Auto/Motor

Damit wir in Zukunft sicher autonom fahren können, müssen die einzelnen
Komponenten eines Fahrzeugs schon in der Entwurfsphase umfassend und
realistisch geprüft werden. Durch X-in-the-Loop (XiL) Tests der Sensoren
wird es möglich, Fahrzeuge und Szenarien realitätsnah zu simulieren und
die reale Komponente in ihrer Einsatzumgebung zu testen. Dadurch werden
Einflüsse auf die Verkehrssicherheit sichtbar, die mit anderen
Prüfmethoden nicht oder erst bei der Freigabe des Gesamtfahrzeugs erkannt
werden können. Auf der Hannover Messe präsentieren Forschende des
Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
in Darmstadt zukunftsweisende Ergebnisse (Halle 5, Stand A06).

Bei der Entwicklung von hochautonomen Fahrfunktionen stellt die
Validierung und Verifikation von kamerabasierten Sensorsystemen einen
entscheidenden Entwicklungsschritt dar. Mit einer Kamera-in-the-Loop-
Testumgebung ist es möglich, den Einfluss von Fahrzeugschwingungen auf die
Klassifizierung von Objekten in unterschiedlichen, virtuellen
Verkehrssituationen zu untersuchen, um die Sicherheit und Funktionalität
von kamerabasierten Sensorsystemen sicherzustellen.

Fraunhofer LBF validiert und verifiziert autonome Fahrfunktionen

Automatisierte Fahrzeuge stellen vermutlich die größte Veränderung im
Bereich der Mobilität seit der Erfindung des Verbrennungsmotors dar. In
absehbarer Zukunft werden Fahrzeuge vollständig autonom (Level 4 und 5 der
SAE-Skala) am Straßenverkehr teilnehmen. Als Forschungspartner unterstützt
das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit
LBF in Darmstadt Hersteller und Zulieferer bei der Entwicklung dieser
Fahrzeuge mit Analysen der Systemzuverlässigkeit (zum Beispiel FMEA) und
Methoden zur Validierung virtueller Prototypen in Multiskalensimulationen.

Neben der individuellen Komfortsteigerung für den Passagier, der die
Fahrzeit nutzen kann, ermöglichen automatisierte Fahrzeuge einen
effizienteren und reibungsloseren und Straßenverkehr. Die Gewährleistung
der aktiven und passiven Fahrzeugsicherheit wird durch das sichere
Fahrzeugverhalten abgelöst. Im vollständig automatisierten Straßenverkehr
wird der Crash vermieden, was zu enormen Ressourceneinsparungen und völlig
neuartigen Funktionskonzepten führt. Um dieses Ziel zu erreichen, muss
nicht nur die sichere Funktion, sondern das sichere Verhalten des
Fahrzeugs innerhalb jeder denkbaren Fahrsituation nachgewiesen werden.
Dies beinhaltet die richtige Wahrnehmung und Interpretation der
Verkehrssituation, die richtige Entscheidung über das Fahrzeugverhalten
und die Umsetzung dieser Entscheidung durch das Fahrzeug als
mechatronisches Gesamtsystem.

Das Fraunhofer LBF legt wichtige Grundsteine für die ganzheitliche
Verifikation und Validierung sowie die simulationsbasierte Entwicklung.
Dabei haben die Darmstädter Forschenden wesentliche Innovationen im
Zusammenspiel von virtuellen und realen Tests entwickelt, die auf einem
szenarien-basierten, datengetriebenen Ansatz beruhen. Die Ergebnisse
werden für den Autobahnverkehr und für urbane Verkehrssituationen
angewendet.

Die Empa hat in den letzten Jahren gemeinsam mit einem externen
Hydraulikspezialisten eine vollvariable elektrohydraulische
Ventilsteuerung entwickelt, welche sich für Verbrennungsmotoren und andere
thermische/pneumatische Maschinen einsetzen lässt.

Vollvariabel bedeutet, dass sowohl der Ventilhub wie auch der Öffnungs-
sowie der Schliesszeitpunkt frei eingestellt werden können – und dies
sogar von einem Zyklus zum nächsten. Am Verbrennungsmotor eingesetzt gibt
diese volle Flexibilität neue Freiheitsgrade für Optimierungen.
Beispielsweise lässt sich die Last bei Ottomotoren ohne Drosselklappe und
von einem Zyklus zum nächsten einstellen, die Volllast kann optimiert
werden und der Motor lässt sich auf verschiedene Treibstoffe "per
Software" anpassen.

Die Empa hat den Ventiltrieb an einem Ottomotor aufgebaut und erforscht
die Potentiale. Eine Variante der Laststeuerung ist die
Zylinderabschaltung. Das heisst, einzelne Zylinder werden im
Teillastbereich in hoher Last betrieben, andere werden zugleich ganz
abgeschaltet indem alle Ventile geschlossen bleiben. Der plötzliche
Übergang vom Betrieb mit allen Zylindern auf den Betrieb mit
abgeschalteten Zylindern würde allerdings ungewünschte Drehmomentspitzen
mit sich bringen, so dass der Übergang sanft gestaltet werden muss. In
heute auf dem Markt befindlichen System ohne vollvariable
Ventilsteuerungen werden solche Zylinderabschaltungen durch stark
effizienzmindernde Zündeingriffe ausgelöst. Mit der vollvariablen
Ventilsteuerung der Empa lassen sich einzelne Zylinder dagegen ohne
Effizienzverlust abschalten.

Ebenso wie die vollständige Abschaltung von Zylindern ist es auch möglich,
sie seltener zu zünden. So wird aus einem Viertakt-Betrieb, ein Acht- oder
Zwölftakt-Betrieb. Im Vergleich zu einem gedrosselten Viertakter arbeitet
ein solcher Motor deutlich effizienter.

Fraunhofer FHR zeigt State of the Art Radartechnologie auf der European
Microwave Week in London

Zukunftstechnologie an der Themse: Das Fraunhofer-Institut für
Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR präsentiert die breite Palette
seiner Fähigkeiten auf der 24. European Microwave Week 2021 (EuMW), die
nach Verschiebung durch die Pandemie vom 2. bis 7. April 2022 in London
stattfindet. Auf Europas führender Leitmesse und Konferenz für
Mikrowellentechnologie, Hochfrequenztechnik und Radar kommen Industrie und
Wissenschaft nun wieder vor Ort zusammen. Das Fraunhofer FHR beteiligt
sich mit einem Gemeinschaftsstand und 11 Konferenzbeiträgen an der EuMW.

Im Rahmen des Gemeinschaftsstands mit der niederländischen Organisation
für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO, dem Technischen
Forschungszentrum Finnland VTT und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte
Festkörperphysik IAF zeigt das Fraunhofer FHR ein breites Spektrum seiner
Forschungstätigkeit und Radaranwendungen aus verschiedenen Bereichen.

So präsentieren die Wissenschaftler aus Wachtberg einen aktiven
Radarreflektor zur Kalibrierung von Fahrerassistenzsystemen.
Automatisierte Fahrzeuge verwenden mehrere Sensoren zur Wahrnehmung, wobei
die Ausrichtung von Kamera- und Radarsensoren zueinander überprüft werden
muss, damit beide nicht in unterschiedliche Richtungen "schauen". Der am
Fraunhofer FHR entwickelte aktive Radarreflektor kann zusammen mit einem
optischen Testchart von Image Engineering zur Kalibrierung und Überprüfung
der Ausrichtung eingesetzt werden. Durch das Design des Reflektors
erscheinen die optische Kalibriermarke und die Radarreflexion unter exakt
dem gleichen Winkel. Dies ermöglicht eine präzise Ausrichtung der
Sensorsysteme und damit eine erhöhte Zuverlässigkeit und Sicherheit des
Fahrerassistenzsystems.

Auch das Thema additive Fertigung von Hochfrequenzstrukturen wird
vorgestellt: Die am Fraunhofer FHR eingesetzten 3D-Fertigungsverfahren
ermöglichen völlig neue Designs im Hochfrequenzbereich. Besucher können
sich mit den Vorteilen von additiven Fertigungsverfahren in der
Hochfrequenztechnik vertraut machen und einen Einblick in die technischen
Parameter der Anlagen am Fraunhofer FHR und den gefertigten
Hochfrequenzstrukturen gewinnen.

Am Konferenzbereich der Veranstaltung beteiligt sich das Institut mit
einem umfangreichen Vortragsprogramm. 11 Beiträge und Postersessions von
Forschenden des Fraunhofer FHR stehen auf der Agenda. „Wir freuen uns
sehr, diese wichtige Veranstaltung wieder persönlich besuchen und
gestalten zu können und sind mit spannenden Themen in London dabei. Ob als
Plattform zur Präsentation oder für Austausch und Vernetzung - die EuMW
ist einmalig“, so Prof. Peter Knott, Institutsleiter des Fraunhofer FHR.

Erfolgreicher Projektabschluss von Lidar-Spezialist Ibeo, der Christian-
Albrechts-Universität Kiel und Airbus Operations

Autonomes Fahren unter den besonderen Sicherheitsanforderungen auf dem
Airport-Rollfeld erfolgreich getestet
Abschluss der Projektpartnerinnen und -partner mit Livepräsentation auf
dem GATE InnoAirport Rostock-Laage

Nach rund dreijähriger Forschungs- und Entwicklungszeit hat der Hamburger
Lidar-Spezialist Ibeo Automotive Systems GmbH zusammen mit der Christian-
Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und Airbus Operations das Projekt
AirPortMover mit einer Livepräsentation auf dem GATE InnoAirport Rostock-
Laage erfolgreich abgeschlossen. Im Fokus des vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projektes stand dabei der
fahrerlose Transport von Personen, wie zum Beispiel Flugzeugcrews, auf dem
Roll- bzw. Vorfeld.

Als Spezialist für Lidar-Sensoren, die dazugehörige Software und
begleitende Systeme gestaltet die Ibeo Automotive Systems GmbH die Zukunft
der Mobilität entscheidend mit. Relevant sind dabei für den weltweiten
Innovationsführer sowohl Lösungen für den individuellen Straßenverkehr als
auch für Logistik, Schiene oder in sich geschlossene Umgebungen wie etwa
Flughäfen. Die Kieler Universität hat sich als wissenschaftliches Zentrum
Schleswig-Holsteins unter anderem den Fragen zur nachhaltigen und
innovativen Entwicklung von Mobilität verschrieben. Ein Schlüsselaspekt
bei der Einführung autonomer Verkehrsmittel ist deren sichere
Funktionsweise und hohe Vertrauenswürdigkeit. Die Arbeitsgruppe
„Zuverlässige Systeme“ unter der Leitung von Professor Dirk Nowotka stellt
sich diesem Projektthema insbesondere vor dem Hintergrund von
Zulassungsverfahren.

Airbus begleitete das Projekt mit wichtigen Informationen zu den Themen
Prozessabläufe auf dem Airport-Vorfeld, Anforderungen an die Kommunikation
zwischen Flughafentower und autonomem Fahrzeug sowie der dafür benötigten
Infrastruktur. Die Innovationsplattform GATE InnoAirport bot für das
Projekt auf dem Flughafen Rostock-Laage eine Testumgebung unter
Realbedingungen. Mit einem erfolgreichen Projektabschluss auf dem
Flughafengelände zeigten die Projektpartnerinnen und -partner Lösungen für
komplett autonom fahrende Fahrzeuge unter den besonderen Herausforderungen
und Sicherheitsbedingungen eines Flughafenvorfelds.

„Seit dem Projektstart im Jahr 2018 hat sich die Technik in einer hohen
Geschwindigkeit weiterentwickelt. Das war sehr spannend, aber auch eine
echte Herausforderung. So haben wir im Sensorbereich von Anfang an auf
eine Kombination aus Ibeos Solid-State-Lidar-Sensoren und Kameras
gesetzt“, sagt Max Stehn, der als Projektmanager Autonomous Driving für
Ibeo projektverantwortlich war. „Solid-State-Sensoren sind wesentlich
kompakter und wartungsärmer als konventionelle Lidar-Sensoren und kommen
ohne bewegliche Teile aus. Gleichzeitig bieten Sie eine größere vertikale
Abdeckung des Umfelds, das heißt, sie erkennen auch zuverlässig Objekte,
die höher als sie selbst positioniert sind – etwa Leitwerke von
Flugzeugen. Mit den ibeoNEXT-Sensoren haben wir eine 360-Grad-Abdeckung
realisiert, um sowohl statische als auch dynamische Hindernisse rund um
das Fahrzeug zu erkennen. Dies ist besonders wichtig bei der Annäherung an
ein Flugzeug.“

„Meilenstein auf dem Weg der Automatisierung von Flughafenprozessen“

Herausforderungen gäbe es allerdings noch im Bezug auf die große Menge von
Daten, die in Echtzeit verarbeitet und dann an die jeweiligen
Fahrzeugfunktionen weitergegeben werden müssen. „Mit der schnellen
Entwicklung der Rechnerleistungen und möglichen Verlagerungen von
Rechenleistungen in die Cloud sind diese technischen Hürden jedoch
absehbar in den Griff zu bekommen“, so Stehn weiter.
Wie gut das System funktioniert, zeigte vor Ort eine Livepräsentation, in
deren Rahmen eine ausgerüstete Mercedes V-Klasse vollautonom verschiedene
Testkandidatinnen und -kandidaten über das Rollfeld zu verschiedenen
Flugzeugmodellen manövrierte.

„Wir haben im Team bewiesen, dass die heutige Technologie in der Lage ist,
die komplexen Herausforderungen von Objektlokalisierungen auf kleinstem
Raum sicher und zuverlässig zu gewährleisten. Das gelingt beispielsweise
auf dem Vorfeld, wo Shuttlefahrzeuge an Flugzeuge herangeführt werden. Ich
bin mir sicher, dass wir und die Projektpartnerinnen und -partner in
diesem Bereich und aus diesem Projekt in der nahen Zukunft weitere
wichtige Erkenntnisse gewinnen werden“, so Professor Dirk Nowotka von der
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

„Als Ideengeber für den weltweiten Flugverkehr und Innovationstreiber für
den Flughafenbetrieb liegt unser Schwerpunkt auf der komfortablen und
nachhaltigen Reise des Fluggastes mit Gepäck, von der Ankunft am Flughafen
und der dort verbrachten Zeit bis zum Ein- und Aussteigen, einschließlich
des Transfers, sowie auf dem effizienten Transport von Fracht.
Automatisierung ermöglicht genau das – und zwar in vielen Bereichen. Im
Falle des AirPortMovers kommt eine wichtige Sicherheitskomponente dazu –
hier entkoppelt Automatisierung die Mobilität in einem
sicherheitsrelevanten Bereich von menschlichen Schwächen, wie etwa
kurzfristigen Unaufmerksamkeiten. Ich bin stellvertretend für das gesamte
Team sehr stolz darauf, diesem wichtigen Projekt hier auf dem Gelände des
GATE InnoAirports eine entsprechende Bühne gegeben haben zu können“, freut
sich Kevin Fischer, Innovation Manager des Verbands der Flughafenausrüster
GATE, abschließend.