Daten-Fusion: Das Navigationssystem als Multimedia-Zentrale

Durch die intelligente Nutzung von Navigationsdaten erwartet Continental eine signifikante Reduzierung der Kraftstoffkosten und des Treibhausgasausstoßes insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen. Die konservative Schätzung liegt bei mindestens drei Prozent. Entsprechende Studien unter Realbedingungen sind bereits angelaufen. Sicher ist, dass mit eHorizon Daten auch einfach zur Optimierung anderer Systeme aus den Bereichen Sicherheit oder Komfort verwendet werden können.

Seit in Europa in den 90er Jahren die ersten Navigationssysteme auf den Markt kamen, hat sich dieser Markt rasant entwickelt. Das Navigationssystem führt heute längst nicht mehr nur von A nach B. Vielfältige Funktionen sind hinzugekommen wie die Integration der Traffic Message Channels und damit auch die mögliche Umfahrung von langwierigen Staus. Die Liste der Points of Interests wächst kontinuierlich: Restaurants, Hotels, Sehenswürdigkeiten oder die nächste Tankstelle können von Systemen empfohlen werden. Waren die Kartendarstellungen anfangs reine zweidimensionale, monochrome Strichgrafiken, kommt heute ein Navigationssystem nicht mehr ohne eine Kartendarstellung in Vogelperspektive oder einer quasi-realistischen dreidimensionalen Darstellung aus.

Continental arbeitet derzeit zum Beispiel an einer direkten Internetanbindung des Navigationssystems, so dass Satellitenbilder in die Routen- führung mit eingebunden werden können. Des Weiteren hat sich das ursprüngliche Navigationssystem, getrieben durch den Markt der Unterhaltungselektronik, zu einer kompletten Multimedia-Zentrale mit integrierter Festplatte, iPod-, USB-Anschluss, Bluetooth-, WLAN- oder Ethernet- Anschluss entwickelt. Ein Ende dieser Entwicklung ist noch lange nicht abzusehen. Ein wichtiger Schritt für die von der Entwicklung auf dem Navigationsbereich bis dahin eher abgekoppelten Welt der Nutzfahrzeuge war die Markteinführung einer spezifischen Navigation für Nutzfahrzeuge im Jahr 2007 durch Continental (damals noch Siemens VDO) zusammen mit den Kartenlieferanten. Dadurch ergab sich erstmals die Möglichkeit, für Nutzfahrzeuge kritische Verkehrspunkte wie Brücken mit niedrigen Höhen oder Gewichtsbeschränkung, enge Kurven sowie ähnliche für Nutzfahrzeuge relevante Ortsinformationen in der Routenplanung zu berücksichtigen.

Navigation als integrierter Fahrzeugsensor

Neben der stark von der Unterhaltungselektronik getriebenen Entwicklung zeichnet sich auch noch eine weitere Entwicklung ab (Bild 1): das Zusammenspiel von Navigations-, Fahrerassistenz- und anderen Fahrzeugsystemen. Hierfür sendet das Navigationssystem über den bordeigenen Datenbus kontinuierlich Datenpakete an andere Steuergeräte. Diese enthalten Informationen aus der aktuellen Wegstrecke auf Basis der vorliegenden Informationen der Navigationsdatenbank. Die vorausliegende Strecke wird so den Systemen bekannt gemacht. Die verschiedenen Fahrzeugsysteme haben nun eine Information über deren Topographie und eventuelle Wegstreckenbesonderheiten (z.B. Geschwindigkeitsbeschränkungen). Die Informationen stellen einen definierten, elektronischen Horizont dar, den eHorizon. Dieser enthält unter anderem folgende Informationen:

 

  • Aktuelle Fahrzeugposition.
  • Aktuelle Geschwindigkeit.
  • Aktuelle Richtung.
  • Steigungsinformationen.
  • Zur Zeit befahrene Straßenklasse (Autobahn, Landstraße, Stadtstraße).
  • Zahl der Fahrspuren (ein- oder mehrspurige Fahrbahn).
  • Radius und Entfernung der nächsten Kurve.
  • Vorausliegende Kreuzungen.
  • Geschwindigkeitsbegrenzungen.
  • Potentielle Stopp-Punkte.
  • Position: On-road, Off-road, Offmap.
  • Qualitätsindikatoren.

 

Diese Informationen, abgegriffen vom Fahrzeugbus, ermöglichen es anderen Steuergeräten im Fahrzeug, einerseits Sicherheit und Komfort zu erhöhen sowie andererseits ökonomischeres Fahren und somit Kraftstoffreduzierung zu erreichen: Das Navigationssystem wird zu einem integrierten Sensor für andere Steuergeräte. Im Jahr 2006 brachte Continental bzw. Siemens VDO die weltweit erste eHorizon-Anwendung in der BMW- 5er-Baureihe in Serie. Dabei wurde der Abstandsregeltempomat (ACC) in Abhängigkeit von der aktuell befahrenen Straßenklasse, der voraus liegenden Kurve und aktueller Geschwindigkeitsbegrenzungen dynamisch angepasst (Bild 2). Diese Daten erhielt das System über den CAN-Bus aus Informationen des Navigationssystems. So konnte ein eventuell gefährliches Beschleunigen vermieden werden, zum Beispiel auf Autobahnausfahrten oder vor Kurven, wenn das Radar das vorausfahrende Fahrzeug verliert

Kraftstoffreduzierung durch intelligente Nutzung von Navigationsdaten

Aktive und passive Sicherheit sind sehr wichtige Themen, auch für Nutzfahrzeuge. Dort können die eHorizon- Informationen der Navigation wichtige Unterstützung leisten. Gerade im Nutzfahrzeugbereich wird die Einführung des eHorizon von der Möglichkeit getrieben, signifikant Kraftstoff zu sparen. Damit ergibt sich ein spürbarer Kostenvorteil für den Flottenbetreiber sowie eine Reduzierung von Treibhausgasen. Im Zusammenspiel mit ACC und Automatikgetriebe fährt der Lkw, der mit dem eHorizon ausgestattet ist, bei aktiviertem Tempomat nicht mehr mit einer konstanten Geschwindigkeit (Bild 3).

Die Geschwindigkeit wird vielmehr um einen bestimmten, kleinen Prozentsatz variiert, je nach den aktuellen voraus liegenden topografischen Bedingungen. Bei Gefällen erhöht sich die Geschwindigkeit, und das Fahrzeug nimmt Schwung für die nächste Steigung auf. Dort reduziert sich die Geschwindigkeit wieder um einen festen Prozentsatz, bis der höchste Punkt der Steigung erreicht ist. Im Durchschnitt wird dabei die eingestellte Tempomat- Geschwindigkeit erreicht. Weitere Kraftstoff-Einsparungen werden durch die Möglichkeit erreicht, früher in den Leerlauf zu schalten und die reine Rollzeit des Fahrzeuges deutlich zu verlängern. Ebenso ergibt sich die Möglichkeit, Gang- und Motordrehmomentempfehlungen zu geben, um zum Beispiel

 

  • Hinaufschalten kurz vor Steigungen oder Kurven zu vermeiden,
  • rechtzeitig vor Gefällen zu schalten,
  • die Geschwindigkeitsreduzierung vor potentiellen Stopppunkten zu optimieren.

 

Schließlich lassen sich auch die Nebenaggregate an die aktuelle Topografie anpassen. So ist es möglich, die Kühlungsstrategie so anzupassen, dass die notwendige Kühlleistung auch schon vor Ende einer Steigung reduziert werden kann, wenn danach mit einer höheren Geschwindigkeit gefahren und damit durch den Fahrtwind eine entsprechende Kühlung gewährleistet werden kann. Diese Anwendungen zur Kraftstoffreduzierung für konventionelle Motoren benötigen eine eHorizon-Voraussicht von etwa drei bis fünf Kilometern. Mit einer Vorausschau von etwa 20 bis 30 Kilometer kann man zusätzliche Kraftstoffersparnis bei Hybridfahrzeugen durch optimales Ausbalancieren des Einsatzes von Kraftstoff- bzw. Elektromotor erreichen. Wenn weit reichende topografische Informationen vorliegen, kann der Elektromotor stärker zur Unterstützung bei kürzeren Steigungen eingesetzt werden. So könnte die Batterie bei kürzeren Steigungen stärker entladen werden, da bereits über den eHorizon bekannt ist, dass bei der folgenden längeren Gefällestrecke genügend Energie über die Rekuperation zurückgewonnen werden kann. Intermap und Clemson University haben in einer Studie gezeigt, dass hierdurch Einsparungen von drei Prozent Kraftstoff möglich sind [1].

eHorizon auch ohneNavigationssystem sinnvoll verwendbar

Die notwendigen eHorizon-Daten können von einem Navigationssystem auf dem CAN-Bus zur Verfügung gestellt werden. Das Navigationssystem kennt durch GPS, Gierratensensor und Geschwindigkeitssignal des Fahrzeuges die genaue aktuelle Position und kann über auf die notwendigen Karten- Attribute zugreifen. Diese Daten werden über ein im ADASIS-Forum (europäische Arbeitsgruppe mit dem Ziel, ein einheitliches Protokoll zum Austausch von Daten zwischen Fahrerassistenz- Systemen zu etablieren [2]) standardisiertes oder auf Wunsch auch kundenspezifisches Protokoll über einen Datenbus an das jeweilige Steuergerät weitergegeben. Es muss nicht in jedem Fall ein komplettes Navigationssystem oder Multimedia-System sein, das die notwendigen Daten zur Verfügung stellt. Es ist auch denkbar, dass dies eine kostenoptimierte, abgespeckte eHorizon- Box bewerkstelligt, die völlig alleine im Hintergrund ohne spezifische Fahrerschnittstelle mit Ein- und Ausgabeeinheit arbeitet. Eine solche eHorizon- Box kennt somit auch nicht das Ziel und verfügt über keine Route.

Dies ist aber nur ein geringer Nachteil, denn anstelle der Route kann auch der wahrscheinlichste Pfad verwendet werden, was insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge, die überwiegend auf Autobahnen unterwegs sind, eine genügend große Trefferwahrscheinlichkeit bietet.Die eHorizon-Daten können von den relevanten Steuergeräten wie zum Beispiel der Motorsteuerung oder der Getriebesteuerung gelesen werden. In jedem Steuergerät, das eHorizon-Daten nutzt, arbeitet ein standardisiertes Software-Modul, der eHorizon-Reconstructor. Dieser sorgt dafür, dass die Daten, die über den Systembus geliefert werden, aufbereitet und über eine wiederum standardisierte Programmschnittstelle den eigentlichen Anwendungen im Steuergerät zur Verfügung stehen. Es ist wichtig, durch diese neue Funktionen die Datenbusse nicht mit zu vielen Meldungen zu überlasten. Daher hat Continental folgendes KonKonzept gewählt: Nachdem der eHorizon einmal baumartig im Reconstructor der jeweiligen Steuergeräte aufgebaut worden ist, wird dieser Baum an der Wurzel in Abhängigkeit der zurückgelegten Wegstrecke abgeschnitten und es werden nur die neuen, zusätzlichen Zweige angehängt. Dadurch lässt sich die Kommunikation im realen Einsatz auf sechs bis neun Nachrichten pro Sekunde reduzieren. Diese zusätzlichen Daten sind mit dem heutigen Datenaufkommen auf dem Bus vereinbar.

Integrationsmöglichkeiten der eHorizon-Box

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, eine solche eHorizon-Box in der Fahrzeug-Architektur zu integrieren (Bild 4): Einerseits kann die eHorizon- Box im Infotainment-Zweig des Fahrzeugnetzwerkes als optionale Ausstattung alternativ zum Navigationssystem platziert werden. Im Falle, dass der Kunde ein Navigationssystem als Option gewählt hat, kann das Navigationssystem die Rolle des eHorizon- Datenlieferanten übernehmen. So können zusätzliche Hardware-Kosten gespart werden. Hat der Kunde keine Navigation gewählt, kann die kostenoptimierte eHorizon-Box verwendet werden. Bei dieser Architektur werden die eHorizon-Daten über entsprechende Gateways weitergeleitet und die Anforderungen an die Systemintegration erhöht. Wichtig ist dabei, dass die Daten der eHorizon-Box nahezu in Echtzeit für die anderen Systeme zur Verfügung stehen. Anderseits kann eine eHorizon-Box direkt im Antriebsstrangbereich des Fahrzeugnetzwerkes platziert werden. Dies wäre ein Einbau unabhängig davon, ob ein Navigationssystem verbaut wird oder nicht. In Summe steigen dadurch leicht die Hardware-Kosten, aber dafür sind die Herausforderungen an die Systemintegration geringer und Echtzeit-Anforderungen leichter zu lösen.