Der Verkehr in urbanen Räumen stellt enorme Anforderungen an autonome Fahrzeuge. Um deren Sicherheit nachzuweisen, sind virtuelle Testfahrten unerlässlich. Doch wie gelingen realistische Tests?
Beim automatisierten Fahren ab Level 2 übernimmt ein hochentwickeltes Steuergerät die Kontrolle über die Fahrfunktionen. Die Absicherung der Steuergeräte ist für die Fahrzeughersteller von entscheidender Bedeutung, damit sich ihre Kunden darauf verlassen können, dass ihr Fahrzeug auch kritische Verkehrssituationen souverän meistert. ZF bietet einen hochmodernen Absicherungsservice für ADAS/AD (Advanced Driver Assistance Systems / Autonomous Driving)-Steuergeräte an.
Jede Stufe sicher nehmen: See, Think, Act
ADAS/AD-Steuergeräte verfügen über leistungsfähige Verarbeitungsstufen, die das automatisierte Fahren ermöglichen:
- Perzeption (See): Verarbeitung der Daten von Umgebungssensoren wie Kamera, Radar, Lidar, GNSS und Ultraschall. Die Sensoren sammeln Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs und liefern sie an das Steuergerät, das sie analysiert und interpretiert.
- Entscheidungsfindung und Bewegungsplanung (Think): Bewerten der gesammelten Daten und, basierend darauf, intelligente Entscheidungen für die Fahrzeugsteuerung. Das Steuergerät plant die optimale Route, reagiert auf Verkehrssituationen und agiert proaktiv, um ein sicheres und effizientes Fahren zu gewährleisten.
- Steuerung der Aktorik (Act): Sicherstellen, dass die Befehle präzise an relevante Aktoren übermittelt werden, um die gewünschte Fahrzeugreaktion zu erzeugen.
Absicherung der Steuergeräte per HIL-Simulation
„Die Absicherung der ADAS/AD-Steuergeräte erfolgt durch den Einsatz von innovativen Technologien wie der HIL-Simulation (Hardware-in-the-Loop)“, berichtet Oliver Maschmann von ZF. Hierbei wird eine virtuelle Welt geschaffen, in der ein virtuelles Fahrzeug, auch bekannt als Digital Twin, realistisch agiert. In dieser simulierten Umgebung werden sensorrealistische Simulationen durchgeführt, um die Umgebungssensoren des Steuergeräts mit präzisen Daten zu versorgen. „ZF nutzt dabei für die Sensorsimulation auf Echtzeit optimierte Simulatoren von dSPACE, die sich besonders durch die synchrone Bereitstellung der Daten für unterschiedliche Sensortypen auszeichnen“, ergänzt Maschmann.
Der HIL-Simulator generiert in Echtzeit und synchron das Umfeld für Radar-, Lidar- und Kamerasensoren inklusive deren Front-end. Er stellt es dem ADAS/AD-Steuergerät zur Verfügung. Die Echtzeitsimulation der 3D-Welt und der Sensormodelle wird mit allen physikalischen Effekten in AURELION berechnet. Die Fahrzeugsimulation wird mit der Toolsuite ASM (Automotive Simulation Models) durchgeführt.
Sichere Funktionen für autonomes Fahren
Das sichere autonome Fahren ist eine der größten Herausforderungen der Automobilindustrie. Bei der Absicherungslösung spielen klar definierte Anwendungsbereiche – die Operational Design Domain (ODD) – und Sicherheitsstandards wie ISO 26262 sowie SOTIF (ISO 21448) eine wichtige Rolle. Die Einhaltung dieser Standards gewährleistet, dass die Fahrzeuge höchsten Sicherheitsanforderungen genügen und eine Entwicklung und Absicherung nach dem Stand der Technik nachgewiesen werden kann. Dazu sind umfangreiche Tests und Simulationen mit variablen bis hin zu kritischen Szenarien notwendig, um zu zeigen, dass die Fahrzeuge auch in unvorhergesehenen Situationen angemessen reagieren können. Die Simulation unterstützt auch die Entwicklung und Validierung markenspezifischer Aspekte in den Regelsystemen.
Operational Design Domain (ODD)
Eine ODD-Definition beschreibt die spezifischen Betriebsbedingungen, unter denen ein System für automatisiertes Fahren ordnungsgemäß funktionieren soll. Sie legt fest, mit welchen Betriebsparametern das automatisierte Fahrzeug umgehen können muss, zum Beispiel Wetterbedingungen, Infrastruktur, Standort, Tageszeit und andere Einflüsse auf die Fahrfunktion. Die ODD ist somit ein wichtiger Teil des Sicherheitskonzepts eines Fahrzeugs.
Schaffung einer virtuellen Welt
Um ein besonders realitätsnahes Absicherungskonzept für autonome Fahrzeuge zu entwickeln, wurde die Verkehrsregion Friedrichshafen ausgewählt. Sie umfasst 988 Straßen, 500 Kreuzungen, Kreisverkehre, mehrspurige Straßen, Tunnel etc. Die Operational Design Domain (ODD) steckt u. a. den Bereich ab, in dem das autonome Fahrzeug zum Einsatz kommen darf. Um dies frühzeitig mit Simulationen in genau dieser ODD zu beginnen, musste zunächst ein exaktes digitales Abbild des Verkehrsnetzes im OpenDrive-Format erstellt werden.
Entwicklung eines digitalen Verkehrsnetzes
Das Verkehrsnetz wurde im Wesentlichen auf der Basis von High-Definition (HD)-Karten aufgebaut. Dabei wurden alle Straßen mit ihren Fahrbahnen, Spurweiten, Kreuzungen und Tunneln berücksichtigt. Fehlende Abschnitte und Daten wurden mit Messfahrten ermittelt und im digitalen HD-Verkehrsnetz ergänzt.
Konstruktion einer realistischen virtuellen 3D-Welt
Ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung und Absicherung von automatisierten Fahrzeugen ist der Aufbau einer statischen virtuellen dreidimensionalen Testumgebung. Diese hochgenaue 3D-Welt wird benötigt, um die Umfelderfassung mit Radar, Lidar und Kamera zu prüfen und die Lokalisierung zu ermöglichen.
Der realistische Aufbau der 3D-Welt wird durch Messfahrten ergänzt. Hier wird zunächst die reale Welt mittels Umgebungssensoren digital erfasst und aufgezeichnet. Im nächsten Schritt werden die Sensordaten gelabelt, um darin Objekte und ihre Eigenschaften gemäß definierten Objektklassen (Fahrbahnmarkierungen, Verkehrszeichen, Gebäude …) zu identifizieren. Anschließend werden die gelabelten Sensordaten in Kombination mit den HD-Kartendaten in 3D-Objekte umgewandelt und mit Oberflächen-Texturierung und Materialeigenschaften versehen, um eine genaue Rekonstruktion der realen Objekte zu ermöglichen. Für die hochgenaue Umsetzung kommt ein Workflow zum Einsatz, der aus Labeling-Werkzeugen von understand.ai und 3D-Konstruktionswerkzeugen besteht und von dSPACE als 3D-Service angeboten wird. Teil des 3D-Services ist auch die exakte Positionierung der Randbebauung auf dem kartierten Straßennetzwerk. Ein besonderer Vorteil dieses Prozesses ist, dass keine zusätzlichen aufwendigen zusätzlichen Referenzmessungen erforderlich sind.
Die erfassten Messdaten können im Rahmen des Absicherungsprojekts für verschiedene Zwecke genutzt werden:
- Erzeugen einer 3D-Welt (Digital Twin) der statischen Umgebung
- Validierung der Perzeption durch Vergleich mit den gelabelten Daten
- Validierung der Sensormodelle durch Vergleich des realen Szenarios mit dem virtuellen Szenario
Vergleich von Simulations- und Realdaten: Die reale Fahrzeugumgebung (links) wird mittels dSPACE Service zur 3D-Rekonstruktion teilautomatisiert in einen detaillierten digitalen Zwilling (rechts) überführt. In dem auf iterativer Annotation und Generierung basierenden Rekonstruktionsprozess werden realistische, den Realdaten entsprechende 3D-Modelle auf Basis einfacher Annotationen generiert. Dabei werden nicht annotierte Details auf Basis prozeduraler Entscheidungen ergänzt. Der digitale Zwilling beinhaltet auch die für die Sensorsimulation AURELION relevanten Oberflächeneigenschaften.
Bewertung der virtuellen 3D-Welt
Die Eignung des Verkehrsnetzes samt der statischen virtuellen 3D-Welt wurde anhand verschiedener Kriterien wie Genauigkeit, Detailtreue und Realitätsnähe bewertet.
Anhand von Referenzpunkten konnte eine Übereinstimmung innerhalb der zulässigen Abweichungen zwischen virtueller und realer Welt nachgewiesen werden. Die Genauigkeit reichte aus, um die Lokalisierungsalgorithmen in Steuergeräten zu testen. Dazu wurden auch Plausibilitätsprüfungen mit realen Steuergeräten durchgeführt, um beispielsweise die modellierten GNSS-Koordinaten und die relevanten Punkte der Verkehrsinfrastruktur zu validieren. Die Werkzeuge und Dienstleistungen von dSPACE ermöglichen es ZF, realistische OpenDrive-Straßennetze für die Simulation und Absicherung von ADAS/AD-Steuergeräten aufzubauen. Die erforderliche Genauigkeit ist gegeben, und die Sensordaten können effizient in eine 3D-Welt umgesetzt werden. Mit dem 3D-Service von dSPACE kann ZF eine leistungsfähige Dienstleistung für die Absicherung von ADAS/AD anbieten.
Virtuell losfahren: Mit ADAS/AD in die urbane digitale Verkehrsregion
Mit dem Aufbau einer statischen virtuellen HD-Testumgebung ist ein essenzieller Meilenstein für die virtuelle Absicherung von ADAS/AD in urbanen Verkehrsregionen erreicht. Der Aufbau des virtuellen OpenDrive-Straßennetzes und der 3D-Welt bietet eine solide Grundlage für die Entwicklung. Darüber hinaus eröffnen sich weitere und noch komplexere Anwendungsmöglichkeiten, die sich in der Umsetzung befinden, zum Beispiel die Integration von dynamischen Verkehrsszenarien in die 3D-Welt, die Einbindung von Vehicle-to-Everything (V2X) und Connected Services, um zukünftige Fahrzeugfunktionen und -systeme zu testen.
Mit den Werkzeugen und Dienstleistungen von dSPACE können wir realistische OpenDRIVE-Straßennetze für die Simulation und Absicherung von ADAS/AD-Steuergeräten aufbauen. Die erforderliche Genauigkeit wird erreicht, und die Sensordaten können effizient in eine 3D-Welt umgesetzt werden.
