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Selbstfahrende Elektrofahrzeuge stehen auf dem Weg zur Zuverlässigkeit immer noch vor steilen Hügeln. Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums und der Western Michigan University arbeiten zusammen, um Lösungen außerhalb des Autos voranzutreiben: Sensoren und Verarbeitung, die in die Straßeninfrastruktur eingebettet sind.

ORNL-Forscher haben es ermöglicht, dass standardmäßig erhöhte Fahrbahnmarkierungen GPS-Informationen übertragen, die dazu beitragen, dass autonome Fahrfunktionen in abgelegenen Gebieten oder bei schlechtem Wetter besser funktionieren. Bildnachweis: Carlos Jones/ORNL, US-Energieministerium

In Zusammenarbeit mit Partnern platzieren ORNL-Ingenieure Sensoren mit geringer Leistung in den reflektierenden erhöhten Fahrbahnmarkierungen, die bereits verwendet werden, um Autofahrern bei der Identifizierung von Fahrspuren zu helfen. Laut einem Artikel in IEEE Sensors von ORNL-Forscher Ali Ekti und Hauptautor Sachin Sharma von der WMU übermitteln Mikrochips in den Markierungen Informationen über die Straßenform an vorbeifahrende Autos. Sie sind selbst dann effektiv, wenn Fahrzeugkameras oder Laserfernsensoren namens LiDAR aufgrund von Nebel, Schnee, Blendung oder anderen Hindernissen unzuverlässig sind.

„Wir arbeiten daran, autonome Fahrfunktionen in entlegeneren Gebieten präzise und sicher zu machen“, sagte Ekti. „Und wir tun dies, indem wir eine Scheininfrastruktur in etwas mit viel mehr Nutzungsmöglichkeiten umwandeln.“

Die Technologie liefert nicht nur genauere Informationen über die Fahrumgebung, sondern verlagert auch einen Teil der Verarbeitungslast von der Software des Autos auf die Infrastruktur. Dadurch wird die Batterieleistung von Elektrofahrzeugen gespart, die Reichweite erhöht und eine breitere Akzeptanz von Elektrofahrzeugen gefördert. Im Vergleich zu einer führenden Kamera und LiDAR-basierten autonomen Fahrtechnologie können die Chip-fähigen Fahrbahnmarkierungen den Navigationsstromverbrauch um bis zu 90 % senken, berichten die Autoren in einem Fachartikel.

Die Technologie hat Potenzial für den Einsatz nicht nur bei den selbstfahrenden Fahrzeugen von morgen, sondern auch bei den heute üblichen autonomen Fahrfunktionen wie dem Spurassistenten.

Die Bemühungen sind Teil eines größeren Projekts unter der Leitung der WMU, das mit Forschungs- und Industriepartnern zusammenarbeitet, um entsprechende Sensor- und autonome Fahrtechnologien wie Radar-Retroreflektoren, hochauflösende Kartierung, rechnergestütztes Offloading und Wettersensorik zu entwickeln. WMU-Forscher nutzen auch ein Fahrzeug, das auf einer geschlossenen Strecke fährt, um die durch diese Technologien ermöglichte Reduzierung des Fahrzeugenergieverbrauchs zu messen, sagte Zachary Asher, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Direktor des WMU Energy Efficient and Autonomous Vehicles Lab.

ORNL-Forscher experimentierten, um die beste Kombination aus Transceiver, Batterie und Antenne für das Sensorpaket in Standard-Straßenmarkierungen sowie solchen zu finden, die Schneepflügen standhalten sollen. Anschließend nutzten sie ein Kommunikationsprotokoll, bei dem bis zu 50 Mal pro Sekunde über ein bestimmtes Funkfrequenzspektrum gesprungen wird. „Es ist schwer zu erkennen, funktioniert gut gegen Störungen, ist kostengünstig und verbraucht nicht viel Strom“, sagte Ekti. Durch Anpassungen an der Ausrüstung könnte sichergestellt werden, dass die Batterie den gleichen Austauschzyklus durchhält wie die Fahrbahnmarkierungen, normalerweise ein Jahr.

Ektis Team entwickelte Algorithmen, die die GPS-Koordinaten von Fahrspurmarkierungen triangulieren, um ein Bild des befahrbaren Bereichs zu rekonstruieren. Ein Algorithmus ist in einen Mikrochip im Inneren der Fahrbahnmarkierung eingebettet, während ein Dekodierungsalgorithmus in die Software des Fahrzeugs integriert ist.

ORNL-Forscher testeten die Sensorplattform unter verschiedenen Wetterbedingungen und in einem abgelegenen Nationalpark in Montana ohne drahtlosen Zugang. Sie fanden heraus, dass es mehr als fünfmal über das ursprüngliche 100-Meter-Ziel hinaus sendet.

„Es ist erstaunlich, wie weit es übertragen kann – über Hügel, im Schnee. Das ist eine große Sache“, sagte Asher. „Bei jedem Schritt sind wir überrascht, wie gut diese Technologie funktioniert, und wir finden einige wirklich coole Möglichkeiten, sie zu integrieren.“

Die Sensoren könnten auch vorübergehende Spurverschiebungen oder Sperrungen in Baustellen melden, wenn hochauflösende Karten möglicherweise veraltet sind. Markierungssensoren könnten schließlich Informationen über Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Verkehrsaufkommen übermitteln, sagte Ekti. Das Projektteam plant, gemeinsam mit Studierenden einen kleineren Mikrochip für die Marker als Ersatz für teurere Standardprodukte zu bauen.

Asher plant Straßendemonstrationen für Interessenvertreter, darunter die Verkehrsministerien von Tennessee und Michigan, das Michigan Office of Future Mobility und die Stadt Chattanooga. Diese Regierungsbehörden entscheiden, welche Technologien in der Infrastruktur implementiert werden, daher ist ihre Beteiligung am Entwicklungsprozess von entscheidender Bedeutung, sagte Asher.

Risikokapitalgeber und das Silicon Valley betrachteten selbstfahrende Fahrzeuge typischerweise als Softwareproblem, sagte Asher. „Im Nachhinein von 10 Jahren hochfinanzierter Entwicklung wissen wir jetzt, dass Software und Kameras allein keine einfache Lösung darstellen“, sagte er. „Vielleicht ist ein geduldigerer Ansatz, bei dem infrastrukturbasierte Hardware in Abstimmung mit staatlichen Verkehrsbehörden eingesetzt wird, der Weg zu unfallfreien Fahrzeugen, die tatsächlich Energie nachhaltig verbrauchen.“

Ein Teil der ORNL-Forschung wurde am National Transportation Research Center des DOE durchgeführt. Das Vehicle Technologies Office des DOE-Büros für Energieeffizienz und erneuerbare Energien stellte die Finanzierung bereit. Zu den mitwirkenden ORNL-Forschern gehören Ross Wang, Jason Richards, Elizabeth Piersall, David Pesin, Ozgur Alaca und Shean Huff.

UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des DOE, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science

Ursprünglich veröffentlicht vom Oak Ridge National Laboratory.

Die Mission des US-Energieministeriums besteht darin, Amerikas Sicherheit und Wohlstand zu gewährleisten, indem es seine energie-, umwelt- und nuklearen Herausforderungen durch transformative wissenschaftliche und technologische Lösungen angeht. Erfahren Sie mehr.

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