Hochmodulare Fahrzeugplattform
Kommunikationsarchitektur des »Rolling Chassis«
Im Forschungsprojekt FlexCAR ist eine standardisierte, cyber-physische Fahrzeugplattform für autonome Fahrzeuge entstanden. Um eine sichere und echtzeitfähige Kommunikation zu gewährleisten, erfolgt der Datenaustausch über DDS mit RTI Connext.
Die Anforderungen an Fahrzeuge verschieben sich von Hardware zu Software. Das ermöglicht eine schnelle und effiziente Reaktion auf wechselnde Anforderungen an die Rechenressourcen. Ein entscheidendes Kriterium ist die Fähigkeit, einen offenen Entwicklungsprozess aufrechtzuerhalten. Dabei spielen Flexibilität in der Entwicklung und die Möglichkeit, nach der Markteinführung des Fahrzeugs Anpassungen per Update vorzunehmen, eine ebenso wichtige Rolle. Um mit dieser Entwicklung Schritt halten zu können, ist eine hochflexible Plattform der nächsten Generation erforderlich. Damit können Entwicklungsteams den Anforderungen an die kontinuierliche Verbesserung bestehender Algorithmen gerecht werden, den Datenaustausch mit internen Sensoren optimieren und externe Sensoren über die Grenzen des eigenen Systems hinaus integrieren.
Um diese Herausforderungen zu meistern, haben das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) und das Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) der Universität Stuttgart an der Entwicklung offener, zukunftssicherer Schnittstellen sowie einer passenden Netzwerkkommunikation für die Fahrzeugforschungsplattform Rolling Chassis FlexCAR gearbeitet. Die Kommunikationsarchitektur des Rolling Chassis umfasst sowohl die interne (Onboard-) als auch die externe (Offboard-)Kommunikation.
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Flexible Onboard- und Offboard-Kommunikation
Diese Bemühungen flossen in das Gemeinschaftsprojekt FlexCAR ein, in dessen Rahmen eine integrierte und dennoch flexible Onboard- und Offboard-Kommunikation über 5G etabliert wurde (Bild 1). Das Onboard-Netzwerk bietet allen Netzwerkteilnehmern eine schnelle und sichere Kommunikation über standardisierte, serviceorientierte Nachrichtenprotokolle per Ethernet. Die Offboard-Konnektivität wird über die Luftschnittstelle sichergestellt. Dadurch sind Over-the-Air-Updates ohne einen Werkstattbesuch vor Ort möglich. Über die Fernwartung lassen sich nicht nur Steuerungsfunktionen ausführen, sondern auch alle Onboard-Daten flexibel in die Cloud übertragen. Von dort aus können sie gemeinsam für Visualisierungen oder Kapazitätsberechnungen genutzt werden.
Für die Vehicle-to-Everything-Konnektivität (V2X) ist die Kommunikation mit anderen Geräten von entscheidender Bedeutung. Mithilfe einer serviceorientierten Architektur (SOA) ist die Software nicht mehr an bestimmte Hardware gebunden, sondern kann flexibel im System genutzt werden. Eine einfache SOA-Konfiguration wurde mit RTI Connext realisiert, das auf dem weitverbreiteten Data-Distribution-Service- (DDS-)Standard basiert (Bild 2). Das Debugging-Tool von Connext erkennt nicht passende Netzwerke sofort, sodass die Kommunikation an Bord jetzt über Software-Instanzen, Programmiersprachen und verschiedene Betriebssysteme hinweg funktioniert. Dadurch wird eine adaptive Kompatibilität mit ROS 2 sowie der AUTOSAR-Classic-/Adaptive-Plattform erzielt.
Zuverlässiger Datenfluss im Rolling Chassis
Im Rahmen des gemeinsamen Projekts FlexCAR hat das Team ein rein elektrisch angetriebenes und komplett X-by-Wire-gesteuertes Forschungsfahrzeug – das Rolling Chassis – entwickelt. Um einen zuverlässigen, echtzeitfähigen und anpassbaren Informationsfluss zwischen allen Steuergeräten und Kommunikationspartnern im internen Ethernet-Netzwerk des Rolling Chassis sicherzustellen, erfolgt der Datenaustausch innerhalb der FlexCAR-Fahrzeugplattform über DDS mit RTI Connext. Die standardisierten Schnittstellen erleichtern den Austausch von Software- und Hardwaremodulen, während die 5G-Schnittstelle Over-the-Air-Updates und die Integration externer Sensoren vereinfacht.
Aufgrund der SOA-Basis können zonenbasierte Domänen betrieben und eine intelligente Verteilung der Rechenlast umgesetzt werden. Zudem lässt sich das System später ohne große Anpassungskosten aufrüsten. Durch den Einsatz von Connext und dem SOA-Modell ist eine flexible Zuordnung von Programmen zur FlexCAR-Hardware möglich, was die Modularität des FlexCAR-Konzepts verbessert. Zusammen mit der Breitbandkommunikation erlaubt diese Architektur einen vollständigen Datenaustausch für den Einsatz von Edge- und Cloud-Computing.
»Die FlexCAR-Fahrzeugplattform ist in Bezug auf Antriebssysteme, Karosserievarianten und flexible Softwarekomponenten hochmodular aufgebaut. Wir haben uns für Connext entschieden, weil es uns enorme Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und eine gute Kontrolle über die QoS in Bezug auf Hardware und Software bietet, was die Datenkommunikation beschleunigt und innovative Mobilitätskonzepte für zukünftige Fahrzeuge unterstützt«, sagt Dr. Lukas Block vom Fraunhofer IAO.
Austauschbare Speicher- und Produktionskonzepte
Die Forschungs- und Experimentierplattform FlexCAR wurde mit austauschbaren Speicher- und Produktionskonzepten sowie embedded VR/AR-Technologie entwickelt. Sie bietet Entwicklern neue Flexibilität und Anpassungsfähigkeit bei der Fahrzeugkonstruktion. Mithilfe dieser innovativen Ansätze und Methoden können sie die Zukunft der Mobilität im Hinblick auf automatisiertes oder autonomes Fahren gezielt, schnell und effizient gestalten.
In einer der wettbewerbsintensivsten Branchen der Welt bietet die FlexCAR-Plattform den idealen Raum für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Mit seinem intelligenten Ansatz zur Bereitstellung von Rechenressourcen ist das vom Bundesforschungsministerium geförderte FlexCAR-Projekt ein wegweisender Schritt in der Fahrzeugentwicklung, der das Potenzial hat, die Mobilität der Zukunft zu prägen. Die Steuerung des Datenflusses mit Connext gibt der Plattform eine flexible Basis für die Entwicklung neuer Mobilitätskonzepte. Diese lassen sich aktualisieren und erweitern, um den sich wandelnden Anforderungen von Mensch und Umwelt gerecht zu werden.
| Die Fahrzeugplattform FlexCAR |
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| FlexCAR ist eine cyber-physische Fahrzeugplattform mit offenen Hardware- und Softwareschnittstellen. Sie wurde im Rahmen des Forschungscampus Arena2036 gemeinsam entwickelt. Die Softwarearchitektur wurde vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO und dem Institut für Mensch-Technik-Management IAT der Universität Stuttgart entwickelt. Das Projektteam hat eine standardisierte Plattform für autonome Fahrzeuge entwickelt. Diese ermöglicht die Implementierung neuer technologischer Features nach dem Plug-and-Play-Prinzip. |
| Die Highlights von FlexCAR |
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| Das Software-Framework RTI Connext |
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| Datenzentrierte Konnektivität ist äußerst wichtig für den Erfolg leistungsstarker, verteilter KI-Systeme. RTI Connext wurde für anspruchsvolle Produktionsumgebungen entwickelt. Es bietet die Ausfallsicherheit, Leistung und Skalierbarkeit, die für den Aufbau komplexer, verteilter Anwendungen erforderlich sind. Von Edge bis Cloud und über Remote-Umgebungen hinweg bietet Connext ein flexibles, mehrschichtiges Datenbus-Framework für den Echtzeit-Datenfluss und gewährleistet so den Betrieb kritischer Systeme. Von der Automobilindustrie bis zum Gesundheitswesen, von der industriellen Automatisierung bis zur Verteidigung: Das Software-Framework RTI Connext adressiert intelligente, verteilte Systeme in allen Branchen und auf der ganzen Welt. |
Nach Unterlagen von RTI
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