Autonome Fahrzeuge können alle Autos effizienter machen

Autonome Fahrzeuge werden mit großer Spannung erwartet, da sie die Zahl der Unfälle, die jedes Jahr mehr als eine Million Todesopfer fordern, erheblich reduzieren oder sogar ganz verhindern könnten. Aber Sicherheit ist nicht der einzige potenzielle Vorteil selbstfahrender Autos: Forscherteams auf der ganzen Welt zeigen, dass selbstfahrende Fahrzeuge auch effizienter fahren können als Menschen. Ein Programm des US-Energieministeriums namens NEXTCAR (Next-Generation Energy Technologies for Connected and Automated On-Road Vehicles) geht beispielsweise davon aus, dass eine Kombination neuer intelligenter Fahrzeugtechnologien die Kraftstoffeffizienz um bis zu 30 % steigern kann.

Im Rahmen des NEXTCAR-Programms stellte das Southwest Research Institute (SwRI) mit Sitz in San Antonio, Texas, Fortschritte in der autonomen Fahrzeugtechnologie vor, die den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen verbessern werden. NEIN– Selbstfahrende Autos, die zufällig mit selbstfahrenden Autos im Verkehr sind. Die Demonstration fand Ende Mai auf dem ARPA-E Energy Innovation Summit in Dallas statt.

Bau eines effizienten autonomen Fahrzeugs

Das SwRI-Team hat einen Honda Clarity Hybrid 2021 mit grundlegenden autonomen Funktionen wie Wahrnehmung und Lokalisierung ausgestattet. Am Tag des Gipfels fuhren sie mit dem Fahrzeug eine Route rund um den Parkplatz des Kongresszentrums, in dem der Gipfel stattfand. Das Ranger-Tracking-System des SWRI, das Forscher auf dem Honda installiert haben, verfügt über eine nach unten gerichtete Kamera, die Bilder vom Boden aufnimmt. Durch die anfängliche Kartierung der Fahroberfläche kann Ranger das Fahrzeug dann mithilfe des einzigartigen „Fingerabdrucks“ des Bodens in Kombination mit GPS-Daten zentimetergenau lokalisieren. Diese Präzision gewährleistet ein Fahrzeugfahren mit außergewöhnlicher Kontrolle.

„Es ist fast so, als würde man auf Schienen fahren“, sagt Stas Gankov, Forscher in der Antriebstechnikgruppe des SwRI. Für dieses Projekt arbeitete seine Gruppe mit anderen Abteilungen des Instituts zusammen, darunter der Abteilung für intelligente Systeme, die den dem Honda Clarity hinzugefügten Autonomie-Software-Stack entwickelte.

Ebenso wichtig ist die Hinzufügung eines Eco-Driving-Moduls, einer wichtigen SwRI-Innovation. Der Eco-Modus ermittelt die wirtschaftlichste Fahrgeschwindigkeit, indem er verschiedene Faktoren wie Ampeln und umliegende Fahrzeuge berücksichtigt. Dieses System nutzt prädiktive Steuerungsalgorithmen, um ein kniffliges Optimierungsproblem zu lösen: Wie können Autos ihren Energieverbrauch minimieren und gleichzeitig einen effizienten Verkehrsfluss aufrechterhalten? Der Eco-Modus von SwRI zielt darauf ab, unnötige Beschleunigung und Verzögerung zu reduzieren, um den Energieverbrauch zu optimieren, ohne andere Fahrzeuge zu stören.

„Autonom fahrende Fahrzeuge im Eco-Modus beeinflussen das Fahrverhalten aller nachfolgenden Autos. » —Stas Gankov, Südwest-Forschungsinstitut

Um zu demonstrieren, wie diese Technologie funktioniert, installierte das Team entlang der Demonstrationsstrecke eine Ampel. Gankov erklärt, dass ein echter Ampel-Timer aus einem Ampelschrank mit einem Fernsehbildschirm verbunden war und den Teilnehmern einen visuellen Überblick verschaffte. Außerdem war ein spezielles DRSC-Radio (Short Range Communications) angebracht, das Signalphasen- und Timing-Informationen an das Fahrzeug sendet. Diese Konfiguration ermöglichte es dem Fahrzeug, Ampelaktionen viel genauer zu antizipieren als ein menschlicher Fahrer.

Gankov erklärt beispielsweise, dass der Honda Clarity, wenn er sich einer roten Ampel nähert, die kurz davor steht, grün zu werden, weiß, dass die Ampel bald grün wird, und so keine Energie verschwendet, indem er bremst und dann wieder beschleunigt. Umgekehrt, wenn sich das Auto der Ampel nähert, während es von Grün auf Gelb und dann auf Rot wechselt, lässt das Fahrzeug das Gaspedal los und lässt es durch Reibung verlangsamen, bis es beim Versuch, die Ampel zu passieren, unnötigerweise beschleunigt.

Diese autonomen Fahrstrategien können zu erheblichen Energieeinsparungen führen, wovon nicht nur die autonomen Fahrzeuge selbst, sondern auch das gesamte Verkehrsökosystem profitieren.

„In einer normalen Verkehrssituation beeinflussen autonome Fahrzeuge im Eco-Modus das Fahrverhalten aller nachfolgenden Fahrzeuge“, erklärt Gankov. „Das Ergebnis ist, dass selbst Fahrzeuge mit der Autonomiestufe 0 weniger Kraftstoff verbrauchen. »

Der große Energieplan für Fahrzeuge

SwRI nimmt seit 2017 an der NEXTCAR-Initiative teil. An der Anfangsphase des Programms waren 11 Teams beteiligt, darunter SwRI, Michigan Technological University, Ohio State University und die University of California, Berkeley. SwRI konzentrierte sich in Zusammenarbeit mit der University of Michigan auf die Optimierung eines Toyota Prius Prime, der bereits für seine Energieeffizienz bekannt ist, um mithilfe von Algorithmenoptimierung und drahtloser Kommunikation mit seiner Umgebung eine Verbesserung des Energieverbrauchs um 20 % zu erreichen. Dies wurde erreicht, ohne den Antriebsstrang des Toyota zu verändern oder seine Emissionen zu beeinträchtigen. Das Team optimierte die Leistungsverteilung und balancierte den Einsatz des Benzinmotors und des Batterieantriebssystems für maximale Effizienz aus.

Aufbauend auf dem Erfolg der ersten Phase von NEXTCAR trat das Programm 2021 in die zweite Phase ein, wobei nur noch SwRI, UC Berkeley, Michigan Tech und Ohio State übrig blieben. Ziel von NEXTCAR 2 war es herauszufinden, inwieweit Automatisierung die Energieeffizienz weiter verbessern kann. Gankov erklärt, dass die erste Phase zwar eine 20-prozentige Verbesserung der Kraftstoffeffizienz im Vergleich zu einem Referenzfahrzeug von 2016 oder 2017 ohne autonome Fahrfunktionen dank der zusätzlichen Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Konnektivität zeigte, die zweite Phase jedoch das Potenzial dafür untersucht eine zusätzliche Verbesserung um 10 % durch die Integration eigenständiger Funktionen.

Gankov sagt, SwRI habe ursprünglich geplant, für die zweite Phase von NEXTCAR mit Honda zusammenzuarbeiten, aber als es zu Vertragsproblemen kam, ging die gemeinnützige Organisation unabhängig vor. Unter Verwendung einer von der SwRI-Abteilung für intelligente Systeme entwickelten Autonomieplattform stattete das NEXTCAR-Team den Honda Clarity mit Autonomie der Stufe 4 in einer Box aus. Dieses Autonomiesystem umfasst ein Drive-by-Wire-System, das es dem Fahrzeug ermöglicht, seine Geschwindigkeit und Richtung basierend auf Eingaben vom Autonomie-Software-Stack und dem Eco-Driving-Modul automatisch anzupassen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Fahrzeug der Sicherheit Priorität einräumt und gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz optimiert.

Der Einsatz von Techniken wie einem effizienten Autobahnübergang war eine Schlüsselstrategie, um jeden Kraftstofftank oder jede Batterieladung optimal zu nutzen. „Bei starkem Verkehr auf der Autobahn ist es beispielsweise wichtig, die optimale Einfahrt auf die Autobahn zu berechnen, ohne die Energieeffizienz der bereits auf der Autobahn befindlichen Fahrzeuge zu beeinträchtigen“, bemerkte Gankov.

Während NEXTCAR 2 in sein letztes Jahr geht, demonstriert die Demonstration des ARPA-E-Gipfels die Fortschritte in der autonomen Fahrzeugtechnologie und ihr Potenzial, die Energieeffizienz im Transportwesen deutlich zu verbessern.