Fahrerassistenzsysteme und pilotiertes Fahren

Fahrerassistenzsysteme und pilotiertes Fahren

Die Fahrerassistenzsysteme von heute
Von der adaptive cruise control mit Stop & Go-Funktion bis zur Verkehrszeichenerkennung – das Angebot an Assistenzsystemen, die Audi über seine Modellpalette hinweg anbietet, ist bereits extrem breit. Die Systeme arbeiten eng vernetzt miteinander, das macht sie intelligent, leistungsfähig und vielseitig.

Die adaptive cruise control mit Stop & Go-Funktion
Als zentraler Baustein unter den Fahrerassistenzsystemen von Audi fungiert die automatische Abstandsregelung adaptive cruise control (ACC) mit Stop & Go-Funktion. Das System regelt das eigene Tempo und den Abstand zum voraus­fahrenden Fahrzeug, bei vielen Modellen im Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 250 km/h.

Je nach Konfiguration nutzt die ACC Stop & Go einen oder zwei Radarsensoren in der Front des Automobils. Sie erfassen die Reflexionen von Objekten, die sich in bis zu 250 Metern Entfernung vor dem Auto befinden. Der Fahrer kann den Abstand zum Vorausfahrenden und die Dynamik der Regelung in mehreren Stufen einstellen. Im Stop-and-Go-Verkehr verzögert das System das Auto bis zum Stillstand. Nach einem kurzen Halt, etwa an einer Ampel, rollt es automatisch wieder an und folgt dem vorausfahrenden Fahrzeug; nach einem längeren Stillstand muss der Fahrer den Anfahrvorgang per Gaspedal oder Bedienhebel auslösen.

Die adaptive cruise control mit Stop & Go-Funktion arbeitet eng mit anderen Fahrerassistenzsystemen zusammen; sie nutzt die Daten von zahlreichen Steuergeräten, um das Umfeld des Autos zu analysieren. Mit diesem breiten Wissen kann das System komplexe Szenarien erkennen und den Fahrer vorausschauend unterstützen. Weil es auch mit der optionalen MMI Navigation plus kooperiert, kennt es den Verlauf der gewählten Fahrstrecke und kann diese Informationen beim Regeln der Geschwindigkeit nutzen.

Audi liefert die adaptive cruise control je nach Baureihe in verschiedenen Varianten, auch ohne Stop & Go-Funktion.

Der Audi active lane assist
Für die meisten Modelle mit elektromechanischer Servolenkung ist der Audi active lane assist erhältlich. Mit einer Kamera, die vor dem Innenspiegel sitzt, erfasst er die Fahrbahnmarkierungen mit einer Entfernung von mehr als 50 Metern in einem Öffnungswinkel von etwa 40 Grad. Kamera und Software erkennen die Begrenzungslinien und den Kurs des Autos. Falls es sich einer Linie annähert, ohne zu blinken, hilft das System dem Fahrer, über dezente Lenkeingriffe in die Spur zurückzusteuern.

Dabei legt der Fahrer über das MMI-System selbst fest, wie früh der Eingriff erfolgen, und ob es eine Vibration am Lenkrad geben soll. Wenn er sich für einen frühen Eingriff entscheidet, führt das System sein Auto konsequent in der Mitte der Fahrspur. Die Kamera des Audi active lane assist liefert differenzierte Informationen, so kann sie etwa die gelben Linien in Baustellen von den weißen unterscheiden.

Der Audi active lane assist wird bei einer Geschwindigkeit von etwa 65 km/h aktiv. Er greift auch bei drohender Schleudergefahr ein; hier unterstützt er das richtige Gegenlenken, indem er die Servounterstützung kurzfristig verstärkt beziehungsweise verringert.

Der Audi side assist
Der Spurwechselassistent Audi side assist wird für viele Audi-Modelle angeboten. Er beobachtet den Verkehr hinter dem eigenen Auto und warnt den Fahrer, wenn nötig, vor kritischen Spurwechseln. Das System nimmt seine Arbeit bei einer Geschwindigkeit von etwa 30 km/h auf. Zwei Radarsensoren im Heck beobachten das Geschehen hinter dem Auto auf bis zu 70 Metern Distanz.

Wenn sich ein anderes Fahrzeug im toten Winkel befindet oder schnell von hinten annähert, leuchtet eine gelbe LED-Anzeige im Gehäuse des Außenspiegels auf. Der Fahrer sieht sie beim Blick in den Spiegel. Falls er trotzdem den Blinker zum Spurwechsel setzt, wird die Anzeige hell und blinkt mehrmals. Die Optik der Anzeige ist auf den Fahrer ausgerichtet; ihre Helligkeit folgt dem Umgebungslicht und lässt sich über das MMI-System individuell einstellen.

Der Nachtsichtassistent
Als Herzstück des Nachtsichtassistenten dient eine Wärmebildkamera mit 24 Grad Aufnahmewinkel in der Front des Automobils. Sie arbeitet im Ferninfrarot-Bereich (FIR) und reagiert auf die Wärme, die die Objekte in der aufgenommenen Szenerie abstrahlen. Ein Rechner wandelt die Informationen in Schwarzweißbilder um und zeigt sie auf Wunsch des Fahrers im zentralen Display des Fahrerinformationssystems.

Die Ferninfrarot-Technologie kann bis zu 300 Meter vorausblicken, weit über die Reichweite des Fernlichts hinaus; sie lässt sich von Scheinwerfern und ähnlichen Lichtquellen nicht blenden. Menschen und auch größere Wildtiere werden auf Grund ihrer Wärmeabstrahlung im Bild meist auffallend hell vor dem kühleren und damit dunkleren Hintergrund dargestellt und sind dadurch gut erkennbar. Innerhalb der Systemgrenzen kann die Bildverarbeitungssoftware Personen in bis zu 90 Metern Distanz erkennen, größere Wildtiere in bis zu 130 Metern Entfernung. Dabei sucht sie gezielt nach Merkmalen von Fußgängern und größeren Wildtieren wie ihrer Kontur; erkannte Menschen und Tiere hebt sie durch eine gelbe Markierung im Display hervor.

Falls das System eine Gefährdung prognostiziert, etwa weil ein Passant vor dem Auto die Straße kreuzt, wird die Person rot markiert, zugleich ertönt ein Warnton. Im optionalen Head-up-Display kann sich der Fahrer ebenfalls eine Warnung anzeigen lassen; parallel dazu wird die Bremsanlage konditioniert. Bei einigen Modellen wird der Fußgänger mit drei kurzen Lichtimpulsen angeleuchtet.

Der Parkassistent
Die Einparkhilfe-Systeme von Audi arbeiten mit Ultraschall. Eine besonders komfortable Lösung ist der Parkassistent. Er nimmt beim Rückwärtseinparken alle erforderlichen Lenkbewegungen vor, um sowohl in parallel als auch in quer zur Fahrbahn liegende erkannte Parklücken einzuparken. Um sie zu finden, nutzt das System Ultraschallsensoren, die bei moderatem Fahrtempo den Straßenrand zweidimensional vermessen. Wenn sie eine ausreichend große Fläche erkennen, erfolgt ein Hinweis im Kombiinstrument.

Wenn der Fahrer in die Lücke einparken will, legt er bei aktiviertem System den Rückwärtsgang ein, und der Parkassistent übernimmt die Lenkarbeit. Der Fahrer muss nur noch Gas geben, schalten und bremsen. Der Parkassistent lenkt in mehreren Zügen und unterstützt auch das Ausparken aus Längsparklücken.

Eine weitere Technologie von Audi ist die Einparkhilfe plus mit Umgebungskameras. Vier kleine Kameras – im Singleframe-Grill, im Heck und in den Außenspiegelgehäusen – erfassen die direkte Umgebung des Autos. Der Fahrer kann auf dem großen Bordmonitor verschiedene Perspektiven aufrufen, darunter auch einen virtuellen Blick von oben. An unübersichtlichen Ecken oder Einmündungen kann das System Einblick in den Querverkehr vor oder hinter dem Auto geben, der für den Fahrer nicht direkt einsehbar ist.

Die kamerabasierte Verkehrszeichenerkennung
Die kamerabasierte Verkehrszeichenerkennung zeigt dem Fahrer die aktuell als zulässig erkannte Höchstgeschwindigkeit im Kombiinstrument oder im optionalen Head-up-Display an. Eine Kamera hinter dem Rückspiegel erkennt neben den Tempolimitschildern am Straßenrand auch digitale Geschwindigkeitsanzeigen. Das Steuergerät gleicht sie mit den Daten des Navigationssystems, den im jeweiligen Land zulässigen Höchstgeschwindigkeiten und mit Informationen aus dem Auto, etwa der Nutzung der Scheibenwischer und der aktuellen Uhrzeit, ab.

Audi pre sense
Audi pre sense ist ein Sicherheitspaket, das neben der A3-Familie in mehreren Baureihen in verschiedenen Ausbaustufen bereitsteht. Audi pre sense basic wertet die Informationen aus, die die Sensoren der Elektronischen Stabilisierungskontrolle (ESC) liefern. Wenn sie eine Vollbremsung oder Schleudern melden, aktiviert das System je nach Situation die Warnblinkanlage und beginnt die Fenster sowie das optionale Schiebedach zu schließen; zudem strafft es die Gurte der vorderen Sitze. Diese Straffung, die von kleinen Elektromotoren ausgelöst wird, ist reversibel.

Die Ausbaustufen des Sicherheitssystems heißen Audi pre sense front, Audi pre sense rear und Audi pre sense plus. Sie arbeiten eng mit den Fahrerassistenzsystemen Audi adaptive cruise control mit Stop & Go-Funktion und Audi side assist zusammen.

Audi pre sense front überwacht den Verkehr vor dem Auto auf ein mögliches Kollisionsrisiko. Das System unterstützt den Fahrer in mehreren Stufen. Die erste von ihnen beinhaltet ein optisches und akustisches Warnsignal, die zweite einen Warnruck – einen kurzen Bremsimpuls. Wenn der Fahrer jetzt eine Bremsung einleitet, unterstützt ihn das System durch die Anpassung des erforderlichen Bremsdrucks. Sollte der Fahrer nicht aktiv werden, folgt die Teilbremsung als dritte Stufe. Sie verzögert das Auto zunächst mit etwa einem Drittel der maximal möglichen Bremskraft. Die Fenster und das optionale Schiebedach beginnen sich zu schließen, die Warnblinkanlage wird aktiviert, die Gurte werden gestrafft.

Wenn die Vollversion Audi pre sense plus an Bord ist, folgt noch eine vierte Stufe: zunächst eine weitere Teilbremsung auf mittlerem Niveau und danach eine Vollverzögerung, während die Gurte voll gestrafft werden. Dies findet kurz vor einem Aufprall statt, die Kollision ist zu diesem Zeitpunkt nicht mehr vermeidbar. Audi pre sense plus reduziert die Geschwindigkeit bis zum Crash um bis zu 40 km/h und hilft damit, die Folgen des Unfalls zu mindern.

Bei einigen Modellen umfasst Audi pre sense front einen zusätzlichen Schutz, um Auffahrunfällen im unteren Tempobereich entgegen zu wirken. Unterhalb von 30 km/h verzögert das Auto in einer kritischen Situation selbsttätig, egal, ob das Fahrzeug vor ihm fährt oder steht. Unterhalb von 20 km/h kann diese Funktion einen Unfall üblicherweise ganz vermeiden, in den anderen Fällen verringert sie die Kollisionsgeschwindigkeit und damit die Unfallschwere.

Audi pre sense rear nutzt die Sensoren des Audi side assist und mindert die Folgen eines Heckaufpralls. Das System schließt auch hier die Fenster sowie das Schiebedach und strafft die Gurte. Falls die optionalen vorderen Memory-Sitze an Bord sind, fahren sie in eine für die Insassen günstigere Position.

Pilotiertes Fahren: Die neue Dimension von Fahrspaß
In naher Zukunft werden die Fahrerassistenzsysteme von Audi noch smarter und leistungsfähiger sein. Dadurch erhalten viele assistierende Funktionen Einzug in das Auto. Audi nennt diese Funktionen „pilotiertes Fahren“. Die neuen Systeme werden das Fahren in bestimmten Situationen übernehmen und  es komfortabler und sicherer machen. Dennoch bestimmt immer der Fahrer, ob er das Fahren abgeben will.

Pilotiertes Fahren im Stau
Das pilotierte Fahren im Stau wird den Audi-Fahrer künftig im zähfließenden Verkehr entlasten. Im Geschwindigkeitsbereich zwischen 0 und 60 km/h nimmt es ihm die Lenkarbeit ab; darüber hinaus beschleunigt und verzögert es selbsttätig. Das Audi-System zum pilotierten Fahren im Stau wertet kontinuierlich den Zustand des eigenen Autos sowie des gesamten Umfeldes aus. Wird dabei im Geschwindigkeitsbereich unter 60 km/h eine Stausituation (bei baulicher Trennung der Gegenfahrbahn) erkannt, kann der Kunde die Funktion aktivieren. Das Auto übernimmt nun vollständig die Längsführung. Beim Anfahren und Verzögern verhält es sich wie die Audi ACC Stop & Go Funktion: es reagiert kooperativ auf ein- oder ausscherende Fahrzeuge.

Wenn das pilotierte Fahren die Systemgrenzen erreicht, – etwa, wenn sich der Stau auflöst oder das Ende der autobahnähnlichen Straße erreicht wird – fordert es den Fahrer auf, die Kontrolle wieder selbst zu übernehmen.

Falls der Fahrer trotz erfolgter Übernahmeaufforderung das Fahren nicht innerhalb von wenigen Sekunden übernimmt, wird eine leichte Bremsung und eine, intensivere Warnung ausgelöst. Bleibt der Fahrer weitere fünf Sekunden untätig, führt das System einen so genannten risikominimalen Zustand herbei: das Auto wird in den Stillstand abgebremst und die Warnblinkanlage ausgelöst.

Wie beim Audi adaptive cruise control mit Stop & Go-Funktion erfasst ein Radarsystem das Vorfeld des Autos in einem Bereich von 35 Grad und bis zu 250 Metern Entfernung. Eine Videokamera mit breitem Öffnungswinkel erkennt die Fahrbahnmarkierungen ebenso wie Fußgänger und Objekte wie beispielsweise andere Fahrzeuge und Leitplanken. Bis zu zwölf Ultraschall-Sensoren überwachen den Nahbereich um das Auto.

Erstmalig kommt nun ein Laserscanner hinzu: Er liefert hochpräzise Daten bis zu einer Entfernung von 80 Metern. Eine Laserdiode sendet pro Sekunde fast 100.000 Infrarot-Lichtimpulse aus, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Auf vier Ebenen deckt der Sensor mit einer Auflösung von 0,25 Grad einen Bereich von 140 Grad ab. Aus den Lichtreflexionen errechnet das Steuergerät ein hochdetailliertes Umgebungsprofil. Dieses bildet andere Fahrzeuge ebenso ab wie Leitplanken. Die entscheidenden Vorteile des Laserscanners sind:
a) Aufgrund des breiten Öffnungswinkels werden einscherende Fahrzeuge sehr früh erkannt.
b) Mit seiner Laserdiode arbeitet er auch im Dunklen ohne Einschränkung.
c) Durch sein Messprinzip kann er beliebige Objekte erkennen, auch solche, die ein gleichmäßiges Muster aufweisen oder keine sichtbare Struktur haben.

Pilotiertes Fahren für Parkvorgänge am Straßenrand und in Garagen
Parkvorgänge in beengten Situationen sind unkomfortabel. Bei engen Parklücken oder Garagen kann der Fahrer oft nur noch mühsam ein- oder aussteigen. Dank des pilotierten Fahrens von Audi kann man künftig vor der Garage oder einer engen Parklücke das Auto bequem von außen mit dem Funkschlüssel oder Smartphone bedienen.

Sobald die Umfeldsensorik eine geeignete Parklücke oder Garage erkannt hat, wird dem Fahrer die pilotierte Parkfunktion angeboten. Er kann nun sein Auto verlassen und den Einparkvorgang starten. An seiner Parkposition angekommen stellt das Auto den Motor ab und verriegelt die Türen. Am Ende erhält der Fahrer eine Bestätigungsmeldung. Das Ausparken aus der Garage oder der Parklücke erfolgt ebenso auf Knopfdruck.

Eine wichtige Rolle nimmt der so genannte Fahrtaster ein (Funkschlüssel oder Button auf dem Smartphone). Nur wenn der Kunde ihn dauerhaft betätigt, beginnt der pilotierte Parkvorgang. Außerdem wird verifiziert, dass sich der Funkschlüssel in der Umgebung des Automobils befindet (ca. 5 Meter): nur dann kann der Fahrer den Parkvorgang überwachen. Natürlich hält das Auto sofort an, wenn durch die Sensorik Hindernisse im Fahrkorridor erkannt werden. Das Auto kann immer in einen sicheren Zustand versetzt werden.

Das pilotierte Parken verwendet dieselbe Sensorik wie das Stausystem. Außerdem werden aus der Bildverarbeitung in den vier Umgebungskameras weitere Umfeldinformationen gewonnen. Damit wird die Ultraschall-Sensorik redundant durch ein weiteres physikalisches Messprinzip ergänzt.

Fahrerassistenzsysteme mit höchster Integration: das zentrale Fahrerassistenzsteuergerät (zFAS)
Die heutigen Fahrerassistenzsysteme werden meist in räumlich voneinander getrennten Steuergeräten realisiert. In Zukunft wird Audi den revolutionären Ansatz einer zentralen Fahrerassistenz-Domänenarchitektur verfolgen. Alle verfügbaren Sensorinformationen werden dann in einem zentralen Steuergerät (zFAS) zusammengeführt. Es entsteht damit erstmalig ein vollständiges Umgebungsmodell. Dieses wird von den klassischen Fahrerassistenzsystemen verwendet. Insbesondere das pilotierte Fahren von Audi greift auf diese redundant berechnete Umfeldinformation zurück.

In seinem Aufbau weist das zFAS-Board Parallelen zum Modularen Infotainment-baukasten der neuen Generation auf. Auch im zFAS liefern strategische Entwicklungspartner von Audi modernste Mehrkern-Prozessoren. In der Summe erzielen die Prozessoren auf dem zFAS-Board eine Rechenleistung, die der kompletten Elektronik-Architektur eines heutigen Audi A4 entspricht.

Derzeit nimmt das neue Board etwa die Fläche eines kompakten Notebooks ein, sein Platzbedarf wird rasch weiter schrumpfen. Das modulare Konzept gewährleistet hohe Skalierbarkeit und Zukunftsfähigkeit.

Audi hat die Forschungs- und Vorentwicklungsprojekte mittlerweile in einer serienfähigen Architektur implementiert und wird das zFAS-Board noch in diesem Jahrzehnt zusammen mit dem pilotierten Fahren in Serie bringen. Damit hat die Marke mit den Vier Ringen im Wettbewerb die führende Position eingenommen. Spezifische Eigenschaften der Audi-Lösung sind:
a) Im Gegensatz zu üblichen Vorentwicklungsprojekten handelt es sich hier um keine PC-Implementierung, sondern eine Realisierung in einem serientauglichen zFAS Steuergerät.
b) Die pilotierten Funktionen Parken und Fahren werden in einem Steuergerät zusammengeführt. Mittelfristig werden diese Kundenfunktionen ineinander übergehen und eine Trennung in zwei Steuergeräte ist nicht wünschenswert.
c) Die zentrale Fusion verwendet alle verfügbaren Umfeldsensoren und erfüllt damit die Redundanzanforderungen für automatisiertes Fahren
d) Spezifische Maßnahmen in der Architektur sowie in einzelnen Komponenten berücksichtigen die Anforderungen der Funktionalen Sicherheit sowie relevanter Standards (ISO26262).

Die angegebenen Ausstattungen und Daten beziehen sich auf das in Deutschland angebotene Modellprogramm. Änderungen und Irrtümer vorbehalten.