Um die Anforderungen im Bereich autonomes Fahren zu erfüllen, sind immer häufiger HIL-Tests (Hardware in the Loop) erforderlich, mit denen die Funktionalität von Fahrerassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) validiert und verifiziert wird. Den Fahrerassistenzsystemen wird eine zentrale Rolle bei selbstfahrenden Fahrzeugen zugeschrieben. Das Whitepaper liefert einen Überblick über die ADAS-HIL-Simulation mit Sensorfusion, präsentiert die Ergebnisse bisheriger Forschungsarbeit und geht auf die Schlüsselkomponenten zur Implementierung der Anwendung ein.
Fahrzeuge sind heutzutage mit zahlreichen Fahrerassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) ausgestattet, die auf unterschiedlichen Sensoren wie Radar, Kameras, LIDAR oder Ultraschall basieren. In der Regel erfüllt jeder dieser Sensoren eine bestimmte Funktion und nur in seltenen Fällen findet ein Informationsaustausch zwischen den Sensoren statt. Die Menge an Informationen, die der Treiber erhält, ist proportional zur Anzahl der verwendeten Sensoren. Wenn hinreichend Sensordaten vorhanden sind und die Kommunikation etabliert ist, kann mithilfe intelligenter Algorithmen ein autonomes System erstellt werden.
Bei Sensorfusion handelt es sich um einen Mix aus Informationen von verschiedenen Sensoren, die ein klareres Bild der näheren Umgebung liefern. Das ist eine notwendige Voraussetzung, um die Entwicklung hin zu einem verlässlicheren Funktionsumfang in Sachen Sicherheit und hin zu effektiveren Systemen für das autonome Fahren zu vollziehen.
Abbildung 1: Ein „Blick“ auf die Umgebung eines Fahrzeugs
Sensorfusion kann bei allen Arten von Sensoren relevant sein. Ein typisches Beispiel ist die Fusion, also Zusammenführung, von Informationen, die von einer Frontkamera und einem Frontradar geliefert werden. Eine Kamera, die im sichtbaren Spektrum arbeitet, hat unter Bedingungen wie Regen, dichtem Nebel, grellem Sonnenlicht und fehlender Beleuchtung Probleme. Sie ist jedoch sehr zuverlässig beim Erkennen von Farben (beispielsweise Fahrbahnmarkierungen). Radar eignet sich selbst bei niedriger Auflösung zur Erkennung von Entfernungen und reagiert nicht empfindlich auf Umgebungsbedingungen.
Zu den typischen ADAS-Funktionen basierend auf der Sensorfusion von Frontkamera und -radar zählen:
Komplexe Systeme werden in einer geeigneten Testumgebung validiert, welche die Sensoren so stimuliert, dass das Verhalten des Fahrzeugs unter realen Bedingungen verifiziert wird.
Altran Italia hat einen innovativen Radarobjektsimulator auf Grundlage von NI-Technologien sowie einen 3D-Simulator für virtuelle Straßenszenarien in einen HIL-Aufbau integriert. So entstand ein szenariobasiertes Testgerät, das Kamera- und Radardaten vollständig synchronisiert, um Algorithmen für die Sensorfusion zu validieren.
Abbildung 2: ADAS-HIL-Testlösung von Altran und NI
Das 3D-Szenario basiert auf der Unity 3D Graphic Engine, einer plattformübergreifenden Videospiel-Engine von Unity Technologies, und ist vollständig konfigurierbar, sodass die Anpassung von Parametern wie die Zahl der Fahrbahnen, der Lichtverhältnisse und des Streckentyps möglich ist. Am Markt gibt es eine Vielzahl weiterer Umgebungen, die sich auf ähnliche Weise einsetzen ließen, darunter IPG Carmaker und TASS PreScan.
Die Grafik-Engine reproduziert die Umgebung aus Sicht einer Kamera, die an der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs angebracht ist. Die Umgebung kann entsprechend dem Abstand zum Boden und dem Sichtfeld der Kamera verändert werden. Darüber hinaus kann auch ein Hindernis (beispielsweise ein weiteres Fahrzeug) in einer bestimmten Entfernung von der Kamera mit einer festgelegten Geschwindigkeit gezeigt werden.
Abbildung 3: Szenario, das die Unity-Grafik-Engine zeigt
Zur Fahrzeugsteuerung empfängt die Grafik-Engine neben dem Lenkwinkel auch die Position des Brems- und Gaspedals. Ein PXI-System erfasst die Daten und zusätzlich Signale vom Lenkrad sowie von den Pedalen (Logitech G29). Das dynamische Fahrzeugmodell ist in die Grafik-Engine integriert und bietet ein hohes Maß an Konfigurierbarkeit.
Abbildung 4: Standardmanöver
Je nach ausgewähltem Hindernisszenario (oben sind einige Beispiele als Startpunkt genannt) gibt die Grafik-Engine die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie die vom VRTS benötigten Informationen aus, um ein RF-Signal zu erzeugen. Alle Eingabe-/Ausgangsinformationen werden mit dem PXI-System über ein proprietäres Protokoll ausgetauscht und können nach Bedarf geändert werden.
Bei diesem Aufbau wurde eine CAN-Kommunikation mit PXI-8512/2 eingesetzt, um Informationen vom Szenariogenerator über Radarziele (Entfernung, Radarrückstrahlflächen, Einfallswinkel und Geschwindigkeit) zu gewinnen. Beim PXI-8512/2 handelt es sich um eine CAN-/CAN-FD-Schnittstelle mit hohen Geschwindigkeiten und mit zwei Anschlüssen für PXI-Systeme, die CAN-Frames bei 1 Mbit/s sendet und empfängt. Die Informationen werden nur dann an den Hindernisgenerator gesendet, wenn die Angaben zu den Zielen zwischen aufeinanderfolgenden Messungen abweichen.
Die PXI-Schnittstelle sendet Daten an den Hindernissimulator und erfasst Pedal- und Lenksignale. Darüber hinaus emuliert sie CAN-Nachrichten, die über ein privates Fahrzeugnetzwerk zwischen Radar und Kamera ausgetauscht werden.
CAN-Nachrichten werden mithilfe des virtuellen 3D-Szenarios und des RF-Zielgenerators synchronisiert, um die geeignete Umgebung zur Validierung der Daten von modernen Kameras und Radargeräten zu schaffen.
Nachfolgend finden Sie einen kurzen Abriss über alle Systemkomponenten und Kommunikationsverbindungen bzw. -busse.
Abbildung 5: Emulation der Fahrzeugkommunikation
Der Simulator wurde mithilfe der Unity 3D Graphic Engine entwickelt, einer plattformübergreifenden Videospiel-Engine von Unity Technologies. Ein modularer Ansatz erlaubt die einfache Integration des Videoszenarios in Drittanbieterplattformen, Plugins oder Geräte, wie das in Abbildung 5 gezeigte Logitech G29.
Abbildung 6: ADAS-HIL-Testumgebung
Der Radarobjektsimulator wird innerhalb des HIL-Systems für Tests und Messungen eingesetzt. Dank der Flexibilität, Modularität und Skalierbarkeit des NI-Systems ist eine einfache Integration in andere I/O-Systeme möglich, sodass es als Teil eines umfangreichen HIL-Testgeräts für den Entwurf und Test von Radaranwendungen dienen kann. Außerdem kann dasselbe System für die Emulation von Zielgeräten und Radargerätemessungen verwendet werden, was die Kosten für Geräte- und Systemtests verringert.
Das System ermöglicht:
Abbildung 7: Systemarchitektur mit zwei Zielen und einem Winkel
Abbildung 7 zeigt den Aufbau mit einem Vektorsignal-Transceiver des Typs PXIe-5840 und einem mm-Wellen-Funkempfänger. Damit können zwei Ziele mit demselben Einfallswinkel erzeugt werden. Die Flexibilität der PXI-Plattform hat eine einfache Erweiterung des Systems auf mehrere Ziele mit mehreren Einfallswinkeln ermöglicht. Abbildung 8 zeigt die Konfiguration mit vier PXIe-5840-Geräten und vier mm-Wellen-Funkempfängern. Diese Konfiguration ermöglicht, bis zu acht verschiedene Ziele mit vier Einfallswinkeln zu simulieren.
Abbildung 8: Systemarchitektur mit acht Zielen und vier Winkeln
Das Chassis mit dem Radarobjektsimulator kann mithilfe gängiger Kommunikationsbusse (CAN oder LIN) für den Automobilbereich und anderer in der Industrie üblichen Kommunikationstechnik integriert werden, die für das HIL-System erforderlich ist. Die modulare Lösung erlaubt Automobilbauern das Testen komplexer alltäglicher Szenarien, in denen mehrere Einfallswinkel getestet werden können. In den NCAP-Richtlinien (New Car Assessment Program) enthaltene Standardmanöver können automatisch getestet werden, was Zeit und Aufwand spart.
Altran hat gezeigt, dass es inzwischen möglich ist, Laborvalidierungen von Systemen wie RADAR und Kameras durchzuführen, die eigenständig oder als integrierter Bestandteil arbeiten.
Beide Komponenten spielen eine wichtige Rolle bei der Sicherheit. Daher ist die Möglichkeit, sie im Labor noch vor den Fahrzeugtests prüfen zu können, ein entscheidender Schritt.
Eine Validierung auf diese Art und Weise hat folgende Vorteile:
Zwar wurde die auf Grundlage von NI-Hard- und -Software von Altran erstellte ADAS-HIL-Testumgebungs-Suite für die Verifizierung und Validierung konzipiert, jedoch ist ihr Einsatz nicht auf diesen Bereich beschränkt. Die Suite kann auch zur Kalibrierung von ECUs verwendet werden, um Parameter für Fahrzeugtests zu ermitteln.
Fahrerassistenzsysteme können vollständig in andere NI-Hardwareprodukte für HIL integriert werden, darunter SLSC-Hardware (Switch Load Signal Conditioning) zum Standardisieren und Routen von Signalen, zum Schalten von Lasten und zur Signalaufbereitung. Mithilfe der Softwareumgebung VeriStand für Echtzeittestanwendungen kann jede Komponente in ein Framework integriert werden, das mit echtzeitfähigen HIL-Systemen interagieren kann.
Abbildung 9: So passt SLSC in ein HIL-System
NI hat seine Plattform um ein Ökosystem aus branchenweit führenden Partnern im Bereich vernetzter Fahrzeuge und moderner Fahrzeugtechnik erweitert, die Anwender bei Infotainment-Tests, Tests von Batteriemanagementsystemen, Car2X-Kommunikationtechnologien und NVH-Analysen unterstützen.
Abbildung 10: Car2X, Lidar und GNSS für das vernetzte Fahrzeug
Autoren
Mario Amoruso (National Instruments)
Stefano Caiola (National Instruments)
Giuseppe Doronzo (Altran Italia)
Marino Difino (Altran Italia)
Begutachtung
Ram Mirwani (National Instruments)
Matteo Moriotti, Altran Italia
Davide Palandella (National Instruments)
Als weltweit führender Anbieter für Engineering- und F&E-Serviceleistungen (ER&D) hat Altran eine völlig neue Methode für seine Kunden konzipiert, um Innovationen umzusetzen. Dazu entwickelt das Unternehmen die Produkte und Services von morgen. Altran arbeitet mit seinen Kunden an der gesamten Wertschöpfungskette ihres Projekts zusammen, von der Planung bis zur Umsetzung in der Industrie.
Seit über 30 Jahren stellt die Gruppe großen Unternehmen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil, Verteidigung, Energie, Finanzen, Life Sciences, Schienenverkehr und Telekommunikation ihr Know-how zur Verfügung.
2016 erwirtschaftete die Altran Gruppe einen Umsatz von EUR 2,12 Mrd. Mit mehr als 30.000 Beschäftigten ist Altran in mehr als 20 Ländern vertreten.
Altran ist seit 1996 in Italien vertreten und beschäftigt dort derzeit über 2.800 Mitarbeiter. Es hat seinen Hauptsitz in Rom und ist in weiten Teilen des Landes vertreten: Genua, Turin, Mailand, Trieste, Verona, Padua, Bologna, Modena, Pisa, Florenz, Neapel, Pomigliano und Brindisi. 2015 lag der von der Gruppe generierte Umsatz bei EUR 208 Mio.
altran.com und altran.it