Schwerpunkte

Die Herausforderungen sicherer Mobilität

Die neue Architektur des Fahrens

26. November 2018, 15:00 Uhr   |  Von Maurice Geraets


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Domänenbasierte Fahrzeugarchitektur

Der Halbleiterwert pro Fahrzeug wird sich in den nächsten Jahren verdreifachen, was die Halbleiterfirmen in den Mittelpunkt wichtiger Diskussionen über Standards, Methoden und Entwicklungskonzepte stellt. Zusammenarbeit wird dabei eine wichtige Rolle spielen, da die Einsätze hoch und die Anforderungen vielfältig sind. Traditionsunternehmen müssen Wege finden, ihre Geschäftskontinuität aufrecht zu erhalten und ihre Portfolios in Bereichen wie dem autonomen Fahren schrittweise aufzubauen. Junge Unternehmen hingegen denken bisweilen revolutionär und wollen mit völlig neuen Konzepten durchstarten. Beide Parteien versuchen, extrem komplexe und miteinander verwobene Entwicklungsprobleme in einem wettbewerbsintensiven Umfeld sinnvoll zu lösen. Dadurch wurde es notwendig, die Konzepte der Fahrzeug­elektronik neu zu überdenken.

Die domänenbasierte Architektur organisiert und gruppiert die Funktionen, mit denen Autos für uns wahrnehmen, denken und agieren
© NXP

Bild 3. Die domänenbasierte Architektur organisiert und gruppiert die Funktionen, mit denen Autos für uns wahrnehmen, denken und agieren.

Die domänenbasierte Architektur (Bild 3) organisiert und gruppiert die Funktionen, mit denen Autos für uns wahrnehmen, denken und agieren; sie hilft, die Komplexität zu bewältigen und unterstützt darüber hinaus die Skalierbarkeit.
Seit langem sind Innenraumgestaltung, Karosserie und Komfort sowie Antriebsstrang und Fahrzeugdynamik Teil der Fahrzeugarchitektur. Neu hingegen sind die Domänen Fahrerersatz und Konnektivität, die sich speziell auf die Funktionen, die für einen autonomen Betrieb des Fahrzeugs erforderlich sind, beziehen. Insgesamt bietet die domänenbasierte Architektur ein Höchstmaß an Autonomie bei gleichzeitiger Gewährleistung höchster Sicherheitsstandards. Wie das erreicht wird, zeigt ein detaillierter Blick auf die einzelnen Domänen.

Die Konnektivitätsdomäne

Die Konnektivitätsdomäne versteht sich als übergeordnete Domäne, die alle drahtlosen Schnittstellen steuert, die das Auto mit der Außenwelt verbinden. Sie ist in der Lage, nahtlos und sicher Informationen von allen extern verbundenen Schnittstellen eines Fahrzeugs bereitzustellen und zu sammeln. Dazu gehören auch etablierte Schnittstellen, die heute schon von Passagieren und ihren Geräten verwendet werden – beispielsweise Radio, Mobilfunk, WiFi, Bluetooth Low Energy (BLE) und GPS – sowie neue Schnittstellen, die vorranging mit dem Betrieb des Fahrzeugs zu tun haben – wie Schnittstellen für die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug (Vehicle-to-Vehicle, V2V) und vom Fahrzeug zu allen anderen Punkten (Vehicle-to-Everything, V2X). Die externen Schnittstellen sind in einem hochintegrierten intelligenten Antennenmodul untergebracht, so dass Schnittstellen nach Bedarf auf einfache Weise hinzugefügt oder entfernt werden können.

Die Fahrerersatz-Domäne

Die Fahrerersatz-Domäne lässt den automobilen »Roboter« die Aufgaben des Fahrers übernehmen. Sie liefert die Fähigkeiten des Erkennens und Denkens und bringt alle Sicherheitsvorkehrungen mit, um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. In der Domäne findet sich ein Großteil der »Intelligenz« des Fahrzeugs. Sie ermöglicht es, die von verschiedenen Sensoren und Kameras gewonnenen Umweltansichten zu interpretieren. Die Sensor-Komponenten umfassen Radar, Kameras, Laser-basiertes LiDAR sowie Komponenten für Positionserfassung und andere Arten von Umweltinformationen. Zu den denkenden Komponenten gehören solche für Situationsbewertungen, Pfadplanung, Sensorfusion sowie sicherheitsbezogene Algorithmen und weitere Funktionen.

Auch wenn der Fahrer mit einem Automatikgetriebe heute nur noch das Lenkrad und zwei Pedale betätigen muss, der elektronische Fahrerersatz reagiert schneller und konsequenter, ohne von menschlichen Emotionen beeinflusst zu werden und ist immer zu 100 Prozent aufmerksam. Er trinkt keinen Kaffee, isst keine Snacks, redet nicht mit anderen Insassen, nimmt keine Telefonanrufe entgegen oder wird anderweitig abgelenkt.

Die Fahrerersatz-Domäne funktioniert wie das Gehirn des Autos. Wie menschliche Gehirne kann sie aus Erfahrung lernen. Eine Möglichkeit, selbstfahrende Autos lernfähig zu machen, ist die Verwendung von Cloud-Konnektivität. Während ein selbstfahrendes Auto beispielsweise über Nacht in einer Garage geparkt ist, kann es sich mit der Cloud verbinden und die während des Tages gesammelten Daten hochladen. Die Daten können mit denen anderer Autos abgeglichen und für die Optimierung von Fahralgorithmen herangezogen werden. Das »schlafende« Auto kann die neuen Funktionen herunterladen, wenn es am Morgen »aufwacht«, und startet mit zusätzlichen Fähigkeiten in den neuen Tag.

Die Antriebsstrang- und Fahrzeugdynamik-Domäne

Diese Domäne bewegt das Auto, sie steuert Bewegungsabläufe und die Geschwindigkeit. In automatisierten Autos basiert die Bewegung auf Eingaben des Fahrers bzw. des Fahrerersatzes; sie kann nach persönlichen Präferenzen und Umfeld-Einflüssen wie Straßenbedingungen modifiziert und optimiert werden.

Der Antriebsstrang ist seit den ersten Stunden des Fahrzeugdesigns fester Bestandteil der Autos. Ganz gleich, ob es sich um einen herkömmlichen Verbrennungs-, Elektro- oder Hybridmotor handelt, der in dieser Domäne angesiedelte Antriebsstrang wandelt die ursprüngliche Kraftstoffquelle in mechanische Leistung um und gibt sie an die Straßenoberfläche ab. Er umfasst traditionell den Motor, das Getriebe, die Antriebswelle, die Achse und die Räder. Die Betriebsbedingungen im Antriebsstrang sind anspruchsvoll: Es herrschen hohe Temperaturen und Vibrationen beanspruchen das Material beinahe ununterbrochen.

Im Automobil bezieht sich Dynamik auf den Einfluss, den Kräfte und Drehmomente auf die Bewegung ausüben. Im Domänen-Abschnitt Fahrzeugdynamik sorgen unterstützende Subsysteme wie Federung und Lenkung für Stabilität und eine ruhige Fahrt. Hier finden sich auch viele der verschiedenen Sensortechniken des Fahrzeugs – unter anderem auch solche, die auf hoch entwickelten MEMS- und MR-Techniken basieren.

Die Karosserie- und Komfort-Domäne

Die Karosserie- und Komfort-Domäne unterstützt grundlegende Funktionen für Fahrer und Passagiere und beobachtet das Verhalten, um individuelle Vorlieben zu lernen. Hier werden typischerweise auch passive Sicherheitsmechanismen, wie Sicherheitsgurte, und Zutrittsmechanismen, wie Türschlösser, verwaltet.
Die individuellen Einstellungen im Auto – Sitzposition, Spiegelausrichtung oder Temperatur –können bei jeder Nutzung des Autos automatisch an den Fahrer angepasst werden. Die Funktionen basieren häufig auf herkömmlicher Autoelektronik wie Fenster- und Sitzsteuerungen und wandeln Hardwareoperationen in Software um, um Steuerung und Modifikation zu erleichtern.

Sensoren, Mikrocontroller und neue Beleuchtungstechniken können zusammenspielen, um intelligente Beleuchtungsfunktionen zu schaffen, die die Sicherheit erhöhen und den persönlichen Vorlieben entsprechen. Mit programmierbaren Zonen für die Innenbeleuchtung können Fahrgäste bequemer schlafen, lesen oder ein Video ansehen. Außerdem können die Einstellungen des Armaturenbretts automatisch je nach Tageszeit oder Autoinsassen nachjustiert werden. Was die Außenbeleuchtung betrifft, so können sich die Scheinwerfer automatisch an die Wetterbedingungen oder den Gegenverkehr anpassen.

Die Innenraum-Domäne

Diese Domäne ist für die Unterhaltung, die Produktivität und das Wohlergehen der Insassen verantwortlich ist. Die Innenraum-Domäne bietet nahtlosen Zugriff auf digitale Inhalte und ermöglicht es, neue Inhalte zu erstellen und zu bearbeiten. Darüber hinaus ist sie eine intelligente selbstlernende Umgebung, die sich an die Präferenzen des Nutzers anpasst. Die Software der Domäne muss sowohl flexibel als auch leicht aktualisierbar sein, um den Zugriff auf Inhalte über eine vorhandene Hardware-Infrastruktur sicherzustellen. Gleichzeitig muss es moderne, leicht verständliche Bedienoptionen beziehungsweise HMI-Systeme geben, die zum Beispiel Sprachbefehle, Gesten, Augmented-Reality und eine erweiterte Personalisierung unterstützen.

Gateway und Fahrzeugnetzwerke

Eine domänenbasierte Architektur stellt hohe Anforderungen an Bandbreite und Verbindungssicherheit. Die Anforderungen wachsen hier enorm. Bisher hat sich die Automobilindustrie in einer Welt bewegt, in der 1 Mbit/s das Maximum war. Jetzt steigen die Anforderungen auf 1 Gbit/s, 10 Gbit/s und sogar 10+ Gbit/s. Die domänenbasierte Architektur ist über ein ausgeklügeltes Kommunikationsnetzwerk vernetzt, in dem die Domänen im Tandembetrieb operieren und Informationen teilen können. Das interne Netzwerk, das als architektonisches Bindeglied für den Zusammenhalt der Domänen fungiert, stellt sicher, dass Daten mit der richtigen Bandbreite und auf sichere und zuverlässige Weise geteilt werden. Es verwendet viele Techniken, die auch in den modernen IT-Umgebungen zum Einsatz kommen – wie zum Beispiel Ethernet-Konnektivität und sichere Gateways.
Das In-Vehicle-Network (IVN), das traditionelle Automobiltechniken wie CAN, LIN und FlexRay, aber auch Ethernet umfasst, verbindet die Domänen sicher miteinander. Das IVN sorgt dafür, dass die Domänen relevante Informationen teilen können und arbeitet mit dem Onboard-Gateway zusammen, um eine korrekte Verteilung der vom Fahrzeug erzeugten Daten zu gewährleisten.

Das Gateway speichert Informationen im Fahrzeug und schützt sie vor Zugriffen von außen und vor Hackerangriffen. Es dient dazu, die Subsysteme zu schützen und sie voneinander zu separieren, um unerwünschte Interaktionen zu vermeiden. Auf diese Weise werden sicherheitskritische Systeme vor den Aktionen anderer Systeme, wie etwa dem Infotainment, abgeschirmt. Das Gateway stellt außerdem sicher, dass die großen Datenmengen, die in jeder Domäne anfallen, effizient und zuverlässig weitergeleitet werden. Wichtige Anforderungen für Gateways und In-Vehicle-Networks sind:

  • ASIL D
  • Sicherheit
  • Empfangsstabilität
  • Geringe elektromagnetische Emissionen
  • Koexistierende Multi-Standard-Übertragung

Im Rahmen der Definition der domänenbasierten Fahrzeugarchitektur sollten sich Entwickler im Entwicklungsprozess insbesondere von drei Prinzipien leiten lassen: Einfachheit, Wiederverwendbarkeit und Skalierbarkeit.

Die domänenbasierte Architektur ist ein logischer Weg, die Hard- und Softwarekomponenten, die mit der Fahrzeugentwicklung in Zusammenhang stehen, neu zusammenzufassen und zu gruppieren. Aber sie eröffnet auch die Chance, das Entwicklungsteam selbst neu zu organisieren. NXP verwendet die Domänen auch dazu, interne Strukturen neu aufzusetzen. Dadurch können Anstrengungen gebündelt und Know-how gesammelt werden, es erleichtert die Zusammenarbeit und den technischen Austausch.

Im Rahmen seines domänenbasierten Ansatzes hat NXP vor kurzem auch ein neues Konzept für die Steuerung und Datenverarbeitung im Fahrzeug der Zukunft angekündigt, das sich sowohl für elektrische als auch für vernetzte oder autonome Fahrzeuge eignet. Die S32-Plattform von NXP ist die erste vollständig skalierbare Automotive-Computing-Architektur. Sie wird demnächst auch in Premium- und Großserienfahrzeugen zum Einsatz kommen. Die einheitliche Mikrocontroller- (MCUs) und Mikroprozessor-Architektur (MPUs) besitzt identische Softwareumgebungen über verschiedene Anwendungsplattformen hinweg.

Bereits jetzt zeigt sich, dass dieses aktuelle Modell in Zukunft von einem zentralisierten serverbasierten Modell abgelöst werden wird. Vor uns liegen also zahlreiche Veränderungen – und das innerhalb eines knappen Zeitrahmens, vor allem wenn bedacht wird, dass sich in den 50 Jahren zuvor nur wenig geändert hat.

Der Autor

Maurice Geraets von NXP
© NXP

Maurice Geraets von NXP.

Maurice Geraets

ist Geschäftsführer bei NXP Semiconductors Netherlands B.V. und Vice President Innovation. Maurice Geraets hat 25 Jahre Erfahrung in der IT- und Elektronikindustrie und arbeitet seit 2002 bei NXP Semiconductors. Vor seinem Wechsel zu NXP war Geraets als Business Manager In-Product Software und Global Client Manager bei Atos tätig. In seiner Funktion als Global Client Manager war er auch für den größten Teil des Atos-Geschäfts in Asien verantwortlich. Geraets hat einen Executive MBA-Abschluss und einen Master of Science-Abschluss in Informatik.

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