Fahrerassistenzsysteme entwickeln Bilderkennung auf der Straße

Bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen sind besondere Sicherheitsrichtlinien zu beachten. Darüber hinaus kommen immer öfter Bilderfassungsmethoden zum Einsatz, was hohe Rechenleistung erfordert. Diese Kombination stellt hohe Ansprüche an die Entwicklungswerkzeuge.

Fahrerassistenzsysteme wirken automatisch oder auf Anforderung auf die Längs- (Beschleunigen, Bremsen) und Querführung (Lenkung) des Fahrzeugs oder warnen den Fahrer auf unterschiedliche Weise (optisch, akustisch, haptisch) vor oder während kritischer Fahrsituationen. Der ADAC legt nahe, dass sogar bereits der elektrische Anlasser (eingeführt 1912) als Assistenzsystem bezeichnet werden könnte, spätestens Automatikgetriebe (1940), Servolenkung (1952) und Bremskraftverstärker (1955) kann man dazu rechnen [1]. Diese »Helfer« sind heute so weit verbreitet, dass man sie gar nicht mehr als Assistenzsysteme wahrnimmt. Heute versteht man unter Fahrerassistenzsystemen (FAS, englisch: Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) vor allem elektronische Zusatzeinrichtungen in Kraft-
fahrzeugen zur Verbesserung der Sicherheit und des Komforts.

Sie müssen Fahrzustände und zunehmend Fahrsituationen erkennen und bewerten können. Dafür werden zahlreiche Sensoren benötigt. Neben den Messgebern, die den Motor- und Fahrwerkszustand des eigenen Fahrzeugs überwachen, spielen Sensoren für die Fahrzeugumfelderkennung eine zunehmend größere Rolle. Neben Ultraschall für die Nahfeldüberwachung (zum Beispiel Einparkhilfe) finden Radar und Lidar für weite Entfernungen (z.B. Abstandsregelung) und verschiedene Kameras (sichtbares Licht, Infrarot) für die Identifizierung optischer Strukturen (z.B. Fahrbahnmarkierungen, Verkehrszeichen) und Objekte (z.B. Fahrzeuge, Personen) Verwendung.

Die sichere Zustands- und Umfelderkennung unter verschiedensten Fahrzuständen und vor allem Witterungsbedingungen ist eine äußerst anspruchsvolle Herausforderung. Durch die Kombination der Messwerte verschiedener Sensoren (Datenfusion) konnten die Hersteller die Zuverlässigkeit ihrer Anwendungen deutlich verbessern. An der Signalverarbeitung, Auswertung und Interpretation sind oftmals viele Steuergeräte und Prozessoren beteiligt, die über Datenleitungen wie etwa den CAN-Bus miteinander kommunizieren. Die tief gehende Integration in die Motor-, Brems- und Fahrwerkssteuerung sowie hohe Anforderungen an die Sensorik und die Datenverarbeitung in Echtzeit führen dazu, dass die meisten Fahrerassistenzsysteme nur ab Werk bestellt werden können. Die Nachrüstung vom Hersteller oder durch Drittanbieter ist nur bei einfachen Systemen wie der Einparkhilfe möglich.

Begrenzte Hilfe

Die Wiener Straßenverkehrskonvention von 1968 bestimmt in Artikel 8, Absatz 5: »Jeder Führer muss dauernd sein Fahrzeug beherrschen oder seine Tiere führen können.« Nach heutiger Rechtsauffassung bedeutet dies, dass der Fahrer jederzeit in der Lage sein muss, die Eingriffe seines Fahrerassistenzsystems zu übersteuern. Auch für die Hersteller ist die letzte Verantwortung des Fahrers von hoher Bedeutung. Da sich das Fehlverhalten eines technischen Systems nach menschlichem Ermessen nie endgültig ausschließen lässt, wäre der Hersteller eines vollautomatischen, nicht übersteuerbaren Systems mit einem kaum tragbaren Produkthaftungsrisiko konfrontiert. Die Bundesanstalt für Straßenwesen hat in einer Untersuchung von 2012 fünf Stufen der Fahrzeugführung und (potenziellen) Fahrzeugautomatisierung herausgearbeitet:

  • Driver only: Steuerung nur durch den Fahrer. 
  • Assistiert: Assistenzsysteme übernehmen entweder die Längs- oder die Querführung. 
  • Teilautomatisiert: Das Fahrzeug übernimmt Längs- und Querführung; der Fahrer muss dauerhaft aufmerksam die Fahrbahn und den Verkehr beobachten, gegebenenfalls kurzfristig eingreifen und Fehler korrigieren. 
  • Hochautomatisiert: Das Fahrzeug übernimmt Längs- und Querführung, der Fahrer muss erst nach angemessener Vorwarnzeit die Steuerung übernehmen und kann sich währenddessen anderen Tätigkeiten zuwenden. 
  • Vollautomatisiert: wie hochautomatisiert; das Fahrzeug kommt jedoch selbstständig zum sicheren Stillstand, falls der Fahrer nach Aufforderung die Steuerung nicht übernimmt. 

Obwohl europäische Zulassungsvorschriften gegenwärtig noch entgegenstehen, arbeitet die Industrie schon an weiteren komfortorientierten Assistenzsystemen, welche die Systemgrenzen zunehmend weiter zum teilautomatisierten Fahrbetrieb verschieben. Sobald die Beschränkung der elektrischen Lenkfunktionen auf Rangiergeschwindigkeit aufgehoben wird, könnte die Betriebs¬geschwindigkeit des Stauassistenten schrittweise erhöht werden. Die Weiterentwicklung hin zu einem echten Autobahnassistenten mit höherer Betriebsgeschwindigkeit und selbstständig durchgeführten Spurwechseln ist denkbar. Selbst das freihändige Fahren wäre vermutlich von der Rechtslage abgedeckt, solange das System übersteuerbar ist und der Fahrer in der Verantwortung bleibt.

Fahrerassistenzsysteme für die Hoch- oder Vollautomatisierung sind mit dem aktuellen Rechtsrahmen in Deutschland und Europa nicht vereinbar. Langfristig haben autonome Fahrzeuge jedoch erhebliche Potenziale hinsichtlich Sicherheit und Leistungsfähigkeit des Verkehrssystems. Wesentliches Merkmal des hoch- und vollautomatisierten Fahrbetriebes ist die Entbindung des Fahrers von der unmittelbaren Beherrschung seines Fahrzeuges. Er müsste den Fahrraum und umgebenden Verkehr nicht dauerhaft beobachten und könnte sich anderen Tätigkeiten zuwenden. Die Kontrolle über das Fahrzeug müsste er erst nach einer angemessenen Vorwarnzeit wieder übernehmen.

Für die Realisierung derartiger Anwendungen müssten neben den technischen Lösungen vor allem die verhaltensrechtlichen Voraussetzungen geschaffen werden. Nach herrschender Rechtsauffassung müssten das Wiener Übereinkommen über den Straßenverkehr und die einschlägigen nationalen Gesetze und Richtlinien entsprechend angepasst werden. Darüber hinaus werden haftungsrechtliche Fragen berührt. Bei Automatisierungsgraden, die nicht mehr der Fahrerüberwachung bedürfen, wäre jeder Schaden, der nicht auf ein Fehlverhalten Dritter oder eine Übersteuerung des Fahrers zurückzuführen ist, geeignet, Herstellerhaftung auszulösen.

Doch gerade die heute technisch bereits realisierbare Teilautomatisierung der Fahraufgabe birgt erhebliche Gefahren für die Verkehrssicherheit, da der Fahrer nicht mehr aktiv in den Regelkreis der Fahrzeugführung eingebunden ist, andererseits jedoch ständig aufmerksam das Verkehrsgeschehen beobachten und im Bedarfsfall verzögerungsfrei in die Steuerung eingreifen muss.

Neben der Möglichkeit des technischen Versagens beziehungsweise Überschreiten der Einsatzgrenzen, bestehen vor allem in zwei weiteren Bereichen Risiken durch Fahrerassistenzsysteme:

  • Anwendungen, die entweder eine Eingabe des Fahrers benötigen (beispielsweise die numerische Einstellung der Abstands- und Geschwindigkeitsregelung) oder den Fahrer vor kritischen Fahrsituationen warnen, können in unzulässiger Weise von den Fahraufgaben ablenken. Sowohl die Bedienung als auch die Warnung eines FAS darf den Fahrer nicht mehr beanspruchen, als beispielsweise die Nutzung des Autoradios. Für die Mensch-Maschine-Schnittstelle gibt es entsprechende Vorgaben. 
  • Manche Anwendungen, insbesondere die automatische Abstands- und Geschwindigkeitsregelung, können den Fahrer dazu verleiten, sich zu sehr auf das Assistenzsystem zu verlassen. Untersuchungen haben gezeigt, dass Fahrer während der Nutzung eines solchen Systems auf eine unklare Verkehrssituation später reagieren, als ohne das System. Außerdem deuten manche Studien darauf hin, dass bestimmte Sicherheitssysteme im Fahrzeug dazu führen, dass die Fahrer ein höheres Risikoverhalten in ihrer Fahrweise zeigen. 

Grundsätzlich gilt es, möglichst viele Fehlerquellen bereits während der Entwicklung auszuschließen – die zugrunde liegende Elektronik sollte problemlos funktionieren, schließlich gibt es auf den höheren Ebenen noch genügend Fehlerquellen.

ADAS-Bildverarbeitung

Bildverarbeitung nimmt auch bei Brems- und Lenksystemen einen immer höheren Stellenwert ein. Das ist eine logische Entwicklung, denn die aktuell verfügbaren assis¬tierenden oder teilautonomen Systeme sind weitgehend ausgereizt. Um sowohl die nächsten Schritte in Richtung Autonomie gehen zu können als auch den Autofahrern Anreize für Neuanschaffungen zu bieten, müssen die Systeme stark weiterentwickelt werden. Objekt¬erkennung und Identifizierung sind dabei wichtige Bausteine. Entwickler und Systemingenieure benötigen daher einsatzbereite Lösungen, die den anspruchsvollen Protokollen für automobile Sicherheit gerecht werden und die funktionalen Sicherheitsstandards nach ISO 26262 erfüllen.

Eine neue, speziell für diesen Zweck konzipierte ADAS-Designumgebung adressiert diese Bedürfnisse, indem sie die zeitraubende Entwicklung komplexer Algorithmen und deren Portierung auf die Zielhardware deutlich vereinfacht und beschleunigt. Diese umfassende Supportlandschaft wird von Freescale Semiconductor gemeinsam mit Neusoft Automotives und Green Hills Software entwickelt; sie soll die Realisierung von automobilen Bilderkennungssystemen beschleunigen und vereinfachen.

Die gemeinsame Lösung besteht zunächst aus der über Freescale verfügbaren ICP-IP (Image Cognition Processing-IP) »APEX« von CogniVue mit sich automatisch auf das jeweilige Silizium anpassender Software aus den ADAS-Bildverarbeitungsapplikationen von Neusoft sowie das für Sicherheitsanwendungen zertifizierte Betriebssystem »Integrity« nebst der Toolchain »Multi« von Green Hills Software. Das ist eine ganzheitliche, sofort einsatzbereite ADAS-Bildverarbeitungslösung, deren Softwarefundament die ASIL-Vorgaben der ISO 26262 erfüllt. Unter den Zielapplikationen finden sich Systeme zur Fußgänger- und Verkehrszeichenerkennung, zur Kollisionsvermeidung und andere komplexe ADAS-Funktionen. Zurzeit sind simulatorbasierte Evaluationsplattformen erhältlich. Die gesamte Lösung soll im ersten Halbjahr 2015 zur Verfügung stehen.