Autonomes Fahren im TUW Racing Team

Fahrzeuge die ohne die Bedienung von Menschen fahren, auch bekannt unter dem Stichwort Autonomes Fahren, sind derzeit in aller Munde, auch beim Racing Team der TU Wien.

Autonomes Fahren wird in Zukunft den Straßenverkehr, wie wir ihn heute kennen, neu definieren. Da Conrad stets bestrebt ist, innovative Projekte zu fördern, freuen wir uns, euch ein von uns gesponsertes Projekt vorzustellen.

TUW Racing & Formula Student

Das TUW Racing Team ist ein Studenten-Team, das jedes Jahr aufs Neue einen Rennboliden entwickelt und in die Realität umsetzt, um damit bei den internationalen Formula Student Bewerben gegen andere Studententeams anzutreten. Bei der Formula Student geht es nicht ausschließlich um die beste Rundenzeit, sondern auch um den Entwicklungsprozess sowie die mechanische und elektrische Auslegung. Weltweit gibt es in etwa fünfhundert Formula Student Teams, welche in Austragungsorten wie Silverstone, dem Hockenheim Ring oder dem Red Bull Ring in Spielberg aufeinandertreffen.

Autonomes Fahren bei der Formula Student

Bislang gab es bei der Formula Student nur die zwei Klassen Combustion und Electric. Seit dieser Saison gibt es zusätzlich die Kategorie Driverless, bei der das Racing Team der TU Wien antreten wird. In dieser Kategorie müssen dieselben Disziplinen wie bei den anderen beiden Klassen bewältigt werden, allerdings muss der Rennbolide mit Hilfe von Sensoren zur Umgebungswahrnehmung die Rennstrecke selbstständig bewältigen.

Das Auto wird sich primär an Verkehrsregeln und sekundär an einer gelben Linie zwischen diesen Kegeln orientieren, dazwischen einen optimalen Pfad planen und sich mittels prädiktiven Motion-Control Algorithmen auf diesem bewegen. Enge Haarnadelkurven und der Witterungseinfluss auf Sensoren wie Kameras und Laser sind nur wenige Beispiele für die Herausforderungen, die sich hier stellen.

Das Racing Team & ihr autonomer Rennbolide

Eine Stereokamera mit einem Linsenabstand, der den Augen eines Menschen ähnelt, ermöglicht uns ein fortgeschrittenes Verständnis der Umgebung. Pixelunterschiede in beiden Bildern können direkt in Tiefenunterschiede übersetzt werden, und die hohe Sichtweite von 90° ermöglicht uns nicht nur die Erkennung von Hindernissen voraus, sondern sogar in Nebenstrecken. 

Selbstentwickelte Erkennungsalgorithmen müssen innerhalb von wenigen Millisekunden Bilder, mit bis zu einer Auflösung von 720p, auf Verkehrskegel untersuchen und deren exakte Position im Bild bestimmen. Dabei darf man diese nicht mit anderen Objekten im Hintergrund verwechseln, die ähnliche Formen und Farbverläufe haben könnten. Auch extreme Lichteinflüsse, etwa direkt auf die Kamera strahlende Sonne, sind fatal für die Genauigkeit der Algorithmen. Diese müssen mit optischer Hardware ausgeglichen werden.

Laser Range Scanner erlauben dem Racing Team eine exakte Distanzbestimmung zu Hindernissen in einem Radius von bis zu 20 Metern und einem Blickfeld von 220°. Diese Messungen werden als Punktwolke auf Objekte untersucht, die den Eigenschaften eines Verkehrskegels ähneln. Da in der Formula Student unter freiem Himmel gefahren wird, muss hier auf zahlreiche externe Einflüsse geachtet werden, etwa Regentropfen oder aufgewirbelte Steine, welche ebenfalls die Laserstrahlen reflektieren.

Rennbolide TUW Racing Team

Die Hindernisse werden anschließend auf Ausschnitte in Kamerabildern projiziert, um dort die Farbe zu bestimmen und über Epipolargeometrie der beiden Kameralinsen die Distanzbestimmung abzugleichen. Nach der Identifizierung einzelner Kegeln, kann das Rennteam eine globale Karte der Hindernisse anlegen und in folgenden Runden die eigene Position damit abgleichen. Trotz der Äquivalenz in Form und Farbe kann das Fahrzeug den Kegeln einen eindeutigen Namen zuweisen und somit Streckenabschnitte wiedererkennen. Kombiniert mit differenziellem GPS und Beschleunigungssensoren erlaubt dies eine auf Zentimeter genaue Positionsbestimmung im Rundkurs. Der Bewegungspfad kann so schrittweise optimiert werden.

Anforderungen an das Fahrzeug

Es werden hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit und die Mechanik des Fahrzeuges gestellt. Aufgrund der fehlenden Möglichkeit, das Auto im Fehlerfall zu kontrollieren, benötigt man Not-Aus-Systeme. Sollte ein Fehler passieren, muss das Bremssystem unter allen Umständen das Auto schnell und permanent zum Stillstand bringen. Dies muss auch bei Verlust der Stromzufuhr zu den Aktoren oder Motoren passieren, oder bei möglichem mechanischen Versagen. Die Lenkung muss nicht nur extrem schnell die Richtung wechseln, sondern auch die hohen Kräfte, die von zum Teil welligen Strecken ausgehen, halten und dagegen wirken.

Eine ungewöhnliche Herausforderung in diesem Projekt sind auch die extrem geringen Zeitfenster, in denen das Auto reagieren muss. Mit einem 25 Hz Laser und einer Kamera mit 60 FPS bewegt sich das Gefährt bei Top Speed mindestens einen viertel Meter, bis der Rechner eine neue Messung erhält. Doch dieser ist in der Zwischenzeit nicht untätig. Die Zeitversetzung zwischen den Sensoren schafft die Notwendigkeit, alte Messungen dynamisch an die neueren anzupassen. Auf der anderen Seite muss das Fahrzeug die Bewegungsreaktionen für den derzeitigen Zustand, Streckenverhältnisse und neue Motorbefehle vorhersehen, und dabei zahlreiche Möglichkeiten berechnen.

Neben der globalen Planung muss das Fahrzeug auch auf die unmittelbare Umgebung reagieren. Über- und Untersteuern muss schnell erkannt und korrigiert werden, eine Fähigkeit die ein Fahrer mit einer gewissen Intuition sehr schnell vornimmt, die hier aber Messfehlern und der Verzögerung der Aktoren unterliegt. Wie im Motorsport mit Fahrern muss das Fahrzeug ein Gefühl für Grip und Slip bekommen.

Weitere Schritte im Projekt

Das Racing Team der TU Wien wird in weiterer Folge eine Steuerung für den Rennboliden entwickeln, welche durch ein Netzwerk im Fahrzeug die Lenkung sowie Bremse über Aktoren betätigt und auf Basis der Umgebungswahrnehmung und notwendigen Trajektorie die Drehmomente anpasst.

TU Wien Racing Team

Wenn du nun inspiriert wurdest und auch eine kreative und interessante Idee hast – die du Conrad vorstellen willst – sende uns dein Konzept an marketing@conrad.at. Wichtig dabei ist, dass du dein Projekt auch verwirklichen kannst und willst. Wir werden deine Idee gerne prüfen und uns mit dir in Verbindung setzen. Wenn uns deine Idee begeistert, finden wir einen Weg wie wir dich unterstützen können.


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