ADAS-Systeme schneller modellbasiert entwickeln

Veröffentlicht: 05.07.2016

Wie beschleunigen Sie die Entwicklung immer komplexer werdender elektronischer Systeme?

Kunal Patil, PhD, Sr. Applications Engineer, dSPACE Inc.

Moderne Fahrerassistenzsysteme (ADAS) haben das Potenzial, die Zahl der Verkehrsunfälle deutlich zu reduzieren, indem sie die Sicherheit der Fahrzeugsysteme erhöhen. Der ADAS-Markt hat sich von Komfortsystemen für den Hochgeschwindigkeitsverkehr hin zu Sicherheitssystemen für den Einsatz in komplexen städtischen Umgebungen entwickelt. Dies führt unter anderem zu wachsender Systemkomplexität.

Die zunehmende Komplexität von Regeleingriffen in das Fahrzeugverhalten allein mit Prototypfahrzeugen zuverlässig abzusichern, ist unmöglich geworden. Um trotz steigender Komplexität mit dem Entwicklungsaufwand Schritt halten zu können, müssen Tests in einem früheren Entwicklungsstadium ins Labor gebracht werden, damit sich dort die Interaktion der Steuergeräte automatisch bewerten lässt.

Virtuelle Testfahrten im Labor sind die Antwort auf diese Herausforderung. Die modellbasierte Entwicklung von Steuergeräte-Software findet in der Automobilindustrie zunehmend Verbreitung. Insbesondere bei Fahrerassistenzsystemen ermöglicht dieser Ansatz zum einen die frühzeitige Bewertung und Absicherung von Funktionskonzepten und Anforderungen am PC mittels Model-in-the-Loop (MIL)-Simulation. Zum anderen erlaubt er die Wiederverwendung von Testbibliotheken über den gesamten Entwicklungsprozess über Software-in-the-Loop (SIL)- und Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulation hinweg.

Für Fahrerassistenzsysteme, die mit der Lenk-, Brems- oder Drosselklappensteuerung interagieren, ist ein detailliertes Modell des Fahrzeugs und seines dynamischen Verhaltens unerlässlich, ebenso wie Modelle zur Simulation der Straße, des Fahrers, der Umweltsensoren und des umgebenden Verkehrs. Die Vorverlagerung von Aufbau und Absicherung der Testbibliotheken, Fahrmanöver und Streckenmodelle in frühe Entwicklungsphasen spart wertvolle HIL-Testzeit. Die eigentlichen HIL-Tests können dann mehr und mehr auf die Verifikation der Testergebnisse beschränkt werden, die während der MIL- oder SIL-Simulation erzeugt wurden.

dSPACE Plattformen für die ADAS-Entwicklung

Die folgende Abbildung zeigt einen Überblick über die dSPACE Plattform für die ADAS-Entwicklung. Sie ruht auf drei Säulen: Rapid Control Prototyping, virtuelle Absicherung und Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulation.

Rapid-Control-Prototyping (RCP)-Systeme von dSPACE bieten dedizierte Werkzeuge und bilden eine Plattform für ADAS-Anwendungen. Mit dSPACE RCP-Systemen können Sie neue Regelstrategien in einer realen Umgebung schnell und ohne manuelle Programmierung entwickeln, optimieren und testen. Während des Reglerentwurfs muss der Prototyp des Fahrerassistenzsystems (ADAS) wie ein reales Steuergerät im Fahrzeug integriert sein und mit den Bussystemen des Fahrzeugs, zum Beispiel CAN, kommunizieren. Die MicroAutoBox II und die AutoBox sind kompakte Prototyping-Lösungen für die Ausführung rechenintensiver eingebetteter Software und deren Integration in das E/E-System des Fahrzeugs.

dSPACE VEOS ermöglicht die virtuelle Absicherung. VEOS ist die dSPACE Software für die C-Code-basierte Simulation von virtuellen Steuergeräten (V-ECUs) und Umgebungsmodellen auf einem Host-PC. VEOS unterstützt das Testen und Absichern von Steuergeräte-Software in PC-basierten Offline-Simulationen im geschlossenen Regelkreis mit Umgebungsmodellen. Mit der virtuellen Absicherung können Sie Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests und -Szenarien auf einem PC vorbereiten und virtuelle Steuergeräte (V-ECUs) bereits dann in einer HIL-Simulation einsetzen, wenn der Hardware-Prototyp des Steuergeräts noch nicht verfügbar ist.

Die dritte Säule, die HIL-Simulation, wird in diesem Blog später ausführlich erläutert.

Wie testet man die ADAS-Funktionen im Labor?

Die Antwort darauf sind modernste Tests mittels Hardware-in-the-Loop, bei denen geeignete Streckenmodelle für das Ego-Fahrzeug, andere Fahrzeuge, statische Objekte und Sensoren die Umwelt emulieren. ADAS-Funktionen sind häufig über das Steuergeräte-Netzwerk verteilt, so dass ein End-to-End-Test erforderlich ist, um die Betriebssicherheit des Systems im virtuellen Fahrzeug zu gewährleisten. Neben den üblichen Komponenten- und Integrationstests am Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulator, die auch für Sensoren dynamische Streckenmodelle verwenden, ist die Integration von realen Sensoren und Aktoren für ADAS-Anwendungen besonders wichtig.

HIL-Tests werden durch den Einsatz von echtzeitfähigen dynamischen Modellen ermöglicht. Die Modellierung des dynamischen Verhaltens von physikalischen und Kommunikationssystemen wird für die ADAS-Entwicklung recht komplex. Verantwortlich dafür ist die Abhängigkeit der ADAS-Funktionen vom Zustand des Fahrzeugs und seiner Umgebung, einschließlich Verkehr, Straßenbeschaffenheit, Kommunikation mit Fahrzeugen und Infrastruktur sowie Signalschnittstellen wie Radar, Lidar, GPS und Kameras. Dank unserer unten beschriebenen ASM-Modelle können Ingenieure alle realistischen Testszenarien im Labor nachbilden.

Was macht ASM besonders?

Die Automotive Simulations Models (ASM) von dSPACE bieten dynamische Streckenmodelle inklusive Verkehrssimulation für ADAS-Entwicklung und -Test. Die Automotive Simulation Models sind offene Simulink-Modelle für die Echtzeitsimulation automotiver Anwendungen. Der modulare Aufbau von ASM ermöglicht es, verschiedene Modellbibliotheken für Fahrzeugvarianten und Anwendungsfälle zu kombinieren. ASM-Modelle werden auf dem HIL-Simulator ausgeführt, was das Durchführen der verschiedenen ADAS-Tests realistisch gestaltet.

Die ASM Traffic Library kann verwendet werden, um die verschiedenen Anwendungsfälle von ADAS abzudecken. ASM Traffic bietet Ihnen realistische Fahrzeug-, Sensor-, Verkehrs- und Umweltsimulationen in Echtzeit. Abstandsregelung, Parkassistent, Kreuzungsassistent, Verkehrszeichenerkennung, Fußgängererkennung, vorausschauende Scheinwerfer, vorausschauende Geschwindigkeitsregelung und Energiemanagement, Totwinkelerkennung, Spurverlassenswarnung, Notbremsassistent sind einige der Anwendungsfälle, die wir bei der Entwicklung unseres Streckenmodells berücksichtigen.

Die hohe Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit der ASM-Traffic-Modelle ermöglicht die Definition beliebiger Verkehrsszenarien, um ein gründliches Testen der ADAS-Regler zu gewährleisten. ASM Traffic unterstützt die Erstellung komplexer Straßennetze, so dass Sie anspruchsvolle Fahrmanöver definieren können. Die simulierte Umgebung kann aus ruhenden und beweglichen Objekten bestehen wie Verkehrsschildern und Fußgängern. Verschiedene Sensormodelle und benutzerdefinierbare Sensoren stehen für die Erkennung dieser Objekte zur Verfügung. Um Pre-Crash-Funktionalitäten zu testen, können Sie Verkehrsszenarien definieren, die auf der Straße zu einem Unfall führen können, und so das Systemverhalten unter anspruchsvollen Bedingungen verfolgen. Verkehrsszenarien lassen sich ändern und sofort simulieren, ohne dass erneut Code generiert werden muss.

Automotive Simulation Models und Pakete für Fahrerassistenzsysteme.

Wie erstellt man Verkehrsszenarien mit ASM?

Ein Verkehrsszenario definiert in erster Linie, wo und wie sich andere Fahrzeuge und Objekte rund um das Ego-Fahrzeug bewegen. ASM Traffic unterstützt Verkehrsszenarien mit einem Testfahrzeug und einer Vielzahl unabhängiger Umgebungsfahrzeuge, die alle beliebigen Aktionen wie Spurwechsel, Geschwindigkeitsänderung, Querverkehr, Gegenverkehr etc. durchführen können.

Sie können Verkehrsszenarien über die grafische Benutzeroberfläche von ModelDesk erstellen. Der ModelDesk Road Generator wird für die Erstellung von Straßennetzen und besonderen Straßenbeschaffenheiten verwendet. Eine virtuelle Straße kann manuell aus geometrischen Segmenten aufgebaut werden, oder komplette Straßennetze lassen sich aus Kartendaten wie OpenDrive, Open CRG, GPS, ADAS RP, Google Earth und OpenStreetMap importieren. Um die Umgebung zu definieren, ist der Straßenentwurf eng mit der 3D-Animationssoftware MotionDesk verzahnt.

Die Bewegungen der Umgebungsfahrzeuge in einem Straßennetz werden in der grafischen Benutzeroberfläche des ModelDesk Traffic Editors definiert. Mit ASM Traffic simulierte Verkehrsszenarien können durch Echtzeit-3D-Animationen in MotionDesk visualisiert werden. ModelDesk und MotionDesk arbeiten Hand in Hand. In ModelDesk vorgenommene Updates können sofort in MotionDesk eingesehen werden.

Mit ModelDesk können Sie Szenen für die automatische Generierung von 3D-Szenen in MotionDesk definieren. Zum Beispiel lassen sich Landstraßen, Alleen und Stadtgebiete definieren und komplett parametrieren: mit Böschungen, Banketten, Baumabständen, Leitpfosten, Straßenlampen, Gebäude-Varianten etc. Die Feineinstellungen nehmen Sie anschließend in MotionDesk und dem integrierten Scene Editor vor.

Wie werden echte Sensoren und Aktoren integriert?

Ein Schwerpunkt des ADAS-Tests kann der End-to-End-Test sein, also vom ersten Sensor in der Signalkette bis zum letzten Aktor, der eine Aktion ausführt. Zum Beispiel kamerabasierte Fahrerassistenzsysteme wie Spurverlassenswarnung und Spurhalteassistent. Statt das Gesamtsystem durch Tausende auf der Straße gefahrene Testkilometer abzusichern, kann der Großteil der damit verbundenen Tests im Labor mittels HIL-Simulation und virtueller Testfahrten durchgeführt werden.

Das 3D-Visualisierungswerkzeug MotionDesk erzeugt synthetische Kamerabilder der Straße und des Verkehrsgeschehen, das sich vor dem Ego-Fahrzeug abspielt. Diese Bilder werden auf einem Bildschirm angezeigt, der vom Bildverarbeitungssteuergerät mit integriertem Kamerasensor überwacht wird. Damit das Steuergerät diese Bilder als reale Verkehrsumgebung interpretieren kann, muss der Fokus der Kamera an den tatsächlichen Abstand zum Bildschirm angepasst werden und die erzeugten Bilder müssen der Perspektive der Frontkamera im realen Fahrzeug entsprechen. Dazu werden in der Regel Einstellungen wie Position und Ausrichtung der zugehörigen virtuellen Kamera im 3D-Visualisierungswerkzeug definiert.

Zusätzlich muss die eigentliche Bilderzeugung der Grafikkarte mit der Taktung des Kamerasensors synchronisiert werden und die 3D-Visualisierungssoftware auf dem PC muss Bilder mit einer relativ konstanten Bildrate von zum Beispiel 60 Hz erzeugen. Auf diese Weise wird das Bildverarbeitungssteuergerät in einer Echtzeitsimulation mit geschlossenem Regelkreis stimuliert und die erkannten Formen und Positionen der Spurmarkierungen werden an die Algorithmen des Spurverlassenswarnungs- und Spurhalteassistenten weitergeleitet.

Im Gegensatz zur Kamera kann der Radarsensor nicht direkt in einem HIL-Aufbau zur Erkennung von Verkehrsobjekten eingesetzt werden. Stattdessen wird ein geeignetes Sensormodell benötigt, um die Eigenschaften des realen Radarsensors zu simulieren. Die Automotive Simulation Models verfügen über ein generisches Sensormodell, das speziell an diesen Anwendungsfall angepasst werden kann. Der Sensor berechnet den nächstgelegenen Punkt zu jedem Verkehrsteilnehmer im 3D-Raum und gibt den zugehörigen Abstand, die Relativgeschwindigkeit, die Relativbeschleunigung und den relativen Horizontalwinkel aus. So werden die Objektdaten, die normalerweise vom realen Radarsensor ausgegeben werden, während der virtuellen Testfahrt berechnet.

Um das Verhalten des Gesamtsystems abzusichern, werden die vom Radarsensormodell emulierten Objektdaten über eine sehr schnelle, latenzarme Schnittstelle direkt in das Steuergerät eingespeist. Ist das Radarsteuergerät nicht direkt in den HIL-Testaufbau integriert, können Informationen zu erkannten Objekten über den CAN- oder FlexRay-Bus als Restbussimulation an andere Steuergeräte weitergegeben werden.

HIL-Aufbau zur Prüfung von radar- und kamerabasierten aktiven Sicherheitssystemen.

Mit der hier vorgestellten Werkzeugkette von dSPACE können die gleichen Modelle, Werkzeuge und Tests kontinuierlich für die PC-Offline- und Echtzeit-HIL-Simulation genutzt werden. Die Werkzeugkette ermöglicht die Bewertung und Validierung verschiedener Fahrerassistenzsysteme während der MIL-, SIL- und HIL-Simulation. Speziell für die Prüfung von radar- und kamerabasierten Anwendungen, die in modernen Serienfahrzeugen immer häufiger vorkommen, stehen spezielle Modelle und Werkzeuge zur Verfügung.

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