Herausforderungen in Zeiten von COVID-19 bewältigen

University of Waterloo Alternative Fuels Team überdenkt seine Strategie

The University of Waterloo Alternative Fuels Team (UWAFT) is represented by engineering and business students from the University of Waterloo and Wilfrid Laurier University with backgrounds in controls development, electrical and mechanical engineering, communications, autonomous vehicles, user interface design and other fields of study. (This photo was taken before Covid-19-related restrictions.)

Wie konstruiert man einen Antriebsstrang um, wenn man keinen Zugang zu den physischen Komponenten hat? Die COVID-19-Pandemie hat die Aktivitäten der Ingenieur- und Wirtschaftsstudenten der Universität Waterloo und der Wilfrid-Laurier-Universität, die an der EcoCAR Mobility Challenge teilnehmen, durcheinander gewirbelt. Die Studenten sind dabei, einen 2019 Chevrolet Blazer umzubauen, aber seit mehr als sechs Monaten haben sie keinen Zugang mehr zu ihrem Wettbewerbsfahrzeug.

Anstatt alle Aktivitäten einzustellen, beschloss das University of Waterloo Alternative Fuels Team (UWAFT), seine Strategie zu ändern. Indem sie sich auf die Software-Seite der Entwicklung konzentrieren, kommen sie wieder voran und machen Fortschritte.

„Unser Team hat schnell gelernt, dass wir mit der Software allein sehr viel erreichen können, so dass wir, während sich unser Schwerpunkt verlagerte, nur kleine Rückschläge hinnehmen mussten“, sagte Teodor Crnobrnja, UWAFT Propulsion Controls & Modeling Co-Lead. „Wir begannen, automatisierte Testoptionen zu untersuchen, und wir konnten unsere Meeting-Strategien, Testverfahren, Aufgabenaufteilung und langfristigen Pläne verbessern.“

Die EcoCAR Mobility Challenge ist ein vierjähriger Wettbewerb, der Ingenieurstudenten praxisnahe Erfahrungen bei der Entwicklung zukünftiger Mobilitätslösungen vermittelt. UWAFT ist eines von 12 nordamerikanischen Universitätsteams, die darum wetteifern, die Energieeffizienz, Sicherheit und Attraktivität des Chevrolet Blazer 2019 durch die Einführung anspruchsvoller Antriebssysteme sowie vernetzter und automatisierter Fahrzeugtechnologien zu verbessern. Die Teams befinden sich derzeit im dritten Jahr (2020-2021) des Wettbewerbs.

Beispiellose Re-Design-Funktionalitäten

The Controls Team troubleshoots the high-voltage battery pack installed in the trunk of the Chevrolet Blazer.

Die UWAFT ist dabei, ihr Wettbewerbsfahrzeug in ein voll funktionsfähiges Hybridantriebssystem umzuwandeln. Ihr Fahrzeug wird von einem Elektromotor an der Hinterachse angetrieben. Mit dieser einzigartigen Konfiguration können sich die angehenden Ingenieure, die an der Steuerung arbeiten, auf die Entwicklung einer robusten Energiemanagementstrategie konzentrieren, die den Kraftstoffverbrauch maximiert und gleichzeitig die Fahrleistung liefert, die der Verbraucher erwarten.

Mit ihrem überarbeiteten Entwurf wird der Energieverbrauch durch ein maßgeschneidertes Wärmemanagementsystem und durch die Fähigkeit des Motors, beim Bremsen zu regenerieren, minimiert. Zusätzlich verfügt das Fahrzeug über ein kundenspezifisches Perzeptionssystem und einen Controller, um SAE Level 2 zu erreichen.

„Wir fügen auch eine Mensch-Maschine-Schnittstelle hinzu, die es den Benutzern ermöglicht, mit Fahrerassistenzfunktionen zu interagieren“, sagte Cole Tofflemire, UWAFT Propulsion Controls & Modeling Co-Lead. „Wir hoffen, dass dies die Benutzerfreundlichkeit insgesamt verbessern wird.“

Um diese kundenspezifischen Funktionalitäten, einschließlich der Aufgaben der Fahrzeugintegration, gründlich zu testen, verfolgt das Team eine Verifikations- und Validierungsmethode (V&V).

„Wir halten uns an das V-Modell für Software-Entwicklung", sagte Tofflemire. „Wir stellen sicher, dass unser Code in einer Software-Umgebung vollständig validiert wird, bevor wir zu den Hardware-Tests übergehen. Wenn unser Code zu irgendeinem Zeitpunkt unsere standardisierten Anforderungen und Testfälle nicht erfüllt, dann evaluieren wir ihn in einer Software-Umgebung neu, bis er auf der Hardware und/oder im Fahrzeug validiert wurde. Wir setzen neben MATLAB/Simulink dSPACE Werkzeuge und Equipment ein. Der Prozess ist sehr verschlankt."

Bewältigen aktueller und zukünftiger Herausforderungen

Mit dem eingeschränkten Zugang zu Hardware und Einschränkungen bei der Ausführung von Arbeiten vor Ort aufgrund von COVID-19 sieht sich das Team Herausforderungen gegenüber, die weit über ein normales Wettbewerbsjahr hinausgehen.

„Wir befinden uns in einer Phase, in der bedeutende Hardware-Tests durchgeführt werden müssen, um unsere Software-Entwicklung weiter zu validieren, aber gleichzeitig muss die persönliche Arbeit auf ein Minimum beschränkt werden", sagte Ashad Bhatti, UWAFT-Projektmanager. „Wir investieren jedoch erhebliche Ressourcen in die Verschlankung unseres Hardware-Testprozesses durch Tools wie AutomationDesk. Mit einem etablierten Arbeitsablauf und kontinuierlichen Integrationsprozessen hoffen wir, die Notwendigkeit der Durchführung von Tests vor Ort vor der Vehicle-in-the-Loop-Phase zu eliminieren."

Bei dem Versuch, den Motor ihres Fahrzeugs zum Laufen zu bringen und sicherzustellen, dass alle Systeme ordnungsgemäß funktionieren, haben die Teammitglieder viele Tage damit verbracht, an der Antriebssteuerung zu arbeiten. Tests waren der Schlüssel zur Lokalisierung und Lösung von Problemen. Gegenwärtig berichtet das Team, dass die hinteren Fahrzeugsysteme in Betrieb sind, aber für die Systeme im vorderen Teil müssen noch viele Tests durchgeführt werden.

„Neue Komponenten erfordern ein unterschiedliches Feedback zwischen den Steuermodulen im Fahrzeug, und das ist eine der aktuellen Herausforderungen für unser Team", sagte Teodor Crnobrnja. „Um voll funktionsfähig zu sein, muss jedes Modul die richtigen Daten haben, sonst bewegt sich das Auto erstmal nicht.“

UWAFT setzt Simulationswerkzeuge von dSPACE ein.

During a training session held at dSPACE, UWAFT students Ryan Tanary and Joe Ye establish digital & analog interfacing utilizing dSPACE MicroAutoBox II and dSPACE HIL hardware with a RTICANMM block set.

Um das Team bei der Entwicklung von Software-Regelungen zu unterstützen, setzt UWAFT das Rapid-Prototyping-System dSPACE MicroAutoBox II und einen Standard-dSPACE-Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulator sowie die Experimentier-Software dSPACE ControlDesk und das Test-Authoring- und Automatisierungswerkzeug dSPACE AutomationDesk ein.

Die MicroAutoBox II wird zur Entwicklung des Hybrid-Überwachungssteuergeräts des Fahrzeugs verwendet, das mit mehreren Steuergeräten (ECUs) sowie automatisierter Fahrzeug-Hardware kommuniziert. Der HIL-Simulator wird zur Simulation der Steuergeräte vor den fahrzeuginternen Tests eingesetzt. Diese Hardware-Produkte machten zusammen mit ControlDesk und AutomationDesk robuste Hardware-in-the-Loop-Tests möglich, lobte Bhatti.

Einfacher Umstieg von Software auf Hardware

Die enge Integration zwischen den dSPACE Werkzeugen und der MATLAB/Simulink-Umgebung hat es dem Team ermöglicht, seine Software problemlos in die Hardware-Umgebung zu integrieren.

„Dies ist ein großer Luxus", sagte Crnobrnja. „Es ermöglicht uns schnelle Tests zwischen der simulierten und der Echtzeitumgebung und gibt dem Team die Gewissheit, dass der Einsatz am realen Fahrzeug erfolgreich sein wird.“

Durch die Kopplung des HIL-Simulators mit der MicroAutoBox II, so die Teammitglieder, können sie ihre Simulationen innerhalb von Minuten validieren. Und mit den AutomationDesk-Funktionen lassen sich ihre Test- und Verifikationsaktivitäten auf eine andere Ebene verlagern, wodurch die Entwicklung, egal ob vor Ort oder auf die Entfernung, viel effizienter als zuvor. Im weiteren Verlauf des Wettbewerbs plant das Team, das Potenzial all dieser Instrumente zur Unterstützung seiner Entwicklungs- und Testverfahren zu maximieren.

„Die von dSPACE bereitgestellten Werkzeuge haben die Erwartungen unseres Teams weiterhin übertroffen", sagte Bhatti. „Diese Werkzeuge sind bei richtiger Anwendung sehr leistungsstark, und sobald man eine leichte Lernkurve hinter sich hat, ist die Bedienung reibungslos und unkompliziert.“

Auf der Suche nach einer realen EcoCAR-Erfahrung

Der EcoCAR-Wettbewerb ist anspruchsvoll, da die Teams an jeder Ecke auf Herausforderungen stoßen, aber genau das macht den Reiz der Veranstaltung für junge Ingenieure aus. Die Mitglieder von UWAFT darüber, warum sie sich für die Teilnahme an der EcoCAR Mobility Challenge entschieden haben:

„Als ich an die University of Waterloo kam, wollte ich nicht einfach nur meinen Abschluss und dann weitermachen, ohne reale Herausforderungen zu durchlaufen. Ich wollte einen Ort finden, an dem ich mich ständig selbst herausfordern kann. Diese Umgebung habe ich mit dem UWAFT gefunden. Es ist eine unvergleichliche Erfahrung."

Teodor Crnobrnia, UWAFT Propulsion Controls & Modeling Co-Lead

„Ich habe nach einer Gelegenheit gesucht, mich in schwierige technische Herausforderungen einzuarbeiten und mein Wissen zu vertiefen, indem ich Probleme aktiv angehe. Mir wurde schnell klar, dass der Beitritt zu EcoCAR der beste Weg wäre, dies zu erreichen. Durch EcoCAR reift man zu Menschen, die nicht nur in technischen Bereichen versiert sind, sondern auch erfahren im Management, der Betreuung und der Arbeit in einem dynamischen Teamumfeld. Vom ersten Tag an konnte ich diese Qualitäten in den Teamleitern sehen, und ich habe mich bemüht, es ihnen gleich zu tun."

Cole Tofflemire, UWAFT Propulsion Controls & Modeling Co-Lead

„Ich beschloss als Erstsemester, mich an der EcoCAR Mobility Challenge einzubringen. Auf dem Campus wurden viele Konstruktionsteams beworben, aber EcoCAR fiel mir besonders auf, weil es eine Vielzahl von Herausforderungen für seine Teilnehmer in verschiedenen Bereichen gab. Seitdem hat mich das Umfeld mit seinem rasanten Tempo nicht mehr losgelassen und ich arbeite in jedem Semester mit, in dem es mir möglich ist.“

Ryan Tanary, UWAFT Propulsion UWAFT Connected Autonomous Vehicle Team Lead

„Bevor ich zu EcoCAR kam, hatte ich gerade ein Praktikum in einem Batterieforschungslabor absolviert. Ich sah das Team zum einen als eine Gelegenheit, mehr über die Produkte zu erfahren, in die meine Forschungsarbeit einfließen würde. Und zum anderen würde es mir wertvolle technische Erfahrung bringen, die mir meiner Meinung nach noch fehlte. EcoCAR hat mir beides erfüllt und mir zudem fantastische Freundschaften geschenkt, mit denen ich einige meiner schwierigsten Herausforderungen während meines Studiums meistern konnte."

Haocheng Zhang, UWAFT Hybrid Vehicles Control Lead Developer

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