Gewicht sparen? Lassen wir den Fahrer weg!

Die Jagt um wertvolle Sekunden. Die Essenz des Rennsports. Um schnell zu sein, müssen Rennwagen möglichst leicht sein. Bisher galt Colin Chapman, Gründer der Rennsportmarke Lotus als unangefochtener Leichtbau-Champion. Die Studierenden der OTH Regensburg (Ostbayerische Technische Hochschule) setzen aber noch einen drauf. Bei ihrem neuesten Rennwagen lassen sie den Fahrer weg und sparen so nochmals deutlich an Gewicht. Die Idee dazu kommt, wenn man es genau nimmt, nicht von den Studierenden der OTH Regensburg – doch sie gehören zu denen, welche die Idee umsetzen.

Formula Student, ein internationaler Konstruktionswettbewerb
In der Formula Student messen sich Teams aus der ganzen Welt mit selbstkonstruierten Monoposti. Die Teams treten in drei verschiedenen Kategorien gegeneinander an. In der Kategorie "Formula Student Combustion (FSC)" starten Rennwagen mit Verbrennungsmotoren, und in der Kategorie " Formula Student Electric (FSE)" treten Elektrofahrzeuge an. Seit 2017 wird die Rennserie durch die dritte Kategorie "Formula Student Driverless (FSD)" ergänzt. Dabei handelt es sich um eine Kategorie für autonome Rennwagen, bei der sowohl Verbrennungs- als auch Elektromotoren zugelassen sind.

Seit 2008 tritt das Team Dynamics e.V. der OTH Regensburg in der Rennserie an. In der nächsten Saison wird Dynamics e.V. erstmals mit einem Rennwagen an den Start gehen, der sowohl mit Fahrer als auch autonom fahren kann. Entsprechend tritt das Team in der Electric- wie in der Driverless-Kategorie an. Herzstück der intelligenten Steuerung für den autonomen Betrieb ist ein KI-fähiger (Künstliche Intelligenz) Vehicle-Computer der Embedded-Spezialistin Syslogic. Diese tritt als Hardware-Partnerin für das Rennteam auf uns stellt den KI-Computer zur Verfügung.

Die Schnellsten stehen nicht zwingend auf dem Podest
Im Gegensatz zu den meisten Motorsportwettbewerben geht es in der Formula Student nicht allein um die beste Rundenzeit. Um sich einen Podestplatz zu sichern, müssen sich die Teams auch abseits der Rennstrecke beweisen. Dabei wird nicht nur die Konstruktion des Rennwagens, sondern auch der Business-Plan oder die Finanzplanung bewertet. Schlussendlich geht es aber auch in der Formula Student um schnelle Rundenzeiten. In insgesamt vier dynamischen Disziplinen zeigen die Studierenden, was ihre Rennwagen können. Der Höhepunkt in der Kategorie Driverless ist die Disziplin "Track Drive", bei der die Rennwagen zehn Runden auf einem zuvor unbekannten Kurs absolvieren.

LIDAR für die Umgebungswahrnehmung
Aktuell befinden sich die Studierenden von Dynamics e.V. mitten in der Testphase. Nach ersten Tests im Labor und mit einem herkömmlichen Auto wird die neue Technologie aktuell im Rennwagen getestet. Doch wie funktioniert der autonome Rennwagen? Ferdinand Wohlstein, Team Manager Driverless gibt Auskunft. Er sagt: "Vereinfacht gesehen, beschäftigen wir uns mit drei Teilbereichen. Mit Sensorik, Aktorik und mit Software."

Zur Umgebungswahrnehmung setzt das Team LIDAR-Technologie (Light detection and ranging) ein. Dabei werden Laserimpulse ausgesendet, dann wird das zurückgestreute Licht gemessen. Damit lässt sich die Umgebung hochpräzis in einem 3D-Modell erfassen. Für die Farbwahrnehmung der unterschiedlich farbigen Pylonen, mit denen der Rundkurs abgesteckt ist, kommen zusätzlich zwei Kameras zum Einsatz. Deren Bilder werden anschließend durch einen selbst trainierten Algorithmus namens YOLO (You only look once) verarbeitet. Dieser erkennt die Pylonen und deren Farbe.

Die Kamera- und LIDAR-Daten werden fast verzögerungsfrei verarbeitet. Dazu wird ein leistungsstarkes, GPU-gestütztes Embedded-System benötigt. Ferdinand Wohlstein sagt: «Der Syslogic KI-Vehicle-Computer eignet sich mit der Jetson-AGX-Xavier-Plattform und mit dem robusten Design besonders gut für unseren Rennwagen.»

Der Vehicle Computer verarbeitet aber nicht nur die Sensordaten, er handhabt auch die Kommunikation der Kameras und des LIDAR über Ethernet, sowie des GPS über eine USB-Verbindung. Beide Datensätze, die mit LIDAR gemessene Entfernungen und die mit den Kameras gemessenen Farben werden anschließend zu einem gemeinsamen Datensatz verschmolzen. Daraus wiederum wird die Wegplanung und die zu fahrende Linie abgeleitet. Über einen Regler werden die Befehle für die Aktorik formuliert. Diese besteht aus einer zusätzlichen Lenkeinheit und dem bereits bestehenden Antriebsstrang. Die beiden Einheiten kommunizieren über einen CAN-Bus mit dem Syslogic KI-Vehicle-Computer. Die im Vehicle Computer verbaute, hochpräzise GPS- und GNSS-Einheit lässt zudem die punktgenaue Positionsbestimmung des Rennwagens zu. Ferdinand Wohlstein fasst zusammen: «Kurzum ist der Syslogic KI-Vehicle-Computer das Gehirn unseres autonomen Fahrzeugs.» Er empfange Umgebungsdaten, verarbeitet diese und gebe Befehle an die Aktoren, so Wohlstein.

Leistungsstarker KI-Computer steuert den Rennwagen
Hardware-Basis für das Driverless-System ist ein Syslogic KI-Vehicle-Computer RML A3. Dieser basiert auf dem Modul Jetson AGX Xavier™ von NVIDIA®. Mit bis zu 32 TOPS KI-Rechenleistung wertet der Embedded-Computer Sensordaten unterschiedlicher Sensoren parallel und praktisch in Echtzeit aus. Entsprechend eignet er sich zur Objekterkennung, Umgebungswahrnehmung und autonomen Steuerung des Rennwagens. Weil der Vehicle Computer konsequent für den Fahrzeugeinsatz entwickelt und gefertigt wurde, hält er der hohen Schock- und Vibrationsbelastung in Rennwagen problemlos stand.

Raphael Binder, Geschäftsführer von Syslogic sagt: "Wir drücken Dynamic e.V die Daumen für die weitere Testphase und vor allem für die kommende Saison." Er freue sich, dass Syslogic ein innovationsfreudiges Team junger Studierender unterstützen dürfe, so Binder.

Wir werden in unserem Blog und auf unseren Social-Media-Kanälen regelmässig zum Projektstand informieren.

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