Problemstellung

Ob BMW, VW oder Google: Nahezu alle führenden Automobilkonzerne und Technologieunternehmen forschen und entwickeln an der mehrstufigen Autonomie der Fahrzeuge, die in Autonomiestufe Level 5 ein vollständig selbstfahrendes Fahrzeug ohne Fahrer ermöglicht. Der Fahrer hatte bis dato aufgrund seiner Einschätzung und Erfahrung eine Detektion der Umwelt, eine Lokalisation sowie optimale Steuerung des Fahrzeugs vorgenommen. Durch den Wegfall des Fahrers entstehen zahlreiche Herausforderungen bei der Entwicklung von Level 5 Fahrzeugen.

Idee

Mit Beginn der dritten Formel E-Serie findet eine weitere Supportserie namens Roborace auf den aktuell von der Formel E genutzten Strecken statt. Ziel von Roborace ist es, die erste Rennserie für elektrische autonome Fahrzeuge anzubieten. Die Teams, die an diesem Wettbewerb teilnehmen, entwickeln nur die Software für die bereitgestellten autonomen Autos (Robocars). 

Die Technische Universität München (TUM) hat sich entschieden, an dieser Rennserie mit einem eigenen Team teilzunehmen, das auf dem Wissen verschiedener Institute basiert. Das Team will verschiedene Funktionen für den Betrieb des autonomen Rennautos entwickeln und diese anschließend evaluieren.

Ziele

Das Ziel des Projektes TUM-Roborace ist die Entwicklung einer Software, welche ein autonomes Level-5 Fahrzeuge im fahrdynamischen Grenzbereich auf der Strecke bewegen kann. Um dieses Ziel zu erreichen, werden durch die einzelnen Teammitglieder Teilprojekte bearbeitet, die jeweils einen Beitrag zur gesamten Softwarearchitektur des Fahrzeugs liefern. Der Fokus bei der abschließenden realen Integration und den Tests im Robocar liegt allen voran auf der Evaluierung der Echtzeitfähigkeit, Performance und Ausfallsicherheit (Absicherung) der Algorithmen. Dadurch können die gewonnenen Erfahrungen genutzt und abschließend Aussagen für den weiteren Einsatz der entwickelten Funktionen in autonomen Serienfahrzeugen getroffen werden.

Folgende Teilprojekte werden im Rahmen des TUM-Roborace Projektes durchgeführt:

Ergebnisse 

2018

Gewinner der "Human + Machine Challenge" zusammen mit Errolson Hugh:

2019 (Season Alpha)

  • 2. Platz - Roborace Season Alpha Event 1 - Circuito Monteblanco
  • Pole Position - Roborace Season Alpha Event 2 - Autodromo di Modena
  • 1. Platz - Roborace Season Alpha Event 5 - Circuit de Croix-en-Ternois/France
  • 2. Platz - Roborace Season Alpha Event 6 - Circuit de Croix-en-Ternois/France

Veröffentlichungen

Betz, J.; Wischnewski, A.; Heilmeier, A.; Nobis, F.; Stahl, T.; Hermansdorfer, L.; Lohmann, B.; Lienkamp, M.; „What can we learn form autonomous level 5 Motorsport?“ at the 10th international Chassis Symposium “Chassis.Tech Plus 2019”, Munich, Juni 2018, doi: 10.1007/978-3-658-22050-1_12

Heilmeier, A.; Graf, M.; Lienkamp, M.;"A Race Simulation for Strategy Decisions in Circuit Motorsports" at the 21th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC) 2018, Hawaii, October 2018,doi: 10.1109/ITSC.2018.8570012

Heilmeier, A.; Wischnewski, A.; Hermansdorfer, L.; Betz, J.; Lienkamp, M.; Lohmann, B.:"Minimum curvature trajectory planning and control for an autonomous race car" in Vehicle System Dynamics -  International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, pp. 1–31, June 2019, doi: 10.1080/00423114.2019.1631455

Stahl, T.; Wischnewski, A.; Betz, J.; Lienkamp, M: “ROS-based localization of a race vehicle at high-speed using LIDAR“ in E3S Web of Conferences, vol. 95, p. 4002, 2019, doi: 10.1051/e3sconf/20199504002

Betz, J.; Wischnewski, A.; Heilmeier, A.; Nobis, F.; Stahl, T.; Hermansdorfer, L.; Lienkamp, M.; „A Software Architecture for an Autonomous Racecar“ at the 89th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Spring), Kuala Lumpur, 2019, doi: 10.1109/VTCSpring.2019.8746367

Nobis, F.; Betz, J. ; Hermansdorfer, L.; Lienkamp, M.: “Autonomous Racing: A Comparison of SLAM Algorithms for Large Scale Outdoor Environments“ in Proceedings of the 2019 3rd International Conference on Virtual and Augmented Reality Simulations - ICVARS ’19, 2019, doi: 10.1145/3332305.3332319

Palafox, P.;  Betz, J.; Nobis, F.; Riedl, K.; Lienkamp, M.:  "Fusing Semantic Segmentation and Monocular Depth Estimation for Enabling Autonomous Driving in Roads Without Lane Lines" in Sensors, vol. 19, no. 14, p. 3224, Jul. 2019,  doi: 10.3390/s19143224

Heilmeier, A.; Geisslinger, M.; Betz, J.;"A Quasi-Steady-State Lap Time Simulation for Electrified Race Cars" at the 14th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER2019), Monaco, 2019, doi: 10.1109/EVER.2019.8813646

Wischnewski, A.; Stahl, T.; Betz, J.; Lohmann, B.; „Vehicle Dynamics State Estimation and Localization for High Performance Race Cars “ IFAC-PapersOnLine, vol. 52, no. 8, pp. 154–161, 2019, doi: 10.1016/j.ifacol.2019.08.064

Stahl, T.; Wischnewski, A.; Betz, J.; Lienkamp, M: “Multilayer Graph-Based Trajectory Planning for Race Vehicles in Dynamic Scenarios“ in 2019 IEEE Intelligent Transportation Systems Conference (ITSC), 2019, doi: 10.1109/ITSC.2019.8917032

Hermansdorfer, L.; Betz, J.; Lienkamp, M: “ A Concept for Estimation and Prediction of the Tire-Road Friction Potential for an Autonomous Racecar“ in 2019 IEEE Intelligent Transportation Systems Conference (ITSC), 2019, doi: 10.1109/ITSC.2019.8917024

Herrmann, T.; Christ, F.; Betz, J.; Lienkamp, M: “Energy Management Strategy for an Autonomous Electric Racecar using Optimal Control “ in 2019 IEEE Intelligent Transportation Systems Conference (ITSC), 2019, doi: 10.1109/ITSC.2019.8917154

Wischnewski, A.; Betz, J.; Lohmann, B.: “A Model-Free Algorithm to Safely Approach the Handling Limit of an Autonomous Racecar“ in 2019 IEEE International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE 2019), Graz, Austria , 2019, doi: 10.1109/ICCVE45908.2019.8965218

Betz, J.; Wischnewski, A.; Heilmeier, A., Nobis, F.; Stahl, T.; Hermansdorfer, L.; Herrmann, T.; Lienkamp, M.;: “A Software Architecture for the Dynamic Path Planning of an Autonomous Racecar at the Limits of Handling“ in 2019 IEEE International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE 2019), doi: 10.1109/ICCVE45908.2019.8965238

Nobis, F.; Geisslinger, M.; Weber, M.; Betz, J.; Lienkamp, M.: "Learning-based Radar and Camera Sensor Fusion Architecture for Object Detection," in 2019 Sensor Data Fusion: Trends, Solutions, Applications (SDF), doi: 10.1109/SDF.2019.8916629

Christ, F.; Wischnewski, A.; Heilmeier, A.; Lohmann, B.: "Time-Optimal Trajectory Planning for a Race Car Considering Variable Tire-Road Friction Coefficients" in  Vehicle System Dynamics - International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, doi: 10.1080/00423114.2019.1704804

Betz, J.; Heilmeier, A.; Wischnewski, A.; Stahl, T.; Lienkamp, M.;: “Autonomous Driving - A Crash Explained in Detail“ in Applied Sciences, vol. 9, no. 23, p. 5126, Nov. 2019, https://doi.org/10.3390/app9235126

Stahl, T.; Betz. J; Diermeyer, F. : “Runtime Verification Concept for Autonomous Vehicles – Exemplary Study for the Planning Module of an Autonomous Race Vehicle“ in 23rd IEEE International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), September 2020, Rhodes, Greece, accepted, Fulltext (Preprint)

Nobis, F.; Betz. J; Lienkamp, M.: “Exploring the Capabilities and Limits of 3D Monocular Object Detection - A Study on Simulation and Real World Data“ in 23rd IEEE International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), September 2020, Rhodes, Greece, accepted, Fulltext (Preprint)

Herrmann, T.; Passigato, F.; Betz. J; Lienkamp, M.: “Minimum Race-Time Control-Strategy for an Autonomous Electric Racecar“ in 23rd IEEE International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), September 2020, Rhodes, Greece, accepted, Fulltext (Preprint)

Stahl, T.; Betz. J: “A Scenario Generator for Evaluating Path Planning Algorithms for Autonomous Driving” in 15th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER2020), May 2020, Monaco, France, accepted, Fulltext (Preprint)

Nobis, F.; Papanikolaoi, O.; Betz, J.; Lienkamp, M: “Persistent Map Saving for Visual Localization for Autonomous Vehicles: An ORB-SLAM Extension” in 15th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER2020), May 2020, Monaco, France, accepted, Fulltext(Preprint)

Hermansdorfer, L.; Betz, J.; Lienkamp, M: “Benchmarking of a software stack for autonomous racing against a professional human race driver” in 15th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER2020), May 2020, Monaco, France, accepted, Fulltext(Preprint)

Heilmeier, A.; Graf, M.; Betz, J.; Lienkamp, M.: “Monte Carlo Simulation of Random Race Events in a Race Simulation for Circuit Motorsports” in Applied Sciences, doi: https://doi.org/10.3390/app10124229

Wischnewski, A.; Betz, J.; Lohmann, B.: „Real-Time Learning of Non-Gaussian Uncertainty Models for Autonomous Racing“ in 59th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Jeju Island, Republic of Korea, December 2020, accepted

Herrmann, T.; Wischnewski, A.; Hermansdorfer, L.; Betz, J.; Lienkamp, M.: „Real-Time Adaptive Velocity Optimization for Autonomous Electric Race Cars“ in IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, under Review

Hermandorfer, L.; Trauth, R.; Betz, J.; Lienkamp, M.: „End-to-End Neural Network vor Vehicle Dynamics Modeling“ in 3rd IEEE Conference on Optimization and Modeling of Complex Systems, Agadir, Morocco, December 2020, under review

Präsentationen

Matlab Expo: A Real-Time Simulation Environment for Autonomous Vehicles in Highly Dynamic Driving Scenarios

Nvidia GTC 2018 Munich: Roborace: A Case Study in Collaboration

Münchner Wissenschaftstage: Autonomes Fahren und die neuen Arbeitswelten – das Beispiel Roborace

Software

Ihr findet den kompletten Software Stack, der von uns entwickelt wurde und mit welchem wir das Robocar betreiben, in unseren Github Repositories:

TUM Roborace Github Repository (Regler)

TUM Roborace Github Repository (Rennlinienoptimierung)

TUM Roborace Github Repository (Funktionen für die Trajektorienplanung)

Sponsoring

Das TUM Roborace Team wird in diesem Forschungsvorhaben von zahlreichen Unternehmen sowie Fördergebern unterstützt, welche im nachfolgenden aufgelistet werden: