Die Dynamikmodule bilden den wichtigsten Bestandteil für die eigentliche Bewegung der Fahrzeuge. An jeder Fahrplattform einer UNICARagil Fahrzeugausprägung sind vier nahezu identische Dynamikmodule angebracht. Diese haben die Aufgabe die von den verschiedenen Recheneinheiten vorgegebenen Trajektorien umzusetzen. Sie bilden also den direkten Kontakt zur Fahrbahn und sind für die Aufgaben des Lenkens, Antreiben und Bremsens zuständig. Jedes Dynamikmodul ist dabei individuell steuerbar und kann Lenkwinkel von bis zu 90° einstellen. Hierdurch lassen sich völlig neue Bewegungsformen im Straßenverkehr realisieren.

Dafür besteht ein Dynamikmodul aus den Aktuatoren für die Bewegung des Fahrzeugs und dem zugehörigen Steuergerät. Das Rad, die Federung, ein integrierter Radnabenmotor, die Reibbremse und ein Lenkungssteller bilden den mechanischen Teil des Moduls. Beide Elektromotoren haben eine eigene Leistungselektronik, die in der Fahrzeugplattform montiert ist. Darüber hinaus verfügt jedes Dynamikmodul über ein eigenes Steuergerät, welches gemeinsam mit den Steuergeräten der weiteren Dynamikmodule zum Rückenmark verschaltet wird. Auf diesem Steuergerät laufen sämtliche zugehörige Regelalgorithmen.

Alle Regelalgorithmen laufen auf einem Aurix Mikrocontroller mit FreeRTOS, hierbei kann sowohl in Simulink als auch direkt in C-Code implementiert werden. Zusätzlich wird eine Interface-Board entwickelt, das die Verbindung zum Rest des Fahrzeugs übernimmt, hauptsächlich durch den Einsatz von BroadR-Reach-Ethernet. Das Rückenmark kann auch über FlexRay und CAN kommunizieren, da nicht alle Prototypenkomponenten in den Fahrzeugen für den Einsatz von Ethernet vorbereitet sind.

Das Rückenmark repräsentiert die unterste Schicht in der mechatronischen Architektur. Während des Normalbetriebs empfängt es seine Eingänge vom Stammhirn, überprüft, ob sie im Bereich der aktuellen Fähigkeiten liegen und steuert die verschiedenen Aktuatoren. Zusätzlich liefert das Rückenmark ständig Informationen über seine eigenen Fähigkeiten für andere Dienste des Fahrzeugs. Im Falle eines Stammhirnversagens ist das Rückenmark in der Lage, die Signale direkt aus dem Großhirn zu empfangen und das Fahrzeug durch eine eigene Bewegungsstrategie zu steuern, um einer Trajektorienanforderung zu folgen. Während des Inbetriebnahmeprozesses steuert ein menschlicher Fahrer, der Pedale und einen Sidestick bedient, das Fahrzeug. Die Eingabeschnittstellen des Fahrers sind direkt mit dem Rückenmark verbunden, so dass das Fahrzeug auch ohne Stammhirn und Großhirn betrieben werden kann.

Ein UNICARagil-Fahrzeug besteht grundsätzlich aus einer Plattform und einem Aufbaumodul. Das Aufbaumodul wird auf die Plattform aufgesetzt und an definierten Punkten fest verbunden. Die Plattform ist daher bereits ohne Aufbaumodul fahrfähig. Dies ist nur dank der integrierten Dynamikmodule sowie der im Boden verbauten Energieversorgung möglich. In UNICARagil werden zwei Plattformgrößen entwickelt, die sich für alle vier Fahrzeugausprägungen verwenden lassen. Schlüssel hierfür ist die hohe Skalierbarkeit und Modularität der Strukturen. Da die Fahrzeuge prototypisch aufgebaut und getestet werden, liegt bei der Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf der strukturellen Sicherheit der Fahrzeuge. Die Plattformstruktur hat wesentlichen Anteil bei der Aufnahme entstehender Lasten.

In UNICARagil verschieben sich die Prioritäten der Anforderungen signifikant. Beispielsweise benötigen die Dynamikmodule wesentlich mehr Platz als in einem modernen Fahrzeug, da sich nur so die Lenkwinkel vergrößern lassen. Auf der anderen Seite soll die Raumausnutzung im Innenraum maximiert werden. Darüber hinaus muss der Einstieg in das Fahrzeug einfach sein und eine hohe Beförderungskapazität erreicht werden. Diese Anforderungen führen zu einer sehr flachen und schlanken Konstruktion, die gleichzeitig ausreichend steif ist, um einen sicheren Fahrbetrieb zu ermöglichen. Die entwickelte Plattformstruktur der UNICARagil-Fahrzeuge kann mit einem Skelett verglichen werden, das die tragende Rolle übernimmt. Neben der Sicherheit im Fahrbetrieb spielt auch die Sicherheit bei Unfällen eine entscheidende Rolle. Ziel ist es, mögliche Intrusionen bei Unfällen auf ein Minimum zu reduzieren. Um die kinetische Energie bei einem Unfall gezielt durch Verformung absorbieren zu können, kommen Crash-Management-Systeme zum Einsatz. Das mechanische Verhalten für unterschiedliche Betriebslasten, Misuse-Fälle und Unfallszenarien wurde eingehend mit dem Simulationsprogramm LS-DYNA untersucht und optimiert.

Um die Skalierbarkeit umsetzen zu können, wird vor allem auf die Verwendung von Strangpressprofilen aus Aluminium gesetzt. Das ermöglicht eine einfache Skalierung durch die Verlängerung des Plattformmittelteils. Zusammen mit einer signifikanten Nutzung von Gleichteilen, lassen sich dadurch Skalierbarkeit und Modularität bestmöglich umsetzen. Um die Konstruktion möglichst leicht ausführen zu können, besteht sie zu einem großen Teil aus verschiedenen Aluminiumlegierungen sowie kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.

Die entwickelte Plattform wir durch das Energiebordnetz, die IT-Infrastruktur, das Thermomanagement sowie ergänzenden Packagekomponenten vervollständigt und bildet die Fahrplattform der 4 Fahrzeugausprägungen. Komplettiert durch eine skalierbare Hutstruktur und modulare Außenpanelle, Türsysteme und Sensormodule werde vier Fahrzeuge aufgebaut. Die Struktur erlaubt eine Skalierung der Fahrzeugabmaße in Länge und Höhe und somit eine Adaption an den jeweiligen Anwendungsfall. Im Rahmen des Projektes UNICARagil werden exemplarisch zwei verschiedene Größen aufgebaut. Auf Basis der großen Ausprägungen werden sowohl das autoSHUTTLE, Ersatz oder Ergänzung des öffentlichen Nahverkehres, als auch das autoCARGO, urbaner Verteilerverkehr, umgesetzt. Um auch für „MobilityOnDemand“ und den privaten Pkw passende Fahrzeuge anbieten zu können, wird die Karosserie in der Länge und der Höhe skaliert und zwei kleinere Derivate der UNICARagil Familie abgeleitet. Das autoTAXI und die autoELF.

Im Kontrast zu aktuellen Privat- und Nutzfahrzeugen werden die Innenräume nicht um die Fahraufgabe herum gestaltet, sondern szenariobasiert speziell für den jeweiligen Anwendungsfall entwickelt. Die Nutzerbedürfnisse werden über Umfragen, Kreativworkshops und Beobachtungen in die frühe Konzeptentwicklung eingebunden und leisten über Zwischenaudits einen kontinuierlichen Beitrag zum Gestaltungsprozess. Die fehlende Fahraufgabe eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten der Innenraumgestaltung, welche so bestmöglich genutzt werden sollen.

Alle Fahrzeugausprägungen verfügen über vier identisch ausgestattete Sensormodule, die an den Ecken der Fahrzeuge verbaut werden. Diese stellen sowohl mechatronisch als auch funktional ein eigenständiges Modul dar und tragen zu einem dienste-orientierten, streng modularen Architekturkonzept in Hardware und Software zur Realisierung vollständig automatisierter, fahrerloser Fahrzeuge für urbane Umgebungen bei.

Jedes der Sensormodule umfasst Radar-Sensorik, Lidar-Sensorik, monokulare und stereoskopische Video-Sensorik sowie eine zughörige Recheneinheit zur Sensordatenverarbeitung. Die Sensorik ist so ausgelegt, dass jedes Modul den horizontalen Sichtbereich von 270° um die jeweilige Fahrzeugecke mit jedem der verschiedenen Sensorprinzipien abdeckt. Die Recheneinheit verarbeitet die Daten aller zum Modul gehörigen Sensoren und berechnet daraus ein modulindividuelles Umfeldmodell. Dieses besteht aus einer Liste aller in der Umgebung des Fahrzeugs befindlichen dynamischen Objekte mit Information zum Objekttyp, zur geometrischer Ausdehnung und Position sowie zum aktuellen dynamischen Bewegungszustand des Objekts. Hinzu kommen Informationen über den befahrbaren Freiraum sowie eine komplementäre Darstellung des Umfeldes als Belegungsrasterkarte (Grid). Letztere unterteilt die Fahrzeugumgebung in quadratische Zellen, für die jeweils die Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, ob die Zelle durch ein Objekt belegt ist oder nicht. Mithilfe der Kameras erfolgt zudem eine videobasierte Selbstlokalisierung des Fahrzeugs relativ zu einer hochgenauen Karte.

Die Umfeldmodelle der vier Sensormodule werden anschließend an das Großhirn kommuniziert, das dann die Fusion der Modelle zu einem widerspruchsfreien Gesamtumgebungsmodell realisiert. Dabei werden die Objekte zusätzlich zur hochgenauen digitalen Karte der Fahrzeugumgebung referenziert. Darauf aufbauend erfolgen dann die weiteren Interpretationsschritte zur automatisierten Bewegungsplanung des Fahrzeugs. Durch die überlappenden Sichtbereiche der einzelnen Sensormodule besteht eine zusätzliche Redundanz in der Wahrnehmung, sodass selbst bei komplettem Ausfall eines Sensormoduls eine Weiterfahrt möglich ist.

Die Umfeldmodelle der vier Sensormodule werden anschließend an das Großhirn kommuniziert, das dann die Fusion der Modelle zu einem widerspruchsfreien Gesamtumgebungsmodell realisiert. Dabei werden die Objekte zusätzlich zur hochgenauen digitalen Karte der Fahrzeugumgebung referenziert. Darauf aufbauend erfolgen dann die weiteren Interpretationsschritte zur automatisierten Bewegungsplanung des Fahrzeugs. Durch die überlappenden Sichtbereiche der einzelnen Sensormodule besteht eine zusätzliche Redundanz in der Wahrnehmung, sodass selbst bei komplettem Ausfall eines Sensormoduls eine Weiterfahrt möglich ist.

Die Leitwarte ist ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtkonzeptes eines automatisierten Mobilitätsangebots.

Unabhängig vom Anwendungsfall haben Leitwarten im Wesentlichen drei Aufgaben. Zum einen steuern sie Systeme während unvorhergesehener Ereignisse. Zum anderen betreiben Leitwarten automatisierte Systeme und tragen folglich die Verantwortung für den Betrieb. Des Weiteren haben Leitwarten die Prämisse, den Nutzen des Systems zu steigern, indem Verzögerungen niedrig gehalten werden und Systemausfälle vermieden werden.

Im UNICARagil-Projekt werden diese Aufgaben auf das Mobilitäts- und Transportangebot einer automatisierten Fahrzeugflotte angepasst. Die Leitwarte fungiert als zentraler Ansprechpartner und wird aus einer Notfallzentrale, einem Servicearbeitsplatz und einem Teleoperationsarbeitsplatz bestehen.

Die Teleoperation ist ein Forschungsschwerpunkt am Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik der TU München. Vom Teleoperationsarbeitsplatz aus behebt die Leitwarte fahrzeugseitige Probleme ohne Servicepersonal vor Ort. Erwartete, fahrzeugseitige Probleme sind zum Beispiel technische Defekte an Hardware und Software. Bei technischen Defekten manövriert der Teleoperator mit der verbleibenden Sensorik und Aktorik das Fahrzeug an einen geeigneten Ort. Je nach Art des technischen Defektes werden fahrzeugseitige Automatisierungsdienste genutzt, um den Teleoperator bei seiner Aufgabe zu unterstützen. Ein weiteres Problem ist die situative Überschreitung von Systemgrenzen der Fahrzeugautomatisierung. Das Fahrzeug erkennt die Überschreitung selbst, beendet die automatisierte Fahrt und meldet sich bei der Leitwarte. Der Teleoperator entscheidet über die Vorgehensweise zur Überwindung der Systemgrenze und bringt das Fahrzeug in einen Zustand, von dem aus es selbständig weiterfahren kann.

Der Servicearbeitsplatz managet den Betrieb der Fahrzeugflotte. Zunächst hat er den Überblick über den Zustand der Fahrzeuge. Weiter kann er den Fahrzeugen im Bedarfsfall Routen zuweisen oder aktuelle Routen modifizieren. Darüber hinaus hat er Zugriff auf die Fahrpläne der Fahrzeuge und kann die für das Routing verwendeten Segmente modifizieren, um eine Navigation durch zeitweise gesperrte Straßen zu verhindern.

Die Notfallzentrale nimmt Notrufe von Passagieren und dringende Mitteilungen von anderen Leitstellen entgegen.

Zukünftige Fahrzeuge werden nicht nur automatisiert sein. Sie sind zusätzlich untereinander und mit unterstützender Infrastruktur vernetzt. Gemeinsam bilden sie ein Cooperative Intelligent Transport System (C-ITS). Beim Entwurf eines solchen C-ITS werden verschiedene Ziele verfolgt. An erster Stelle steht immer das Ziel, die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer zu erhöhen. Des Weiteren kann die Effizienz der Mobilität damit gesteigert werden. Wenn weitere Formen der Kooperativität möglich werden, kann die Verkehrseffizienz steigen. Menschen und Güter gelangen schneller und zuverlässiger an ihr Ziel. Dies kann sich wiederum positiv auf die Effizienz bezüglich der Nutzung von Ressourcen auswirken. Insbesondere natürliche Ressourcen, welche die Energie bereitstellen, die zum Aufbau, Erhalt und Betrieb des C-ITS eingesetzt werden, können eingespart werden.

Bisher waren die Datenmengen, die von Fahrzeugen über drahtlose Netzwerke mit anderen geteilt wurden, relativ klein, weil Kommunikationstechnologie wie LTE (4G) für bestimmte Funktionalitäten unzureichend ist. Automatisiertes Fahren erfordert sehr kleine Latenzen und eine hohe Zuverlässigkeit. Die Verhaltensentscheidungen eines Fahrzeugs müssen auf aktuellen Daten basieren, sonst können wichtige Elemente im Umfeld des Fahrzeugs übersehen werden. Mit dem Aufkommen neuer Kommunikationstechnologie wie 5G entstehen neue Möglichkeiten, da mehr Anforderungen erfüllt werden können. Falls man weitere aufstrebende Technologien wie das Maschinelle Lernen und Cloud-Computing hinzuzieht, ermöglicht dies einen großen Fortschritt bzgl. der Fähigkeiten von automatisierten Fahrzeugen, die Teil eines C-ITS sind. In UNICARagil werden diese neuen Möglichkeiten erforscht.

Die Komponenten im UNICARagil Cloud-Konzept ermöglichen:

• Kollektive Umfeldwahrnehmung mehrerer Verkehrsteilnehmer,
• Gegenseitige Verifikation der Umfeldwahrnehmung von Verkehrsteilnehmer,
• Lernen aus großen Datenmengen, die kontinuierlich in der Cloud gesammelt werden,
• Kollektive Routenplanung und Trajektorienoptimierung.

Diese Funktionen werden in den Softwarekomponenten Kollektives Umfeldmodell, Kollektives Gedächtnis und Kollektives Verhalten umgesetzt. Diese werden auf Cloud-Servern ausgeführt und unterstützen die automatisierten Fahrzeuge, die in UNICARagil entwickelt werden.

Softwarekomponenten in dienstorientierten Architekturen sind als lose gekoppelte Dienste implementiert, deren Zusammenspiel zur Laufzeit dynamisch festgelegt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Architekturen in heutigen Fahrzeugen, in denen Abhängigkeiten zwischen Komponenten schon zur Entwicklungszeit fest verankert sind, erlaubt es unsere Architektur, Komponenten auszutauschen, zu aktualisieren oder anderweitig zu verwenden. Die Entscheidung über die Integration der Komponenten obliegt einem Orchestrator, der situationsabhängig zur Laufzeit die beste Systemkonfiguration ermittelt und einstellt. Da Entscheidungen zur Systemintegration nicht Teil der einzelnen Softwarekomponenten sind, wird die Austauschbarkeit und Wiederverwendbarkeit der Softwarekomponenten gewährleistet. Das von uns erarbeitete Konzept wird implementiert und soll auf den Steuergeräten aller Fahrzeugvarianten zum Einsatz kommen. Die Ausgestaltung der verschiedenen Architekturebenen unterstützen wir durch ein kollaboratives, Web-basiertes Tool zur Architekturbeschreibung.

Für den automatisierten Betrieb von Fahrzeugen im öffentlichen Straßenverkehr ergeben sich höchste Sicherheitsansprüche. In konventionellen Fahrzeugen, die mit Assistenzsystemen bis SAE Level 2 ausgerüstet sein können, ist der menschliche Fahrer die zentrale Instanz um Sicherheit zu gewährleisten. Der Fahrer ist verantwortlich, die Fahrt permanent zu überwachen und im Zweifel die Führung des Fahrzeugs zu übernehmen. In Fahrzeugen höherer Automatisierungsgrade entfällt die Überwachung durch den Menschen, entsprechend werden sämtliche Sicherheitsaufgaben, die vorher durch den Menschen übernommen wurden, nun durch das technische System realisiert.

Sicherheit ist somit eine der Schlüsselvoraussetzung für die geplante Einführung von SAE-Level-3+-Fahrzeugen im öffentlichen Straßenverkehr. Diese Disruption macht durch den Wegfall eines menschlichen Fahrers oder Überwachers eine öffentliche Diskussion über das zu erreichende Sicherheitsniveau notwendig. Gleichzeitig ist das Thema Sicherheit in der Automatisiertes-Fahren-Community unterrepräsentiert. Firmen betrachten ihre Ansätze in diesem Bereich zudem als Betriebsgeheimnis und publizieren nur teilweise.

In UNICARagil wird Sicherheit als integraler Bestandteil der Forschung und Entwicklung betrachtet. Ziel ist es eine öffentlich verfügbare Referenz für die Entwicklung sicherer automatisierter Fahrzeuge zu schaffen. Darüber hinaus ist es das Ziel, am Projektende eine sichere fahrerlose Demonstration der Fahrzeuge zu gewährleisten. Gleichzeitig sollen mit den Arbeiten der wissenschaftliche Austausch zur Sicherheit automatisierter Fahrzeuge vorangebracht werden.

Die Forschung in der Domäne „Sicherheit“ in UNICARagil konzentriert sich auf zahlreiche Aspekte. Ein erster Schwerpunkt ist die systematische Sicherheitskonzeption der zu entwickelnden Funktionen im Umfeld einer stark parallelisierten Entwicklung wie im Projekt UNICARagil. Innovative Aspekte der Sicherheitskonzeption sind Untersuchungen zur Einführung einer Rückfallebene, die das Fahrzeug im Falle von Degradationen in einen risikominimalen Zustand überführt, sowie die durchgehende Bestimmung der Gesamtsystemgesundheit zur Laufzeit, die als wichtige Eingangsgröße der Entscheidungsfindung der Fahrzeuge dient. Zudem werden technische Sicherheitskonzepte für die modularen Aktormodule und die E/E-Architektur entwickelt sowie eine systematische Timing-Analyse der gesamten Verarbeitungskette von Umfeldsensorik hin zur Aktorik durchgeführt. Weitergehend werden Aspekte der IT-Security sowie deren Verknüpfung mit den zuvor genannten Safety-Aspekten betrachtet. Zusätzlich erfolgt eine Betrachtung der Gebrauchssicherheit, die einen Fokus auf die sichere Interaktion von Mensch und Fahrzeug legt.

Drohnen dienen im Projekt UNICARagil als fliegende Sensorplattformen zur Ergänzung des externen Fahrzeugumfeldmodells. Eine wesentliche Voraussetzung für Verhaltensentscheidungen von automatisierten Fahrzeugen ist die Kenntnis des Fahrzeuges über das Fahrzeugumfeld, sowie eine Vorhersage des Verhaltens anderer Verkehrsteilnehmer in der näheren Umgebung. Das Umfeldmodell wird dabei aus den Informationen von Fahrzeugsensoren, aus digitalen Karten und aus weiteren Datenquellen zu einem dynamischen Gesamtbild der Umgebung zusammengesetzt. Auf Grundlage dieses Gesamtbilds kann anschließend eine Verhaltensentscheidung getroffen werden.

Zusätzlich zu Sensoren im Fahrzeug werden im Projekt UNICARagil auch externe Sensoren für die Erstellung des Umfeldmodells genutzt. Diese Sensoren können auf Gebäuden, Infrastruktur und auch Drohnen platziert werden. Die fliegende und mit Sensoren ausgestattete Drohne kann dabei durch ihre Vogelperspektive auch Situationen zu erfassen, die für Fahrzeuge am Boden, z. B. aufgrund von Sichthindernissen, nur eingeschränkt oder gar nicht erkennbar sind. Darüber hinaus kann sich die Drohne unabhängig vom Fahrzeug und von der Verkehrslage bewegen. So können z. B. Verkehrshindernisse im Voraus erkannt und vom Fahrzeug frühzeitig in Verhaltensentscheidungen berücksichtigt werden, lange bevor das Fahrzeug das Hindernis erreicht.

Um der Forderung nach vertikaler Start- und Landefähigkeit bei gleichzeitig hoher Reichweite gerecht zu werden, basiert die Drohne auf einem Flugsystem mit Kippflügeltechnik. Dieses Flugsystem, welches im Normalflug einem leistungsfähigen, klassischen Flugzeug entspricht, kann durch Verdrehung des Tragflügels und einer damit verbundenen Verdrehung der Antriebsmotoren senkrecht Starten und Landen. Der gesamte Flug samt Datenerfassung der Drohne erfolgt automatisiert und wird von einer Bodenstation aus überwacht. Alle gesammelten Daten werden automatisch in einer Cloud, die ebenfalls Teil des Projekts UNICARagil ist, verarbeitet und gespeichert.