Kronach

Fränkische Forscher bringen 5G auf die Straße

14.04.2022
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Die Kreisstadt Kronach liegt am Fuße des Frankenwaldes. Zwischen Fichten und Fachwerk entwickeln Ingenieure die Zukunft des Automobils: Mit 5G kommen die Oberfranken dem Traum vom autonomen Fahren näher.

Eugen Wige steuert auf einen Kreisverkehr zu. Ein parkender Lastwagen verengt den Weg für sein schwarz-grün lackiertes Auto. Wige tritt auf die Bremse. Sein Autositz drückt leicht nach vorne. Doch der Ingenieur sitzt in keinem Auto und kann nicht mal eines sehen von hier oben aus dem ersten Stockwerk des Bürohauses. Wige, Abteilungsleiter Forschung und Entwicklung bei der Firma Valeo in Kronach, kontrolliert das Auto von einem Leitstand aus, verbunden über Mobilfunk. Bildschirme ersetzen den Blick aus der Windschutzscheibe. Der Testwagen, Spitzname „Blacky“, fährt einige hundert Meter entfernt über das Gelände der Firma in Oberfranken.

Die Kreisstadt Kronach am Frankenwald hat einiges zu bieten für einen 17.000-Einwohner-Ort. Mehrere Zulieferer versorgen internationale Automobilhersteller von hier aus mit Komponenten. Ein eigener Studiengang erforscht das autonome Fahren. Und Eugen Wige probiert es mit seinen Kollegen praktisch aus. Dazu bauen Valeo und weitere Partner zwei eigens eingerichtete, private 5G-Netze, sogenannte Campusnetze auf. Das Bundesministerium für Digitales und Verkehr fördert das Projekt 5GKC im Rahmen seines 5G-Innovationswettbewerbs.

Eugen Wige steuert ein Auto aus der Ferne. Mit 5G-Mobilfunk funktioniert das in Echtzeit.

Mobilfunk ist der Schlüssel zum autonomen Fahren

Eines ist klar: Telekommunikation ebnet den Weg hin zum voll autonomen Fahrzeug. Moderne Autos sind vernetzt – nicht, weil sie von Hause aus „smart“ sind, sondern, weil sie es noch werden müssen. Die Vorstufe zum autonomen Fahrzeug ist das automatisierte Fahrzeug. Es setzt zwingend einen Menschen voraus, der während der automatisierten Phase nicht durchgehend, aber in bestimmten Situationen das Steuer übernehmen muss (siehe Infokasten unten). Ist der parkende Lastwagen im Kreisverkehr eine Gefahr? Ist das vom Computer erkannte Objekt überhaupt ein Lastwagen? Wenn kein Mensch mehr im Auto das Lenkrad in die Hand nimmt, muss es für solche Entscheidungen zumindest im Hintergrund eine „schnelle Eingreiftruppe“ geben. Echte Menschen, die komplexe Situationen auflösen und notfalls den Bordstein hochfahren, um an dem Lastwagen vorbeizukommen.

Diese sogenannten Teleoperatoren sitzen zum Beispiel, wie Eugen Wige, in einem nachgebauten Cockpit. „Das automatisierte Fahren bedarf in der Einführungsphase eines Menschen, um gegebenenfalls komplexe Fahrsituationen aufzulösen“, erläutert Wige, während er das Auto draußen über einen Schotterweg manövriert. Sinnvolle Anwendungen gäbe es viele: eine Flotte von Bussen, die automatisiert ohne Fahrer an Bord über Land fährt. Oder Taxis ohne Taxifahrer. Auch Carsharing-Autos, die auf Bestellung direkt zum Mieter fahren – und immer sitzt ein Mensch im Hintergrund, in einem Leitstand.

Daniel Düsentrieb für Große: In Kronach arbeiten zahlreiche Ingenieure an automobilen Technologien.

Automatisiert fahrende Autos können von 5G profitieren

Doch wie kommen Auto und Mensch in so einem Szenario zusammen? Über Mobilfunk. Lange testete das Team von Valeo die Steuerung über eine 4G-Verbindung. Ihr Ergebnis: Auf dem Übertragungsweg entstehen 100 bis 200 Millisekunden Verzögerung (Latenz). Das sind zwar nur 0,2 Sekunden, doch diese Verzögerung gilt in beide Richtungen: Der Fahrer sieht mit Verzögerung, was das Auto gerade sieht, und seine Lenk- oder Bremsmanöver werden mit Verzögerung zurück übertragen. Zweimal bis zu 200 Millisekunden sind eine Ewigkeit, wenn es um sicheres Autofahren geht. Das Fahrzeug kann so nur auf Schneckentempo beschleunigen.

Im 5G-Netz rechnen die Expertinnen und Experten damit, die Verzögerung von 200 auf unter 20 Millisekunden zu bekommen. Zugleich können sie über 5G viel mehr Daten gleichzeitig übertragen. Statt einer leicht matschigen Übertragung bekommt der Teleoperator einen gestochen scharfen Livestream in Ultra-HD-Qualität. „Wir wollen hier in Kronach demonstrieren, um wie viel wir das teleoperierte Fahren mit 5G verbessern können, und damit auch das automatisierte Fahren beschleunigen“, sagt Wige.

Autonome Fahrzeuge in Aktion

David Middrup ist als Sicherheitsfahrer an Bord des automatisierten Testfahrzeugs.
Das Fahrzeug ist ein Superrechner auf Rädern. 15 Laserscanner und 12 Kameras sorgen für Rundumblick, 32 Ultraschallmodule verbessern die Orientierung.
Die Sensoren produzieren pro Sekunde mehrere Gigabyte Daten. Dies entspricht etwa der Datenmenge von 1.000 Fotos.
Die Sensordaten trainieren auch Fahrzeuge wie diesen Bus. Er könnte eines Tages autonom fahren und Dörfer an den Nahverkehr anbinden.

VR, V2X, Edge: Kronacher forschen an neuesten Technologien

Neben Valeo arbeiten auch die Hochschule Coburg, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) und das Innovations-Zentrum der Region Kronach am Projekt 5GKC. Dies steht auf ihrem Plan:

1) Die Projektbeteiligten wollen die Fernsteuerung der Autos im 5G-Campusnetz optimieren. Klappt es im 5G-Campusnetz, soll auch das bereits vorhandene, öffentlich nutzbare 5G-Netz erprobt werden.

2) Mittelfristig soll ein Teleoperator aus der Ferne mehrere Fahrzeuge kontrollieren. Dies könnte einmal dem öffentlichen Nahverkehr helfen. Wenn ein Teleoperator 15 Kleinbusse überwacht, könnten Dörfer im Landkreis im Halbstundentakt angebunden werden. Das Partnerunternehmen Navya baut solche Kleinbusse, die als Shuttle durch Kronach, Hof und Rehau fahren – im Rahmen der ebenfalls durch das BMDV geförderten Vorhaben „Shuttle Modelregion Oberfranken (SMO)“ und „Shuttle Modellregion Oberfranken II (SMO-II)“.

3) Eine weitere Option ist die Teleoperation mit Virtual-Reality-Brillen. Die Fahrer sitzen dann nicht mehr vor Bildschirmen, sondern über die Brille virtuell mitten im Auto. Drehen sie ihren Kopf nach rechts, sehen sie, was rechts passiert. Dies ist nur möglich mit einer minimalen Verzögerung in der Bildübertragung.

4) V2X-Kommunikation ist ein weiterer Baustein. V2X bedeutet Vehicle to Everything. Hier geht es um die Kommunikation des Fahrzeugs mit Objekten in der Umgebung. Kommuniziert das Fahrzeug etwa mit Kameras an einer schlecht einsehbaren Kreuzung, kann es „um die Ecke schauen“ und ein anderes herannahendes Auto, Radfahrer oder Fußgänger früher wahrnehmen. Die Verbindung zwischen Fahrzeug und Kamera könnte über 5G-Mobilfunk zustande kommen. Joachim Heinrich vom Fraunhofer IIS simuliert im 5GKC-Projekt solche Situationen auf einer Software-Plattform, um die 5G-V2X-Technologie im Feld in Echtzeit zu erproben.

5) Edge Computing, also dezentrale Datenverarbeitung: Immer mehr Kameras und Sensoren produzieren Daten. Statt sie im Auto auf teuren Rechnern zu verarbeiten, wäre es ebenfalls möglich, die Verarbeitung auf einem leistungsstarken Rechner am Straßenrand durchzuführen. Hierdurch können die Fahrzeuge von morgen kostengünstiger produziert werden und es kann flexibler Gewicht eingespart werden. Hierzu ist eine extrem leistungsfähige Mobilfunkverbindung nötig.

Kronacher Studierende lernen Aspekte des autonomen Fahrens

Von den leistungsfähigen 5G-Campusnetzen profitiert indes auch die Hochschule Coburg. Am Standort Kronach sind 26 Studierende im Master „Autonomes Fahren“ eingeschrieben, der 2021 gestartet wurde. Sie arbeiten in Gruppen an praktischen Projekten und setzen dort ihr frisch erlerntes Wissen aus den Themenfeldern Künstliche Intelligenz, V2X und User Experience Design (UX) ein. Ein Student ist dafür sogar aus Indien nach Kronach gezogen. Trotz der ländlichen Umgebung findet er in Oberfranken alles – von der Forschung bis zur Industrie. Um solche Köpfe wirbt das örtliche Innovations-Zentrum. Leiter Hendrik Montag-Schwappacher sagt: „Die neueste Kommunikationsinfrastruktur sollte eben nicht nur in den großen Städten und Jahre später bei uns entstehen. Auch wir in der ländlichen Region brauchen leistungsfähige 5G-Netze – denn in Kronach ist Hochtechnologie zu Hause.“

Laboringenieur Alexander Müller arbeitet in der „Modellstadt“. Studierende können hier Technologien im kleinen Maßstab testen.

Thomas Wieland ist einer der beteiligten Professoren der Hochschule Coburg. 5G ist laut ihm keine Voraussetzung für den autonomen Betrieb – sofern das Fahrzeug alle intelligenten Funktionen an Bord hat. Eine 5G-Vernetzung ist Wieland zufolge aber schon deshalb sinnvoll, weil es für Verkehrssicherheit sorgen kann. „Fußgänger, Radfahrer und E-Scooter-Fahrer können noch besser von Fahrzeugen mit 5G wahrgenommen werden“, sagt Wieland, „das 5G-Mobilfunknetz kann hier zum Sensor für Autos werden.“

Künftige 5G-Netze werden in der Lage sein, Geräte auf wenige Zentimeter genau zu positionieren – genauer, als es heute GPS könne, erläutert Wieland. Diese Präzision, gepaart mit sehr niedriger Latenz, wird es ermöglichen, einen Fußgänger schneller zu erkennen, als es das menschliche Auge kann. Voraussetzung: Der Fußgänger hat beim Überqueren der Straße ein 5G-vernetztes Smartphone dabei. Und wie lange dauert es noch, bis Autos wirklich autonom fahren? Professor Wieland sagt: „Ich gehe davon aus, dass ich Ende des Jahrzehnts nicht mehr selbst fahren muss.“

Automatisiertes und autonomes Fahren

In der Evolution hin zu fahrerlosen Fahrzeugen unterscheiden Fachleute zwischen fünf Stufen.

Stufe 1, assistiertes Fahren, ist lange Realität: Tempomaten, Abstandsregler und Spurhalteassistenten.

Stufe 2, teilautomatisiertes Fahren, ist Stand der Technik. Auf Autobahnen oder beim automatisierten Einparken kann der Mensch für Sekunden die Hände vom Lenkrad nehmen, muss das Umfeld aber dauerhaft überwachen und die Steuerung jederzeit wieder übernehmen können.

Auf Stufe 3, dem hochautomatisierten Fahren, überholt, bremst und beschleunigt das Fahrzeug allein. Menschen sind aber verpflichtet, kurzfristig übernehmen zu können. Dies ist in Deutschland seit 2017 rechtlich möglich.

Bei Stufe 4, dem vollautomatisierten Fahren, kann sich das Fahrzeug auf festgelegten Strecken oder Bereichen fahrerlos fortbewegen. Dies ist seit Juli 2021 in Deutschland rechtlich möglich.

Stufe 5, autonomes Fahren, würde schließlich bedeuten, dass Autos überall ohne Fahrerin oder Fahrer unterwegs sind – es gibt nur noch Passagiere, kein Lenkrad und keine Pedale.

Weitere Informationen beim BMDV.

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