Im Sparc-Projekt entwickelte X-by-Wire-Plattform soll Fahrfehler vermeiden

Virtueller Copilot erhöht die Sicherheit

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Im Rahmen des EU-geförderten Forschungsprojektes Sparc haben die beteiligten Partner eine X-by-Wire-Plattform entwickelt, die eine Vielzahl von Informationen unterschiedlicher Fahrerassistenzsysteme nutzt und über alle Stellorgane Einfluss auf das Fahrzeug nehmen kann. Fahrfehler sollen damit weitgehend vermieden werden.

Mehr als 95 % aller schweren Verkehrsunfälle sind auf menschliches Versagen zurückzuführen. Und obwohl zum Beispiel die Zahl der tödlich Verunglückten in Deutschland in den letzten Jahren ständig rückläufig war, sind knapp 5000 Tote im Jahr 2007 immer noch deutlich zu viel. Die EU-Kommission in Brüssel ist daher bestrebt, bis 2010 die Zahl der Unfalltoten auf 50 % zu reduzieren. Durch entsprechend finanzierte EU-Projekte forciert sie die Entwicklung unfallvermeidender Technologien. Dabei obliegt den Automobilherstellern die Aufgabe, durch optimale Fahrerunterstützung über intelligente Assistenz- und Anzeigesysteme Fahrfehler zu vermeiden.

Verschiedene Sonderforschungs-, Entwicklungs- und EU-Projekte befassen sich daher mit der Thematik eines „sehenden, fühlenden und denkenden“ Fahrzeugs. Eine besondere Bedeutung kommt dabei den EU-geförderten Projekten „Peit“ und „Sparc“ zu. Unter der Konsortialführerschaft der heutigen Daimler AG beteiligten sich namhafte Unternehmen und Universitäten an diesen Projekten. Schon 2001 war Peit (Powertrain Equipped with Intelligent Technologies) ins Leben gerufen worden, das 2004 erfolgreich abgeschlossen wurde. Die Aufgabe bestand darin, einen Antriebsstrang zu entwickeln, der über eine definierte, digitale Schnittstelle mittels eines Bewegungsvektors rein elektronisch anzusteuern ist.
Antriebsstrang wird elektronisch angesteuert
Betraf Peit im Wesentlichen den Aufbau des Antriebsstranges mit der Erhöhung der reaktiv-aktiven Sicherheit, so geht das Folgeprojekt Sparc seit 2004 in Richtung der Erhöhung der prädiktiv-aktiven Sicherheit über Assistenzsysteme für Lkw und Pkw. Dabei steht Sparc für „Secure Propulsion using Advanced Redundant Control“, also sicherer (Fahrzeug-) Antrieb mit fortschrittlichen redundanten Regelungssystemen. Zur Sicherstellung der in Sparc angestrebten Funktionalitäten des unfallvermeidenden Fahrzeugs ist unter anderem jedoch die Integration umfangreicher Assistenzsysteme in das Fahrzeug notwendig.
Im Rahmen des Projektes Sparc haben Wissenschaftler des Instituts für Luftfahrtsysteme (ILS) der Uni Stuttgart erstmals ein komplett fahrzeugübergreifendes System für elektronisch gesteuerte Fahrzeuge (X-By-Wire System) entwickelt, das ohne „Reißleine“ in Form mechanischer Rückfallsysteme den Sicherheitsanforderungen genügt. Das System ermöglicht die Anwendung einer Vielzahl lokaler und fahrzeugübergreifender Funktionen, die wie der Fahrer selbst direkt in das Fahrgeschehen eingreifen können.
Hierzu haben die Stuttgarter Wissenschaftler eine X-by-Wire Plattform konzipiert, die alle verfügbaren Fahrzeuginformationen nutzt und über alle Stellorgane Einfluss auf das Fahrzeug nehmen kann. Auf dieser Basis wurden im Rahmen des Sparc-Projektes eine Reihe komplexer, direkt eingreifender Fahrerassistenzfunktionen entwickelt und die Systemstufen Umfeldbeobachtung, Umfeldbewertung und Ermittlung der Bewegungsstrategie zu einem „Virtuellen Copiloten“ vereint. Der Fahrer, der das Fahrzeug über einen Stick steuert, erzeugt damit den Steuerwunschvektor. Parallel dazu berechnet der „Virtuelle Copilot“ aus den Informationen unterschiedlicher Umgebungssensoren wie Kamera, Radar, GPS und lasergepulste Lidarsensoren einen Bewegungsvektor. Dieser besagt, wohin das Fahrzeug unter Berücksichtigung der Umgebung fahren könnte, ohne damit das Fahrzeug in Gefahr zu bringen. Liegt der Wunsch des Fahrers außerhalb dieses Bereichs, so wird der Steuervektor des Fahrers in punkto Richtung und Geschwindigkeit eingeschränkt.
Architektur der Plattform zeigt drei Ebenen
Die funktionale Architektur von Sparc (siehe Grafik) gliedert sich demnach in drei Ebenen:
  • die Befehlsebene
  • die Koordinierungsebene
  • die Ausführungsebene
Die Befehlsebene liefert den gewünschten Bewegungsvektor, der aus den Eingaben des Fahrers über die Mensch-Maschine-Schnittstelle und den Daten der Fahrerassistenzsysteme gewonnen wird. In der Koordinierungsebene wird der gewünschte Bewegungsvektor ausgewertet und optimiert, indem die Eingaben des Fahrers und die der Assistenzsysteme verglichen werden, um daraus einen sicheren Bewegungsvektor für alle Fahrsituationen zu gewinnen. Die Ausführungsebene schließlich besteht aus „by-wire“ Lenk- und Bremssystem, der Stromversorgung (Motor und Getriebe) und dem Energiesystem.
Würde die X-By-Wire Plattform durch einen Fehler ausfallen, ließe sich das Fahrzeug weder lenken noch bremsen. Um dies zu vermeiden, ist sie fehlertolerant aufgebaut. Das heißt, sie funktioniert auch dann noch, wenn Fehler im System auftreten. Um den Aufwand an Elektronik begrenzt zu halten, wurde für den Rechnerkern der Ansatz der dynamischen Rekonfiguration gewählt. Das heißt, solange im Rechnerkern kein Fehler auftritt, werden alle Funktionen (Assistenzsysteme), verteilt auf verschiedene Rechnermodule, bearbeitet. Wann immer ein Modul ausfällt, wird eine Neuzuweisung der Aufgaben in der Weise durchgeführt, dass die absolut sicherheitskritische Kernaufgabe weiterarbeiten kann, aber weniger bedeutende Aufgaben letztlich nicht mehr ausgeführt werden. Damit stehen die Elementarfunktionen wie Bremsen und Lenken selbst nach drei Fehlern alleine im Rechnerkern noch voll zur Verfügung. Darüber hinaus ist der Plattformansatz skalierbar aufgebaut. Dadurch kann die Plattform mit minimalem Änderungsaufwand in verschiedenen Fahrzeugklassen wie Lastwagen oder Pkw eingesetzt werden.
Tauglichkeit an Testfahrzeugen demonstriert
Mitte 2007 konnten die beteiligten 23 Unternehmen und drei Institute unter der Konsortialführerschaft von Daimler das Ergebnis von Sparc präsentieren. Eingebracht in einen Mercedes Benz Actros Truck und in einen Pkw Smart konnte die Tauglichkeit demonstriert werden. Die Europäische Kommission spricht von einem exzellenten Ergebnis auf einem hohen Standard. Sie sieht in Sparc einen Meilenstein in der Entwicklung der X-by-Wire-Technologie.
„Sparc war ein Erfolg“, sagt auch Dr. Frederic Holzmann von der VDO Automotive AG in Regensburg. Maßgeblich an den Entwicklungen beteiligt, sieht er in dem Erzielten den Beweis dafür, dass Drive-by-Wire machbar ist. Allerdings räumt er ein, dass die Steuergeräte leider noch zu teuer sind, weil zu viele Microcontroller verwendet werden. Man kümmere sich zur Zeit um eine Hardware-Integration. Ein anderes Problem ist aus seiner Sicht immer noch die Mensch-Maschine-Schnittstelle. „Wir können noch nicht sauber genug die Straßenkräfte aus der Lenksäule emulieren.“ Auch sei die Todzeit in der Plattform noch zu groß. Um auch hier Lösungen zu erarbeiten, ist gerade das Projekt „Have-IT“ gestartet worden. „Wir werden aber für 2010 einen Lkw mit Homologation auf der Straße haben“, ist Dr. Holzmann sicher.
VDO Automotive;
Telefon: 09 41/7 90–14 91;
E-Mail: Frederic.Holzmann@continental- corporation.com

X-by-Wire
Die klassische Automotive-Technik ist geprägt durch die unmittelbare Kopplung der Mechanik und Hydraulik mit den Kfz-Funktionseinheiten. In aller Regel wird eine mechanische Bewegung des Fahrers, beispielsweise von Lenkung, Kupplung, Gas oder Bremse, mechanisch oder hydraulisch auf die Funktionseinheit übertragen. Diese mechanisch/hydraulische Kopplung wird durch die X-by-Wire-Technik aufgelöst und durch eine elektrische Kopplung ersetzt. Die Lenkbewegung geht damit zuerst in ein elektrisches Signal über, das als Steuersignal dem Steuergerät für die Lenkung zur Verfügung gestellt wird.
X-by-Wire ist eine sicherheitskritische Welt, die von der mechanisch-hydraulischen Kopplung über Mischformen mit elektrischen und elektronischen Komponenten hin zur echten X-by-Wire-Technik migriert, die ohne mechanische Kopplung realisiert wird.
Da es sich bei der X-by-Wire-Technik um zeitkritische Anwendungen handelt, wird der Feldbus „Flexray“ zur Realisierung von X-by-Wire-Anwendungen eingesetzt.
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