Die Idee

FORSCHEN AN DEN
FAHRZEUGEN DER ZUKUNFT

Worum geht es konkret?

Bei der Bewältigung der Herausforderungen, die sich aus einem steigenden Mobilitätsbedarf und der fortschreitenden Urbanisierung ergeben, werden automatisierte elektrische Fahrzeuge eine Schlüsselrolle einnehmen. Sie schaffen die Grundlage für einen nachhaltigen und intelligenten Straßenverkehr, neuartige Mobilitäts- und Transportkonzepte sowie Verbesserungen der Verkehrssicherheit und Lebensqualität in urbanen Räumen.

[Foto: Prof. Dr. Lutz Eckstein]
Prof. Dr. Lutz Eckstein
RWTH Aachen - ika

„In UNICARagil ist es uns erstmalig gelungen, die forschungsstärksten deutschen Universitäten im automatisierten und elektrischen Fahren sowie ausgewählte, hochinnovative Unternehmen in einem Projektkonsortium zu vereinen. Mit Unterstützung des BMBF wollen wir einen substanziellen und nachhaltigen Beitrag dazu leisten, dass auch die Wiege zukünftiger Automobilgenerationen in Deutschland stehen wird.“

Gesamtkoordinator

2018 – 2022

15 Lehrstühle an
8 Universitäten

Im Vorhaben UNICARagil werden, ausgehend von neuesten Ergebnissen der Forschung zum automatisierten und vernetzten Fahren sowie zur Elektromobilität, vollständig fahrerlose elektrische Fahrzeuge entwickelt. Die Grundlage hierfür bildet ein Fahrzeugkonzept, das aus Nutz- und Antriebseinheit besteht. Es soll sich flexibel an vielfältige Anwendungsfälle in Logistik und Personentransport anpassen – insbesondere in Szenarien, in denen der Einsatz fahrerloser, emissionsfreier Fahrzeuge sinnvoll ist.

[Bild: UNICAR<em>agil</em> Autos]

8 Industriepartner, davon 4 KMU

Rd. 26 MIO. €
BMBF-Förderung

Kernelement der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist die funktionale Fahrzeugarchitektur, die mit der Cloud, der Straßeninfrastruktur und einer Sensordrohne vernetzt ist. Weitere Schwerpunkte liegen in der Entwicklung generischer Sensormodule für die Umfelderfassung, einer flexibel erweiterbaren und updatefähigen Software- und Hardware-Architektur sowie hochdynamischen Radnabenantrieben, die völlig neue Bewegungsformen im Straßenverkehr erlauben und die UNICARagil Fahrzeuge besonders wendig machen. Den Abschluss des Projekts bildet eine Demonstration vier verschiedener Anwendungen auf Testfeldern in Deutschland.

[Bild: UNICAR<em>agil</em> Timeline]

Vier Fahrzeuge

vollautomatisiert
und Fahrerlos

Dank der Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung von über 26 Mio. € konnten sich in UNICARagil acht der führenden deutschen Hochschulen im Bereich automatisiertes Fahren gemeinsam mit acht ausgewählten Unternehmen aus der Industrie zusammenschließen, um die ambitionierten Ziele des Projekts erfüllen zu können.

Das Projekt startete im März 2018 und erfuhr große Resonanz aus der interessierten Öffentlichkeit und Presse. In den folgenden vier Jahren werden insgesamt 258 Teil-Arbeitspakete bearbeitet, um vier vollautomatisierte und fahrerlose Fahrzeuge und deren neuartige Architekturen zu entwickeln und aufzubauen.

[Foto: Timo Woopen]
Timo Woopen
RWTH Aachen - ika

„UNICARagil ist einzigartig! Über 100 Wissenschaftler von 23 verschiedenen Partnern arbeiten gemeinsam an einem Ziel: Die Gestaltung der Mobilität von Morgen. Dank der Unterstützung des BMBF können erstmalig die verschiedensten Forschungsbereiche kooperativ und höchst agil an neuartigen Konzepten zum automatisierten und elektrischen Fahren arbeiten. Ich bin froh ein Teil dieses einzigartigen Teams zu sein!“

Projektleiter

Deutschland soll auch in Zukunft der Forschungsstandort rund um das Thema Automobil bleiben

UNICARagil wird im Forschungsschwerpunkt „Disruptive Fahrzeugkonzepte für die autonome elektrische Mobilität (Auto-Dis)“ im Programm „Mikroelektronik aus Deutschland – Innovationstreiber der Digitalisierung“ unterstützt. Ziel ist es, Innovationen für das vollständig automatisierte Fahren der Zukunft (Stufe 5) voranzutreiben, die die evolutionäre Weiterentwicklung des Automobils übertreffen können:
Im Mittelpunkt stehen „disruptive“ Fahrzeugkonzepte, die neueste Technologien der Elektrifizierung und Automatisierung vereinen und die Grundlage für eine intelligente Mobilität, mehr Teilhabe, neuartige Geschäftsmodelle und Dienstleistungen schaffen können.

Das Vorhaben bietet die Chance auf vielfältige Innovationen bei Komponenten und Systemen für automatisierte elektrische Automobile sowie bei der Umsetzung automatisierter Fahrfunktionen. UNICARagil leistet damit einen substantiellen Beitrag zur Steigerung der Innovationskraft am Standort Deutschland im automatisierten elektrischen Fahren. Darüber hinaus werden die interdisziplinäre Forschung, Entwicklung und Lehre an mehreren Wissenschaftsstandorten in Deutschland im Vorhaben systematisch verzahnt und gestärkt.

Das Konzept

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DIE DYNAMIKMODULE

Die Dynamikmodule bilden den wichtigsten Bestandteil für die eigentliche Bewegung der Fahrzeuge. An jeder Fahrplattform einer UNICARagil Fahrzeugausprägung sind vier nahezu identische Dynamikmodule angebracht. Diese haben die Aufgabe die von den verschiedenen Recheneinheiten vorgegebenen Trajektorien umzusetzen. Sie bilden also den direkten Kontakt zur Fahrbahn und sind für die Aufgaben des Lenkens, Antreiben und Bremsens zuständig. Jedes Dynamikmodul ist dabei individuell steuerbar und kann Lenkwinkel von bis zu 90° einstellen. Hierdurch lassen sich völlig neue Bewegungsformen im Straßenverkehr realisieren.

Dafür besteht ein Dynamikmodul aus den Aktuatoren für die Bewegung des Fahrzeugs und dem zugehörigen Steuergerät. Das Rad, die Federung, ein integrierter Radnabenmotor, die Reibbremse und ein Lenkungssteller bilden den mechanischen Teil des Moduls. Beide Elektromotoren haben eine eigene Leistungselektronik, die in der Fahrzeugplattform montiert ist. Darüber hinaus verfügt jedes Dynamikmodul über ein eigenes Steuergerät, welches gemeinsam mit den Steuergeräten der weiteren Dynamikmodule zum Rückenmark verschaltet wird. Auf diesem Steuergerät laufen sämtliche zugehörige Regelalgorithmen.

[Foto: Michael Struth]
Michael Struth
RWTH Aachen - ika

 

„Die innovativen Dynamikmodule integrieren die Funktionen Lenken, Antreiben und Bremsen in einer Einheit, die identisch an jeder „Ecke“ des Fahrzeugs eingesetzt werden kann. Durch die große Zahl an Freiheitsgraden sowie Lenkwinkeln von bis zu 90° werden neuartige Bewegungsformen der Fahrzeuge ermöglicht.“

Alle Regelalgorithmen laufen auf einem Aurix Mikrocontroller mit FreeRTOS, hierbei kann sowohl in Simulink als auch direkt in C-Code implementiert werden. Zusätzlich wird eine Interface-Board entwickelt, das die Verbindung zum Rest des Fahrzeugs übernimmt, hauptsächlich durch den Einsatz von BroadR-Reach-Ethernet. Das Rückenmark kann auch über FlexRay und CAN kommunizieren, da nicht alle Prototypenkomponenten in den Fahrzeugen für den Einsatz von Ethernet vorbereitet sind.

Das Rückenmark repräsentiert die unterste Schicht in der mechatronischen Architektur. Während des Normalbetriebs empfängt es seine Eingänge vom Stammhirn, überprüft, ob sie im Bereich der aktuellen Fähigkeiten liegen und steuert die verschiedenen Aktuatoren. Zusätzlich liefert das Rückenmark ständig Informationen über seine eigenen Fähigkeiten für andere Dienste des Fahrzeugs. Im Falle eines Stammhirnversagens ist das Rückenmark in der Lage, die Signale direkt aus dem Großhirn zu empfangen und das Fahrzeug durch eine eigene Bewegungsstrategie zu steuern, um einer Trajektorienanforderung zu folgen. Während des Inbetriebnahmeprozesses steuert ein menschlicher Fahrer, der Pedale und einen Sidestick bedient, das Fahrzeug. Die Eingabeschnittstellen des Fahrers sind direkt mit dem Rückenmark verbunden, so dass das Fahrzeug auch ohne Stammhirn und Großhirn betrieben werden kann.

DIE PLATTFORM

Ein UNICARagil-Fahrzeug besteht grundsätzlich aus einer Plattform und einem Aufbaumodul. Das Aufbaumodul wird auf die Plattform aufgesetzt und an definierten Punkten fest verbunden. Die Plattform ist daher bereits ohne Aufbaumodul fahrfähig. Dies ist nur dank der integrierten Dynamikmodule sowie der im Boden verbauten Energieversorgung möglich. In UNICARagil werden zwei Plattformgrößen entwickelt, die sich für alle vier Fahrzeugausprägungen verwenden lassen. Schlüssel hierfür ist die hohe Skalierbarkeit und Modularität der Strukturen. Da die Fahrzeuge prototypisch aufgebaut und getestet werden, liegt bei der Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf der strukturellen Sicherheit der Fahrzeuge. Die Plattformstruktur hat wesentlichen Anteil bei der Aufnahme entstehender Lasten.

In UNICARagil verschieben sich die Prioritäten der Anforderungen signifikant. Beispielsweise benötigen die Dynamikmodule wesentlich mehr Platz als in einem modernen Fahrzeug, da sich nur so die Lenkwinkel vergrößern lassen. Auf der anderen Seite soll die Raumausnutzung im Innenraum maximiert werden. Darüber hinaus muss der Einstieg in das Fahrzeug einfach sein und eine hohe Beförderungskapazität erreicht werden. Diese Anforderungen führen zu einer sehr flachen und schlanken Konstruktion, die gleichzeitig ausreichend steif ist, um einen sicheren Fahrbetrieb zu ermöglichen. Die entwickelte Plattformstruktur der UNICARagil-Fahrzeuge kann mit einem Skelett verglichen werden, das die tragende Rolle übernimmt. Neben der Sicherheit im Fahrbetrieb spielt auch die Sicherheit bei Unfällen eine entscheidende Rolle. Ziel ist es, mögliche Intrusionen bei Unfällen auf ein Minimum zu reduzieren. Um die kinetische Energie bei einem Unfall gezielt durch Verformung absorbieren zu können, kommen Crash-Management-Systeme zum Einsatz. Das mechanische Verhalten für unterschiedliche Betriebslasten, Misuse-Fälle und Unfallszenarien wurde eingehend mit dem Simulationsprogramm LS-DYNA untersucht und optimiert.

[Foto: David Merdivan]
David Merdivan
RWTH Aachen - ika

„Dank des automatisierten Fahrens, innovativer Antriebssysteme sowie dem Ziel hoher Modularität und Skalierbarkeit, müssen Anforderungen an die Fahrzeugstruktur in Zukunft neu priorisiert werden. Somit ergeben sich für die Entwicklung von Karosseriestrukturen völlig neue Herausforderungen, die sich nur durch die Entwicklung innovativer Strukturkonzepte bewältigen lassen. UNICARagil zeigt, das Fahrzeug der Zukunft muss ganzheitlich neu gedacht werden.“

Um die Skalierbarkeit umsetzen zu können, wird vor allem auf die Verwendung von Strangpressprofilen aus Aluminium gesetzt. Das ermöglicht eine einfache Skalierung durch die Verlängerung des Plattformmittelteils. Zusammen mit einer signifikanten Nutzung von Gleichteilen, lassen sich dadurch Skalierbarkeit und Modularität bestmöglich umsetzen. Um die Konstruktion möglichst leicht ausführen zu können, besteht sie zu einem großen Teil aus verschiedenen Aluminiumlegierungen sowie kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.

DIE AUFBAUMODULE

Die entwickelte Plattform wir durch das Energiebordnetz, die IT-Infrastruktur, das Thermomanagement sowie ergänzenden Packagekomponenten vervollständigt und bildet die Fahrplattform der 4 Fahrzeugausprägungen. Komplettiert durch eine skalierbare Hutstruktur und modulare Außenpanelle, Türsysteme und Sensormodule werde vier Fahrzeuge aufgebaut. Die Struktur erlaubt eine Skalierung der Fahrzeugabmaße in Länge und Höhe und somit eine Adaption an den jeweiligen Anwendungsfall. Im Rahmen des Projektes UNICARagil werden exemplarisch zwei verschiedene Größen aufgebaut. Auf Basis der großen Ausprägungen werden sowohl das autoSHUTTLE, Ersatz oder Ergänzung des öffentlichen Nahverkehres, als auch das autoCARGO, urbaner Verteilerverkehr, umgesetzt. Um auch für „MobilityOnDemand“ und den privaten Pkw passende Fahrzeuge anbieten zu können, wird die Karosserie in der Länge und der Höhe skaliert und zwei kleinere Derivate der UNICARagil Familie abgeleitet. Das autoTAXI und die autoELF.

[Foto: Torben Böddeker]
Torben Böddeker
RWTH Aachen - ika

„Vom weißen Blatt Papier bis hin zum modularen Baukasten für autonome urbane Mobilität - In UNICARagil haben wir die einmalige Chance das Auto neu zu denken und nutzerzentrierte Mobilitätslösungen für den urbanen Raum von Morgen zu erschaffen. Vom persönlichen Chauffeur bis hin zum vollautomatisierten Paketzusteller.“

Im Kontrast zu aktuellen Privat- und Nutzfahrzeugen werden die Innenräume nicht um die Fahraufgabe herum gestaltet, sondern szenariobasiert speziell für den jeweiligen Anwendungsfall entwickelt. Die Nutzerbedürfnisse werden über Umfragen, Kreativworkshops und Beobachtungen in die frühe Konzeptentwicklung eingebunden und leisten über Zwischenaudits einen kontinuierlichen Beitrag zum Gestaltungsprozess. Die fehlende Fahraufgabe eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten der Innenraumgestaltung, welche so bestmöglich genutzt werden sollen.

DIE SENSORMODULE

Alle Fahrzeugausprägungen verfügen über vier identisch ausgestattete Sensormodule, die an den Ecken der Fahrzeuge verbaut werden. Diese stellen sowohl mechatronisch als auch funktional ein eigenständiges Modul dar und tragen zu einem dienste-orientierten, streng modularen Architekturkonzept in Hardware und Software zur Realisierung vollständig automatisierter, fahrerloser Fahrzeuge für urbane Umgebungen bei.

Jedes der Sensormodule umfasst Radar-Sensorik, Lidar-Sensorik, monokulare und stereoskopische Video-Sensorik sowie eine zughörige Recheneinheit zur Sensordatenverarbeitung. Die Sensorik ist so ausgelegt, dass jedes Modul den horizontalen Sichtbereich von 270° um die jeweilige Fahrzeugecke mit jedem der verschiedenen Sensorprinzipien abdeckt. Die Recheneinheit verarbeitet die Daten aller zum Modul gehörigen