für den Niedergeschwindigkeitsbereich
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Projekt

Die Entwicklung fahrerloser Shuttle-Busse mit geringer Geschwindigkeit markiert den nächsten Schritt auf dem Weg zum autonomen Fahren. Voraussetzung für die Marktreife solcher Fahrzeuge sind fehlertolerante Komponenten und deren reibungsloses Zusammenspiel. Daran arbeitet das Verbundprojekt 3F.

Kein Lenkrad, kein Bremspedal, kein klassisches Armaturenbrett: Fahrerlose Shuttle-Busse für den Personen- und Gütertransport sind heute bereits in ersten deutschen Städten auf Teststrecken unterwegs. Vor allem mit Blick auf nachhaltige Fahrzeugkonzepte besitzen sie erhebliches Zukunftspotenzial: Auf festgelegten Routen etwa von einer Straßenbahnhaltestelle zum Messegelände unterwegs, können fahrerlose Shuttle-Busse bestehende Lücken im öffentlichen Nahverkehr schließen. Gerade in ländlichen und abgelegenen Regionen, die ein Regelbetrieb nicht wirtschaftlich abdecken kann, erweitern sie das Mobilitätsangebot. In naher Zukunft könnten sich die Shuttle-Busse auch über Industrie- oder Flughafengelände bewegen oder durch Freizeitparks pendeln. Mit einem umweltfreundlichen Elektroantrieb ausgestattet, vermindern sie zugleich die Belastung mit Feinstaub- und CO2-Emissionen.

Ausfallsicherheit gefragt

„Shuttle-Busse, die fahrerlos unterwegs sind, müssen völlig anderen Ansprüchen genügen als automatisierte Fahrzeugsysteme, bei denen in letzter Instanz immer noch ein Fahrer eingreifen kann“, sagt Dr. Steffen Knoop, Projektkoordinator und Projektleiter in der Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH. Durch den Einsatz auf „bekanntem“ Terrain, d.h. auf vorprogrammierten Strecken lassen sich die Sicherheits- und Leistungsanforderungen zwar bis zu einem gewissen Grad reduzieren. Doch was, wenn bei einem Personentransport mit 25 km/h die Energieversorgung für die Lenkung oder eine Kamera ausfällt? Dann ist kein Fahrer unmittelbar zur Stelle, der die Fahraufgabe übernimmt und der Shuttle-Bus muss den sicheren Zustand selbst gewährleisten. In einer solchen Situation müssen die eingesetzten Systeme so fehlertolerant und widerstandsfähig sein, dass die Sicherheit der Passagiere sowie anderer Verkehrsteilnehmer in jedem Fall gewährleistet ist. Wie die entsprechenden Fahrzeugkomponenten angesichts solcher Herausforderungen beschaffen sein müssen – dieser Fragestellung geht das Projekt 3F seit dem Startschuss im April 2017 nach.

Energieversorgung durch das Bordnetz

„Unser Fokus liegt nicht so sehr auf einem weiteren Demonstrator eines Gesamtfahrzeugs, sondern vielmehr auf den Innovationen dahinter. Ziel ist es, sichere und zuverlässige Komponenten für das autonome Fahren im Niedergeschwindigkeitsbereich zu entwickeln“, so Steffen Knoop. Eine hohe Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz muss insbesondere das Bordnetz aufweisen. Es koordiniert die zuverlässige Versorgung der elektrischen Verbraucher und gewährleistet zugleich die Datenübertragung. In Fehlerfällen muss das Bordnetz sicherstellen, dass die entscheidenden Verbraucher wie Antrieb, Lenkung und Bremse vorrangig versorgt werden.

Weitere Komponenten betreffen das Sensorset, mit dem der Shuttle-Bus sein Umfeld erfasst, sowie die Sensor-Datenfusion. Die Herausforderung besteht darin, die Sensorik so robust bzw. redundant auszulegen, dass die Sicherheit des fahrerlosen Shuttles selbst beim Ausfall einzelner Sensoren zu jedem Zeitpunkt gewährleistet ist. Das gleiche gilt für die Bewegungs- und Pfadplanung, wobei das Fahrzeug in der Lage sein muss, auch bei Störungen und Hindernissen einen sicheren Zustand zu erreichen, z.B. Ausweichmanöver zu planen, die Fahrt zu verlangsamen oder ganz zum Stillstand zu kommen.

Zwei unterschiedliche Testparcours

Getestet werden die neuen Komponenten auch in einem eigens von der DHL-Tochter StreetScooter GmbH und der Robert Bosch GmbH konstruierten Versuchsfahrzeug. Zur Generierung einer breiteren Datenbasis erfolgen die Probefahrten auf zwei unterschiedlichen Testarealen, zum einen auf dem Campus der Bosch Forschung in Renningen, zum anderen auf dem Campus der RWTH Aachen. Während in Renningen der Personentransport im „Shared-Space“, d. h. im Zusammenspiel mit Fußgängern, untersucht wird, handelt es sich in Aachen um einen Güter- und Personentransport im öffentlichen Raum auf separater Fahrspur. In beiden Szenarien ist das Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit auf einem vorab definierten Streckennetz unterwegs, sie werden dabei von einem Ingenieur überwacht. Steffen Knoop: „Durch den Versuchsaufbau erhoffen wir uns Aufschluss darüber, wie belastbar und widerstandsfähig die einzelnen Teilsysteme unter realitätsnahen Bedingungen sind und welche zusätzlichen Maßnahmen und Komponenten für einen künftigen Realbetrieb erforderlich sind.“

Arbeitspakete

Das Projekt gliedert sich in 8 Arbeitspakete. Die Arbeitspakete sind entlang des Entwicklungszyklus im V-Modell strukturiert. AP1 (Anforderungsanalyse) und AP2 (System- und Funktionsarchitektur) definieren den genauen Anwendungsfall und leiten die notwendigen Anforderungen sowie die funktionale Architektur für das Gesamtsystem und die betrachteten Teilsysteme ab. In AP3 (Low-Volt-Bordnetz), AP4 (Umfeldwahrnehmung und Selbstlokalisierung mit fehlertolerantem Sensorkonzept) sowie AP5 (Planung und Regelung) geschieht die Entwicklung notwendiger Komponenten und Verfahren für fahrerlose Shuttle-Busse. In AP6 (Teletrimetrie) werden Funktionen für die Fernmessung, Ferndiagnose und den Fernzugriff erarbeitet und in die Testumgebung integriert. In AP7 (Erweiterung Testfahrzeug und Systemintegration) werden die in AP3-6 erarbeiteten Fahrzeugkomponenten in den Testplattformen integriert. Mit den in AP6 und AP7 aufgebauten Funktionen, sowohl im Fahrzeug als auch für den Fernzugriff, wird die Gesamtsystemverifikation in AP8 durchgeführt. Parallel werden die Aktivitäten zur Projektkoordination im AP0 geführt.

Arbeitspaket 0: Projektkoordination

Die Zusammenarbeit verschiedener Partner und Organisationseinheiten zur Erreichung eines gemeinsamen Zieles erfordert die Abstimmung und Koordination der individuellen Arbeiten. Ziel des Projektmanagements ist die Schaffung von Rahmenbedingungen, die eine hohe Qualität der Arbeitsergebnisse ermöglichen. Zu Projektbeginn werden die erforderlichen Aktivitäten geplant und mit den Beteiligten (Ministerium, Projektträger, Partner) abgestimmt. Während der Projektdurchführung wird der Fortschritt überprüft, bei Abweichungen werden Korrekturmaßnahmen ergriffen und die Arbeitsergebnisse werden aktualisiert. Zum Projektabschluss werden die Arbeitsergebnisse evaluiert und dokumentiert, Ergebnisse und Dokumentation werden in geeigneter Form den Empfängern übergeben.

Arbeitspaket 1: Anforderungsanalyse

Im Rahmen von Arbeitspaket 1 werden Einsatzszenarien und Betriebsabläufe für den Transport von Gütern und Personen mit automatisierten Fahrzeugen auf den Einsatzgebieten Campus RWTH Aachen und Campus Bosch Renningen definiert. Ziel dabei ist es, ein möglichst breites Band von Anforderungen an die zu entwickelnden Fahrzeugsysteme herzuleiten. Diese Anforderungsanalyse soll in den nachfolgenden Arbeitspaketen eine richtungsweisende Rolle für die weitere Systemauslegung einnehmen. Entsprechend wird aus der Anforderungsanalyse ein Lastenheft abgeleitet, das die technischen Anforderungen an das System spezifiziert und als Referenz für folgende Tests dient. Eine enge Kooperation mit dem assoziiertem Partner ASEAG stellt den Bezug zur aktuellen wirtschaftlichen Praxis sicher.

Neben allgemeinen, werden insbesondere die speziellen Anforderungen in den zwei geplanten Einsatzgebieten mit ihren spezifischen Referenzumgebungen als Anwendungsfälle betrachtet. In Aachen wird dabei ein „mixed-application“-Betrieb untersucht, bei dem das Fahrzeug tagsüber Personen und nachtsüber Güter über öffentliche Straßen transportiert. Das zugangsbeschränkte Einsatzgebiet Renningen hingegen zeichnet sich insbesondere durch die starke Präsenz von Fußgängern aus, die sich im gemeinsamen Raum mit dem automatisierten Fahrzeugsystem bewegen.

Arbeitspaket 2: System- und Funktionsarchitektur

Für eine produktive Zusammenarbeit müssen für alle Projektpartner exakt definierten Schnittstellen über die verschiedenen Systemebenen (Hardware, Software, ...) zur Verfügung stehen. Erst hierdurch wird eine zielgenaue Entwicklung der einzelnen Komponenten möglich. In dem Arbeitspaket „Erarbeitung System- und Funktionsar- chitektur“ liegt die Herausforderung darin, eine möglichst modulare Referenzarchitektur für das Gesamtsystem auszuarbeiten, welche der Risiko- und Gefährdungsbewertung sowie Ableitung eines Sicherheitskonzepts gerecht wird.

Im Anschluss wird aus den Ergebnissen der Anforderungsanalyse ein funktionales Konzept für das Gesamtsystem sowie einzelne Teilebenen oder Komponenten entwickelt. Dies umfasst neben der Definition des Sensor-Setups und der SW-Architektur für Wahrnehmung, Planung und Regelung auch die Bordnetz-Architektur zur Sicherstellung der Ausfallsicherheit. Das wesentliche Ziel hierbei ist es durch eine hohe Modularität robuste und fehlertolerante der System- und Funktionsarchitektur zu erreichen. Mit dem entwickelten Konzept soll in Kooperation mit dem TÜV Rheinlands eine Gefährdungsanalyse sowie eine Risikoabschätzung durchgeführt werden. Mit der Analyse sollen die System- und Funktionsarchitektur um ein funktionales und technisches Sicherheitskonzept ergänzt und weiterentwickelt werden.

Nachdem die Projektpartner gemeinsam eine vollständige System- und Funktionsarchitektur konzeptioniert haben, können die Teilsysteme, Entwicklungsgenstände und deren Schnittstellen detailliert in einem Lastenheft spezifiziert werden. Neben den spezifizierten Architekturen sind die Ergebnisse der Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung sowie die daraus folgenden Sicherheitskonzepte ein essentieller Bestandteil für die Entwicklung der Teilsysteme und den Aufbau und die Inbetriebnahme der Testfahrzeuge.

Arbeitspaket 3: Fehlertolerantes Low-Volt Bordnetz

Der Projektanteil der Firma Finepower zielt in diesem Arbeitspaket primär auf die Entwicklung und Erprobung eines fehlertoleranten Bordnetzes ab, um die Fehlertoleranz des Gesamtsystems „Fahrzeug“ effizient zu steigern und mit Diagnosemöglichkeiten auszustatten. Zusätzlich steht die Etablierung des 48V Bordnetzes und die damit angestrebte Kosten- und Gewichtsreduktion des Kabelbaumes, sowie die Installation dezentraler und redundanter Wandler für die 12V Verbraucher im Fokus.

Zur Realisierung dieser Topologie wird zum einen ein wassergekühlter, redundanter Hochvolt-DC/DC Wandler entwickelt, der mit 2x 2.5kW Ausgangsleistung die Spannung der Hochvoltbatterie auf 48V Zwischennetz absenkt. Die Möglichkeit zur Rückspeisung, um einen Nothalt aktiv zu unterstützen, ist hier ein weiterer Aspekt der Fehlertoleranz.

Zum anderen wird das Bordnetz mit kleinen, passiv gekühlten 200W DC/DC Wandlern ausgestattet, die aus der 48V Zwischenspannung die Versorgung der einzelnen 12V Endverbraucher sicherstellen. Der Fokus liegt hier auf der Überlastfähigkeit und der Implementierung diverser Sicherheits- und Diagnosefunktionen, sowie dem Parallelbetrieb zur Erreichung der geforderten Redundanz. Die Erfahrungen aus vorhergehenden Forschungsprojekten bilden für unsere Arbeit hier eine gute Ausgangsbasis.

Arbeitspaket 4: Umfeldwahrnehmung und Selbstlokalisierung mit fehlertolerantem Sensorkonzept

In diesem Arbeitspaket sollen Verfahren entwickelt werden, die es einem autonomen Shuttle ermöglichen, seine Umgebung wahrzunehmen. Diese Aufgabe beinhaltet zunächst die Möglichkeit, das Fahrzeugumfeld sensorisch zu erfassen. Die Sensor-Rohdaten müssen interpretiert werden, um Fahrfunktionen zu ermöglichen. Hierbei müssen folgende Informationen abgeleitet werden: Das Fahrzeug muss zu jedem Zeitpunkt wissen, wo es sich befindet (Selbstlokalisation), wo in seiner Umgebung statische und dynamische Hindernisse sind und wie das Fahrzeugumfeld sich in der nahen Zukunft verändern wird (Prädiktion), damit das Fahrzeug vorausschauend und nicht nur reaktiv manövrieren kann.

Zur Erfassung des Fahrzeugumfelds gibt es eine Vielzahl an Sensoren, die in Frage kommen. Auch die Möglichkeit zur Positionierung der Sensoren ist vielfältig. Damit alle perzeptorischen und kognitiven Aufgaben für die gewählten Use-Cases optimal durchgeführt werden können, soll eine Evaluation bezüglich Auswahl von Sensoren und Platzierung dieser am Fahrzeug erfolgen. Zur Selbstlokalisierung sollen Verfahren basierend auf Fusion von Radodometrie, GNSS (Global Navigation Satellite System) und Sensordaten wie möglicherweise Lidar-, Radar- oder Video-Messungen eingesetzt werden. An Stellen, an denen eine besonders hohe Präzision erforderlich ist, soll die Verwendung künstlicher Landmarken untersucht werden. Über diesen Ansatz können auch Bereiche kompensiert werden, in denen wenig natürliche Landmarken durch die Sensorik erfasst werden können. Zur Steigerung der Robustheit des Gesamtsystems wird die Verwendung einer digitalen Karte vorgesehen. In dieser Karte können zusätzlich auch die befahrbare Fläche, topologische Informationen und die Position von Haltestellen vermerkt sein.

Arbeitspaket 5: Sichere und flexible Planung und Regelung

In Arbeitspaket 5 werden Funktionsmodule zur Situationsanalyse, Entscheidungsfindung und Trajektorienplanung konzipiert und entwickelt. Ziel ist dabei eine ruhige und sichere Fahrt auch abseits des Idealbetriebes zu gewährleisten. Zu diesem Zweck werden zum einen Perzeptionsunsicherheiten explizit in den Planungsalgorithmen des automatisierten Fahrzeugsystems berücksichtigt. Ziel dabei ist eine sichere aber auch effiziente Fahrzeugführung insbesondere in Gebieten mit starker Fußgängerpräsenz. Zum anderen wird die Bewegungsplanung derart konzipiert, dass systemeigene Fehler, wenn möglich, kompensiert und entsprechende Fahrzeugbeschränkungen in der Planung adaptiert werden. Das angestrebte Zielverhalten des zu entwickelnden Fahrzeugsystems ist durch einen Fortbetrieb der automatisierten Fahrt bei unkritischen, kompensierbaren Fehlerszenarien charakterisiert. Im Fall kritischer Fehlerfälle hingegen, erfolgt eine Überführung in einen – für alle beteiligten Verkehrsteilnehmer – sicheren Fahrzeugzustand. Ein Beispiel für ein kompensierbares Fehlerszenario stellt ein kurzzeitiger aber signifikanter Anstieg des Fehlers in der Eigenlokalisierung dar.

Die Konzepte und Module werden zunächst initial in einer Simulationsumgebung entwickelt und anschließend mit realen Sensoren und Aktoren im beispielhaften Testbetrieb robustifiziert.

Arbeitspaket 6: Teletrimetrie

Für die Spezifikation von automatisierbaren Testverfahren gab es bislang keinen „automotive“-spezifischen Standard. Die unterschiedlichen Skriptsprachen waren nicht portierbar und an Hersteller-spezifische SW-Tools gebunden und sind damit nicht prozesssicher. Der OTX-Standard ist als Basisspezifikation von der ISO in 2013 veröffentlicht worden und bietet ein umfassendes Potential zur prozesssicheren Verarbeitung von Prüfwissen in allen Bereichen der Wertschöpfungskette.

Der Forschungsansatz in diesem Arbeitspaket ist es diese Referenzarchitektur auch für die Teletrimetrie einzusetzen. Hierfür ist die Portierung zahlreicher Komponenten eines MCD Systems auf embedded Plattform, die Anpassung von Komponenten an spezifische Technologien, die Erstellung zusätzlicher Komponenten und deren Integration in ein ablauffähiges System erforderlich. Ziel in diesem Projekt ist es diese Referenzarchitektur über die Luftschnittstelle mit den dazu erforderlichen Sicherheitsmechanismen abzubilden, und so eine standardisierte Gesamtapplikation für diesen Bereich realisieren zu können.

Die Prüf- und Testverfahren für die Entwicklung sollen reproduzierbar und für spätere Wiederkehrende Prüfungen schon entwicklungsbegleitend erstellt und prozesssicher über OTX-basierte Prüfbibliotheken für alle an der Entwicklung beteiligten Akteure in standardisierter Form und plattformunabhängig verfügbar gemacht werden. Neben der Analyse kritischer Fahrsituationen wird die Identifikation von geeigneten Fahrmanövern und Bordnetzzuständen für Bordnetz-Diagnosen auf Komponenten- und Systemebene durchgeführt. Hierzu sind die Manöver im Fahrbetrieb und Standbetrieb auszuwerten. Die Eignung dieser teils komplexen Diagnoseabläufe für die standardisierte Umsetzung und Übertragung in OTX wird bewertet und exemplarisch durchgeführt. Hierbei müssen bestehende Technologien und Lösungsansätze deutlich erweitert und in der Kombination umgesetzt werden. Es ist hervorzuheben, dass durch die Zusammenarbeit von renommierten Forschungs- und Industriepartnern die gesamte Entwicklungs- und Wertschöpfungskette abgedeckt ist.

Das in diesem Projekt zu entwerfende Telemetriesystem muss folgende, speziell im Rahmen von ADAS-Anwendungen erforderlichen, Eigenschaften aufweisen:

  1. Erhöhte Prozesssicherheit bei der Elektronikentwicklung durch die Beschreibung von Wissen und Abläufen für ADAS-Test- und Kalibrierverfahren.
  2. Maximale Standardkonformität zur wirtschaftlichen Durchführung von ADAS-Entwicklungsvorhaben.
  3. Deployment von Runtime Programmversionen für beliebige Systemplattformen im ADAS-Systemverbund.
  4. Asynchrone und Synchrone Telemetrie von ADAS-Systemen (Fahrzeuge oder Fahrzeugkomponenten).
  5. Eignung für spezielle echtzeitnahe Notlauf-Telemetrie von Fahrzeugen mit komplexen ADAS-Systemen.
  6. Integration von ADAS-spezifischen Mess-, Kalibrier- und Diagnosefunktionen in einem Entwicklungssystem.
  7. Verarbeitung der maximalen Datenraten aus den neuen Automotive-Kommunikationstechnologien.

Arbeitspaket 7: Erweiterung Testfahrzeug und Systemintegration

Dieses Arbeitspaket umfasst die Umrüstung von zwei außerhalb des Projektes aufgebauten Basisfahrzeugen und die Erstellung und Konfiguration einer Gesamtplattform. Dies umfasst die Integration der Ergebnisse aus den vorigen Arbeitspaketen, sodass ein funktionsfähiges Gesamtsystem eines fahrerlosen Shuttle-Bus erreicht wird. Die Integration von Hardware-Komponenten (Sensorik, Bordnetz-Komponenten, Safety-Komponenten, Rechenkapazität, Datenlogging etc.) sowie die anschließend notwendige Applikation von Sensorik und Aktorik ist ein wesentlicher Teil dieses Arbeitspakets.

Arbeitspaket 8: Gesamtsystemverifikation

Um die Einsatzfähigkeit des entwickelten Systems zu verifizieren, muss dieses in einem praxisnahen Umfeld verifiziert werden. Hierzu wurden zwei unterschiedliche Testumgebungen ausgewählt. Während auf dem Campus der RWTH Aachen eine abgetrennte „Trasse“ als Testumgebung verwendet wird, die jedoch nicht vom Personen- und Fahrzeugverkehr abgeriegelt ist, soll der Betrieb auf dem Campus in Renningen in Form eines gemischten Verkehrs, der aus Fahrzeugen, Fußgängern und Radfahrern besteht, erfolgen. Weiterhin soll der Fokus bei der in Aachen entwickelten Lösung auf dem Logistikprozess liegen, wobei die Variante in Renningen den Personentransport in den Fokus nehmen soll.

Eine Herausforderung und gleichzeitig das Ziel der Gesamtsystemverifikation ist die erfolgreiche Demonstration der Funktionsfähigkeit der zwei Prototypenfahrzeuge in Demoszenarien auf dem Campus in Aachen und Renningen. Die Validierung ist der objektive Nachweis, dass ein Einsatz in definierten Szenarien möglich ist. Hierbei sind zwei Aspekte zu berücksichtigen. Einerseits die Prüfung, ob Nutzungsziele erreicht werden können, andererseits die Validierung der Gebrauchstauglichkeit. Durch letzteres wird geprüft, ob definierte Nutzungsziele effektiv, effizient und zufriedenstellend erreicht werden können.

Konsortium

Kontakt

Sie haben Fragen oder Interesse an dem Projekt? Kontaktieren Sie unsere Konsortialleitung.

Dr.-Ing. Steffen Knoop

Corporate Research and Advance Engineering Automated Driving

 

Robert Bosch GmbH

Robert-Bosch-Campus 1

71272 Renningen

Deutschland

Email: Steffen.Knoop at de.bosch.com

Datenschutz

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