Autonome Rennautos

KI gibt Vollgas

In der «driverless»-Kategorie der Formula Student treten Unis aus der ganzen Welt mit fahrerlosen Rennwagen gegeneinander an. Auch die ETH mischt mit und holt sich den Gesamtsieg – dank ausgeklügelter Technologie.

Christoph Widmer (Text), Raphael Zubler (Fotos), 26. Januar 2018

Auf dem Hockenheimring herrscht Hochspannung: Der Akademische Motorsportverein Zürich – kurz AMZ – tritt mit seinem fahrerlosen Rennwagen «flüela driverless» gegen Unis aus der ganzen Welt an. Heute bestreiten die Teams die Skid-Pad-Disziplin: Die Autos müssen möglichst schnell eine liegende Acht durchfahren.

 

Der AMZ ist zuversichtlich, erzielte sein Wagen während den Tests doch immer gute Ergebnisse. Der starke Regen macht es dem ETH-Team im Wettkampf aber nicht leicht: drei von vier erlaubten Startversuchen schlugen bereits fehl. Ein AMZ-Mitglied steht gespannt am Pistenrand und schaut auf seinen Pulsmesser: seine Herzfrequenz liegt bei 159.

 

 

Manuel Dangel ist schon seit 4 Jahren beim AMZ dabei.

 

 

«flüela driverless» ist der erste autonome Rennwagen des AMZ. Entwickelt wurde er für die neue driverless-Kategorie der Formula Student, dem weltweit grössten Ingenieurswettbewerb: Die Uni-Teams konstruieren innerhalb eines Jahres Rennfahrzeuge und messen sich mit diesen in verschiedenen Zeitrennen. Aber auch statische Disziplinen, wie das Konstruktionsdesign oder die Kostenanalyse, fliessen in die Gesamtwertung mit ein.

 

In den Kategorien für benzin- und elektrobetriebene Fahrzeuge konnte sich der AMZ bereits einen Namen machen. Etwa durch den Wagen «grimsel», mit dem das ETH-Team 2016 einen Beschleunigungs-Weltrekord für Elektroautos aufstellte: von Null auf Hundert Stundenkilometer in 1,513 Sekunden und weniger als 30 Meter – Autos der Formula E, der weltweit grössten Rennserie für Elektroautos, benötigten dafür rund 2,9 Sekunden. Die Benziner der Formel 1 erreichen die 100-Stundenkilometer-Marke in rund 2,6 Sekunden.

 

 

1/12 Bevor das Auto losfährt, zeigt das Display im Cockpit den autonomen Fahrmodus an.

2/12 Mit dem sogenannten «Lidar» erfasst das Fahrzeug 300'000 Streckenpunkte pro Sekunde.

3/12 Auch dank einem Kamerasystem oberhalb des Cockpits nimmt das Auto die Umgebung wahr.

4/12 Die Stossdämpfer passen sich automatisch der jeweiligen Streckenbegebenheiten an.

5/12 Auch die Elektronik ist grösstenteils vom Team entwickelt.

6/12 Der AMZ hat in seiner Laufbahn schon 11 verschiedene Fahrzeuge entwickelt.

7/12 Der Bordcomputer befindet sich an der Seite des Cockpits.

8/12 In diesem Bordcomputer findet man sogar Komponenten, die auch in der internationalen Raumstation ISS eingesetzt werden.

9/12 Da der Reifen letztlich die ganze Kraft auf die Strasse überträgt, ist er eine der wichtigsten Fahrzeugkomponenten.

10/12 Die Radaufhängung von «flüela driverless».

11/12 Mit dem Funksystem wird der Wagen gestartet und im Notfall gestoppt.

12/12 Mit «flüela driverless» konnte sich der AMZ deutlich gegen die Konkurrenz durchsetzen.

1/12 Bevor das Auto losfährt, zeigt das Display im Cockpit den autonomen Fahrmodus an.

 

 

Der Rennwagen fährt von selbst


Der AMZ geht bei der Entwicklung der Fahrzeuge in der Regel gleich vor: «Man beginnt stets beim Reglement», erklärt Vereinspräsident Manuel Dangel. «Dann kommt der Reifen. Er überträgt die Kraft letztlich auf die Strasse.» Hier arbeitet der AMZ mit Sponsoren zusammen, wie auch bei anderen Komponenten: Das Team entwickelt die Teile, Fertigungspartner produzieren sie – abgesehen vom Chassis, das der AMZ selbst herstellt. Der Grossteil der Montage – inklusive Motor – geschieht dann in der Werkstatt im Zürcher Technopark. In nur drei Wochen wird aus einem leeren Fahrgestell ein funktionstüchtiger Rennwagen.


Beim «flüela Driverless» war die Vorgehensweise aber eine andere: Die Grundlage bildete das «Flüela»-Auto aus dem Jahre 2015, den der Verein zu einem fahrerlosen Rennwagen aufrüstete. Am Frontflügel prangt nun ein sogenannter Lidar. Dieser misst mittels Laserstrahlen die Distanz des Wagens zu aufkommenden Objekten mit 300'000 Punkten in der Sekunde – besser als ein durchschnittlicher Autofahrer.

 

Dank des Lidars erkennt der Wagen zum Beispiel die Kegel, mit denen die Rennstrecke begrenzt wird. Oberhalb des Cockpits ist zudem ein Kamerasystem installiert, das ebenfalls die Umgebung wahrnimmt. «Die Kamera hat eigentlich dieselbe Funktion wie der Lidar», erklärt Dangel. «Falls eines der beiden Systeme ausfällt, kann das Auto immer noch weiterfahren.»

 

 

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Der «flüela driverless» in Aktion. Video: AMZ.

 

 

Herzstück des Wagens bildet der modifizierte Bordcomputer. Damit er den eintretenden Kräften und Stössen standhält, wurde ein extrem robustes Motherboard verbaut. Und Kabel-Switches, die sogar auf der internationalen Raumstation ISS verwendet werden. Der Bordcomputer verarbeitet die Lidar- und Kamerasignale und bestimmt dann die Geometrie der Strecke sowie die Fahrzeugposition Am Anfang fährt der Wagen die Strecke noch behutsam ab – bis er sie gut genug kennt, um stärker zu beschleunigen. Von da an plant die KI 20 Mal pro Sekunde in die Zukunft und gibt die Befehle dann an die Antriebs- und Lenkelemente weiter, so dass der Wagen der Ideallinie entlangfährt.

 

 

Manuel Dangel : «Auch nach 11 entwickelten Fahrzeugen gibt es immer noch komplett neue, starke Ideen, die wir umzusetzen versuchen.» 

 

 

Entwickler setzen Grenzen


Im Gegensatz zu den anderen Teams verwendete der AMZ ein Computermodell, das Dynamik und Fahreigenschaften des Autos vereinfacht abbildet. Darin legen die Entwickler unterschiedliche Parameter fest: Sie bestimmen zum Beispiel die Höchstgeschwindigkeit, Beschleunigung oder Bremsstärke des Wagens. Aufgrund dieser Parameter plant das Auto, wie es fahren soll. «Noch setzen wir dem Auto manuell Grenzen, indem wir das Reifenmodell anpassen – je nach dem, wie wir die entsprechenden Streckenbedingungen einschätzen», erklärt Dangel. Dafür wurde der Wagen auf Flugplätzen in der Schweiz und in Deutschland getestet, um auf unterschiedliche Umweltbedingungen vorbereitet zu sein. Diese Tests waren massgebend dafür verantwortlich, dass der AMZ während den Renndisziplinen, bei denen es in Strömen regnete, die richtigen Einstellungen für den Wagen fand. Denn das Auto stellt selbstständig keine Risikoanalyse an, es nimmt noch keine Bodenhaftung oder Pfützen auf der Strecke wahr.


Daher ist ein menschlicher Fahrer der KI immer noch überlegen: «Menschen haben ein extrem gutes Einschätzungsvermögen», erklärt Dangel. «Doch auch Rennfahrer trainieren lange, bis sie eine Strecke verinnerlicht haben und das Maximum aus ihrem Wagen rausholen. Genauso werden wir versuchen, für den nächsten Wagen die Parameter besser einzustellen und komplexere Modelle zu verwenden, um noch stärker ans Limit zu gehen.»


Nach den drei fehlgeschlagenen Starts auf der Rennstrecke rast «flüela driverless» beim vierten und letzten Versuch endlich los. Das AMZ-Mitglied mit dem hohen Puls kann endlich aufatmen. Und nach 7,5 Sekunden steht fest: Der AMZ belegt in der Skid-Pad-Disziplin den ersten Platz. Auch bei der Gesamtwertung triumphiert der Rennstall: In allen acht Disziplinen schafft er es aufs Siegertreppchen, davon fünf Mal auf Platz 1 – Gesamtsieg für den AMZ in der driverless-Kategorie.

 

 

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