Fahrerlose Autos sind weiter weg als Sie denken

Ein silberner BMW 5er schlängelt sich mit rund 120 Stundenkilometern durch den Verkehr auf einer Autobahn, die zwischen München und Ingolstadt nordöstlich durch Bayern führt. Ich sitze auf dem Fahrersitz und beobachte die vorbeifahrenden Autos und Lastwagen, habe aber seit mindestens 10 Minuten weder das Lenkrad noch die Bremse oder das Gaspedal berührt. Der BMW nähert sich einem langsam fahrenden Lkw. Um unsere Geschwindigkeit zu halten, aktiviert das Auto seinen Blinker und lenkt nach links in Richtung Überholspur. Dabei biegt ein weiteres Auto von mehreren Autos dahinter auf die Überholspur ab. Der BMW schaltet schnell sein Signal aus und fährt in die Mitte der Fahrspur zurück, wartet auf das Überholen des rasenden Autos, bevor er es erneut versucht.

Wenn Sie Ihr Leben in die Hände eines Roboter-Chauffeurs legen, erhalten Sie einen beunruhigenden Einblick in die Umwälzung des Autofahrens. Das Automobil, das in den letzten 130 Jahren eine stetige, aber langsame technologische Entwicklung durchlaufen hat, wird sich in den nächsten Jahren dramatisch verändern, was radikale wirtschaftliche, ökologische und soziale Auswirkungen haben könnte.



Eine Geschichte von zwei Drogen

Diese Geschichte war Teil unserer November-Ausgabe 2013

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Erste autonome Systeme, die Lenken, Bremsen und Beschleunigen steuern können, tauchen bereits in Autos auf; Diese Systeme erfordern, dass der Fahrer die Straße im Auge behält und die Hände am Steuer. Aber die nächste Generation, wie der selbstfahrende Prototyp von BMW, könnte in weniger als einem Jahrzehnt verfügbar sein und den Fahrern die Möglichkeit geben, zu arbeiten, zu schreiben oder einfach nur zu entspannen. Ford, GM, Toyota, Nissan, Volvo und Audi haben alle Autos gezeigt, die selbst fahren können, und sie alle haben erklärt, dass sie innerhalb eines Jahrzehnts planen, irgendeine Form fortschrittlicher Automatisierung zu verkaufen – Autos, die das Fahren auf Autobahnen übernehmen können oder sich in einer Garage zu parken. Google investiert unterdessen Millionen in Software für autonomes Fahren, und seine selbstfahrenden Autos sind in den letzten Jahren zu einem vertrauten Anblick auf den Highways rund um das Silicon Valley geworden.

Die Faszination der Automatisierung für Automobilunternehmen ist groß. In einem hart umkämpften Markt, in dem die Hersteller von Luxusautos darum rasen, die Kunden mit der neuesten Technologie zu verwöhnen, wäre es kommerzieller Selbstmord, nicht viel in eine automatisierte Zukunft zu investieren. Es ist das beeindruckendste Erlebnis, das wir bieten können, sagte mir Werner Huber, der Verantwortliche für das Autonome Fahrprojekt von BMW, in der Firmenzentrale in München. Er sagte, das Unternehmen habe sich zum Ziel gesetzt, als eines der ersten Unternehmen weltweit die Autonomie auf Autobahnen einzuführen.

Dank des autonomen Fahrens dürfte es auf der vor uns liegenden Straße weniger Verkehrsunfälle und weniger Staus und Umweltverschmutzung geben. Im vergangenen Jahr veröffentlichte Daten des Insurance Institute for Highway Safety, einer von der Autoindustrie finanzierten US-amerikanischen Non-Profit-Organisation, legen nahe, dass teilautonome Funktionen bereits dazu beitragen, Unfälle zu reduzieren. Seine von US-Autoversicherern erhobenen Zahlen zeigen, dass Autos mit Frontkollisionswarnsystemen, die den Fahrer entweder vor einem drohenden Crash warnen oder automatisch bremsen, an weitaus weniger Unfällen beteiligt sind als Autos ohne.

Eine umfassendere Autonomie könnte Verkehrsunfälle noch weiter reduzieren. Die National Highway Traffic Safety Administration schätzt, dass mehr als 90 Prozent der Verkehrsunfälle auf menschliches Versagen zurückzuführen sind, eine Zahl, die einige Experten zu der Vorhersage veranlasst hat, dass autonomes Fahren die Zahl der Unfälle auf der Straße um einen ähnlichen Prozentsatz reduzieren wird. Unter der Annahme, dass die Technologie allgegenwärtig wird und einen solchen Effekt hat, werden die Vorteile für die Gesellschaft enorm sein. Nach Angaben der American Automobile Association sterben jedes Jahr in den Vereinigten Staaten fast 33.000 Menschen auf den Straßen, was 300 Milliarden Dollar kostet. Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass jedes Jahr weltweit über 1,2 Millionen Menschen im Straßenverkehr sterben.

Unterdessen deuten 1997 an der University of California in Riverside durchgeführte Demonstrationen und 2011 von Volvo und anderen durchgeführte Experimente mit modifizierten Straßenfahrzeugen darauf hin, dass die Fahrt von Fahrzeugen in automatisierten Hochgeschwindigkeitszügen, wodurch der Luftwiderstand verringert wird, den Kraftstoffverbrauch um 20 . senken könnte Prozent. Und eine im letzten Jahr veröffentlichte technische Studie kam zu dem Schluss, dass Automatisierung theoretisch fast viermal so viele Autos auf einem bestimmten Autobahnabschnitt fahren lassen könnte. Das könnte einige der 5,5 Milliarden Stunden und 2,9 Milliarden Gallonen Kraftstoff sparen, die laut Texas Transportation Institute jedes Jahr durch Verkehrsstaus verschwendet werden.

Wenn alles andere fehlschlägt, befindet sich auf dem Armaturenbrett ein großer roter Knopf, der die Stromversorgung aller Computer des Autos unterbricht. Ich habe das Schlagen ein paar Mal geübt.

Bei solchen Prognosen wird jedoch häufig übersehen, wie schwierig es sein wird, ein selbstfahrendes Auto zu bauen. Wenn autonomes Fahren den Verkehr dramatisch verändern soll, muss es sowohl weit verbreitet als auch fehlerfrei sein. Es ist unwahrscheinlich, dass eine so komplexe Technologie in ein kommerzielles Produkt umgewandelt wird. Es könnte Jahrzehnte dauern, bis die Kosten der Technologie sinken, und es könnte noch länger dauern, bis sie so sicher funktioniert, dass wir vollautomatisierten Fahrzeugen vertrauen, um uns herumzufahren.

Deutsche Ingenieurskunst
Es überrascht nicht, dass sich ein Großteil des Hypes um autonomes Fahren auf das Selbstfahrprojekt von Google konzentriert hat. Die Autos sind beeindruckend, und das Unternehmen hat zweifellos die Möglichkeit fahrerloser Fahrzeuge in die Fantasie vieler einfließen lassen. Aber trotz all seiner Erfahrung in der Entwicklung von Suchtechnologie und -software hat Google keine Erfahrung mit dem Bau von Autos. Um zu verstehen, wie das autonome Fahren wahrscheinlicher wird, ist es aufschlussreicher zu sehen, woran einige der fortschrittlichsten Autohersteller der Welt arbeiten. Und nur wenige Orte auf der Welt können es mit der Automobilkompetenz Deutschlands aufnehmen, wo BMW, Audi, Mercedes-Benz und Volkswagen alle damit beschäftigt sind, autonomes Fahren von einer Forschungsanstrengung in eine praktikable Option für ihre neuesten Modelle zu verwandeln.

Kurz nach meiner Ankunft in München fand ich mich auf einer Teststrecke im Norden der Stadt wieder und bekam eine Sicherheitseinweisung von Michael Aeberhard, einem BMW Forschungsingenieur. Als ich einen Prototyp der BMW 5er Reihe über eine leere Strecke fuhr, sagte mir Aeberhard, ich solle die Hände vom Steuer nehmen und gab dann Befehle aus, die das Auto durchdrehen und wild vom Kurs abbringen ließen. Jedes Mal musste ich das Lenkrad so schnell wie möglich ergreifen, um das Verhalten zu überschreiben. Das System ist so konzipiert, dass es einem menschlichen Fahrer nachgibt und die Kontrolle aufgibt, wenn er oder sie das Lenkrad bewegt oder ein Pedal drückt. Und wenn alles andere fehlschlägt, gibt es einen großen roten Knopf auf dem Armaturenbrett, der die Stromversorgung aller Computer des Autos unterbricht. Ich übte ein paar Mal das Schlagen und entdeckte, wie schwer es war, das Auto auch ohne Servolenkung zu kontrollieren. Die Idee der Übung war, mich auf mögliche Pannen während der eigentlichen Testfahrt vorzubereiten. Es ist noch ein Prototyp, erinnerte mich Aeberhard mehrmals.

Nachdem ich einen Haftungsausschluss unterschrieben hatte, fuhren wir auf die Autobahn vor München. Ein auf der Beifahrerseite des Armaturenbretts befestigter Bildschirm zeigte die Welt, wie das Auto sie wahrnimmt: drei Fahrspuren, auf denen eine winzige animierte Version des Autos von einer Reihe schwebender blauer Blöcke umgeben ist, die jeweils einem nahegelegenen Fahrzeug oder einem Hindernis wie eine der Schranken auf beiden Seiten der Straße. Aeberhard sagte mir, ich solle das System bei dichtem Verkehr aktivieren, da wir mit etwa 100 Stundenkilometern fuhren. Als ich den Schalter zum ersten Mal umlegte, war ich skeptisch, ob ich überhaupt meine Hände vom Lenkrad nehmen sollte, aber nachdem ich dem Auto zahlreiche Überholmanöver beobachtet hatte, entspannte ich mich zu meinem Erstaunen, bis ich mich tatsächlich daran erinnern musste, auf die Straße.

Das Auto sah von außen normal aus. In einer eleganten Luxuslimousine ist kein Platz für die riesigen rotierenden Laserscanner, die auf den von Google getesteten Prototypen zu sehen sind. Daher mussten BMW und andere Automobilhersteller Wege finden, kleinere, begrenztere Sensoren in die Karosserie eines Autos zu packen, ohne Kompromisse bei Gewicht oder Design einzugehen.

Versteckt in den vorderen und hinteren Stoßfängern des BMW tasten zwei Laserscanner und drei Radarsensoren die Straße vor und hinter dem Fahrzeug im Umkreis von etwa 200 Metern ab. Oben in Windschutzscheibe und Heckscheibe sind Kameras eingelassen, die die Fahrbahnmarkierungen verfolgen und Verkehrszeichen erkennen. In der Nähe jedes Seitenspiegels befinden sich Weitwinkel-Laserscanner mit jeweils fast 180 Grad Sicht, die links und rechts die Straße beobachten. Vier Ultraschallsensoren über den Rädern überwachen den fahrzeugnahen Bereich. Schließlich weiß ein differentieller Global Positioning System-Empfänger, der Signale von Bodenstationen mit denen von Satelliten kombiniert, bis auf wenige Zentimeter an die nächste Fahrbahnmarkierung, wo sich das Auto befindet.

Mehrere Computer im Kofferraum des Autos führen in Sekundenbruchteilen Messungen und Berechnungen durch und verarbeiten die von den Sensoren einströmenden Daten. Die Software weist jeder Fahrspur basierend auf der Geschwindigkeit des Autos und dem Verhalten naher Fahrzeuge einen Wert zu. Mithilfe einer probabilistischen Methode, die dabei hilft, Ungenauigkeiten bei den Sensormesswerten auszugleichen, entscheidet diese Software, ob auf eine andere Spur gewechselt, versucht wird, das vorausfahrende Auto zu überholen oder einem sich von hinten nähernden Fahrzeug auszuweichen. Befehle werden an einen separaten Computer weitergeleitet, der Beschleunigung, Bremsung und Lenkung steuert. Ein weiteres Computersystem überwacht das Verhalten aller am autonomen Fahren Beteiligten auf Anzeichen von Fehlfunktionen.

So beeindruckend das autonome Autobahnfahren von BMW auch ist, es ist noch Jahre vom Markt entfernt. Um die derzeit fortschrittlichste Autonomie zu sehen, nahm ich einen Tag später den Zug von München nach Stuttgart, um einen anderen deutschen Automobilgiganten zu besuchen, Daimler, dem Mercedes-Benz gehört. In der Forschungs- und Entwicklungseinrichtung des Unternehmens südöstlich der Stadt, wo experimentelle neue Modelle mit schwarzem Stoff bedeckt herumfahren, um neue Designs und Funktionen vor Fotografen zu verbergen, durfte ich in dem wahrscheinlich autonomsten Straßenauto auf dem Markt fahren: dem 2014er Mercedes S-Klasse.

Ein jovialer Sicherheitsingenieur fuhr mich über eine Teststrecke und zeigte, wie das Auto auf ein vorausfahrendes Fahrzeug einrasten und diesem in sicherem Abstand auf der Straße folgen kann. Um mit konstantem Abstand zu folgen, übernehmen die Computer des Autos nicht nur das Bremsen und Beschleunigen wie bei der herkömmlichen adaptiven Geschwindigkeitsregelung, sondern auch das Lenken.

Mithilfe einer Stereokamera, Radar und einer Infrarotkamera kann die S-Klasse außerdem Objekte auf der Straße erkennen und die Bremsen übernehmen, um einen Unfall zu vermeiden. Der Ingenieur demonstrierte dies eifrig, indem er auf eine in der Mitte der Strecke platzierte Attrappe beschleunigte. Bei etwa 80 Stundenkilometern nahm er die Hände vom Lenkrad und nahm den Fuß vom Gaspedal. Gerade als der Aufprall so gut wie unvermeidlich schien, führte das Auto einen nahezu perfekten Notstopp durch, riss uns auf unseren Sitzen nach vorne, kam aber etwa einen Fuß vor der Puppe zum Stehen, die einen angemessen erschreckten Ausdruck trug.

Unsichere Straße
Da solche Technologien bereits auf der Straße sind und Prototypen wie die von BMW in Arbeit sind, ist es verlockend, sich vorzustellen, dass die vollständige Automatisierung nicht mehr weit sein kann. Tatsächlich wird der Sprung von der Autonomie der Mercedes-Benz S-Klasse zu der des BMW-Prototyps Zeit brauchen, und der Traum von der vollständigen Automatisierung könnte sich als überraschend schwer erweisen.

Zum einen sind viele der Sensoren und Computer, die im BMW-Auto und in anderen Prototypen zu finden sind, zu teuer, um flächendeckend eingesetzt zu werden. Und eine noch vollständigere Automatisierung wird wahrscheinlich den Einsatz fortschrittlicherer und teurerer Sensoren und Computer erfordern. Das rotierende Laserinstrument oder LIDAR, das auf dem Dach von Googles Autos zu sehen ist, bietet beispielsweise das beste 3D-Bild der umgebenden Welt, das auf zwei Zentimeter genau ist, aber für rund 80.000 US-Dollar verkauft wird. Solche Instrumente müssen auch miniaturisiert und neu gestaltet werden, was zu höheren Kosten führt, da nur wenige Autodesigner die bestehenden auf ein schlankes neues Modell legen würden.

Die Kosten werden jedoch nur ein Faktor sein. Während mehrere US-Bundesstaaten Gesetze erlassen haben, die das Testen autonomer Autos auf ihren Straßen erlauben, muss die National Highway Traffic Safety Administration noch Vorschriften zum Testen und Zertifizieren der Sicherheit und Zuverlässigkeit autonomer Funktionen erarbeiten. Zwei wichtige internationale Verträge, das Wiener Übereinkommen über den Straßenverkehr und das Genfer Übereinkommen über den Straßenverkehr, müssen möglicherweise geändert werden, damit die Autos in Europa und den Vereinigten Staaten verwendet werden können, da beide Dokumente besagen, dass ein Fahrer die volle Kontrolle über das Fahrzeug haben muss immer ein Fahrzeug.

Am entmutigendsten sind jedoch die verbleibenden Herausforderungen in den Bereichen Informatik und künstliche Intelligenz. Automatisiertes Fahren wird sich zunächst auf relativ einfache Situationen beschränken, vor allem auf Autobahnen, da die Technik noch nicht auf Unsicherheiten durch Gegenverkehr, Kreisel und Fußgänger reagieren kann. Von den Fahrern wird mit ziemlicher Sicherheit auch erwartet, dass sie eine Art Aufsichtsfunktion übernehmen, die von ihnen verlangt, dass sie bereit sind, die Kontrolle wieder zu übernehmen, sobald das System seine Komfortzone verlässt.

Trotz der auffälligen Demos habe ich manchmal bei den Autoherstellern den Wunsch festgestellt, auf die Bremse zu treten und die Erwartungen zu dämpfen.

Die Beziehung zwischen Mensch und Roboterfahrer könnte überraschend angespannt sein. Das Problem, wie ich bei meiner BMW-Testfahrt festgestellt habe, ist, dass man den Fokus nur allzu leicht verliert und nur schwer wieder zurückbekommt. Die Schwierigkeit, abgelenkte Fahrer wieder einzufangen, ist ein Problem, das Bryan Reimer , ein Forscher im Age Lab des MIT, hat gut dokumentiert (siehe Mit Vorsicht vor dem selbstfahrenden Auto vorgehen, Mai/Juni 2013). Die vielleicht am stärksten hemmenden Faktoren bei der Entwicklung fahrerloser Autos seien Faktoren, die mit der menschlichen Erfahrung zusammenhängen.

Um dieses Problem anzugehen, überlegen die Automobilhersteller, wie der Fahrer nicht zu sehr abgelenkt wird und er möglichst reibungslos wieder an die Fahraufgabe zurückkehrt. Dies kann bedeuten, die Aufmerksamkeit der Fahrer zu überwachen und sie zu warnen, wenn sie zu wenig engagiert sind. Die ersten Generationen [von autonomen Autos] werden verlangen, dass der Fahrer an bestimmten Stellen eingreift, Clifford Nass , Co-Direktor des Center for Automotive Research der Stanford University, sagte mir. Es stellt sich heraus, dass dies der gefährlichste Moment für autonome Fahrzeuge sein kann. Wir haben vielleicht diese schreckliche Ironie, dass das Auto, wenn es autonom fährt, viel sicherer ist, aber aufgrund der Unfähigkeit des Menschen, wieder in die Schleife einzugreifen, kann es letztendlich weniger sicher sein.

Das obige Bild zeigt 3D-Daten, die vom LIDAR-Instrument auf einem selbstfahrenden Google-Auto erfasst wurden, wobei die Farbe die Höhe über dem Boden anzeigt. Eingefügt ist die Ansicht der Frontkamera des Autos.

Eine wichtige Herausforderung bei einem System, das von alleine fährt, aber nur zeitweise, besteht darin, dass es vorhersagen kann, wann es möglicherweise ausfällt, um dem Fahrer genügend Zeit zu geben, die Kontrolle zu übernehmen. Diese Fähigkeit wird durch die Reichweite der Sensoren eines Autos und durch die inhärente Schwierigkeit, das Ergebnis einer komplexen Situation vorherzusagen, begrenzt. Vielleicht sei der Fahrer völlig abgelenkt, sagte Werner Huber. Er braucht fünf, sechs, sieben Sekunden, um zur Fahraufgabe zurückzukehren – das heißt, das Auto muss [im Voraus] wissen, wann seine Grenze erreicht ist. Die Herausforderung ist sehr groß.

Bevor ich nach Deutschland reiste, besuchte ich John Leonard, einen MIT-Professor, der sich mit Roboternavigation beschäftigt, um mehr über die Grenzen der Fahrzeugautomatisierung zu erfahren. Leonard leitete eines der Teams, die an der DARPA Urban Challenge beteiligt waren, einer Veranstaltung im Jahr 2007, bei der autonome Fahrzeuge über nachgebaute Stadtstraßen mit Stoppschildern und fließendem Verkehr rasten. Die Herausforderung inspirierte neue Forschungen und neues Interesse am autonomen Fahren, aber Leonard hält sich in seiner Begeisterung für den kommerziellen Weg, den das autonome Fahren seitdem genommen hat, zurück. Einige dieser grundlegenden Fragen, die Welt zu repräsentieren und vorherzusagen, was passieren könnte – wir könnten mit unserer Maschinentechnologie noch Jahrzehnte hinter den Menschen zurückbleiben, sagte er mir. Hier gibt es große, ungelöste, schwierige Fragen. Wir müssen aufpassen, dass wir nicht übertreiben, wie gut es funktioniert.

Leonard schlug vor, dass ein Großteil der Technologie, die autonomen Autos in Forschungsprojekten geholfen hat, mit komplexen städtischen Umgebungen umzugehen – von denen einige heute in Googles Autos verwendet werden – möglicherweise nie billig oder kompakt genug sein wird, um in handelsüblichen Fahrzeugen eingesetzt zu werden. Dazu gehört nicht nur der LIDAR, sondern auch ein Trägheitsnavigationssystem, das präzise Positionsinformationen liefert, indem es die Eigenbewegung des Fahrzeugs überwacht und die resultierenden Daten mit Differenz-GPS und einer hochgenauen digitalen Karte kombiniert. Darüber hinaus kann schlechtes Wetter die Zuverlässigkeit von Sensoren erheblich beeinträchtigen, sagte Leonard, und es ist möglicherweise nicht immer möglich, sich stark auf eine digitale Karte zu verlassen, wie es bei so vielen Prototypsystemen der Fall ist. Wenn das System auf einer sehr genauen vorherigen Karte beruht, muss es robust gegenüber der Situation sein, dass diese Karte falsch ist, und die Arbeit, diese Karten auf dem neuesten Stand zu halten, sollte nicht unterschätzt werden, sagte er.

Gegen Ende meiner Fahrt im autonomen Prototyp von BMW entdeckte ich ein Beispiel für unvollkommene Autonomie in Aktion. Wir hatten den Flughafen umrundet und waren auf dem Rückweg in Richtung Stadt, als plötzlich von rechts ein Smart vor mir schwenkte, der etwas sprunghaft durch den Verkehr gerast war. Verwirrt von seinem plötzlichen und unregelmäßigen Manöver, näherte sich unser Auto ihm schnell, und in weniger als einer Sekunde verlor ich die Nerven, trat auf die Bremse, verlangsamte das Auto und beendete es aus dem Selbstfahrmodus. Einen Moment später fragte ich Aeberhard, ob unser Auto rechtzeitig gebremst hätte. Es wäre knapp gewesen, gab er zu.

Trotz der auffälligen Demos und der kühnen Kommerzialisierungspläne habe ich manchmal bei den Autoherstellern den Wunsch festgestellt, auf die Bremse zu treten und die Erwartungen zu dämpfen. Ralf Herttwich, Leiter Forschung und Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen bei Mercedes, erklärte, dass die Interpretation einer Situation mit zunehmender Komplexität der Straße exponentiell schwieriger wird. Sobald Sie die Autobahn verlassen und auf die durchschnittliche Straße fahren, muss die Umgebungswahrnehmung besser werden. Ihre Interpretation von Verkehrssituationen, weil es so viel mehr davon gibt – sie müssen besser werden, sagte er. Allein der Blick auf eine Ampel und die Entscheidung, ob diese Ampel für Sie in Frage kommt, ist ein sehr, sehr komplexes Problem.

Leonard vom MIT zum Beispiel glaubt nicht, dass die totale Autonomie unmittelbar bevorsteht. Ich erwarte nicht, dass es in meinem Leben Taxis in Manhattan ohne Fahrer geben wird, sagte er, bevor er schnell hinzufügte: Und ich möchte nicht, dass Taxifahrer aus dem Geschäft kommen. Sie wissen, wohin sie wollen, und – zumindest in Europa – sind sie höflich und sicher und bringen Sie dorthin, wo Sie sein müssen. Das ist eine sehr wertvolle gesellschaftliche Rolle.

Ich dachte über Leonards Einwände nach, als ich BMW und Mercedes besuchte. Einige davon habe ich sogar einem Taxifahrer in München gegenüber erwähnt, der neugierig auf meine Reise war. Er schien alles andere als besorgt zu sein. Wir haben siebten Sinn – einen siebten Sinn, sagte er und bezog sich auf das instinktive Straßenbewusstsein, das eine Person aufbaut. Als er sich mit beeindruckender Geschwindigkeit durch den geschäftigen Verkehr zappte, vermutete ich, dass sich diese Fähigkeit, mit einer so komplexen und unordentlichen Welt geschickt umzugehen, noch eine Weile als nützlich erweisen könnte.

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