Schnelle Reglerentwicklung Rapid-Prototyping von Fahrerassistenzsystemen

Wir haben es alle schon leidlich erfahren müssen: Vielversprechende Ideen sind in unseren Köpfen, doch die Umsetzung scheitert allzu häufig daran, Funktionalität und Nutzen gegenüber Entscheidungsträgern mit begrenztem Zeit- und Kostenaufwand nachzuweisen. Ein neues, integriertes Entwicklungssystem, bestehend aus IBMs »PowerPC«- und Intels »Atom«-Prozessor, möchte nun einzigartige Freiheitsgrade bieten.

Mittels »MATLAB/Simulink« können Anwender Steuer- und Regelalgorithmen auf dedizierten Rapid-Prototyping-Systemen modellbasiert entwickeln. Dieses Procedere ist in vielen Industriebereichen Standard.

Diese Entwicklungsplattformen basieren in der Regel auf leistungsstarken Embedded-Prozessoren und -Betriebssystemen, die das Echtzeitverhalten, schnelle Bootzeiten und den zuverlässigen, autonomen Betrieb im Feld sicherstellen. Zudem stehen in der Regel umfangreiche Möglichkeiten bereit, um serielle Kommunikationsbusse und I/O-Kanäle anzubinden.

Insbesondere die Automobilindus-trie nutzt diese Rapid-Prototyping-Systeme, um Steuergerätefunktionen direkt im Fahrzeug zu entwickeln und zu erproben. Viele aktuelle Entwicklungstrends in den Bereichen Fahrerassistenz, Elektromobilität, Telematik und Bildverarbeitung stellen neue Anforderungen an diese Entwicklungsumgebungen. Zunehmend kommen als Ergänzung PC-basierte Plattformen zum Einsatz.

Bild 1 zeigt beispielhaft den Aufbau einer typischen Entwicklungsumgebung für moderne Fahrerassistenzsysteme in der Automobilindustrie. Kommen separate Hardwareboxen zum Einsatz, sind, verglichen mit einer Ein-Box-Lösung, deutlich mehr Verbauraum und eine komplexere Verdrahtung nötig.

Dies gilt insbesondere, wenn das Rapid-Prototyping-System und die PC-basierte Plattform gleichzeitig und ferngesteuert ein- und ausgeschaltet werden sollen. Durch diese zusätzliche Komplexität ist das Gesamtsystem meist mechanisch weniger robust und fehleranfälliger. Zudem stammen die einzelnen Teilsysteme in der Regel von unterschiedlichen Lieferanten, sodass sich Anwender bei der Beschaffung und dem Support mit mehreren Ansprechpartnern auseinandersetzen müssen.

Eine Antwort auf die Anforderungen des sich ständig wandelnden Umfelds sind flexible und kompakte Entwicklungsplattformen, welche die Investition langfristig sichern.

Mit der »MicroAutoBox II« bietet die Firma dSpace eine skalierbare Hardwarearchitektur als Weiterentwicklung des Rapid-Prototyping-Systems MicroAutoBox.

Um den oben genannten Entwicklungstrends Rechnung zu tragen, steht nun eine zusätzliche Erweiterungsoption in Form eines integrierten Embedded-PCs zur Verfügung.

Die MicroAutoBox II ist eine passiv gekühlte Entwicklungsplattform mit einem leistungsstarken »PowerPC«-Prozessor von IBM, umfangreichen Bus- und I/O-Schnittstellen und einem optional integrierbaren FPGA-Board für anwendungsspezifische Erweiterungen.

Das System ist per MATLAB/Simulink programmierbar (Bild 2). Kennzeichnend für das Gesamtsystem sind die robuste Bauweise, die einfache Verdrahtung und die Möglichkeit, beide Einheiten sowohl synchron als auch vollständig unabhängig voneinander ein- beziehungsweise auszuschalten.

Beispielsweise kann das Gesamtsystem über den Zündschalter im Fahrzeug oder bei Verbindungsaufbau mit dem Bedienrechner mittels Wake-up-on-Ethernet ferngesteuert werden.

Ein Blick unter die »Motorhaube«

Bild 3 zeigt die Funktionsblöcke der MicroAutoBox II mit Embedded-Controller und Embedded-PC-Einheit. Die Kommunikation zwischen beiden Einheiten erfolgt über UDP/IP-Ethernet. Zur einfachen Modellierung der Ethernet-Schnittstelle auf dem Embedded-Controller stehen maßgeschneiderte Blocksets für MATLAB/Simulink zur Verfügung.

Der intern verbaute Ethernet-Switch garantiert, dass der Bedienrechner beide Einheiten gleichzeitig über ein und dasselbe Ethernet-Kabel zum Gesamtsystem ansprechen kann. Insgesamt stehen an der Frontseite drei Anschlüsse für 100/1000-MBit/s-Ethernet zur Verfügung. Bei der Auswahl des Switches und der Implementierung der Ethernet-Schnittstellen wurde insbesondere Wert auf geringe Kommunikationslatenzen bei gleichzeitig hohem Datendurchsatz gelegt. Die neue Embedded-PC-Einheit soll viele Freiheitsgrade bieten, kundenspezifische Anforderungen umzusetzen.

Standardmäßig ist sie mit einem passiv gekühlten, auf geringen Leistungsbedarf ausgelegten Intel-Prozessor vom Typ »Atom« mit 1,6 GHz Taktfrequenz und 2 GByte RAM bestückt, der sich auf einem mechanisch fest arretierten COM-Express-Modul befindet. Durch das Modulkonzept besteht prinzipiell die Möglichkeit, alternative Embedded-PC-Prozessoren zu verwenden. Unterstützt wird standardmäßig das Betriebssystem Windows XP; optional stehen auch Windows 7 oder Linux zur Verfügung.

Auf dem Embedded-Controller läuft parallel dazu ein Echtzeitbetriebssystem mit sehr geringen Worst-Case-Reaktionszeiten. Durch den internen PCIe-MiniCard-Steckplatz und den rückseitig zugänglichen Express-Card-Einschub lässt sich die Embedded-PC-Einheit an spezielle Kundenwünsche anpassen und erweitern, zum Beispiel um WLAN, Mobilfunk oder FireWire.

Als Datenträger wird eine 2,5-Zoll-SATA-Festplatte verbaut. Zudem stehen frontseitig vier USB-2.0-Schnittstellen und ein DVI-I-Ausgang zur Übertragung von Videodaten zur Verfügung. Ein Anwendungsbeispiel dafür wäre der Anschluss eines Touchpanels bei gleichzeitiger Implementierung der Bediensoftware auf dem Embedded-PC der MicroAutoBox II.

Verkehrssicherheit und CO2-Bilanz verbessern

Das Netzteil bietet einen Eingangsspannungsbereich von 7 V bis 32 V, Schutz vor Überspannungen, zum Beispiel bei Lastabwurf, und einen Verpolungsschutz. Da die Ruhestromaufnahme unter 5 mA beträgt, lässt sich das System permanent im Fahrzeug verbauen. Wegen des stetig wachsenden Verkehrsaufkommens müssen Fahrzeugführer sich immer stärker auf das Verkehrsgeschehen konzentrieren, und die Gefahr von Unfällen steigt.

Auf EU-Ebene werden daher konkrete Ziele bezüglich der Reduktion von Verkehrsopfern diskutiert. Zudem hat der Gesetzgeber auf die allmähliche Erderwärmung mit Vorgaben zur CO2-Reduzierung reagiert. Daher stellen die Themen Verkehrssicherheit und Kohlendioxid wesentliche Innovationstreiber dar und für neue Fahrzeuggenerationen werden zunehmend moderne Fahrerassistenzsysteme entwickelt. Grundlage dieser Systeme ist die zuverlässige Erkennung des Fahrzeugumfelds und der Fahrsituation.

Eine besondere Bedeutung haben dabei die Umfelderfassung durch Videokameras und die Bildverarbeitung. Zudem besteht der Bedarf, weiter entfernte Bereiche zu berücksichtigen. Ein Konzept in diesem Zusammenhang beruht auf der prädiktiven Auswertung von digitalen Straßenkarten. Ein weiterer Ansatz basiert auf der Kommunikation über WLAN oder Mobilfunk zwischen dem Fahrzeug und der Umwelt.

Die MicroAutoBox II mit der Embedded-PC-Einheit eignet sich besonders zur Entwicklung solcher Systeme. Typischerweise erfolgt die vorausschauende Auswertung der Straßenkarte, die Implementierung einer Telematik-Software oder die Objekterkennung auf Basis von Kameradaten auf dem Embedded-PC. Die eigentliche Regelfunktion, zum Beispiel für ACC (Automatic Cruise Control; Tempomat) oder den Notbremsassistenten, wird auf der Embedded-Controller-Einheit gerechnet, die über das jeweilige Bussystem mit den Steuergeräten im Fahrzeug vernetzt ist.