Ford stellt nächste Generation der autonom fahrenden Autos vor

Ford hat dieser Tage in den USA die nächste Generation von Forschungsträgern für autonomes Fahren vorgestellt. Als Basis-Fahrzeug (Plattform) dient dabei erneut der Ford Fusion (Mondeo) Hybrid. Die Rechenleistung dieser Fahrzeuge wurde durch modernste Computer-Hardware jedoch wesentlich verbessert, die elektrischen Steuerungen sind deutlich näher an der Serienreife und die Sensor-Technologie mitsamt den Platzierungen der Sensoren ermöglicht den Autos eine noch bessere "Sicht" auf die Umgebung. Die neuen LiDAR-Sensoren (Light Detection And Ranging) sind zum einen noch schlanker ausgeführt, zum anderen erfassen sie einen noch exakteren Zielbereich. Auf diese Weise kommt die neue Fahrzeug-Generation mit zwei statt vier Sensoren aus - die aber genauso viele Daten liefern. Ford hatte vor drei Jahren die ersten autonom fahrenden Ford Fusion Hybrid-Forschungsfahrzeuge vorgestellt - alles, was der Konzern seitdem gelernt hat, floss in die jüngste Fahrzeug-Generation ein.

Ein autonom fahrendes Auto besteht prinzipiell aus zwei Grundelementen: der Fahrzeug-Plattform, die auf einem Serienmodell von Ford basiert, und dem virtuellen Fahrersystem. Beide Elemente erreichen nun eine weitere Evolutionsstufe. Besonders die Entwicklung und die Tests des virtuellen Fahrersystems haben durch die erweiterte Sensor- und Rechenleistung einen großen Sprung gemacht.

Was ist ein virtuelles Fahrersystem?

Ford versteht unter einem "virtuellem Fahrersystem" ein Fahrzeug der Autonomiestufe 4 auf der sechsstufigen Skala der Society of Automotive Engineers (SAE). Es benötigt keinen Fahrer, folglich muss das Auto alle Steuersysteme ebenso gut bedienen können wie der Mensch. Das virtuelle Ford-Fahrersystem ist auf diese hohe Autonomiestufe ausgelegt und umfasst:

Sensoren - LiDAR, Kameras und Radar
Algorithmen für die Lokalisation und Routen-/Streckenplanung
Computerbasierte Bild-Auswertung und maschinelles Lernen
Hochdetaillierte 3D-Karten
Hohe Computer- und Elektronikleistung für die praktische Umsetzung


Hybrid-Ansatz von Ford: Wie das virtuelle Fahrersystem seine Umgebung wahrnimmt

Die Aufgabe lautet, ein robustes virtuelles Fahrersystem zu entwickeln, das genauso zuverlässig Entscheidungen trifft und sie umgehend ausführt, wie der Fahrer selbst und andere Verkehrsteilnehmer. Ford realisiert das mit einem Ansatz, der den autonomen Autos hilft, genauso zu sehen, zu denken und zu handeln wie ein Mensch - und in manchen Fällen sogar besser. Auf Basis der heutigen Technologien und gestützt auf Annahmen über künftige Möglichkeiten arbeiten die Ford-Ingenieure an zwei Methoden, mit denen das virtuelle Fahrersystem eines autonomen Fahrzeugs seine Umgebung wahrnimmt: vermittelte Wahrnehmung und direkte Wahrnehmung.

- Die vermittelte Wahrnehmung erfordert das Erzeugen hochauflösender 3D-Karten der Umgebung, in der das autonome Auto fahren soll. Dieses Kartenmaterial umfasst alles, was das virtuelle Fahrersystem über die Straßen weiß, bevor das Auto überhaupt startet - etwa die genaue Position von Ampeln, Stoppschildern, Fußgängerüberwegen und anderen statischen Merkmalen. Nach dem Losfahren nutzt das virtuelle Fahrersystem dann sein LiDAR, bei dem Radarsensoren und Kameras kontinuierlich das Umfeld des Autos erfassen und es mit den Informationen der 3D-Karte vergleichen - daher die Bezeichnung "vermitteln". So kann das System die Position des Fahrzeugs auf der Straße sehr genau lokalisieren sowie erkennen und verstehen, was rund um das Auto auf der Straße vorgeht. Zudem umfasst die vermittelte Wahrnehmung ein System, in dem die Verkehrsregeln hinterlegt sind. So kann das System das Fahrzeug auf alle Ge- und Verbote vorbereiten.

- Die direkte Wahrnehmung ergänzt die vermittelte Wahrnehmung. Sie nutzt die Sensoren, um die Position des Fahrzeugs auf der Straße zu "sehen" und dynamische Elemente - wie Fußgänger, Radfahrer oder andere Autos - zu erkennen. Die Sensoren können sogar helfen, Gesten zu interpretieren, etwa wenn ein Polizist den Verkehr mit Handzeichen regelt. Selbstverständlich erfordert die direkte Wahrnehmung noch bessere Software und eine noch höhere Rechenleistung, denn sie muss beispielweise die dynamischen Verkehrsteilnehmer klassifizieren und vorausberechnen, wie schnell und wohin sich ein Fußgänger oder Radfahrer bewegt.

Dieser Hybrid-Ansatz, der vermittelte und direkte Wahrnehmung zusammenführt, versetzt das virtuelle Fahrersystem in die Lage, ein Fahrzeug genauso gut zu steuern wie ein Mensch oder möglicherweise sogar besser.

Wie sich ein von Menschen gelenktes Auto in ein voll autonomes verwandelt

Wie verwandelt sich ein serienmäßiger, von Menschen gelenkter Ford Fusion Hybrid in ein voll autonomes Fahrzeug? Zur Beantwortung dieser Frage unterteilt Ford die Herausforderungen des virtuellen Fahrens schematisch in drei Kategorien: das Wahrnehmen der Umgebung, das Treffen von Entscheidungen auf Basis dieser Wahrnehmungen sowie das Bedienen des Fahrzeugs.

Das Wahrnehmen der Umgebung

Rein äußerlich unterscheidet sich die jüngste Generation des autonomen Ford Fusion Hybrid-Forschungsfahrzeugs vor allem durch die zahlreichen Sensoren von einem herkömmlichen Ford Fusion Hybrid. Diese Sensoren sind im Grunde die Augen und Ohren des Autos, die das autonome Fahren überhaupt erst ermöglichen.

- An den A-Säulen befinden sich zwei LiDAR-Sensoren jeweils von der Größe eines Eishockey-Pucks. Jeder dieser Laser erzeugt Millionen sogenannter LiDAR-Strahlen, die das Fahrzeug in Form eines Gitters umgeben und somit eine 360-Grad-Rundumsicht ermöglichen. Diese Sensoren der neuesten Generation scannen eine Fläche, die ungefähr der Größe von zwei Fußballfeldern entspricht - und zwar jeweils in alle Richtungen rund um das Fahrzeug. Mithilfe der hochauflösenden LiDAR-Technologie kann das System nicht nur genau erkennen, wo sich ein Objekt befindet, sondern auch, wie groß es ist und welche Form es hat.

- Zusätzlich verfügen die Entwicklungsträger von Ford über drei Kameras, die in einer Art Dachreling platziert sind. Hinzu kommt eine weitere an der Windschutzscheibe, die das Geschehen vor dem Auto analysiert. Durch das Zusammenspiel dieser Kameras erkennt das autonom fahrende Fahrzeug sowohl Objekte als auch Personen und registriert zudem, ob eine Ampel gerade rot oder grün ist.

- Das System funktioniert in Kombination mit Radarsensoren für den Kurz- und Fernbereich. Diese zusätzlichen "Augen" scannen ebenfalls die Fahrzeugumgebung und ermöglichen selbst bei starkem Regen, Nebel oder heftigem Schneetreiben vorausschauendes und sicheres Fahren. Ein weiterer wichtiger Vorteil: Die Radarsensoren lassen wichtige Rückschlüsse darauf zu, wie sich andere Objekte in Relation zum Fahrzeug bewegen.

Die von allen drei Systemen - LiDAR, Kameras und Radarsensoren - ermittelten Daten werden an das "Gehirn" des autonom fahrenden Autos übermittelt. Auf Basis dieser Technologie sowie weiterer Computer Vision-Prozesse entsteht eine virtuelle 3D-Karte zur digitalen Darstellung der Fahrzeugumgebung.

Das Treffen von Entscheidungen auf Basis dieser Wahrnehmungen Ein autonomes Auto muss während der Fahrt zahlreiche Faktoren berücksichtigen. Wer oder was befindet sich in der direkten Umgebung? Wie verhalten sich andere Verkehrsteilnehmer? Wie ist der Streckenverlauf? Welches ist die beste Route? Hinzu kommt: Beim Einfädeln in eine andere Fahrspur muss das System erkennen, ob der Verkehr dort schneller oder langsamer fließt - es das eigene Auto also beschleunigen oder abbremsen muss - und wie sich diese Entscheidungen auf andere Fahrzeuge auswirken.

Das "Gehirn" des autonomen Ford Fusion Hybrid-Testträgers befindet sich im Kofferraum. Der hochmoderne Computer wartet mit der Rechenleistung mehrerer High-End-PCs auf und verarbeitet pro Stunde eine Datenmenge von einem Terabyte - das entspricht 1.000 Gigabyte. Zum Vergleich: Dies ist mehr als das mobile Datenaufkommen, das ein durchschnittlicher Smartphone-Nutzer innerhalb von 45 Jahren anhäuft.

Wirklich zum Leben erweckt wird das System jedoch erst durch die virtuelle, von Ford selbst entwickelte Fahrer-Software. Die Algorithmen, die die Ingenieure von Ford entwickelten, erzeugen pro Sekunde Millionen von Daten und sorgen dafür, dass das autonom fahrende Auto richtig reagiert.

Die Steuerung des Fahrzeugs

Ein autonom fahrendes Auto funktioniert in vielen Bereichen wie der menschliche Körper: Genau wie das menschliche Gehirn den Muskeln in Händen und Füßen befiehlt, was zu tun ist, werden im Ford Fusion Hybrid-Testträger die vom Hochleistungsrechner getroffenen Entscheidungen über ein komplexes Netzwerk aus elektrischen Signalen an die jeweiligen Fahrzeugsysteme übermittelt. Für diese speziellen Anforderungen optimierte Ford die Software und, wo nötig, auch die Hardware des Ford Fusion Hybrid. So können die für autonomes Fahren erforderlichen elektrischen Steuersignale an Lenkung, Bremse, Gas und Getriebe übermittelt werden. Dies erfordert - ganz ähnlich wie beim menschlichen Nervensystem - ein perfektes Zusammenspiel des hochkomplexen Gesamtsystems.

Diese zusätzlichen Funktionen benötigen natürlich mehr Strom als die Systeme eines herkömmlichen Fahrzeugs. Ein Auto mit konventionellem Verbrennungsmotor kann gar nicht die Menge an elektrischer Energie erzeugen, die nötig ist, um alle Komponenten eines autonom fahrenden Fahrzeugs zu steuern. Daher "zapfen" die Ford-Ingenieure das Hochvolt-Batteriesystem des Ford Fusion Hybrid an. Und selbst die in den leistungsfähigen Akkus gespeicherte Energiemenge reicht für diese Zwecke nicht aus. Daher wird die nächste Generation der autonom fahrenden Ford-Testträger zusätzlich einen integrierten Stromgenerator an Bord haben.

Autonome Ford-Fahrzeuge werden ab 2021 in Großserie produziert Mit diesen fortschrittlichen Testträgern auf Basis des Ford Fusion Hybrid gelingt dem Ford-Konzern ein weiterer wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung eines voll autonomen Fahrzeugs, das ab 2021 für Anbieter digitaler Mobilitätsdienstleistungen wie Ride Sharing und Ride Hailing in Großserie produziert werden soll. Derzeit verfügen die Forschungsautos noch über konventionelle Lenkräder sowie über Pedale. Künftige Ride Sharing-Serienmodelle von Ford werden ohne Lenkrad und Pedale auskommen.

Bis zur Serienreife sind jedoch noch zahlreiche Herausforderungen zu meistern. Ford wird in diesem Zusammenhang seine autonome Fahrzeug-Testflotte in den USA im kommenden Jahr (2017) verdreifachen - von derzeit 30 auf etwa 90 selbst fahrende Fusion Hybrid-Modelle für Straßentests in Kalifornien, Arizona und Michigan, die auch bei winterlichen Bedingungen stattfinden sollen. Darüber hinaus hat Ford angekündigt, in Europa den Erprobungsbetrieb mit autonom fahrenden Autos ebenfalls im kommenden Jahr aufnehmen zu wollen.

Link auf Video

Über den nachfolgenden Link ist ein YouTube-Video zum Thema abrufbar: https://youtu.be/6QJeaK7U87o