Wie viel wissen Sie über Patente im Zusammenhang mit selbstfahrenden Autos?

Was den Entwicklungsfortschritt und die Erfahrungssammlung im Bereich selbstfahrender Autos angeht, hat Google die Führung übernommen, dicht gefolgt von den großen internationalen Automobilherstellern. Google möchte das innovative Konzept selbstfahrender Autos in einem Schritt verwirklichen, doch große Automobilhersteller wie Mercedes-Benz, BMW und Audi verfolgen einen „evolutionären“ Ansatz und fügen Schritt für Schritt neue Funktionen hinzu, um den Verbrauchern dabei zu helfen, sich allmählich an ein völlig anderes Fahrerlebnis zu gewöhnen.

Wenn es um selbstfahrende Autos geht, denkt man zuerst an Google und dieser Eindruck hat sich tief in den Köpfen der Menschen verankert. Denn seit Google im Jahr 2010 erstmals sein Testprogramm für selbstfahrende Autos ankündigte, hat das „Google Self-Driving Car“ (siehe Abbildung 1) mehr als 700.000 Meilen Fahrerfahrung auf der Straße gesammelt, und das ohne einen einzigen Unfall. Dies ist für die breite Öffentlichkeit wirklich eine beispiellose Neuheit und lässt die Menschen auch die Innovationsfähigkeit von Google bewundern.

Es ist nur so, dass diese Zukunftstechnologie zu weit von der Lebenserfahrung der einfachen Leute entfernt ist, sodass sie nicht wirklich davon betroffen sind. Darüber hinaus sind seitdem mehrere Jahre vergangen und der Reiz des Neuen ist verflogen. Für die meisten Menschen ist selbstfahrende Autos nur ein Thema.

Abbildung 1: Selbstfahrendes Auto von Google

Neben den kontinuierlichen Investitionen von Google in die Forschung, Entwicklung und Verbesserung selbstfahrender Autos, die beachtliche Ergebnisse erzielt haben, erkennen derzeit auch die internationalen Automobilhersteller diesen Trend und gehen ernsthaft und pragmatisch mit dieser Technologie um.

Auf der diesjährigen CES Consumer Electronics Show 2015 standen selbstfahrende Autos erneut im Mittelpunkt aller Aufmerksamkeit. Das von Mercedes-Benz ausgestellte selbstfahrende Auto „F015 Luxury in Motion“ (siehe Abbildung 2) verfügt beispielsweise über die größte Besonderheit, dass der Fahrer beim automatischen Fahren den Vordersitz um 180 Grad nach hinten drehen kann, um mit anderen Passagieren zu interagieren. Das Auto ist wie eine mobile Luxusbox. Gepaart mit dem Science-Fiction- und avantgardistischen Innen- und Außendesign sowie der Ausstattung zog es natürlich die Aufmerksamkeit des gesamten Publikums auf sich. Dies ist jedoch nur eine konzeptionelle Darstellung. Es wird erwartet, dass dieser Autotyp erst im Jahr 2030 offiziell auf den Markt kommt.

Abbildung 2: Mercedes-Benz F015 Luxury in Motion

BMW hat sich mit Samsung Electronics zusammengetan, um die vollautomatische, fahrerlose Remote Valet Parking Assistant-Technologie vorzuführen (siehe Abbildung 3). Über die Smartwatch Gear S kann das selbstfahrende Auto ferngesteuert automatisch auf dem Parkplatz eingeparkt werden. Zudem kann das Auto ferngesteuert automatisch zum Standort des Besitzers fahren. Voraussetzung ist allerdings, dass auch der Parkplatz mit Sensoren ausgestattet ist, die mit dem selbstfahrenden Auto kommunizieren können.

Abbildung 3: BMW Remote Valet Parking Assistent

Audi hat ein autonom fahrendes Konzeptauto namens „Jack“ auf Basis des A7-Modells auf den Markt gebracht (siehe Abbildung 4). Das Auto verfügt über die Funktionen des automatischen Spurwechsels und der Kurvenfahrt sowie des automatischen Beschleunigens und Bremsens. Und was noch wichtiger ist: Das Auto wurde auch auf der Straße getestet. Während der CES-Ausstellung 2015 „fuhr“ „Jack“ den ganzen Weg vom Silicon Valley zur CES-Ausstellungshalle in Las Vegas und sammelte so 500 Meilen an echter Fahrerfahrung.

Abbildung 4: Audi A7 Wagenheber

Alex Davies, Autor des Magazins Wired und damals in „Jack“ mitgefahren, beschrieb es jedoch so: „Das selbstfahrende Auto von Audi mag wie eine aufgemotzte Verbesserung der intelligenten Geschwindigkeitsregelung, Spurverlassenswarnung und anderer halbautonomer Technologien erscheinen, die heute in vielen Luxusautos verfügbar sind.“

Der Grund für dieses Gefühl liegt darin, dass Audis selbstfahrendes Auto im Vergleich zu den selbstfahrenden Autos von Google nicht anders aussieht als ein normales Auto und der gesamte autonome Fahrvorgang dem Fahrer kein ungewöhnliches Gefühl vermittelt.

Nach Jahren praktischer Tests veröffentlichte Google im Mai 2014 erstmals ein Modell seines selbstfahrenden Autos (siehe Abbildung 5). Neben seinem cartoonhaften Aussehen und dem beeindruckenden LIDAR-System (Light Detection And Ranging) auf dem Dach verfügt es auch über eine sehr beeindruckende Optik.

Am meisten gegen die traditionelle Wahrnehmung verstößt die Tatsache, dass das gesamte Auto weder ein Lenkrad noch ein Gaspedal und kein Bremspedal hat. Für die Passagiere stehen lediglich zwei Tasten zur Verfügung, mit denen sie die Notbremsung oder den Vorlauf manuell steuern können. Die restliche Fahrarbeit wird Sensoren und Computern überlassen, denn Googles Konzept sieht vor, dass der Prozess des unbemannten Fahrens ohne menschliches Eingreifen auskommt.

Abbildung 5. Google Self-Driving Car (links) Modell (rechts) Prototyp

Der im Dezember 2014 veröffentlichte Prototyp des autonomen Autos reduzierte die Größe des LIDAR-Systems und installierte physische Scheinwerfer. Neben den notwendigen Sensoren und Computern wurden auch Lenkrad und Bremspedale neu eingebaut. Diese Kombination scheint das ursprüngliche Szenario, wonach „überhaupt keine Notwendigkeit für menschliche Kontrolle besteht“, gefährdet zu haben. Andererseits stellt sich die Frage, wie viele Menschen zum jetzigen Zeitpunkt ein Auto ohne Lenkrad akzeptieren können. Das Wichtigste ist, die tatsächlichen Bedürfnisse der Verbraucher zu erfüllen. Zu weitreichende Innovationen werden die Menschen entmutigen.

Es besteht kein Zweifel daran, dass Google hinsichtlich des Entwicklungsfortschritts und der gesammelten Erfahrungen mit selbstfahrenden Autos eine führende Position einnimmt, dicht gefolgt von den großen internationalen Automobilherstellern. Doch während Google das innovative Konzept selbstfahrender Autos auf einmal verwirklichen möchte, verfolgen die großen Automobilhersteller einen „evolutionären“ Ansatz und fügen Schritt für Schritt neue Funktionen hinzu, um den Verbrauchern dabei zu helfen, sich nach und nach an ein völlig anderes Fahrerlebnis zu gewöhnen.

Lassen wir einmal die vielen rechtlichen und versicherungstechnischen Probleme sowie die Akzeptanzprobleme der Verbraucher beiseite, mit denen selbstfahrende Autos vor ihrer offiziellen Markteinführung konfrontiert werden, und werfen wir einen Blick auf die wichtigen Technologien, die in selbstfahrenden Autos stecken.

Laut einem Bericht von Lexinnova, einem US-amerikanischen Patentberatungsunternehmen, werden neun grundlegende Technologien zusammengefasst, die in selbstfahrenden Autos zum Einsatz kommen (siehe Abbildung 6): Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (V2V-Kommunikation), Geschwindigkeitsregelung, automatische Bremsen, Spurhaltung, Radar, Ortung oder Stabilitätskontrolle, Videokamera, Positionsschätzer und Global Positioning System (GPS). Unter den oben genannten Basistechnologien ist die Anzahl der Patentanmeldungen für die ersten fünf Technologien relativ groß, was auch ihre Bedeutung zeigt. Daher folgt eine kurze Einführung in diese fünf Technologien.

Abbildung 6. Grundlegende Technologien für selbstfahrende Autos

1. Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (V2V-Kommunikation)

Durch die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation können Fahrzeuge untereinander Daten übertragen, sodass sie das Verhalten und den Status des jeweils anderen verstehen. Dadurch können Fahrer im Voraus Urteile und Entscheidungen treffen und die durch tote Winkel im Sichtfeld verursachten Gefahren verringern.

Abbildung 7. Schematische Darstellung der V2V-Kommunikation

Die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) entwickelt Standards und Spezifikationen für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, um sicherzustellen, dass alle Fahrzeuge eine gemeinsame Sprache verwenden. Außerdem hat das US-Verkehrsministerium angekündigt, dass Neuwagen, die bereits ab 2017 ausgeliefert werden, mit Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssystemen ausgestattet sein müssen.

Das von der NHTSA entwickelte Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssystem verwendet dedizierte Nahbereichskommunikationstechnologie (DSRC) basierend auf den Standards IEEE802.11p und IEEE 1609. Es überträgt Daten über das 5,9-GHz-Mikrowellenfrequenzband und zeichnet sich durch eine extrem geringe Übertragungsverzögerung und eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit aus. Im DSCR-Mesh-Netzwerk sendet jeder Knoten (Auto) Signale mit einer Frequenz von 10 Mal pro Sekunde in alle Richtungen und hat eine Reichweite von 300 Metern. Innerhalb des Netzwerks empfangene Daten können im Multi-Hop-Verfahren an 5 bis 10 Knoten (Autos) weitergesprungen werden, genau wie bei der Erfassung der Verkehrsbedingungen in einer Entfernung von einer Meile, wodurch den Fahrern ausreichend Zeit bleibt, auf die Verkehrsbedingungen zu reagieren.

Laut Lexinnova werden die meisten Patente im Zusammenhang mit der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation von Toyota Motor und seiner Tochtergesellschaft Denso gehalten, gefolgt vom japanischen Automobilelektronikunternehmen Alpine und General Motors (GM).

2. Tempomat

Herkömmliche Geschwindigkeitsregelungssysteme passen die Drosselklappenöffnung des Motors automatisch an die eingestellte Reisegeschwindigkeit an und erreichen so das Ziel einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit. Das intelligente Geschwindigkeitsregelungssystem (ACC, AdaptiveCruise Control) erkennt aktiv den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug und steuert Gaspedal und Bremse entsprechend dem vom System festgelegten Sicherheitszeitabstand und der vom Fahrer eingestellten Geschwindigkeit. Dadurch wird eine Geschwindigkeitsregelung erreicht, die sich an die Bedingungen des vorausfahrenden Fahrzeugs anpasst.

Abbildung 8. Schematische Darstellung der adaptiven Geschwindigkeitsregelung

Das ACC-System besteht hauptsächlich aus einem Abstandssensor für das vordere Fahrzeug, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, einem Längsbeschleunigungssensor, einer Brems- und Drosselklappensteuereinheit und einer Logikbetriebssteuereinheit.

Laut der Statistik von Lexinnova sind die drei größten Patentinhaber von Patenten im Bereich Geschwindigkeitsregelung: Robert Bosch, Nissan Motor und General Motors.

3. Automatische Bremsen

Das automatische Bremssystem umfasst ein Antiblockiersystem (ABS) und ein elektronisches Bremskraftverteilungssystem (EBD).

Abbildung 9. ABS-Schema

ABS wurde 1987 von Bosch erstmals auf den Markt gebracht und ist heute eine weit verbreitete Funktion. Wenn Sie auf die Bremse treten, erkennt das ABS die Radgeschwindigkeit über die Sensorkomponente. Sobald das ABS erkennt, dass das Rad blockiert ist, löst es die Bremsen, bremst dann erneut schnell, löst die Bremse und blockiert erneut. Durch diesen Zyklus behält der Fahrer weiterhin die Kontrolle über das Lenkrad, um ein Durchdrehen und einen Kontrollverlust zu vermeiden.

EBD ist ein zusätzliches ABS-System, das vor dem ABS arbeitet, um unnötige ABS-Aktionen zu reduzieren. Das EBD-System überwacht die Geschwindigkeit aller vier Räder und passt den Bremsöldruck jedes Rads automatisch auf das am besten geeignete Niveau an, um ein Blockieren zu verhindern, bevor das ABS wirksam wird, wodurch der Schutzbereich erhöht wird.

Laut Lexinnova sind die Hauptinhaber von Patenten im Zusammenhang mit automatischen Bremssystemen der südkoreanische Autoteilelieferant Mando Corporation und Bosch, doch die ABS- bzw. EBD-Patente der Mando Corporation scheinen im Bereich selbstfahrender Autos nicht genutzt zu werden.

4. Spurhalten

Die Techniken zum Halten der Spur werden in die folgenden zwei Kategorien eingeteilt:

Spurverlassenswarnsystem (LDWS): Wenn die Sensorkomponente erkennt, dass das Fahrzeug von der Spur abgekommen ist, und der Fahrer den Blinker zum Spurwechsel nicht einschaltet, gibt das System ein visuelles, akustisches oder Vibrationswarnsignal aus, um den Fahrer daran zu erinnern, auf die Spur zurückzukehren.

Das Spurhaltesystem (LKS) oder Spurhalteassistenzsystem (LKAS) ist ein System, das, wenn das Fahrzeug unbeabsichtigt von der Spur abkommt und der Fahrer nicht sofort auf die Abweichung reagiert, aktiv in die Lenkung eingreift und entsprechende Unterstützung bietet, um das Fahrzeug in der ursprünglichen Spur zu halten. Selbstfahrende Autos verwenden dieses System und die Sensoren können Bildsensoren, Lasersensoren oder Infrarotsensoren sein.

Abbildung 10. Schematische Darstellung des Spurhalteassistenten (LKAS)

Laut der Statistik von Lexinnova sind Bosch, Nissan Motor, Toyota Motor und Hyundai Motor die vier größten Patentinhaber im Bereich Spurhaltesysteme.

5. Radar

Das Radarsystem ist eine der wichtigsten Technologien für selbstfahrende Autos. Neben dem uns bekannten Rückfahrradar wird Radar auch für die Geschwindigkeitsregelung, die Erkennung der umgebenden Verkehrsbedingungen, das Antikollisionssystem und die Spurhaltung verwendet.

Abbildung 11. Schematische Darstellung der Radaranwendung im Automobilbereich

Automobilradare werden je nach Signalquelle in drei Typen unterteilt: akustisches Radar, optisches Radar und Millimeterwellenradar.

Ultraschallradar, das zur Kategorie der Schallwellen gehört, wird aufgrund seiner geringen Messdistanz hauptsächlich in Parkassistenzsystemen wie Rückfahrradaren eingesetzt.

Der Hauptnachteil von Infrarotradar und Laserradar, die zum Lichtwellentyp gehören, besteht darin, dass die Lichtdurchdringung leicht durch Staub, Regen, Nebel und Schnee gestört wird, was die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Infrarotradar verfügt über eine kürzere Messdistanz und kann in Nachtsichtsystemen verwendet werden, während Lidar über eine größere Messdistanz verfügt und wie Infrarotradar in Kollisionsvermeidungssystemen eingesetzt werden kann.

Die Wellenlänge des Millimeterwellenradars liegt, wie der Name schon sagt, im Millimeterbereich (mm), und der Betriebsfrequenzbereich liegt zwischen 30 GHz und 300 GHz, hauptsächlich konzentriert auf die Frequenzbänder 23–24, 60–61 und 76–77 GHz. Es ist der Mainstream der aktuellen Forschung und Entwicklung im Bereich Automobilradare. Im Vergleich zu Schallwellen wird das Millimeterwellenradar nicht durch atmosphärische Turbulenzen beeinflusst. Im Vergleich zu Lichtwellen hat Millimeterwellenradar eine stärkere Durchdringung. Daher verfügt das Millimeterwellenradar über eine gute Erkennbarkeit und hohe Genauigkeit.

Neben Radarsystemen nutzen selbstfahrende Autos auch LIDAR-Systeme, also optische Fernerkundungstechnologie. Dabei werden üblicherweise Laserlichtimpulse verwendet, um hochdichte Scans von Zielen durchzuführen und so die Entfernung des Objekts zu messen oder Daten zur dreidimensionalen Form des Objekts zu erhalten.

Laut der Statistik von Lexinnova sind Toyota Motor, Hitachi, Bosch und Fujitsu die vier größten Patentinhaber von Radar-bezogenen Patenten.

abschließend

Bevor selbstfahrende Autos offiziell auf den Markt kommen, müssen neben komplexen regulatorischen Fragen noch zahlreiche technische Probleme gelöst werden, wie etwa die Stabilität und Genauigkeit verschiedener Sensorkomponenten, die Sicherheit der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, die Softwareintegration, betriebliche Beurteilungsverfahren usw. Diese verschiedenen technischen Probleme werden letztendlich in der Preisfrage münden, die den Verbraucher am meisten beschäftigt.

Tatsächlich handelt es sich bei den für selbstfahrende Autos erforderlichen Basistechnologien allesamt um Neuentwicklungen und Verbesserungen bestehender Technologien, die Integration und Anwendung dieser Technologien ist jedoch eine Innovation und Erfindung. Wir erwarten, dass diese kreative Kraft der Technologie- und Automobilbranche enorme Geschäftsmöglichkeiten eröffnet und hoffen, durch die Kraft der Technologie eine sicherere, effizientere Fahrumgebung sowie einen energiesparenderen und umweltfreundlicheren Lebensstil zu schaffen.

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