Entwurf und Entwicklung virtuell erweiterter Testfelder zur Erprobung hochautomatisierten Fahrens im urbanen Umfeld

Automatisiertes Fahren durchdringt immer mehr Anwendungsfelder, wie den Individualverkehr, den ÖPNV oder auch die Logistik. Fahrerassistenzsystemen, die einen Fahrer in Teilen der Fahraufgabe entlasten, und hochautomatisierten Fahrfunktionen, die den Fahrer gänzlich ersetzen sollen, liegt dabei dasselbe charakteristische Wirkprinzip zugrunde. Deren bisheriger Entwicklungsprozess sieht eine sukzessive Erprobung von den Komponenten einer Fahrfunktion bis hin zur Systemebene des Gesamtfahrzeugs vor. Dabei werden mehr und mehr Komponenten schrittweise in virtuellen Simulationen, auf Prüfständen und schließlich in der Felderprobung abgesichert.
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In den letzten Jahren sind in der Forschung Konzepte für smarte Infrastrukturen für Prüfgelände und Testfelder im öffentlichen Verkehrsraum aufgekommen. Diese bieten einen vielversprechenden, bisher ungehobenen Ansatz, um durch eine virtuelle Erweiterung mit virtuellen Zwillingen neuartige Testsystemkonzepte zu entwerfen.
Die vorliegende Arbeit entwirft ein solches flexibles und skalierbares Testsystem mittels smarter Infrastruktur für Prüfgelände und Testfelder, um urbane Testszenarien bei gleichzeitiger Gewährung von Kriterien wie Beobachtbarkeit und Kontrollierbarkeit zu erzeugen. Dabei wird untersucht, welche Variationen einer statischen Verkehrsszenerie, des Verhaltens vulnerabler Verkehrsteilnehmer und insbesondere der Zuführung einer virtuell erweiterten Umgebung an die Fahrfunktion erfolgen können und wie sich diese einheitlich modellieren lassen.
Das vorgestellte Testsystem gründet dabei auf einem Metamodell, welches die Instantiierung verschiedener Testsystemkonfigurationen ermöglicht. Hierzu werden Augmentierungsgrade vorgestellt, die kategoriespezifisch eine Bewertung der verwendeten Modelle zwischen Realität und Virtualität erlauben. Daraus abgeleitete Beiträge umfassen das Fähigkeitenmodell für Prüfgelände und Testfelder, die immersive Einbindung von vulnerablen Verkehrsteilnehmern, die Augmentierung von Sensor- und Umweltmodellen entlang verschiedener Injektionspunkte, sowie das Konzept eines verteilten Testsystems. Die empirische Evaluation mit Versuchsträgern im Testfeld Autonomes Fahren Baden-Württemberg erlaubt die Bewertung der vorgestellten Verfahren.

Automated driving is advancing in more and more areas of application, such as private transport, public transport and logistics. Advanced driver assistance systems that relieve the driver of parts of the driving task, and highly automated driving functions, which are intended to replace the driver entirely, are based on the same operating principle. The development process involves successive testing from the components of a driving function to the system level of the entire vehicle. More and more components are gradually being tested in virtual simulations, on test benches and finally in field trials.
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In recent years, concepts for smart infrastructure have emerged in research along with proving grounds and test areas in public traffic. These offer a promising, previously unrealised, approach to develop new test system concepts by means of virtual extension with virtual twins.
This thesis presents such a flexible and scalable test system using smart infrastructure for proving grounds and test fields in order to realize urban test scenarios while at the same time guaranteeing criteria such as observability and controllability. This involves investigating which variations of a static traffic environment, vulnerable road user behaviour and, in particular, the transfer of a virtually extended environment to the driving function can be carried out and how these can be modelled uniformly.
The test system presented is based on a meta-model that enables the instantiation of different test system configurations. For this purpose, augmentation ratios are introduced, which allow a category-specific evaluation of the models used between reality and virtuality. Contributions derived from this include the capability model for proving grounds and test areas, the immersive integration of vulnerable road users, the augmentation of sensor and environmental models along different injection points and the concept of a distributed test system. The empirical evaluation with experimental vehicles in the Test Area Autonomous Driving Baden-Württemberg allows the evaluation of the presented contributions.