Autonomes Fahren: Wie funktioniert es?
Selbstfahrende Autos basieren auf einem komplexen Zusammenspiel von Sensoren, künstlicher Intelligenz (= KI) und fortschrittlicher Soft- und Hardware. Das Ziel ist dabei, dass sich ein Fahrzeug selbstständig ohne menschliche Eingriffe durch den Verkehr bewegen kann, spätestens im Level 5, dem höchsten Level nach SAE-Skala.
In den letzten Jahren hat die Technologie des autonomen Fahrens enorme Fortschritte gemacht und sich zu einem der faszinierendsten Bereiche der Automobilindustrie entwickelt. Dahinter steht ein komplizierter technischer Prozess sowie eine Menge Forschungsarbeit, damit Hardware und Software im Fahrzeug reibungslos zusammenarbeiten und die Fahrzeuge auch untereinander kommunizieren können. Aber wie genau funktioniert dieser technische Prozess: Wie funktioniert autonomes Fahren?
Die Grundlagen des autonomen Fahrens
Selbstfahrende Autos basieren auf einem komplexen Zusammenspiel von Sensoren, künstlicher Intelligenz (= KI) und fortschrittlicher Soft- und Hardware. Das Ziel ist dabei, dass sich ein Fahrzeug selbstständig ohne menschliche Eingriffe durch den Verkehr bewegen kann, spätestens im Level 5, dem höchsten Level nach SAE-Skala. Wie aber funktioniert ein autonomes Fahrzeug? Woher weiß die Maschine, wo sie fahren darf, wie sie reagieren muss und wann sie beispielsweise einlenkt, bremst oder beschleunigt?
Reizreaktionskette: Von der Wahrnehmung zur Bewegung
Tatsächlich unterscheidet sich der technologische Prozess beim autonomen Fahren im Wesentlichen gar nicht so stark von dem biologischen Prozess, der bei Lebewesen beispielsweise von der Wahrnehmung zur Bewegung führt.
In der Biologie spricht man von der Reizreaktionskette: Ein Sinnesorgan nimmt einen Reiz wahr, dieser wird über Nerven zum zentralen Nervensystem geleitet und dort verarbeitet. Anschließend wird die getroffene Entscheidung, wiederum durch Nerven, an das (oder die) betroffenen Organ(e) gemeldet, die die Reaktion ausführen.
Menschliche Fahrer:innen, um diesen Prozess einmal zu verdeutlichen, nehmen also beispielsweise Fußgänger:innen visuell auf der Fahrbahn wahr: Sie sehen die Personen mit den Augen. Dieser Reiz wird im Hirn verarbeitet, welches die Entscheidung fällt, das Fahrzeug abzubremsen. Umgesetzt wird diese Entscheidung schließlich von den Muskeln im Bein und Fuß, die die Bremse treten.
Der autonome technologische Prozess
Die Sinnesorgane: Sensoren und Wahrnehmung
Ein entscheidender Bestandteil eines selbstfahrenden Autos sind die Sensoren. Dazu gehören u. a. Radar- und LiDAR-Technologie, Kameras und Ultraschall. Diese hochentwickelten Geräte überwachen die Umgebung des Fahrzeugs in Echtzeit und liefern einen kontinuierlichen Datenstrom aus Informationen über andere Fahrzeuge, Fußgänger:innen, Verkehrszeichen, Straßenmarkierungen und Hindernisse.
Wie das Auge von menschlichen Fahrer:innen im obigen Beispiel erkennen die Sensoren also Fußgänger:innen auf der Fahrbahn und leiten diese Information an das „zentrale Nervensystem“ des Fahrzeugs weiter: die KI. Ein wichtiger Unterschied ist dabei jedoch, dass die Sensorik des Fahrzeugs den Sinnesorganen des Menschen weit voraus ist, denn durch die verschiedenen Arten der Technik kann das Fahrzeug seine Umwelt z. B. auch bei schlechten Sichtbedingungen zuverlässig wahrnehmen.
Das zentrale Nervensystem: Verarbeitung und Entscheidungsfindung
Wie bereits erwähnt, ist der Prozessablauf der Entscheidungsfindung bei Lebewesen und bei autonomen Fahrzeugen ähnlich. Das „zentrale Nervensystem“ der Maschine, die künstliche Intelligenz, trifft zwar keine bewussten Entscheidungen, hat jedoch dafür ganz andere Kapazitäten, als das menschliche Hirn.
Je nach Datenbasis und Fortschritt des KI-Systems kann der Maschine eine unglaubliche Vielzahl an Möglichkeiten zur Verfügung stehen, die blitzschnell verarbeitet werden. Außerdem lernen die Fahrzeuge als Kollektiv, denn eine Flotte mit dem gleichen KI-System lernt automatisch von den anderen mit. Die Synchronisierung erfolgt dabei online.
Datenvorverarbeitung und Datenfusion
Die Rohdaten, die von den Sensoren erfasst werden, sind oft umfangreich und liefern durch die unterschiedlichen Sensoren unterschiedliche Arten von Informationen. Bevor diese Daten zur KI gelangen, durchlaufen sie eine Vorverarbeitungsstufe und werden fusioniert. Dieser Schritt, der als Sensorfusion bezeichnet wird, kombiniert die Informationen aus Radar, Lidar, Kameras usw., um ein umfassendes und genaues Bild der Umgebung zu erstellen.
Verarbeitung durch die KI
Die gesammelten Daten werden an eine leistungsstarke Computerplattform im Fahrzeug übertragen. Dort kommt die künstliche Intelligenz ins Spiel. Die KI-Systeme im autonomen Fahrzeug analysieren und interpretieren die fusionierten Sensordaten und erkennen Muster, um eine Echtzeitwahrnehmung der Umgebung zu erstellen und die Umgebung zu verstehen.
Dieser Prozess umfasst die Identifizierung von Objekten, das Schätzen ihrer Geschwindigkeit und Position sowie die Vorhersage ihres zukünftigen Verhaltens. Die KI erkennt beispielsweise andere Fahrzeuge, Fußgänger:innen, Fahrradfahrende und Verkehrszeichen.
Umweltmodellierung
Die KI erstellt nun ein detailliertes Modell der Umgebung des Fahrzeugs, das ständig aktualisiert wird. Dieses Modell enthält Informationen darüber, wo sich alle erkannten Objekte befinden, wie sie sich bewegen und wie sie sich voraussichtlich verhalten werden.
Außerdem lokalisiert sich das Fahrzeug anhand von hochpräzisen Kartendaten selbst, damit es weiß, wo es sich auf der Straße befindet. Die Aktualisierung des Kartenmaterials, beispielsweise um Echtzeitinformationen zu Staus oder Störungen abzurufen, funktioniert über eine möglichst konsistente Internetverbindung. Die Karten dienen zudem nicht nur zur Orientierung, sondern auch zur genauen Positionsbestimmung. In Kombination mit GPS und anderen Sensoren kann das Auto seine Position auf der Straße präzise ermitteln.
Entscheidungsfindung
Basierend auf dem aktuellen Zustand der Umgebung und dem Umweltmodell trifft die KI Entscheidungen darüber, wie das Fahrzeug reagieren sollte, was mithilfe von Algorithmen und maschinellem Lernen passiert. Dies kann das Beschleunigen, Bremsen, Lenken, einen Spurwechsel, Anhalten oder andere Manöver umfassen, um sicher und effizient zu fahren.
Die ausführenden Organe: Steuerung
Sobald die KI eine Entscheidung getroffen hat, wird diese an die Fahrzeugsteuerung weitergeleitet, die die physische Bewegung des Fahrzeugs beeinflusst. Entsprechend können z. B. Bremsen, Gaspedale oder Lenkrad angesteuert werden. Die Steuerungseinheiten setzen die Anweisungen der KI um, sodass das Auto sicher und präzise reagieren kann.
Kontinuierliche Überwachung und Anpassung
Während des gesamten Fahrvorgangs überwacht die KI kontinuierlich die Umgebung und passt ihre Entscheidungen an veränderte Bedingungen an. Dies ermöglicht es dem autonomen Fahrzeug, flexibel auf unvorhergesehene Ereignisse oder sich ändernde Verkehrsbedingungen zu reagieren.
Diese enge Zusammenarbeit zwischen KI, Sensorik und Hardware ist entscheidend für den Erfolg autonomer Fahrzeuge und gewährleistet die Sicherheit und Effizienz des autonomen Fahrbetriebs.
Beispielfall: Nehmen wir mal an…
Nehmen wir an, wir sitzen in einem autonom fahrenden Elektroauto, das uns zu einem Ziel bringt. Während der Fahrt erfassen die Sensoren kontinuierlich die Umgebung. Die Kameras erkennen Fußgänger:innen, die die Straße überqueren, die LiDAR-Sensoren messen den Abstand zum vorausfahrenden Auto und die GPS-Daten in Verbindung mit den digitalen Karten zeigen die genaue Position des Fahrzeugs und berechnen die Route.
Die KI verarbeitet diese Informationen in Bruchteilen von Sekunden. Sie entscheidet, dass das Auto leicht bremsen muss, um sicher an den Fußgänger:innen vorbeizufahren, und berechnet den optimalen Weg, um dies zu erreichen. Die Steuerungseinheiten setzen die Bremsen so präzise ein, dass das Auto sanft und sicher zum Stehen kommt.
Sobald die Fußgänger:innen die Straße überquert haben, beschleunigt das Auto wieder auf die gewünschte Geschwindigkeit und fährt fort. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich, während das Auto autonom durch den Verkehr navigiert.
Fazit: Funktionieren autonome Autos besser als wir?
Autonomes Fahren ist ein faszinierender technischer Prozess und obwohl es noch nicht alltäglich ist, zeigt die stetige Weiterentwicklung, dass diese Zukunftsvision näher rückt. Selbstfahrende Autos verfügen über beeindruckende Fähigkeiten: Sie sind frei von menschlichen Schwächen wie Müdigkeit oder Ablenkung, sie haben mehr Wahrnehmungsoptionen und sie können präzise und viel schneller auf ihre Umgebung reagieren, als menschliche Fahrer:innen. Allerdings sind sie immer noch von Menschen entwickelt und erfordern eine sorgfältige Integration in den Verkehr.
Die Zukunft des autonomen Fahrens wird eine Balance zwischen Mensch und Maschine finden müssen, um die Verkehrssicherheit und Effizienz zu maximieren. Dann verspricht diese Technologie nicht nur mehr Sicherheit im Straßenverkehr, sondern auch eine revolutionäre Veränderung der Art und Weise, wie wir uns fortbewegen. Es bleibt spannend zu beobachten, wie das autonome Fahren unser Leben und unsere Mobilität in den kommenden Jahren transformieren wird.