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SimulationstechnikAlles unter Kontrolle mit Simulation

Durch die Simulation des Fahrverhaltens unter Verwendung eines Modells können in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses Fehler erkannt und behoben werden. Die Simulationslösung Ansys Scade ist zur Optimierung von Fahrzeugautomatisierung und fortschrittlichen Fahrer-Assistenzsystemen geeignet.

Simulationstechnik: Alles unter Kontrolle mit Simulation

Die Fahrzeugautomatisierung bietet das Potenzial, jährlich hunderttausende Todesfälle durch Unfälle – Autofahrer, Motorradfahrer, Fahrradfahrer und Fußgänger – wesentlich zu reduzieren. Die Automatisierung bietet die Möglichkeit, den Verkehrsfluss zu verbessern, den Fahrkomfort zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch sowie die Abgasentstehung zu verringern. Viele Fahrzeuge verfügen bereits über automatische Beleuchtung, intelligente Parkhilfen, Näherungssensoren mit Alarmfunktion und andere automatische Systeme. Für den vollständig autonomen Betrieb von Fahrzeugen oder für selbstfahrende Fahrzeuge bestehen jedoch zahlreiche technische, regulative und rechtliche Hürden.
Nur wenige US-Bundesstaaten erlauben derzeit einen halbautonomen Fahrzeugbetrieb (beispielsweise Systeme, welche die Kontrolle übernehmen, wenn der Fahrer einen Fehler macht), und vollautonome, fahrerlose Fahrzeuge sind nirgendwo zugelassen. Für die vorhersehbare Zukunft werden Fahrzeugautomatisierung und hochentwickelte Fahrerassistenzsysteme – so genannte Advanced Driving-Assistance Systems (Adas) – Assistenz- und Automatisierungsfunktionen bereitstellen, deren Spektrum von der vollständigen Kontrolle durch den Fahrer bis hin zur hundertprozentigen Kontrolle durch die Automatisierungstechnik reichen. Bei der Entwicklung dieser Systeme besteht eine große Herausforderung darin, die – vom Fahrer oder von der Automatisierungstechnik ausgelösten – Übergänge zwischen diesen verschiedenen Automatisierungsebenen zu realisieren.

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Integration von Fahrer und Automatisierungstechnik
Die Fahrzeugautomatisierung bietet das Potenzial, die Zahl von hunderttausenden Verkehrstoten wesentlich zu reduzieren. Das Institut für Verkehrssystemtechnik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt in Zusammenarbeit mit führenden Fahrzeugtechnik-Anbietern (OEMs) Fahrzeugautomatisierung und Adas zur Lösung diverser Problemstellungen. Das DLR kombiniert sein technologisches Know-how mit psychologischer und ergonomischer Forschung, um Fahrzeugautomatisierungstechnik zu entwickeln, die an die Fähigkeiten und Erwartungen jedes Fahrers angepasst werden kann.
Derzeit in der Entwicklung befindliche Systeme sehen eine Integration von Fahrer und Automatisierungstechnik zum Beispiel in der Form vor, dass die Kontrolle an den Fahrer zurückgegeben wird, wenn die Automatisierung an ihre Grenzen gelangt. In diesem Fall müssen dem Fahrer von der Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human-Machine Interface, HMI) die richtigen Informationen zur richtigen Zeit geliefert werden, so dass er auf sichere Weise wieder die Kontrolle über das Fahrzeug übernehmen kann. Das DLR nutzt Ansys Scade Suite und Ansys Scade Display zur Entwicklung von HMIs in der Modellumgebung bei Nutzung vordefinierter und spezifischer Komponenten. Durch die Simulation des Verhaltens unter Verwendung des Modells können in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses Fehler erkannt und behoben sowie wichtige Erkenntnisse gewonnen werden, um die Systemleistung schnell verbessern zu können.

Die Rolle der Mensch-Maschine-Schnittstelle
Ein Beispiel für die Funktionsweise der HMI liegt vor, wenn die Automatisierungstechnik die Fahrbahnmarkierung infolge von Verschmutzungen nicht erkennen kann und die Kontrolle daher an den Fahrer zurückgeben muss. Die HMI erzeugt die akustischen, taktilen und optischen Hinweise, um den Fahrer zu veranlassen, wieder die Kontrolle zu übernehmen; die HMI überprüft auch auf verschiedene Weise, dass der Fahrer wie geplant übernommen hat, beispielsweise durch Erkennen, ob der Fahrer das Lenkrad ergriffen hat. Reagiert der Fahrer nicht, bringt die Automatisierungstechnik das Fahrzeug zu einem sicheren Halt. Im umgekehrten Fall, wenn der Fahrer das Fahrzeug steuert und die Automatisierungstechnik eine plötzliche Gefahr erkennt, kann das System eine Warnung an den Fahrer ausgeben und die Kontrolle übernehmen, um einen Umfall zu verhindern.
Die Abwicklung dieses Übergabeprozesses ist nur eine der vielen Funktionen, die von Mensch-Maschine-Schnittstellen übernommen werden, die im Zuge der Weiterentwicklung der Automatisierungstechnik ständig an Funktionalität gewinnen.
Dies hat zur Folge, dass der HMI-Entwicklungsprozess immer schwieriger wird. Bei der Entwicklung von HMIs mit manuellen Codierverfahren erhielten die Entwickler bisher erst dann eine Rückmeldung, wenn der Code kompiliert war und in der teuren und komplizierten Zielhardware-Umgebung ausgeführt wurde. Änderungen an der HMI waren schwierig, denn der zuständige Entwickler konnte diese erst überprüfen, wenn der Code auf dem Zielsystem ausgeführt wurde. Für jeden HMI-Entwicklungsschritt mussten in der Zielumgebung viele verschiedene Szenarien überprüft werden, was den Prozess extrem langwierig machte. Änderungen an der HMI, zum Beispiel die Verschiebung eines Elements aus einer Darstellung in eine andere, erforderten einen beträchtlichen manuellen Codier- und Testaufwand.

Übergang zur modellbasierten Entwicklung
Der Zeitaufwand für die Entwicklung und Validierung der HMI wurde erheblich verringert, indem der Entwicklungsprozess in Scade Suite und Scade Display verlagert wurde. Funktionale Anforderungen und Testfälle wurden mit Hilfe von Scade Requirements Management Gateway mit dem Scade-Modell verknüpft. Die Entwickler beim DLR verwenden heute einen modellbasierten Entwicklungsansatz, der auf der Erzeugung eines ausführbaren Modells in einer Blockschaltbild-Entwicklungsumgebung basiert. Die Entwickler definieren die Funktionalität der HMI mit Hilfe von Bausteinen, die Algorithmen oder Subsysteme darstellen. Sie haben in der Scade-Umgebung eine Bibliothek mit Bausteinen für die Durchführung und Anzeige gebräuchlicher HMI-Funktionen zur Fahrzeugautomatisierung erstellt, so dass der Entwicklungsprozess weitgehend darin besteht, vorhandene Bausteine auszuwählen, anzupassen und ihre Ausgänge und Eingänge miteinander zu verschalten.
Die Entwickler simulieren das Verhalten des Modells und erhalten eine sofortige Rückmeldung über seine Leistung. Testfälle werden in der virtuellen PC-Umgebung ausgeführt, statt in der komplizierteren und kostspieligeren Zielumgebung. So müssen die Entwickler beispielsweise für jeden neuen Code-Lauf viele hundert verschiedene Szenarien prüfen, um sicherzustellen, dass bestimmte Informationen an kritischen Stellen des Bildschirms erscheinen, zum Beispiel bei der Übergabe von der Automatisierungstechnik an den Fahrer. Wo dies früher einen langwierigen manuellen Prozess erforderlich machte, können die Entwickler des Modells heute eine automatische Routine ausführen, die jedes Szenario rasch auswertet.

Automatische Codegenerierung
Nach erfolgter Validierung des Modells erzeugt der Scade KCG Codegenerator den Code für die Zielumgebung. Der Scade Suite KCG C-Codegenerator ermöglicht eine vollständige Rückverfolgung vom Modell zum generierten Code, indem er eine eindeutige 1:1-Beziehung zwischen Modell und Code herstellt. Der Code wird zunächst in verschiedenen DLR-Fahrsimulatoren ausgeführt, zuletzt im dynamischen Fahrsimulator des DLR, der über eine hochgradig realitätsgetreue Darstellung mit integriertem Cockpit und einem hydraulischen Bewegungssystem verfügt, um eine realistische Fahrumgebung zum Testen von automatisierungstechnischen Prototypen zu erzeugen.
Hier können die Entwickler die Leistung der Mensch-Maschine-Schnittstelle in Fahrszenarien beurteilen, die der Realität sehr nahe kommt, beispielsweise für den Fall, dass die Kontrolle wieder an den Fahrer übergeben werden soll, wenn das System wegen einer Baustelle mit Umleitung an seine Grenzen gelangt. Nachdem der HMI-Betrieb im Fahrsimulator überprüft worden ist, wird der Code für das Testfahrzeug generiert, das für die Systembeurteilung durch einen virtuellen Kopiloten gesteuert werden kann.
Scade Suite und Scade Display erleichtern Änderungen an der HMI zur Überprüfung verschiedener alternativer Designs und zur Erzeugung unterschiedlicher Varianten der HMI für verschiedene Fahrzeuge. Die Entwickler des DLR können die Anordnung der Elemente in den einzelnen Ansichten simpel dadurch ändern, dass sie Bausteine im Modell anders anordnen. Bisher wären dafür umfangreiche manuelle Codierungsarbeiten erforderlich gewesen. Ansys Scade Suite und Scade Display haben des Verfahren der HMI-Entwicklung erheblich verbessert, indem die HMI kontinuierlich getestet und validiert wird: Zuerst in der Modellphase, dann im Fahrzeugsimulator und schließlich in der Zielumgebung im Testfahrzeug, so dass Probleme zum frühestmöglichen Zeitpunkt erkannt und behoben werden können.
Der Zeitaufwand für die Entwicklung und Validierung der HMI wurde erheblich verringert, indem der Entwicklungsprozess in Scade Suite und Scade Display verlagert wurde. -sg-

Autor: Frank Köster, Abteilungsleiter, Institut für Verkehrssystemtechnik, DLR, Braunschweig

Ansys, Darmstadt, Tel. 06151/36440, http://www.ansys.com

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