Allianz holt Tests in die virtuelle Welt NI unterstützt autonomes Fahren mit ADAS IIT - AutomobilKONSTRUKTION

Allianz holt Tests in die virtuelle Welt

NI unterstützt autonomes Fahren mit ADAS IIT

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Vier National-Instruments-Alliance-Partner verfolgen eine gemeinschaftliche Strategie zur Entwicklung von Testlösungen für Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Ziel ist, Entwicklungsprogramme autonomer Fahrzeuge zu beschleunigen. Dabei holen sie viele Tests von der Straße in die virtuelle Welt.

Tobias Meyer, freier Mitarbeiter der KEM Konstruktion

Das Testen einzelner Komponenten oder Teilbereiche reicht inzwischen nicht mehr aus, um die sichere Funktionsweise eines Systems zu gewährleisten. Aufgrund der kontinuierlich steigenden Anforderungen an die Mobilität, im speziellen das autonome Fahren, bedarf es ganzheitlicher, automatisierter Testlösungen im Bereich der Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Deshalb vereinen vier Firmen ihr Wissen, um künftig gemeinsame kundenspezifische Testsysteme im Bereich der Fahrassistenzsysteme zu entwickeln und eine nahtlose One-Stop-Lösung zu schaffen, um das autonome Fahren vorhersehbarer und sicherer zu machen. Die Expertisen der Konrad Technologies GmbH in der Sensor-Fusion, der SET GmbH für Hardware-in-the-Loop (HiL), der S.E.A. Datentechnik GmbH für V2X-Kommunikation und GNSS-Applikation sowie der MeasX GmbH & Co. KG im Datenmanagement bilden einen Baukasten vom Design über die Entwicklung, Implementierung und Validierung bis hin zur Produktion. Insgesamt arbeiten so mehr als 300 Ingenieure in Europa, Asien und den USA an den nächsten Schritten in Richtung eines kompletten Tests von vollkommen autonomen Fahrzeugen in einer virtuellen Umgebung.

Bisher liefern Kameras und Sensoren meist nur Informationen an den Fahrer, der somit auf Gefahren reagieren kann. In künftigen autonomen Fahrzeugen übernimmt die Bündelung dieser Informationen eine zentrale Einheit, die aufgrund dieser Fakten auch Entscheidungen trifft. Daher können Sensoren und Kameras künftig nicht mehr getrennt voneinander getestet, sondern müssen als ein ganzheitliches System betrachtet werden. „Die Fusion einer Vielzahl von Sensorinformationen, intelligentere Steuergeräte und der faktisch spürbare Wunsch nach immer besseren Assistenzfunktionen bis hin zum autonomen Fahren stellt unsere Kunden vor interessante, aber auch größer werdende Herausforderungen. Da echte Testfahrten sehr zeitaufwändig sind, viele Testfahrer-Ressourcen erfordern und nicht hundertprozentig wiederholt werden können, sind virtuelle Testfahrten für das zukünftige autonome Fahren unvermeidlich,“ erklärt Frank Heidemann, Geschäftsführer der SET GmbH.

„Wir hätten solche Systeme theoretisch auch jeder alleine entwickeln können, aber nicht in der erforderlichen Tiefe und Geschwindigkeit“, so Heidemann weiter. Als Beispiel führt er den Spurhalteassistenten an, der noch vor wenigen Jahren nur sehr holprig funktionierte, bei dem man nun aber binnen zwei Jahren autonom unterwegs sei. „Die Sprünge sind heute gigantisch, die Innovationskurve verläuft inzwischen exponentiell.“ In allen Disziplinen gleichzeitig an der Speerspitze der Entwicklung mitzuarbeiten, stellt für alle eine echte Herausforderung dar, weshalb man sich zusammengeschlossen hat, wobei sich jeder auf ein Fachgebiet konzentriert. Bei SET sind das sämtliche physikalischen Signale, von diskreten I/Os über FlexRay bis Ethernet speisen sie Daten in die virtuelle Umgebung ein und legen HiL-Modelle dahinter ab.

Auch Michael Konrad, Geschäftsführer der Konrad Technologies GmbH, bestätigt die Notwendigkeit des ADAS-IIT-Projekts: „Die Nachfrage nach vollkommen autonomen Fahrzeugen erfordert Testsysteme, die den Input aller Fahrzeugsensoren synchron kombiniert. Wir sind bestrebt, optimale Lösungen für die Prüfung von Sensor-Fusionstechniken zu offerieren, die Timing-, Trigger-, Validierungs- und Synchronisationsfähigkeiten in einem bieten. Eine Kombination dieser Technologien mit HiL, V2X und Datenmanagementsystemen wird in der Automobilindustrie sehr hohe Standards setzen. Hierbei ist der Faktor ‚Time to Market‘ entscheidend, um unseren Kunden in der notwendigen Zeit Lösungen und entsprechendes Engineering anbieten zu können.“

Teststrecke versus Labor

Stand der Technik bisher war eine Testfahrt auf der Straße, während der bestimmte Manöver gefahren und entsprechende Daten aufgezeichnet werden. Diese Daten lässt man im Labor auf den Fahrzeugrechner los und schaut sich an, welche Entscheidungen die ECU trifft. Das Problem ist dabei, dass man virtuell dann nur bis zur ersten Entscheidung fahren kann: Ab dann stimmen die Daten nicht mehr überein, denn die ECU entscheidet dann beispielsweise zu bremsen, die kontinuierlich weiter ins System fließenden, aufgenommen Fahrzeugdaten der Sensoren stimmen aber nicht mit der Entscheidung überein. Die ECU wundert sich quasi, warum weiter Bewegungsdaten ankommen, obwohl sie ja gebremst hat – die Steuerung gibt einen Fehler aus. Die aufgenommenen Daten aus den Kameras und Sensoren können natürlich nicht entsprechend manipuliert werden.

„Ein solcher Test ist sehr unbefriedigend und wenig zielführend. Daher geben wir der ECU eine komplette Closed-Loop-Umgebung, in der sie das laufende Geschehen beeinflussen kann“, erklärt Frank Heidemann. Entscheidet die ECU also zu bremsen, geht diese Information an das Model in IPG Carmaker, welches dann ebenfalls bremst und entsprechende Informationen für die Sensorik erzeugt. Dadurch erhält die ECU eine korrekte Rückmeldung von Kamera, Radar etc. „So können wir die Straße ins Labor holen und dort – in den aktuell technisch möglichen Modellgrenzen – virtuell fahren“, betont Heidemann.

Ein ebenfalls essentieller Bestandteil künftiger Fahrzeuge wird die Kommunikation mit der Infrastruktur um das Fahrzeug und anderen Fahrzeugen sein. Diesen Part übernimmt S.E.A. Datentechnik: „V2X wird zu einem integrierten Bestandteil zukünftiger Fahrzeuge und ADAS-Systeme. Die Prüfung entlang der Entwicklungskette erfordert die eingehende Expertise von RF- und V2X-Protokollen sowie die Systeminteraktion mit anderen Sensoren wie GNSS, Radar oder Lidar. Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen hat sich S.E.A. dazu entschieden, eng mit NI-Partnern zusammenzuarbeiten, um mit neuen Kernkompetenzen modernste Testsysteme und weltweite Entwicklungsunterstützung anzubieten,“ so Geschäftsführer Gerd Schmitz. Basierend auf einer engen Zusammenarbeit mit weiteren Spezialisten für GNSS-Simulation (M3 Systems) und HiL-Closed-Loop-Szenariengenerierung (als Partner von IPG) stellt S.E.A. die erforderliche Kompetenz und Toolkette zur effektiven Verwendung im Rahmen von ADAS IIT zur Verfügung. Als Werkzeug zur Analyse der entstehenden Daten hat S.E.A. die Software SpaceMaster zur Verwaltung geolokalisierter Telemetriedaten aus Testszenarien oder Fahrversuchen in die ADAS-IIT-Toolkette integriert. Diese bildet eine Brücke zur von MeasX realisierten Big-Data-Verwaltung. SpaceMaster ist aus einer für das DLR entwickelten, konfigurierbaren Software für die Telemetriedatenverarbeitung von Raumfahrtexperimenten (unter anderem für die Sonde Philae der Kometenmission Rosetta oder Raumstationsexperimente) in Missionskontrollzentren hervorgegangen.

Um heutige ADAS-Sensoren effizient testen zu können, hat die Konrad Technologies GmbH in den letzten Jahren Zielsimulatoren (Target Simulators) für Kamera-, Radar- und Lidar-Sensoren entwickelt und erfolgreich bei ihren Kunden im Einsatz. Die Software simuliert typische Fahrszenarien und ermöglicht einen kontrollierbaren und reproduzierbaren Testrahmen, der für eine objektive und unabhängige Leistungsanalyse des Sensorsystems eine notwendige Voraussetzung ist. Basierend auf dem National Instruments VST, einem Vector Signal Tranceiver, entwickelte Konrad einen Editor, der es dem Anwender ermöglicht, komplexe Szenarien zu erstellen, die automatisch wiedergegeben werden können. Mit Hilfe von Hardware-in-the-Loop (HiL) können gezielt einzelne Teile eines ganzheitlichen Systems in einer virtuellen Umgebung in Echtzeit getestet werden.

Die SET GmbH hat sich auf das Thema HiL spezialisiert. Weil aufwändige, reale Prüfungen hierdurch ersetzt werden, ermöglicht die HiL-Simulation eine Prüfung der Systeme bei reduzierten Testzeiten und -kosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit. In Bezug auf das Thema Sensorfusion liegt die Komplexität in der Integration von Zielsimulatoren, klassischer analoger und digitaler Signale samt eventueller Signalkonditionierung, Ansteuerung und Auswertung der Fahrzeugbusse CAN und FlexRay sowie in der Berücksichtigung eines Fahrzeugmodells (Car Model). Die parallele Ausführung aller dieser einzelnen Komponenten in Echtzeit wird hierbei durch die HiL-Umgebung gewährleistet.

Daten sind nur organisiert wertvoll

Das Management der schieren Massen an Daten, die während der virtuellen Fahrzeugtests zusammenlaufen, übernimmt die Firma MeasX: „Wir fahren hier virtuell mehrere Millionen Kilometer, bei einer Abfrage von 20 Hertz in manchen Sensoren sowie 20 Bildern pro Sekunde kann man sich in etwa vorstellen, dass das in Summe mehrere Petabyte bedeutet“, erklärt Geschäftsführer Joachim Hilsmann. Und um die virtuelle Realität so echt wie möglich gestalten zu können, müssen die ECUs der ADAS während der virtuellen Tests die richtigen Daten zur exakt richtigen Zeit bekommen, denn Radar, Lidar, Infrarot und Beschleunigungssensoren werden im echten Fahrzeug nicht immer synchron abgefragt. Hierbei ist es nicht nur essentiell, sämtliche Daten vorzuhalten, sondern unwichtige zu identifizieren und diese aus dem Prozess herauszuhalten – anders wäre der Echtzeit-Rechenaufwand nicht zu machen. Aktuell überlegt man, wie die Fahrzeugdaten durch einen Art Klassifizierung noch besser strukturiert werden können, um neben der Verwaltung auch die Vergleichbarkeit von Daten einfacher zu gestalten. Künftig könnten dadurch auch Versuche, die völlig unabhängig voneinander gefahren wurden zusammengeführt werden und ganz neue Erkenntnisse liefern. „Wir wollen so den größtmöglichen Nutzen aus den Daten ziehen und diese später quasi auch aus anderen Blickrichtungen betrachten können, weil uns vielleicht eine neue Auswertungsform einfällt“, erklärt Hilsmann. „Wenn genügend Daten vorhanden sind, geht das ohne neuen Test.“

MeasX bringt zudem seine Software Moses mit ins Team. Bisher unterstützte diese reale Testfahrer dabei, spezielle Fahrmanöver in unterschiedlichen Settings und Belastungen durchzuführen, um die Fahrdynamik von Fahrzeugen zu beurteilen: „Mit dieser Software können wir virtuelle kritische Situationen erzeugen, etwa den plötzlich auftauchenden Fußgänger, im System wäre das eine Erkennung gefolgt vom Bremsen. Auf der realen Teststrecke finden sie natürlich kaum jemanden, der sich dafür freiwillig zur Verfügung stellt“, so Hilsmann. Künftig sollen daher auch Personen-Dummys sowie Fahrzeugattrappen eingebunden werden und ebenfalls mit dem Testsystem kommunizieren können.

Stetige Weiterentwicklung

Nach nur fünf Monaten präsentierte das ADAS-IIT-Team bereits eine entsprechende funktionsfähige Testumgebung, was zeigt, wie effektiv die Partner zusammenarbeiten. Fertig ist so ein System aber natürlich nie, da sich die Technik – wie oben schon erwähnt – rasant weiterentwickelt. Künftig gilt es nicht nur immer höhere Auflösungen zu realisieren sondern etwa auch Radarsensoren zu simulieren, die nicht nur einen Querschnitt abbilden, sondern die beinahe sehen können. Die Lidar-Technik wird künftig mehrere Kanäle gleichzeitig fahren, um ein besseres Bild liefern zu können. Hier müsse natürlich die Target-Simulation laufend am Ball bleiben. Zudem bereitet die ADAS-IIT-Gruppe mehrere Forschungsprojekte mit anderen Instituten vor, die spezielle Fragestellungen untersuchen, etwa was Gischt und Nebel mit einem ADAS anstellt, wie ein Radarsensor auf Vereisung reagiert oder wie Blendungseffekte in der Kamera durch Radar und Lidar kompensiert werden können. Videosignale könne man heute schon problemlos mit Blendeffekten versehen, besser als das mit Monitoren oder Leinwänden möglich sei. Durch den Ausfall der Teilsensorik – sei es durch Blendung, Gischt oder Eis – eröffnet sich die Frage, wie lange kann das System so sicher fahren?

Hier klären die ADAS-IIT-Partner auch über wissenschaftliche Forschung, welche Tests überhaupt hinsichtlich ISO 26262 (Road vehicles – Functional Safety) über eine Closed-Loop-Umgebung geprüft werden können. Dabei wird hinterfragt, ob der Confidence-Level des Systems hoch genug ist, um bestimmte Fälle abdecken zu können. Man könne dem Kunden daher genau sagen, welche Tests auf dem System möglich sind und welche Vorteile er sich so erarbeiten könne – und welche nicht. „Bisher wäre es allerdings sehr fahrlässig zu sagen, wir könnten Abnahmetests fahren, denn diesen Level erreichen wir derzeit noch nicht. Wir setzen uns aber wissenschaftlich mit der Frage auseinander, wie weit wir aktuell gehen können“, sagt Hilsmann.

Die Vereinbarung der ADAS IIT sieht eine Zusammenarbeit sowohl im technischen Bereich als auch bei strategischen Aktivitäten vor. Verstärkt wird auf Produkte von National Instruments gesetzt und diese um eigene Lösungen erweitert. Im NI-Alliance-Programm lernten sich die beteiligten Partner schon vor 10 bis 15 Jahren kennen und arbeiteten auch früher schon zusammen. „Wir haben auf einem NI-Partner-Treffen festgestellt, dass wir auf der Management-Ebene sehr ähnliche Vorstellungen davon haben, wie man in unserer Branche Business macht. Daher waren die Grundvoraussetzungen für eine Kooperation sehr gut“, so Joachim Hilsmann. Durch die langjährige Erfahrung der Unternehmen liegt bei der Lösungsauslegung ein großer Fokus auf der Betrachtung der Total-Cost-of-Test (TCoT), wodurch bei geeigneten Standardisierungsbestrebungen eine erhebliche Reduzierung dieser Kosten ermöglicht wird. Man wolle gegenüber dem Kunden auch als Einheit unter dem Namen ADAS IIT auftreten können, Zulieferer und OEMs müssten sich daher nur mit einem einzigen Ansprechpartner – wie mit einem Unternehmen – abstimmen.

Details zu den Testlösungen:

www.adas-iit.com

Im Video (QR-Code) erklären Frank Heidemann und Michael Konrad die Herausforderungen einer solchen Testumgebung:

www.hier.pro/YuuEw


„Wir hätten solche Systeme theoretisch auch jeder alleine entwickeln können, aber nicht in der erforderlichen Tiefe und Geschwindigkeit.“

Frank Heidemann, Geschäftsführer der SET GmbH
Bild: ADAS IIT


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