wo der Fahrer sie erwartet. So blinkt etwa die Warnleuchte des Spurwechselassistenten in der Tür nahe dem Seitenspiegel.
Jürgen Goroncy