Kamerabasierte Fahrerassistenzsysteme in der Simulation

Fischauge sieht alles

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Moderne Fahrerassistenzsysteme nutzen neben Radar-, Lidar- und Ultraschallsensoren verstärkt Kameras, um ein umfassendes Bild der Fahrzeugumgebung zu gewinnen. Dank der Erweiterungen in der Integrations- und Testplattform Carmaker von IPG Automotive können kamerabasierte Systeme sowie die Algorithmen zur Sensordatenfusion im virtuellen Fahrversuch praxisnah validiert werden – und zwar durchgängig in MIL-, SIL- und HIL-Tests.

Dieser Beitrag stammt von der IPG Automotive GmbH, Karlsruhe

Die Vision vom unfallfreien Fahren ist ein wichtiger Innovationstreiber der aktuellen Fahrzeugentwicklung. Um Unfälle zu verhindern, warnen Fahrerassistenzsysteme (FAS) vor möglichen Gefahren und greifen, wenn nötig, aktiv in die Fahrzeugführung ein. Voraussetzung hierfür ist eine genaue Erfassung des Fahrzeugumfelds. Neben den bekannten Fahrzeugsensoren Radar, Lidar und Ultraschall kommen auch kamerabasierte Sensoren, wie Mono-, Stereo- und Tiefenkameras zum Einsatz. Beispiele hierfür sind die Erkennung von Verkehrszeichen für adaptive Geschwindigkeitsregelsysteme oder die Erkennung von Fahrspuren für Spurhalteassistenten. Hinzu kommen extreme Weitwinkel-Kameras mit Fischaugen-Objektiven, die für eine Rundumsicht im Nahbereich sorgen und u.a. für Einparkassistenten genutzt werden.
Neueste FAS fusionieren diese Informationen der verschiedenen Sensoren und Kameras. Durch diese Datenfusion wird beim Erfassen des Umfelds eine völlig neue Dimension erreicht: die Vorteile der verschiedenen Sensortechnologien ergänzen sich und ermöglichen eine noch genauere Interpretation der Verkehrs- und Fahrzeugsituation. Damit können Assistenzsysteme entwickelt werden, die sicher und zunehmend autonomer in die Fahrzeug- führung eingreifen.
Virtueller Fahrversuch
Aufgrund der Komplexität der Systeme sowie der Vielzahl von möglichen Einsatzszenarien müssen neue FAS heute von Beginn an und durchgängig virtuell getestet werden. Nur so können Entwickler die enorme Anzahl nötiger Testfälle noch bewältigen. Darüber hinaus erlaubt die Simulation das frühzeitige Absichern von Funktionen im virtuellen Gesamtfahrzeug, was das Risiko teurer Fehlentwicklungen minimiert.
Eine bewährte Plattform für den virtuellen Fahrversuch ist die Fahrdynamiksimulation Carmaker. Diese bietet neben der Simulation von Fahrer, Fahrzeug, Straße, Verkehr und Infrastruktur eine komfortable Testmethodik. Auch komplexe Testszenarien lassen sich entsprechend realer Einsatzfälle schnell und einfach aufbauen und später immer wiederverwenden. Die Testautomatisierung sorgt zudem für eine effiziente Durchführung umfangreicher Testreihen.
In die offene Simulationsplattform Carmaker können beliebige Komponenten als Modell, Software oder Hardware integriert und getestet werden. Die Simulation von Radar, Lidar und Ultraschall wird bereits seit Jahren unterstützt. Für die neueste Generation der kamerabasierten FAS wurde Carmaker nun um den sogenannten Video Datastream erweitert. Dieses anspruchsvolle Kameramodell ist in der 3D-Echtzeitanimation IPG Movie eingebettet und liefert orts- und zeitsynchron zur Simulation Videodaten. Dies sind je nach Anwendung Grauskala-, Farb- oder Stereobilder sowie 3D-Tiefenkarten, wie sie von PMD-Kameras erzeugt werden.
Der Video Datastream ist mit zahlreichen Optionen ausgestattet: Kameraposition und Kameraeigenschaften (Auflösung, Bildwiederholfrequenz, Optik- und Sensoreigenschaften) sind frei wählbar. Auch Objektivtyp (z.B. Fischauge), Einstellungen (z.B. Öffnungswinkel) und Objektivfehler wie Verzerrung (örtliche Veränderung des Bildmaßstabs) oder Vignettierung (Verringerung der Helligkeit oder Sättigung am Bildrand im Vergleich zum Bildmittelpunkt) können individuell ausgewählt werden. Damit ermöglicht der Video Datastream das Einbinden von Bildverarbeitungs- und Datenfusionsalgorithmen in die Simulation. Sie werden je nach Entwicklungsstand als Modell oder Software im virtuellen Fahrversuch validiert.
Einbindung realer Komponenten
Für HIL-Anwendungen gibt es bei IPG eine weitere Neuentwicklung. Diese löst die bisher gängige, jedoch nur eingeschränkt nutzbare Black-Box-Methode für den Test kamerabasierter Systeme ab. Bei der Black-Box-Methode wird die Original-Fahrzeugkamera in einem abgeschirmten Raum vor ein Display installiert, das die Animation der Simulation zeigt. Die Kamera filmt diese Animation, um die nötigen Videodaten zu produzieren. Trotz Black-Box ist es schwierig, die Kamera vor störenden Lichteinflüssen zu schützen. Hinzu kommt die fehlende Synchronisierung zwischen Display und Kamera, was zu asynchronen Bildern führt. Zudem macht der Verzögerungseffekt vom PC zum Display oder von der Kamera zur ECU – das Zusammenführen der Signale unterschiedlicher Sensoren unmöglich, da diese nicht bildsynchron sind. Und nicht zuletzt lassen sich Fischaugen-Objektive nicht mit der Black-Box-Methode testen, da das Display selbst und dessen Umgebung im Bild zu sehen wären.
Die neue HIL-Lösung von IPG besteht darin, Videosignale über eine Video Interfacebox zur ECU zu übertragen. Dabei werden an einem PC mit Hilfe von IPG Movie Videosignale erzeugt. Die Video Interfacebox trennt nun diese Eingangs-Videosignale in separate Videosignale und wandelt sie so um, dass diese beispielsweise den Kamerabildern von Front und Heck sowie linker und rechter Fahrzeugseite entsprechen. Alle so erzeugten Kamerasignale sind in Echtzeit synchronisiert, so dass sie miteinander und mit den Signalen anderer Sensoren fusioniert und an die ECU übertragen werden können.
Dank Video Interfacebox und Video Datastream lassen sich die Position sowie die Eigenschaften der simulierten Kameras für HIL-Tests individuell konfigurieren. Alle gängigen Fischaugen-Objektiv-Typen werden unterstützt, die häufigsten Objektivfehler können realistisch simuliert werden.
Fazit
Die vorgestellten Erweiterungen in der Simulationsumgebung Carmaker ermöglichen es, neuartige kamerabasierte Fahrerassistenzsysteme durchgängig in MIL-, SIL- und HIL-Tests zu untersuchen. So lassen sich u.a. die Algorithmen der Sensordatenfusion lange vor der Serienreife im Gesamtfahrzeug analysieren und absichern. Dies führt bereits frühzeitig zu einem hohen Reifegrad der integrierten Funktionen und reduziert die kostenintensiven Validierungstests auf der Teststrecke.
IPG Automotive, Tel.: 0721 98520-39,
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