Forschungshighlights des Fraunhofer IVI

Infrastrukturseitige Assistenz für das automatisierte Fahren

Automatisiertes Fahren ist hochkomplex. Zukünftig kann funktional sichere Infrastruktur dazu befähigt werden, eine sichere und effiziente vernetzt-automatisierte Mobilität – Cooperative, Connectetd automated Mobility (CCAM) – zu ermöglichen.

Die Infrastruktur wird Verkehrszustände erfassen und analysieren, um

• in einem ersten Schritt Fahrzeuge via Car2X-Kommunikation zu informieren,
• in einem zweiten Schritt automatisierten Fahrzeugen zu assistieren und letztlich
• in einem dritten Schritt Fahrzeuge aus der Infrastruktur zu steuern.

Durch die nahtlose Integration von konventionellen, vernetzten und automatisierten Fahrzeugen über innovative Basisdienste einerseits und neue Features andererseits wird dieses ambitionierte Ziel mittels kooperativer Lösungen des intelligenten Verkehrs (C-ITS) erreicht. Mit Hilfe der smarten Infrastruktur lassen sich die Einsatzbereiche von Fahrzeugen – Operational Design Domain – besonders in komplexen Umgebungen erweitern.

Das Fraunhofer IVI unterstützt Akteure mit der fachlichen Expertise für C-ITS und CCAM auf dem Gebiet des vernetzt-automatisierten Fahrens, entwickelt und implementiert Services und setzt diese auf einer sicheren und intelligenten Infrastruktur um.

Sogenannte Day1-C-ITS-Services des vernetzten Fahrens, wie der Ampelphasenassistent oder die Beschleunigung des öffentlichen Verkehrs, oder Day1.5-Services, wie die Schutzengelfunktion für gefährdete Verkehrsteilnehmer (VRU), werden erforscht und harmonisiert umgesetzt.

In vielen der Projekte leistet die Infrastruktur Unterstützung bei automatisierten Fahrfunktionen in komplexen Szenarien, damit sie sich evolutionär von nicht-öffentlichen Bereichen in den urbanen Straßenraum entwickeln kann.

Energieautarkes Wohnen auf dem Wasser

Innerhalb des Forschungsvorhabens autartec^® wurden Technologien und deren Gestaltung für autarke Gebäude von insgesamt 15 Projektpartnern aus Südbrandenburg und Ostsachsen entworfen, entwickelt und umgesetzt. Mit den jeweiligen Kompetenzen zu energieeffizientem Auslegen und Bauen, zur Gestaltung hochfunktionaler Produkte und zur Umsetzung dauerhaft schwimmender Häuser in der brandenburgischen Seenlandschaft konnte ein Entwurf realisiert werden, der energieautarkes Wohnen mit Lebenskultur im ästhetischen Raum kombiniert.

Das schwimmende autartec^®-Haus symbolisiert eine freiheitliche und autarke Wohnkultur für drei zusammenhängende Medien- bzw. Energiebereiche: elektrische Energie, thermische Energie und wassertechnische Aufbereitung. Architektonisch spiegeln sich die jeweiligen Autarkiebereiche am Gebäude in unterschiedlichen und sich durchdringenden Kuben wider. Das skulpturale Erscheinungsbild des Baukörpers ist topologisch in Flächen gegliedert, die für den spezifischen Energieertrag jeweils optimal ausgerichtet sind. Schwerpunkte der Forschungsarbeiten am Fraunhofer IVI bildeten strukturintegrierte Speicherelemente, bei deren Entwicklung langjährige Erfahrungen im Bereich der Batterieentwicklung einflossen. Um Platz zu sparen, wurden diese Batteriesysteme in die Treppenelemente eingebaut. Des Weiteren arbeitete das Institut an der effizienten Bereitstellung und dem bedarfsorientierten Management von Wärme und Kälte im Gebäudekomplex.

Nach einer 5-jährigen Entwicklungszeit wurde das autartec^®-Haus im Frühjahr 2019 feierlich eingeweiht. Das schwimmende Gebäude bietet gute Chancen, als Kristallisationskeim für weitere Aktivitäten zu neuen Lebensformen auf dem Wasser und dem Land zu fungieren. Mit dem Standort am Bergheider See in der Lausitz trägt das Konzept zudem zur zukunftsorientierten Neugestaltung ehemaliger Bergbaulandschaften bei.

ALBACOPTER^® – Experimental Vertical Take-Off and Landing Glider

Teile des städtischen Verkehrs in die Luft zu verlagern, ist längst kein Zukunftstraum mehr. Innerhalb des Fraunhofer-Leitprojekts ALBACOPTER^® soll unter Leitung des Fraunhofer IVI eine fliegende Experimentalplattform mit der VTOL-Fähigkeit eines Multicopters und den aerodynamischen Vorzügen eines Gleiters entwickelt und für Test- und Demonstrationsflüge zugelassen werden. In das ambitionierte Forschungsvorhaben bringen sechs Fraunhofer-Institute ihre Kompetenzen und Technologien aus den Bereichen Mobilität, Materialwissenschaften, Energie- und Antriebstechnik, Mechatronik, Mikroelektronik, Sensor-, Kommunikations- und Automatisierungstechnik, Künstlicher Intelligenz sowie Produktionstechnik ein.

Ziel ist es, mit dem ALBACOPTER^®-Konzept innovative Technologieansätze zu entwickeln, die die Vorteile agiler Multicopter mit der Effizienz von Gleitern zusammenführen und zudem eine Skalierbarkeit aufzeigen. Der ALBACOPTER^® soll eine Experimentalplattform werden, die Innovationen validiert und demonstriert.

Im Fokus der Arbeiten stehen Themenstellungen wie

• die Steigerung der Energieeffizienz des elektrischen Fliegens,
• die Einführung einer smarten Transportbox-Logistik,
• die Entwicklung serienfähiger Fertigungstechnologien für Drohnenflugkörper und Strukturkomponenten aus recyclefähigem faserverstärkten Thermoplastmaterial
• die Entwicklung KI-basierter Verfahren zur autonomen Flugüberwachung und Fluglageregelung in kritischen Flugphasen.

Nach erfolgreicher Validierung des Systemkonzepts an wirtschaftlich sinnvollen Skalierungen wird eine Innovationsplattform geschaffen, die der experimentellen Erprobung des Fluggerätekonzeptes dient.

Mit dem ALBACOPTER^® würde Fraunhofer erstmals ein experimentelles Fluggerät zur Verfügung stehen, mit dessen Hilfe ein breites Spektrum an Hightech-Entwicklungen für die UAM nicht nur getestet, sondern auch öffentlichkeitswirksam präsentiert werden können.

Mobilität in Katastrophensituationen – MobiKat^®

In der Gefahrenabwehr müssen ständig komplexe strategische und operative Entscheidungen gefällt werden. Das gilt für Großschadenslagen und Großveranstaltungen ebenso wie für den alltäglichen Einsatz. Um diese Prozesse wirksam zu unterstützen, hat das Fraunhofer IVI in Zusammenarbeit mit Experten und Einsatzkräften der Feuerwehr, des Rettungsdienstes und der Polizei die Technologie MobiKat^® entwickelt.

MobiKat^® hilft Stäben, Einsatzleitung und Einsatzkräften vor Ort. Das universelle IT-System bietet Funktionen wie Infrastrukturdarstellung, optimierte Ressourcenauswahl und Einsatzplanung für Feuerwehr-, Rettungsfahrzeuge, Disposition und Routenplanung oder Brandschutzbedarfsplanung und ermöglicht eine Lagevisualisierung und Entscheidungsunterstützung in Echtzeit. Zur Gewinnung von Live-Informationen aus gefährdeten Bereichen wurden autonome Kameras mit drahtloser Datenübertragung entwickelt und mehrfach eingesetzt. Diese verfügen über eine autarke Stromversorgung für mehrere Tage, sind fernsteuerbar sowie mit 18-fachem Zoom ausgerüstet. Auch im Bereich Prävention unterstützt das System Behörden bei der Analyse, Risikobewertung und Konzepterstellung. MobiKat^® hat sich bereits vielfach im Praxistest bewährt – bei Großveranstaltungen, Gefahrensituationen sowie Naturkatastrophen.

Autonomer Feldroboter CERES

Die Automatisierung mittels Feldrobotik ermöglicht eine kontinuierliche und lokal aufgelöste Erfassung von Sensordaten für die Optimierung landwirtschaftlicher Arbeitsprozesse. Hierfür wurde innerhalb des Fraunhofer-Leitprojekts »Cognitive Agriculture« (COGNAC) der Feldroboter CERES – »Cognitive Electrical Robot Environment System« am Fraunhofer IVI entwickelt. CERES verfügt über einen rein elektrischen Antriebsstrang und wird mit dem der Use Case »chemiefreie Beikrautregulierung« demonstriert. Für eine effizientere, ökologischere sowie ökonomisch nachhaltigere Landwirtschaft muss der Einsatz von chemischem Pflanzenschutz reduziert werden. Dieser einhergehende Pflegeaufwand ist prädestiniert für den im Schwarm agierenden

Feldroboter. CERES dient darüber hinaus als Sensorträgerplattform zur Überführung von Daten auf die Plattform »Agricultural Data Space« und zur Entwicklung und Erprobung von kognitiven Diensten, wie die Anwendungsentwicklung für Hyper- und Multispektralsensorik, Auto-Machine-Learning für effiziente Bilddatenauswertungen und Sensor-Datenfusion.

Für einen vollelektrischen 24/7-Feldbetrieb entstand eine automatisierte Nachladelösung: eine auf einem Anhänger installierte Ladestation mit Kontaktsystem, die von einem im Schwarm agierenden autonomen Feldroboter automatisiert befahren und zum Nachladen genutzt werden kann. Die Ladestation eignet sich dabei für 400 V Drehstromnetze. Das Schnellladesystem kann aber zukünftig auf größere Ladeleistungen von > 1 MW skaliert werden. Das komplette Nachladesystem ist im Außenbereich und im landwirtschaftlichen Umfeld uneingeschränkt einsetzbar.

Im Rahmen von COGNAC wurde ein spezieller Pfadplaner auf Feldfahrten innerhalb der verwendeten Saatreihen entwickelt und das am Fraunhofer IVI entwickelte Automatisierungssystem helyOS^® auf dem Feldroboter erprobt. helyOS^® ist ein Control-Tower-Framework zur schnellen und effizienten Entwicklung von Leitsteuerungen in zahlreichen Anwendungsfeldern, wie der Landwirtschaft.

Das Projekt leistet einen wesentlichen Beitrag zur

• Erkenntnisübermittlung zum Unterflurkontaktsystem
  • auf weitere Fahrzeugtypen, wie Nutzfahrzeuge und Pkw sowie
  • zur Nutzung in weiteren Feldrobotern, wie dem »Elwobot« der TU Dresden
• Erprobung der helyOS®-Schwarmfunktionalitäten mit CERES sowie den autonomen Feldschwarm®-Einheiten,
• Überführung der entwickelten kognitiven Dienste auf weitere Nutzpflanzen und
• Weiterentwicklung der Sicherheit autonomer Feldeinheiten und deren Betrieb in der Landwirtschaft.

Datenräume für Mobilitätsdaten

Der Mobility Data Space (MDS) bildet in Deutschland das zentrale Daten-Ökosystem der Mobilitätsbranche und vereint Unternehmen, Organisationen und Institutionen, um ihre Daten für die Mobilität der Zukunft gemeinsam zu bewirtschaften. Im Bereich der Datensouveränität bietet der Mobility Data Space neuartige technische Konzepte, mit denen auch sensible Mobilitätsdaten vertrauenswürdig verwertet werden können. Auf diese Weise wird es erstmals möglich, bisher ungenutzte Datensilos für eine umwelt- und nutzerfreundlichere, sicherere und faire Mobilität bereitzustellen.

Der MDS ist ein offener Datenraum, der über den sicheren Austausch hinaus die Erschließung verkehrlicher Echtzeitdaten und sensibler Mobilitätsdaten ermöglicht sowie existierende Datenplattformen, wie die Mobilithek, die HERE-Plattform oder den CARUSO Dataplace, miteinander vernetzt. So können in Zukunft flächendeckende Mobilitätsdaten auf nationaler Ebene bereitgestellt werden. In Kooperation mit den Fraunhofer-Instituten AISEC, FIT, IAIS, IML und ISST entwickelte das Fraunhofer IVI die technische Plattform und betrieb den Datenraum in seiner Aufbauphase.

Basierend auf der dezentralen Systemarchitektur der International Data Spaces Association e. V. bietet der Mobility Data Space ein Ökosystem, in dem Datengeber festlegen und kontrollieren können, unter welchen Bedingungen ihre Daten durch andere Akteure genutzt werden. Das schafft Datensouveränität und Vertrauen und gibt Nutzern Sicherheit über die Herkunft und Qualität der Daten. Mit der Verknüpfung von öffentlichen und privatwirtschaftlichen Daten über regionale und nationale Datenplattformen wird der Mobility Data Space zum digitalen Vertriebskanal für datengetriebene Geschäftsmodelle und entfaltet völlig neue Möglichkeiten der Datenerschließung, -verknüpfung und -verwertung.