(Teil)Autonome Fahrzeuge müssen genau wissen, wo sie sind. Weil Lidar, GPS, Trägheitsnavigation und Radar jeweils Einschränkungen und Nachteile aufweisen, setzen Fahrzeugentwickler auf die Zusammenarbeit mehrerer Sensoren ("sensor fusion"). Dabei gibt es noch Raum für weitere Ortungsverfahren. Während Forscher des Southwest Research Institute (SwRI) mit Unterbodenkameras den Fingerabdruck des Straßenbelags vergleichen, gehen MIT-Forscher eine Etage tiefer: Sie erfassen Merkmale des Untergrunds mittels Bodenradar.

Die Idee ist die gleiche: Die charakteristischen Merkmale des Untergrunds werden einmal erfasst. Bei der nächsten Fahrt über dieselbe Strecke kann der Computer die aktuelle Messung mit den gespeicherten Daten vergleichen und daraus ziemlich genau ableiten, wo sich das Fahrzeug gerade befindet. Am Lincoln Laboratory des MIT (Massachusetts Institute of Technology) hat ein Team um Byron Stanley ein Bodenradar für Lokalisierungszwecke (Localizing Ground-Penetrating Radar, LGPR) entwickelt.

Auf dem Automated Vehicles Symposium 2016 in San Francisco präsentierte Stanley diese Woche die Forschungsergebnisse seines Teams. Bei Testfahrten mit Fahrtgeschwindigkeiten von bis zu fast 100 km/h schaffte der LGPR eine Ortungsgenauigkeit von 4,3 Zentimetern, gemessen quer zu Fahrtrichtung. Zum Vergleich: Auf denselben Testfahrten wich ein mit einem Trägheitsnavigationssystem gekoppeltes GPS mit WAAS-Korrektur um das Achtfache ab (35 Zentimeter).

Vom US-Militär in Afghanistan eingesetzt

Das "Ranger" genannte Kamerasystem des SwRI dürfte gegenwärtig zwar genauer arbeiten als der LGPR-Prototyp. Doch Radar liefert im Unterschied zur Kamera auch dann brauchbare Daten, wenn die Fahrbahn komplett mit Schnee oder Eis bedeckt ist oder der Straßenbelag erneuert wurde. Auch unbefestigte, schlammige Straßen, an denen das Kamerasystem bald scheitert, sind für das Radar kein Problem. Erst umfassende Veränderungen im Erdreich, etwa nach der (Neu)Verlegung von Rohren, würden eine neuerliche Erfassung der Strecke notwendig machen.

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Präsentationsvideo (Quelle: MIT Lincoln Laboratory)

Denn das Bodenradar kann zwei bis drei Meter tief in den Boden eindringen. Je feuchter oder salzhaltiger das Erdreich ist, desto geringer ist die Messtiefe. Das US-Militär hat frühe Versionen des LGPR bereits in mehreren selbstfahrenden Geräten in Afghanistan zur Navigation eingesetzt und damit tausende Kilometer zurückgelegt. heise online wollte von Stanley wissen, ob mit dem LGPR in Afghanistan auch nach Sprengsätzen gesucht wurde. "Das kann ich Ihnen nicht sagen", lautete die diplomatische Antwort.

Platzproblem

Der silberne Kasten am Unterboden des Testfahrzeugs enthält die zwölf Antennen des Bodenradars. (Bild: MIT Lincoln Laboratory)

Das Lincoln Laboratory hat es geschafft, die Radaranlage mit zwölf Dipolantennen in einen nur 7,6 Zentimeter hohen Kasten zu verpacken. Er ist 152 Zentimeter breit und 61 Zentimeter lang und soll gut 15 Zentimeter Abstand zur Straße haben. Ein geringerer Abstand würde die Bodenfreiheit des Fahrzeugs zu stark reduzieren. Weil zu den gut 15 Zentimetern noch die 7,6 Zentimeter des Antennenkastens dazukommen, kann die Anlage vorerst nur auf Testfahrzeuge mit ordentlicher Bodenfreiheit montiert werden.

Das LGPR funkt im relativ langwelligen Bereich von 100 bis 400 MHz mit nur 40 Mikrowatt. Höhere Frequenzen, wie sie etwa zur Untersuchung des Straßenzustands eingesetzt werden (1-3 GHz), würden bei gleicher Sendeleistung geringere Messtiefen, aber höhere Auflösung bringen. Allerdings würde die höhere Auflösung den Abgleich mit den gespeicherten Kartendaten erschweren.

Zusätzlich müssten die Abstände der Antennen zueinander wesentlich exakter eingehalten werden, was bei den laufenden Erschütterungen schwierig wäre. Unter 100 MHz nimmt wiederum die Antennengröße rasch zu; außerdem gibt es in dem Frequenzbereich weniger markante Reflexionen.

126 Hz und jede Menge Daten

Byron Stanley am Automated Vehicles Symposium 2016 (Bild: Daniel AJ Sokolov)

In dem Prototypen sendet jeweils eine der zwölf Antennen, während die Nachbarantenne empfängt. 126 mal pro Sekunde wird das Array durchlaufen. Ebenso oft lässt sich mit einem haushaltsüblichen Linux-PC die Position bestimmen. Sollten einzelne Frames kein Ergebnis zeitigen, macht das wenig aus. Die Überlappung mit den gespeicherten Referenzdaten sollte, quer zur Fahrtrichtung gemessen, 60 Zentimeter nicht unterschreiten.

Die Datenmenge ist beträchtlich: Das LGPR speichert 535 KByte pro Sekunde. Ohne Oversampling und nach Herausnahme redundanter Bewegungsdaten ließe sich das auf 87 KByte/s reduzieren, sagen die Forscher. Im Vergleich zu den mehreren Megabyte, die ein Lidar pro Sekunde produziert, ist das sehr wenig. Doch für eine umfassende Bodenradar-Straßenkarte der USA müsste das Fahrzeug immer noch deutlich mehr als ein Petabyte Daten mit sich führen. Die gute Nachricht ist, dass ein in Stückzahlen gefertigtes LGPR weniger kosten dürfte als ein Lidar. (ds)