Autonome Automobile – Wer steuert das Fahrzeug der Zukunft? · 15 Jahre Adaptive Cruise Control...

Autonome Automobile –Wer steuert das Fahrzeug der Zukunft?Prof. Dr.-Ing Markus Maurer, Institut für Regelungstechnik,

21 Mai 201521. Mai 2015

Autonome Automobile – Wer steuert das Fahrzeug der Zukunft?

Was ist autonomes Fahren?Forschung und Entwicklung seit 1993 für

autonomes Fahren und Fahrerassistenz – eine persönliche BilanzMotivatorenMotivatorenHandlungsfelder auf dem Weg zum autonomen Fahren (Auswahl)Persönliche PrognosenPersönliche Prognosen

21. Mai 2015 Seite 2

WAS IST AUTONOMES FAHREN?


Was ist autonomes Fahren?

© Hessen Mobil, Straßen- und Verkehrsmanagement© TU Braunschweig


Automobil

„Auto- [zu griech. autòs]: bedeutet ... selbst, persönlich,

eigen“ (Duden:1999) „-mobil [zu lat. mobilis = beweglich]“

(Duden:1999)


Autonomie bei Immanuel Kant: „Selbstbestimmung im Rahmen eines übergeordneten (Sitten) Gesetzes“ (Feil 1987)übergeordneten (Sitten)-Gesetzes“ (Feil, 1987), das in diesem Fall der Mensch vorgibt.

Vollautomatisiertes Fahren (nach BASt 2012)ÜDas Fahrzeug fährt selbst ohne menschliche Überwachung.

Bei Degradation der Leistungsfähigkeit überführt sich das Fahrzeug selbstständig „in den risikominimalen Systemzustand“.


4 Use-Cases

A tobahnpilot Autobahnpilot Autonomes Valet-Parken Vollautomat (mit Verfügbarkeitsfahrer) Vehicle-on-Demand

Illustration des autonomen Fahrens


Was ist autonomes Fahren?

© Hessen Mobil, Straßen- und Verkehrsmanagement© TU Braunschweig

Teilautomatisiert: Vollautomatisiert:Menschlicher Sicherheitsfahrer ohne menschliche Überwachung


Historie und Stand der Technik: Automatisiertes Fahren, FAS

Three Decades of Driver Assistance Systems: R i d F t P tiReview and Future PerspectivesK. Bengler, K. Dietmayer, B. Färber, M. Maurer, C. Stiller, H. Winner2014; Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, Band 6; http://uni-das.de/documents/BenglerDietmayerFarberMaurerStillerWinner2014ITSM.PDF

Autonomes FahrenAutonomes FahrenR. Matthaei, A. Reschka, J. Rieken, F. Dierkes, S. Ulbrich, T. Winkle, M. MaurerIn Handbuch FahrerassistenzsystemeIn Handbuch Fahrerassistenzsysteme,

H. Winner et al. S. 1139-1165, Springer 2015


Autonomes Fahren im Film

F. Kröger: Das automatisierte Fahren im gesellschaftsgeschichtlichen und kulturwissenschaftlichen Kontextgesellschaftsgeschichtlichen und kulturwissenschaftlichen Kontext

„Neben das Phantasma des selbst lenkenden Menschen tritt deshalb schon früh der Traum des sich selbst steuernden Autos, das uns ohne Unfall zum gewünschten Ziel bringt. Erstaunlich ist, dass die Realisierung dieser Wunschphantasie seit fast 100 J h i 20 J h tf t bli b i t (W t100 Jahren immer 20 Jahre entfernt geblieben ist (Wetmore2003, S. 14).“

„Damit ist das fahrerlose Auto in der Realität angekommen. Lange Zeit inspirierte die Forschung den Film, nun scheint es umgekehrt zu sein: Der Film dient Forschungsteams als Referenz: …“

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FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG SEIT 1993 FÜR AUTONOMES FAHREN UND FAHRERASSISTENZ –AUTONOMES FAHREN UND FAHRERASSISTENZ –EINE PERSÖNLICHE BILANZ

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Bordautonomes Fahren 1993-1999

• Langstreckenfahrt von Neubiberg nach

Odense (Dänemark, November 1995):

95 Prozent der experimentell zurückgelegten

n

Strecke mit automatischer Quer- und

Längsführung (1678 km von 1758 km)B

unde

sweh

r Mün

chen

• Überwiegend auf Autobahnen

• Längster zusammenhängender Abschnitt

© U

nive

rsitä

t der

B

66,4km

• Spurwechsel vom Menschen eingeleitet, vom g

Fahrzeug ausgeführtnach Maurer (2000)

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Ausschnitt:

S ltSoltau –

Hamburg

B t ll Elbt lBaustelle Baustelle Elbtunnel

nach Maurer (2000)

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Ausschnitt: Soltau HamburgAusschnitt: Soltau – Hamburg

• Autonomes Fahren bedeutete in den• Autonomes Fahren bedeutete in den

1990er Jahren „bordautonomes“

FahrenFahren

• Der Fahrer war als trainierter(!)• Der Fahrer war als trainierter(!)

Überwacher unverzichtbar.

nach Maurer (2000)

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Ausschnitt: Soltau – Hamburg

• In nichtmodellierten Umgebungen

funktioniert(e) die

Fahrspurerkennung nicht mehr.

• Für den trainierten Überwacher

genügt „graceful degradation“.Baustelle

nach Maurer (2000)

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automatische Fahrtmit 180 km/h Ausschnitt: Soltau – Hamburg

• Die Überwachungsaufgabe bei

hohen Geschwindigkeiten ist

Schwerstarbeit.

• Was ist der sichere Zustand bei

autonomen

Hochgeschwindigkeitsfahrten?

• Wie kann er sicher erreicht

werden?

nach Maurer (2000)

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Automatische Notbremse 2000-2007

Aud

i AG

Funktionsdefinition:

© A

Ein Bremseingriff mit maximaler Verzögerung wird ausgelöst, wenn ein Unfall fahrphysikalisch nicht mehr zu verhindern ist.

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Systembeschreibung:„Eine Notbremsung, d.h.

• Die ANB ist ein autonom

intervenierendes „ g,Bremseingriff mit max. Verzögerung, wird dann

l t i

Fahrerassistenzsystem.

veranlasst, wenn ein Unfall fahrphysikalisch nicht mehr zu verhindern

• Signifikanter Kundennutzen ist

Grundvoraussetzung, dass der Aufwand

Gist. und das damit verbundene Risiko

verhältnismäßig erscheinen.

© A

udi A

G

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• Es gibt derzeit keinen gesellschaftlichen

Konsens, wann eine ANB sicher genug

ist.

• Homann (2002, 2005) skizziert, wann eine

ANB trotz technischer Unzulänglichkeiten

ethisch vertretbar eingesetzt werden

kann.

• Die Absicherung einer ANB ist technisch

© A

udi A

G

und kommerziell herausfordernd.

©

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15 Jahre Adaptive Cruise Control im Serieneinsatz

Systembeschreibung:Erweiterung des Tempomaten um eine Abstandsregelung auf vorausfahrende Fahrzeuge.

Fzg. folgt demVordermann

Ab t d F b i hAbstandssensor, Fernbereich

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Ob ACC St &G i h l b i t• Ob ACC Stop&Go sicher erlernbar ist,

hängt von einer sorgfältigen

F k i l bFunktionsauslegung ab.

(Schmitt, 2006; Neukum, 2008)

• Wird die Fahraufgabe zu stark

automatisiert, zieht sich der Fahrer aus

G der Fahraufgabe zurück (Bainbridge,

1983; Buld, 2005)©

Aud

i AG

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15 Jahre Adaptive Cruise Control im SerieneinsatzInitial: Zurückhaltung der Kunden

• Viele Autofahrer schätzen am Autofahren gerade ihre

eigenen Einflussmöglichkeiten auf die

„Erlebnismaschine“ Fahrzeug. „… durch die Art wie ich

es fahre…, kann ich meine individuelle Freiheit, Mobilität © A

udi A

G

und Autonomie genießen und mich narzisstisch an

meiner Geschicklichkeit erfreuen“

(Karmasin, 2008).

• Der Mensch will motorisch tätig sein (Krüger, 2008).

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Frage im Plenum: Hypothese:

Für welchen Kundennutzen steht ACC? „Entlastung auf Autobahnen“

© A

udi A

G©

Wohin stellen Sie den rechten Fuß?

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Hypothese:

„Entlastung auf Autobahnen“Theorie in der Psychologie:

• “unsere Motivation ziele darauf ab eing • unsere Motivation ziele darauf ab, ein

optimales, vermutlich mittleres

Aktivierungsniveau aufrechtzuerhalten“Aktivierungsniveau aufrechtzuerhalten

• “wenn man zu stark oder zu wenig

aktiviert ist wird man dazu motiviertaktiviert ist, wird man dazu motiviert,

seine Situation zu verändern, bis das

Aktivierungsniveau in den normalen

Yerkes-Dodson-Law (1908):

Leistungsfähigkeit über

Aktivierungsniveau in den normalen

Bereich zurückkehrt”nach Bourne, Ekstrand. Einführung in die

Leistungsfähigkeit über arousal

Psychologie, 2001.

arousal – Aktivierung, Erregung21. Mai 2015 Seite 24

Stadtpilot: „teilautomatisiertes“ Fahren in BS (seit 2008)

Ergebnissex

Ergebnisse

• „teilautomatisiertes“ Fahren auf dem Stadtring in BraunschweigStadtring in Braunschweig (seit 2010)

• Öffentliche Demonstrationen im Stadtverkehr (seit 2010)

• Direkte Kommunikation mit Ampeln; Reaktion auf Ampeln

• Film: 11.3.2012, „Auto mit Autopilot“©TU Braunschweig

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© A

udi A

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MOTIVATOREN

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“Motorized road transport …resulting Jährliche Verkehrstote in Deutschland p gin more than 1.5 million deaths … annually.(Weltbank 2015)

http://siteresources.worldbank.org/INTTOPGLOROASAF/Resources/IHME_T4H_FINAL_TO_WORLD BANK-compressed pdfORLD_BANK compressed.pdf

Zahlen nach Bundesanstalt für Straßenwesen (BAST)

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für Straßenwesen (BAST)

Assistenzbedarf des Fahrers

temporär:Hypothese:

• Stau

• Medikamente

„Assistenzbedarf des Fahrers“

• Müdigkeit

• Unaufmerksamkeit

kontinuierlich:

• Nachlassen der Sinne

• Erkrankungend. Muskulaturd Skelettsd. Skeletts@TU Braunschweig

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Assistenzbedarf des Fahrers

Hypothese: Autonome Fahrfähigkeiten eröffnen „Assistenzbedarf des Fahrers“ neue Assistenzchancen für die

individuelle Mobilität

Mittelfristig:

Das Fahrzeug als „intelligentes

Werkzeug“

Langfristig:

Cyborg, Verschmelzung von Mensch

und Roboter@TU Braunschweig

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Neue Fahrzeugkonzepte

http://blog.cebit.de/wp-content/uploads/2014/12/Google-Self-Driving-Car.jpg http://www.zdnet.de/wp-content/uploads/2015/01/f_015_luxury_in_motion.jpg

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Rationalisierungsaspekte

B f (2012 2016)

© Hessen Mobil, Straßen- und Verkehrsmanagement

z.B. afas (2012-2016)

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Verkehrs- und Stadtplanung, neue Mobilitätskonzepte

S. Beiker (Stanford University)R Cyganski (DLR VF)R. Cyganski (DLR-VF) H. Flämig (TU Hamburg-Harburg)E. Fraedrich (HU Berlin)( )B. Friedrich (TU Braunschweig)D. Heinrichs (DLR-VF)B. Lenz (DLR-VF, HU Berlin)M. Pavone (Stanford University)P Wagner (DLR TS)P. Wagner (DLR-TS)

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HANDLUNGSFELDER AUF DEM WEG ZUM AUTONOMEN FAHREN

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Handlungsfelder: Maschinelle Wahrnehmung (der Umwelt)

“but machine cognition and situational awareness are still in th i i f T i th i ifi t itheir infancy. To improve them, significant progress is required in symbolic scene classification, e.g. object recognition under dynamic conditions, as well as in contextual scene understanding”

Film u. Softwarecontextual scene understanding

Three Decades of Driver Assistance Systems: R i d F t P ti

Von Jens Rieken(2015)

Review and Future PerspectivesK. Bengler, K. Dietmayer, B. Färber, M. Maurer, C. Stiller, H. Winner2014; Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, Band 6; http://uni-das.de/documents/BenglerDietmayerFarberg yMaurerStillerWinner2014ITSM.PDF

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Handlungsfelder: Maschinelle Wahrnehmung (des Fahrzeugs)

• Automatisieren der Überwachungsaufgabe des Fahrers

• Repräsentation und Wahrnehmung der eigenen Fähigkeiten(z.B. Maurer, 2000;

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(z.B. Maurer, 2000; Bergmiller 2015)

• Selbstdiagnose von Fehlern

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• Degradation in den sicheren Zustand• Automatische Umkonfiguration im

FehlerfalleFehlerfalle

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Handlungsfelder: Maschinelles Verhalten

Wertebasierte Verhaltensentscheidung

- Grundsätzliche Frage in der Robotik:Nach welchen Wertesystemen verhalten sich Roboter?Nach welchen Wertesystemen verhalten sich Roboter?

- Frühe Zusammenfassung von Wildermuth (2011) mit Beispielen ausV k h Militä M di i t h ik d Wi t h ftVerkehrs-, Militär-, Medizintechnik und Wirtschaft (Moral in Silizium)

- Auflösen von Zielkonflikten: z.B. Verletzen von Regeln im Gefahrenfall

- Folgenabschätzung der eigenen Handlung (Notbremse auf Querverkehr)Querverkehr)

- Selten aber instruktiv: Dilemmasituationen (Trolley Car Problem)

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Handlungsfelder: Maschinelles Verhalten

Junges Forschungsthema: Kooperation

- In Verbindung mit automatisiertem Fahren eingeschränktes Begriffsverständnis von Kooperation:eingeschränktes Begriffsverständnis von Kooperation:impliziert Kommunikation per Funk mit anderen Verkehrsteilnehmern oder InfrastrukturT h i h k f ht K ti h- Technisch kaum erforscht: Kooperation ohne Funkkontakt!Für Mensch alltäglich in der Stadt

Neue Forschungsvorhaben:DFG SPP BMWi-FörderprojektKooperative interaktive FahrzeugeStart: 2015

BMWi Förderprojekt Kooperatives Hochautomatisiertes Fahrenbeantragt

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Handlungsfelder: Datensicherheit

K. Rannenberg

Wäh d l F h h i h i h„Während also autonomes Fahren theoretisch nicht zu mehr Datenschutzproblemen führen muss, gibt es eine realistische Bedrohung, dass in der Praxis genau das passiert, wenn Entwurf und Architektur der Systeme Datenschutzprobleme nicht sorgfältig verhindern.Daher ist ein Privacy-by-Design-Ansatz für autonomesDaher ist ein Privacy-by-Design-Ansatz für autonomes Fahren und die einschlägigenSzenarien nötig.“

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Handlungsfelder: Funktionale Sicherheit

Wie sicher müssen autonome Fahrzeuge sein, damit sie in der Gesellschaft akzeptiert werden? (Maurer 2013)akzeptiert werden? (Maurer, 2013)

Wie lässt sich das zu definierende Sicherheitsniveau nachweisen?

W l h K t M th d dWelche Konzepte, Methoden und Prozesse sind erforderlich, um das zu definierende Sicherheitsniveau zu erreichen?

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Handlungsfelder: Testen

„…dass aktuelle Testkonzepte nicht geeignet sind, umdas neue System des autonomen Fahrens abzusichern.D F th lt kt ll T tk tDas Festhalten an aktuellen Testkonzeptenwürde zu einem ökonomisch nicht vertretbaren Aufwand führen und zur Freigabefalle für das autonome Fahren

“werden.“W. Wachenfeld, H. Winner

Aktuell verschiedene Anträge für öffentlich geförderte Projekte zur Absicherung vom hochautomatisierten und vollautomatisierten Fahren.

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Handlungsfelder: Akzeptanz und Risiko

Gesellschaftliche Risikokonstellation für autonomes Fahren – Analyse, Einordnung und BewertungA GrunwaldA. Grunwald „[…] nichts ist massenmedial verdächtiger, als zu behaupten: Risiken gibt es nicht, und wir haben alles unter Kontrolle Sorgen und Fragen müssen ernstKontrolle. Sorgen und Fragen müssen ernst genommen werden […]. Für all dies ist frühzeitige und offene Kommunikation […] wichtig, […] auch im Sinne einer partizipativen Technikgestaltung ”

A.GrunwaldLeiter des Büros für einer partizipativen Technikgestaltung.

„Eine Risikofokussierung würde daher vermutlich am Kern d H f d b i füh t h id d

Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB)der Herausforderung vorbei führen: entscheidend

scheinen eher die Nutzenerwartungen zu sein.”(TAB)Professor für Technikphilosophie am KIT

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Handlungsfelder: Komplexität

Methoden zur Beherrschung von Komplexität

• Requirements EngineeringRequirements Engineering• Entwurf von Architekturen• Simulation und Test von

Fahrzeugeigenschaften in derEntwicklungsphase

• Entwicklung von Prozessengzum Systementwurf Manager Magazin: Car Wars 11/2014

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Handlungsfelder: Komplexität

Grundidee: Fahrzeugsystemtechnik

Die Perspektive pdes Kunden

B In CU(T)

DX(T)/DTX(T) Y(T)

X(T0)

Die Perspektive

A

pdes Konstrukteurs Das Fahrzeug

als System

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Handlungsfelder: Komplexität, Funktionale Systemarchitektur

ExterneAbsolute globale Selbst‐Umfeld‐ Missions‐DatenLokalisierung

en

wahrnehmungwahrnehmung umsetzung

Poseschätzung Welt‐modellierungru

ngssen

sore

Umfeld‐ und Selbst‐modellierung Fahrzeugführung

mun

ikation

Lokalisie

Kom

Fahrzeug relativ zur WeltUmfeld‐Sensorik

Fahrzeug‐Sensorik AktorikWelt relativ zum Fahrzeug Sensorik Sensorikg

(Matthaei u. Maurer 2015)21. Mai 2015 Seite 44

(Matthaei u. Maurer 2015)

Handlungsfelder: Komplexität, Funktionale Systemarchitektur

ExterneAbsolute globale Selbst‐Umfeld‐ Missions‐

MakroskalePoseschätzung

Straßengenaue Weltmodellierung

DatenLokalisierung

en

Straßentopologie‐ und Verkehrsflussmodellierung

wahrnehmungwahrnehmung

Navigation

umsetzung

MesoskalePoseschätzung

Fahrstreifen‐genaue

Weltmodellierungrungssen

sore

Kontext‐modellierung Führung

mun

ikation

MikroskalePoseschätzung

Quasi‐kontinuierliche

Weltmodellierung

Weltmodellierung

Lokalisie

Merkmalsextraktion und modellbasiertes Filtern Stabilisierung

Kom

Weltmodellierung

Fahrzeug relativ zur WeltUmfeld‐Sensorik

Fahrzeug‐Sensorik AktorikWelt relativ zum Fahrzeug Sensorik Sensorikg

(Matthaei u. Maurer 2015)21. Mai 2015 Seite 45

(Matthaei u. Maurer 2015)

Handlungsfelder: Ausbildung

seit 2014: Neuer Masterstudiengang (TU BS):Elektronische Systeme in Fahrzeugtechnik, Luft-und Raumfahrt

seit 2008: Carolo-Cupseit 2008: Carolo-Cup

2008: 6 Teams: Sieger RWTH Aacheng2009: 8 Teams: Sieger TU Braunschweig2010: 10 Teams: Sieger RWTH Aachen2011: 8 Teams: Sieger Uni Ulm2012 9 Teams Sieger TU Bra nsch eig2012: 9 Teams: Sieger TU Braunschweig2013: 11 Teams: Sieger TU München2014: 13 Teams: Sieger Uni Ulm2015: 16 Teams: Sieger Uni Ulm

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g

PROGNOSE(„WER STEUERT DAS FAHRZEUG DER ZUKUNFT?“)

21. Mai 2015 Seite 47

Persönliche Prognose (1/3)

1. Autonome Fahrzeuge eröffnen Chancen für die erweiterte Teilhabe am individuellen motorisierten Massenverkehr füram individuellen motorisierten Massenverkehr für • Kinder, • Hochbetagte und g• Behinderte, aber auch für • allgemein Fahrtüchtige unter aktuellen

Ei b h ä kEignungsbeschränkungen.2. In Zukunft wird es möglich sein, autonome Fahrzeuge zu

entwickeln, die vollautomatisiert Missionen absolvieren.,3. Mit ihnen wird sich ein Individualverkehr gestalten lassen, der

sicherer und ressourceneffizienter sein wird als der heutige IndividualverkehrIndividualverkehr.

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4. Komplexe technische Systeme sind nicht fehlerfrei. Daher kann es auch im vollautomatisierten individuellen Massenverkehr zu Unfällenauch im vollautomatisierten individuellen Massenverkehr zu Unfällen kommen, auch mit tödlichen Folgen.

5. Die Gesellschaft muss vor Einführung autonomer Systeme intensiv diskutieren, ob sie bereit ist, die Risiken des autonomen Fahrens zu tragen.

6 Wir kennen heute keine Methoden mit denen wir zu ökonomisch6. Wir kennen heute keine Methoden, mit denen wir zu ökonomisch vertretbaren Kosten nachweisen können, dass eine von der Gesellschaft festzulegende Fehlerwahrscheinlichkeit von autonomen Fahrzeugen eingehalten wirdFahrzeugen eingehalten wird.

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7. Für Wirtschaftsunternehmen ist es risikoreich, vollautomatisierte Fahrzeugführungssysteme oder auch Fahrerassistenzsysteme mitFahrzeugführungssysteme oder auch Fahrerassistenzsysteme mit signifikantem Eingriff in die Fahrdynamik einzuführen, die der Fahrer nicht überwachen muss oder kann.

8. Für die Einführung autonomer Fahrzeuge werden wir neue Formen des Risikomanagements benötigen.

9 Es ist eine offene Frage ob Gesellschaften in Zukunft bereit sein9. Es ist eine offene Frage, ob Gesellschaften in Zukunft bereit sein werden, vollautomatisiertes Fahren im Individualverkehr zuzulassen.

10. Sollten diese Systeme sehr erfolgreich abgesichert und eingeführt d i k i h di F l f i ti k h Wworden sein, kann sich diese Frage langfristig umkehren: Wenn

nachweislich der vollautomatisierte Verkehr deutlich sicherer ist als der Individualverkehr mit menschlichen Fahrern, kann es zu der Diskussion kommen, ob es weiter verantwortlich ist, menschliche Fahrer selber fahren zu lassen.

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Literatur

Bainbridge, L. (1983): Ironies of Automation, Automatica 19/6, 775-779Gasser T M ; Arzt C ; Ayoubi M ; Bartels A ; Bürkle L ; Eier J ; Flemisch F ; Häcker D ;Gasser, T.M.; Arzt, C.; Ayoubi, M.; Bartels, A.; Bürkle, L.; Eier, J.; Flemisch, F.; Häcker, D.; Hesse, T.; Huber, W.; Lotz, C.; Maurer, M.; Ruth-Schumacher, S.; Schwarz, J.; Vogt, W. (2012): Rechtsfolgen zunehmender Fahrzeugautomatisierung, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen. Unterreihe Fahrzeugtechnik, 83. gBengler, K.; Dietmayer, K.; Färber, B.; Maurer, M.; Stiller, C.; Winner, H. (2014): ThreeDecades of Driver Assistance Systems: Review and Future Perspectives In: Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, Band 6.Bergmiller, P. (2015): Towards functional safety in drive-by-wire vehicle, Springer 2015.Buld, S; Tietze, H.; Krüger, H.-P. (2015): Auswirkung von Teilautomation auf das Fahren, In: Maurer, M.; Stiller, C., Fahrerassistenzsysteme mit maschineller Wahrnehmung, Springer.Duden (1999): Das große Wörterbuch der deutschen Sprache, 10 Bde. Duden-Verlag, Mannheim 1999.Feil, E. (1987): Antithetik neuzeitlicher Vernunft – „Autonomie – Heteronomie“ und „rational – irrational“. 1. Auflage Göttingen: Vandenhoeck & Ruprecht.

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Literatur

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Literatur

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