Autonome Automobile – Wer steuert das Fahrzeug der Zukunft?

Autonome Automobile –
Wer steuert das Fahrzeug der Zukunft?
Prof. Dr.-Ing Markus Maurer, Institut für Regelungstechnik,
21 Mai 2015
21.
Autonome Automobile – Wer steuert das Fahrzeug der Zukunft?
Was ist autonomes Fahren?
Forschung und Entwicklung seit 1993 für
autonomes Fahren und Fahrerassistenz – eine persönliche Bilanz
Motivatoren
Handlungsfelder auf dem Weg zum autonomen Fahren (Auswahl)
Persönliche Prognosen
21. Mai 2015 Seite 2
WAS IST AUTONOMES FAHREN?
21. Mai 2015 Seite 3
Was ist autonomes Fahren?
© TU Braunschweig
21. Mai 2015 Seite 4
© Hessen Mobil, Straßen- und Verkehrsmanagement
Automobil
„Auto- [zu griech. autòs]: bedeutet ... selbst, persönlich,
eigen“ (Duden:1999) „-mobil [zu lat. mobilis = beweglich]“
(Duden:1999)
21. Mai 2015 Seite 5
Autonomie bei Immanuel Kant:
„Selbstbestimmung im Rahmen eines
übergeordneten (Sitten)
(Sitten)-Gesetzes“
Gesetzes“ (Feil
(Feil, 1987)
1987),
das in diesem Fall der Mensch vorgibt.
Vollautomatisiertes Fahren (nach BASt 2012)
Das Fahrzeug fährt selbst ohne menschliche Überwachung.
Ü
Bei Degradation der Leistungsfähigkeit überführt sich das
Fahrzeug selbstständig „in den risikominimalen
Systemzustand“.
21. Mai 2015 Seite 6
4 Use-Cases




Autobahnpilot
A
tobahnpilot
Autonomes Valet-Parken
Vollautomat (mit Verfügbarkeitsfahrer)
Vehicle-on-Demand
Illustration des autonomen Fahrens
21. Mai 2015 Seite 7
Was ist autonomes Fahren?
© TU Braunschweig
Teilautomatisiert:
Menschlicher Sicherheitsfahrer
21. Mai 2015 Seite 8
© Hessen Mobil, Straßen- und Verkehrsmanagement
Vollautomatisiert:
ohne menschliche Überwachung
Historie und Stand der Technik: Automatisiertes Fahren, FAS
Three Decades of Driver Assistance Systems:
R i
Review
and
d Future
F t
P
Perspectives
ti
K. Bengler, K. Dietmayer, B. Färber, M. Maurer, C. Stiller,
H. Winner
2014; Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, Band 6;
http://uni-das.de/documents/BenglerDietmayerFarber
MaurerStillerWinner2014ITSM.PDF
Autonomes Fahren
R. Matthaei, A. Reschka, J. Rieken, F. Dierkes, S. Ulbrich,
T. Winkle, M. Maurer
In Handbuch Fahrerassistenzsysteme,
Fahrerassistenzsysteme
H. Winner et al. S. 1139-1165, Springer 2015
21. Mai 2015 Seite 9
Autonomes Fahren im Film
F. Kröger: Das automatisierte Fahren im
gesellschaftsgeschichtlichen 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 Jahren
J h
i
immer
20 J
Jahre
h entfernt
tf
t geblieben
bli b iistt (W
(Wetmore
t
2003, 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:
…“
21. Mai 2015 Seite 10
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG SEIT 1993 FÜR
AUTONOMES FAHREN UND FAHRERASSISTENZ –
EINE PERSÖNLICHE BILANZ
21. Mai 2015 Seite 11
Bordautonomes Fahren 1993-1999
•
Langstreckenfahrt von Neubiberg nach
Odense (Dänemark, November 1995):
95 Prozent der experimentell zurückgelegten
Strecke mit automatischer Quer- und
© Universität der B
Bundeswehr München
n
Längsführung (1678 km von 1758 km)
•
Überwiegend auf Autobahnen
•
Längster zusammenhängender Abschnitt
66,4km
•
g
vom
Spurwechsel vom Menschen eingeleitet,
Fahrzeug ausgeführt
nach Maurer (2000)
21. Mai 2015 Seite 12
Bordautonomes Fahren 1993-1999
Ausschnitt:
S lt –
Soltau
Hamburg
Baustelle
B
Baustelle
t ll
Elbt
Elbtunnel
l
nach Maurer (2000)
21. Mai 2015 Seite 13
Bordautonomes Fahren 1993-1999
Ausschnitt: Soltau – Hamburg
• Autonomes Fahren bedeutete in den
1990er Jahren „bordautonomes“
Fahren
• Der Fahrer war als trainierter(!)
Überwacher unverzichtbar.
nach Maurer (2000)
21. Mai 2015 Seite 14
Bordautonomes Fahren 1993-1999
Ausschnitt: Soltau – Hamburg
• In nichtmodellierten Umgebungen
funktioniert(e) die
Fahrspurerkennung nicht mehr.
• Für den trainierten Überwacher
genügt „graceful degradation“.
Baustelle
nach Maurer (2000)
21. Mai 2015 Seite 15
Bordautonomes Fahren 1993-1999
automatische Fahrt
mit 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)
21. Mai 2015 Seite 16
©A
Audi AG
Automatische Notbremse 2000-2007
Funktionsdefinition:
Ein Bremseingriff mit maximaler Verzögerung wird ausgelöst, wenn
ein Unfall fahrphysikalisch nicht mehr zu verhindern ist.
21. Mai 2015 Seite 17
Automatische Notbremse 2000-2007
• Die ANB ist ein autonom
Systembeschreibung:
intervenierendes
„„Eine Notbremsung,
g, d.h.
© Audi AG
G
Fahrerassistenzsystem.
Bremseingriff mit max.
Verzögerung, wird dann
veranlasst,
l
t wenn ein
i
• Signifikanter Kundennutzen ist
Unfall fahrphysikalisch
Grundvoraussetzung,
der Aufwand
nicht mehrdass
zu verhindern
ist. verbundene Risiko
und das damit
verhältnismäßig erscheinen.
21. Mai 2015 Seite 18
Automatische Notbremse 2000-2007
• 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
© Audi AG
kann.
• Die Absicherung einer ANB ist technisch
und kommerziell herausfordernd.
21. Mai 2015 Seite 19
15 Jahre Adaptive Cruise Control im Serieneinsatz
Systembeschreibung:
Erweiterung des Tempomaten um eine Abstandsregelung auf vorausfahrende
Fahrzeuge.
Fzg. folgt dem
Vordermann
Ab t d
Abstandssensor,
F
Fernbereich
b i h
21. Mai 2015 Seite 20
15 Jahre Adaptive Cruise Control im Serieneinsatz
• Ob ACC Stop&Go
St &G sicher
i h erlernbar
l
b ist,
i t
hängt von einer sorgfältigen
F ki
Funktionsauslegung
l
ab.
b
(Schmitt, 2006; Neukum, 2008)
• Wird die Fahraufgabe zu stark
© Audi AG
G
automatisiert, zieht sich der Fahrer aus
der Fahraufgabe zurück (Bainbridge,
1983; Buld, 2005)
21. Mai 2015 Seite 21
15 Jahre Adaptive Cruise Control im Serieneinsatz
Initial: Zurückhaltung der Kunden
•
Viele Autofahrer schätzen am Autofahren gerade ihre
eigenen Einflussmöglichkeiten auf die
© Audi AG
„Erlebnismaschine“ Fahrzeug. „… durch die Art wie ich
es fahre…, kann ich meine individuelle Freiheit, Mobilität
und Autonomie genießen und mich narzisstisch an
meiner Geschicklichkeit erfreuen“
(Karmasin, 2008).
•
21. Mai 2015 Seite 22
Der Mensch will motorisch tätig sein (Krüger, 2008).
15 Jahre Adaptive Cruise Control im Serieneinsatz
Hypothese:
Für welchen Kundennutzen steht ACC?
„Entlastung auf Autobahnen“
© Audi AG
Frage im Plenum:
Wohin stellen Sie den
rechten Fuß?
21. Mai 2015 Seite 23
15 Jahre Adaptive Cruise Control im Serieneinsatz
Hypothese:
Theorie in der Psychologie:
„Entlastung
g auf Autobahnen“
• “unsere
unsere Motivation ziele darauf ab
ab, ein
optimales, vermutlich mittleres
Aktivierungsniveau aufrechtzuerhalten
aufrechtzuerhalten“
• “wenn man zu stark oder zu wenig
aktiviert ist
ist, wird man dazu motiviert
motiviert,
seine Situation zu verändern, bis das
Aktivierungsniveau in den normalen
Yerkes-Dodson-Law (1908):
Leistungsfähigkeit über
arousal
Bereich zurückkehrt”
nach Bourne, Ekstrand. Einführung in die
Psychologie, 2001.
arousal – Aktivierung, Erregung
21. Mai 2015 Seite 24
Stadtpilot: „teilautomatisiertes“ Fahren in BS (seit 2008)
x
Ergebnisse
• „teilautomatisiertes“ Fahren auf dem
Stadtring 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
21. Mai 2015 Seite 25
© Audi AG
MOTIVATOREN
21. Mai 2015 Seite 26
Jährliche Verkehrstote in Deutschland
“Motorized road
transport
p …resulting
g
in more than 1.5
million deaths …
annually.
(Weltbank 2015)
http://siteresources.worldbank.org/INTTOPGLO
ROASAF/Resources/IHME_T4H_FINAL_TO_W
ORLD BANK-compressed
ORLD_BANK
compressed.pdf
pdf
Zahlen nach Bundesanstalt
für Straßenwesen (BAST)
21. Mai 2015 Seite 27
Assistenzbedarf des Fahrers
Hypothese:
temporär:
„Assistenzbedarf des Fahrers“
• Stau
• Medikamente
• Müdigkeit
• Unaufmerksamkeit
kontinuierlich:
• Nachlassen der Sinne
@TU Braunschweig
21. Mai 2015 Seite 28
• Erkrankungen
d. Muskulatur
d Skeletts
d.
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
@TU Braunschweig
21. Mai 2015 Seite 29
und Roboter
Neue Fahrzeugkonzepte
http://blog.cebit.de/wp-content/uploads/2014/12/Google-Self-Driving-Car.jpg
21. Mai 2015 Seite 30
http://www.zdnet.de/wpcontent/uploads/2015/01/f_015_luxury_in_motion.jpg
Rationalisierungsaspekte
© Hessen Mobil, Straßen- und Verkehrsmanagement
z.B.
B afas
f (2012-2016)
(2012 2016)
21. Mai 2015 Seite 31
Verkehrs- und Stadtplanung, neue Mobilitätskonzepte
S. Beiker (Stanford University)
R Cyganski (DLR-VF)
R.
(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
P.
(DLR-TS)
TS)
21. Mai 2015 Seite 32
© Daimler und Benz S
Stiftung/Oestergaard
HANDLUNGSFELDER AUF DEM WEG ZUM
AUTONOMEN FAHREN
21. Mai 2015 Seite 33
Handlungsfelder: Maschinelle Wahrnehmung (der Umwelt)
“but machine cognition and situational awareness are still in
th i infancy.
their
i f
To
T improve
i
them,
th
significant
i ifi
t progress iis
required in symbolic scene classification, e.g. object
recognition under dynamic conditions, as well as in
contextual scene understanding
understanding”
Three Decades of Driver Assistance Systems:
R i
Review
and
d Future
F t
P
Perspectives
ti
K. Bengler, K. Dietmayer, B. Färber, M. Maurer, C. Stiller, H.
Winner
2014; Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, Band
6; http://uni-das.de/documents/BenglerDietmayerFarber
g
y
MaurerStillerWinner2014ITSM.PDF
21. Mai 2015 Seite 34
Film u. Software
Von Jens Rieken
(2015)
Handlungsfelder: Maschinelle Wahrnehmung (des Fahrzeugs)
• Repräsentation und Wahrnehmung der
eigenen Fähigkeiten
(z.B. Maurer, 2000;
Bergmiller 2015)
• Selbstdiagnose von Fehlern
• Degradation in den sicheren Zustand
• Automatische Umkonfiguration im
Fehlerfalle
21. Mai 2015 Seite 35
© Daimler und Benz S
Stiftung/Oestergaard
• Automatisieren der
Überwachungsaufgabe des Fahrers
Handlungsfelder: Maschinelles Verhalten
Wertebasierte Verhaltensentscheidung
-
-
Grundsätzliche Frage in der Robotik:
Nach welchen Wertesystemen verhalten sich Roboter?
Frühe Zusammenfassung von Wildermuth (2011) mit Beispielen
aus
V k h
Verkehrs-,
Militä Medizintechnik
Militär-,
M di i t h ik und
d Wi
Wirtschaft
t h ft
(Moral in Silizium)
Auflösen von Zielkonflikten:
z.B. Verletzen von Regeln im Gefahrenfall
Folgenabschätzung der eigenen Handlung (Notbremse auf
Querverkehr)
Selten aber instruktiv: Dilemmasituationen (Trolley Car Problem)
21. Mai 2015 Seite 36
Handlungsfelder: Maschinelles Verhalten
Junges Forschungsthema: Kooperation
-
-
In Verbindung mit automatisiertem Fahren
eingeschränktes Begriffsverständnis von Kooperation:
impliziert Kommunikation per Funk mit anderen
Verkehrsteilnehmern oder Infrastruktur
T h i h kkaum erforscht:
Technisch
f
ht K
Kooperation
ti ohne
h
Funkkontakt!
Für Mensch alltäglich in der Stadt
Neue Forschungsvorhaben:
DFG SPP
Kooperative interaktive Fahrzeuge
Start: 2015
21. Mai 2015 Seite 37
BMWi Förderprojekt
BMWi-Förderprojekt
Kooperatives Hochautomatisiertes Fahren
beantragt
Handlungsfelder: Datensicherheit
K. Rannenberg
„Während
Wäh d also
l autonomes F
Fahren
h
theoretisch
h
i h nicht
i h 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 autonomes
Fahren und die einschlägigen
Szenarien nötig.“
21. Mai 2015 Seite 38
Handlungsfelder: Funktionale Sicherheit
Wie sicher müssen autonome Fahrzeuge
sein, damit sie in der Gesellschaft
akzeptiert werden? (Maurer
(Maurer, 2013)
Wie lässt sich das zu definierende
Sicherheitsniveau nachweisen?
Welche
W
l h K
Konzepte,
t Methoden
M th d und
d
Prozesse sind erforderlich, um das zu
definierende Sicherheitsniveau zu
erreichen?
21. Mai 2015 Seite 39
Handlungsfelder: Testen
„…dass aktuelle Testkonzepte nicht geeignet sind, um
das neue System des autonomen Fahrens abzusichern.
D F
Das
Festhalten
th lt an aktuellen
kt ll T
Testkonzepten
tk
t
würde 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.
21. Mai 2015 Seite 40
Handlungsfelder: Akzeptanz und Risiko
Gesellschaftliche Risikokonstellation für autonomes
Fahren – Analyse, Einordnung und Bewertung
A Grunwald
A.
„[…] nichts ist massenmedial verdächtiger, als zu
behaupten: Risiken gibt es nicht, und wir haben alles unter
Kontrolle Sorgen und Fragen müssen ernst
Kontrolle.
genommen werden […]. Für all dies ist frühzeitige und
offene Kommunikation […] wichtig, […] auch im Sinne
einer partizipativen Technikgestaltung.
Technikgestaltung ”
„Eine Risikofokussierung würde daher vermutlich am Kern
d H
der
Herausforderung
f d
vorbei
b i füh
führen: entscheidend
t h id d
scheinen eher die Nutzenerwartungen zu sein.”
21. Mai 2015 Seite 41
A.Grunwald
Leiter des Büros für
TechnikfolgenAbschätzung beim
Deutschen Bundestag
(TAB)
Professor für
Technikphilosophie am
KIT
Handlungsfelder: Komplexität
Methoden zur Beherrschung von
Komplexität
• Requirements Engineering
• Entwurf von Architekturen
• Simulation und Test von
Fahrzeugeigenschaften in der
Entwicklungsphase
• Entwicklung
g von Prozessen
zum Systementwurf
21. Mai 2015 Seite 42
Manager Magazin: Car Wars 11/2014
Handlungsfelder: Komplexität
Grundidee: Fahrzeugsystemtechnik
Die Perspektive
p
des Kunden
X(T0)
DX(T)/DT
U(T)
B
X(T)
In
Y(T)
C
A
Die Perspektive
p
des Konstrukteurs
21. Mai 2015 Seite 43
Das Fahrzeug
als System
Absolute globale
Lokalisierung
Externe
Daten
Poseschätzung
Welt‐
modellierung
Umfeld‐
wahrnehmung
Selbst‐
wahrnehmung
Umfeld‐ und Selbst‐
modellierung
Missions‐
umsetzung
Fahrzeugführung
Kommunikation
Lokalisierungssensoreen
Handlungsfelder: Komplexität, Funktionale Systemarchitektur
Fahrzeug relativ zur Welt
Welt relativ zum Fahrzeug
g
Umfeld‐
Sensorik
Fahrzeug‐
Sensorik
Aktorik
(Matthaei u. Maurer 2015)
21. Mai 2015 Seite 44
Absolute globale
Lokalisierung
Externe
Daten
Umfeld‐
wahrnehmung
Selbst‐
wahrnehmung
Missions‐
umsetzung
Makroskale
Poseschätzung
Straßengenaue Weltmodellierung
Straßentopologie‐ und Verkehrsflussmodellierung
Navigation
Mesoskale
Poseschätzung
Fahrstreifen‐
genaue Weltmodellierung
Kontext‐
modellierung
Führung
Mikroskale
Poseschätzung
Quasi‐
kontinuierliche Weltmodellierung
Merkmalsextraktion und modellbasiertes Filtern
Stabilisierung
Kommunikation
Lokalisierungssensoreen
Handlungsfelder: Komplexität, Funktionale Systemarchitektur
Fahrzeug relativ zur Welt
Welt relativ zum Fahrzeug
g
Umfeld‐
Sensorik
Fahrzeug‐
Sensorik
Aktorik
(Matthaei u. Maurer 2015)
21. Mai 2015 Seite 45
Handlungsfelder: Ausbildung
seit 2014: Neuer Masterstudiengang (TU BS):
Elektronische Systeme in Fahrzeugtechnik, Luftund Raumfahrt
seit 2008: Carolo-Cup
2008: 6 Teams: Sieger
g RWTH Aachen
2009: 8 Teams: Sieger TU Braunschweig
2010: 10 Teams: Sieger RWTH Aachen
2011: 8 Teams: Sieger Uni Ulm
2012 9 Teams:
2012:
Teams Sieger TU Braunschweig
Bra nsch eig
2013: 11 Teams: Sieger TU München
2014: 13 Teams: Sieger Uni Ulm
2015: 16 Teams: Sieger
g Uni Ulm
21. Mai 2015 Seite 46
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 für
• Kinder,
• Hochbetagte
g und
• Behinderte, aber auch für
• allgemein Fahrtüchtige unter aktuellen
Ei
Eignungsbeschränkungen.
b
hä k
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
Individualverkehr.
Individualverkehr
21. Mai 2015 Seite 48
Persönliche Prognose (2/3)
4. Komplexe technische Systeme sind nicht fehlerfrei. Daher kann es
auch 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
6.
Methoden, mit denen wir zu ökonomisch
vertretbaren Kosten nachweisen können, dass eine von der
Gesellschaft festzulegende Fehlerwahrscheinlichkeit von autonomen
Fahrzeugen eingehalten wird
wird.
21. Mai 2015 Seite 49
Persönliche Prognose (3/3)
7. Für Wirtschaftsunternehmen ist es risikoreich, vollautomatisierte
Fahrzeugführungssysteme 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
9.
Frage, ob Gesellschaften in Zukunft bereit sein
werden, vollautomatisiertes Fahren im Individualverkehr zuzulassen.
10. Sollten diese Systeme sehr erfolgreich abgesichert und eingeführt
worden
d sein,
i kann
k
sich
i h di
diese Frage
F
langfristig
l
f i ti umkehren:
k h
W
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.
21. Mai 2015 Seite 50
Literatur
Bainbridge, L. (1983): Ironies of Automation, Automatica 19/6, 775-779
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Gasser
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Ayoubi M.;
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Bartels A.;
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Bürkle L.;
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Eier J.;
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A t
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21. Mai 2015 Seite 53

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