Mit Unterstützung von Kontron

Autonomes Fahren mit Rennsport-Feeling

11. Januar 2022, 8:30 Uhr | Von Felix Scheikowski
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Der »egn20«, der im Sommer 2021 den Asphalt glühen lässt, ist das erste kombinierte Electric/Driverless-Modell.
© e-gnition Hamburg e.V.

Mit rund 40.000 Teilnehmern ist die Formula Student einer der größten Ingenieurswettbewerbe der Welt. Das Ziel ist es, innerhalb eines Jahres einen Formel-Rennwagen zu konstruieren, zu fertigen und zu testen. Ein Team aus Hamburg erhält hierfür Unterstützung aus der Embedded-Branche.

Elektrisches und autonomes Fahren sind die Innovationsbegriffe der Automobilwelt. In der Formula Student füllen Studierende sie mit Leben – unterstützt von Kontron. Selbst einen echten Rennwagen bauen: Dieser Traum wird für Studierende wahr, die am internationalen Konstruktionswettbewerb »Formula Student« teilnehmen. Mit 40.000 Teilnehmern aus rund 500 Teams, ist die Formula Student wohl der größte Ingenieurswettbewerb der Welt. Das Ziel ist es, innerhalb eines Jahres einen Formel- Rennwagen zu konstruieren, zu fertigen und zu testen. Gelingen kann das jedoch nur mit kompetenten Partnern und Unterstützung aus der Industrie.

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Formel-1-Feeling im Studium

Unter dem Namen »e-gnition Hamburg« stellen etwa 60 Studierende der TU Hamburg seit 2011 jedes Jahr einen neuen elektrischen Rennwagen auf die Räder. Die Studierenden treten in zwei Klassen an: der Electric- und der Driverless-Klasse.

Zusammen erstellen sie die Konzepte, die das Fahrzeug am Ende leicht, schnell und agil machen – und die es überhaupt erst zum Fahren bringen. Im aktuellen Wagen sind 36 unterschiedliche, komplett selbst entwickelte Mikrocontrollerplatinen im Einsatz, die im Verbund den Betrieb ermöglichen. Alle benötigten Funktionen müssen sich perfekt in das Gesamtsystem integrieren, damit ein zuverlässiges Fahrzeug entsteht. Die Spezialisten für Chassis, Aerodynamik und Fahrwerk im Team haben die Aufgabe, für Leichtbau und beste Fahrperformance zu sorgen. So sind die Boliden besten gerüstet für den Auftritt auf namhaften Rennstrecken wie dem Hockenheimring, auf denen sie gegen die internationale Konkurrenz antreten. Außerdem treten die Teams in sogenannten »statischen Disziplinen« an und müssen beispielsweise im »Engineering Design Event« vor einer Jury aus erfahrenen Ingenieuren ihre konstruktiven Entscheidungen verteidigen.

Der Computer übernimmt das Steuer

Seit der Saison 2016/2017 sitzen nicht mehr nur Menschen am Steuer. In der Driverless-Klasse müssen die Rennwagen vollständig autonom ihren Weg über die Rennstrecke finden. Zusätzliche Sensorik wie Lidars und Kameras lässt sie die Umgebung wahrnehmen. Aus den gewonnenen Daten erstellt ein Embedded-PC eine Karte der Umgebung, erkennt die mit Straßenhütchen markierte Strecke und plant die beste Trajektorie. Regler sorgen dafür, dass das Fahrzeug die Geschwindigkeit und Richtung wie geplant einhält.

So übernimmt der Computer die Aufgaben, die zuvor dem menschlichen Fahrer zufielen. Genauso wie der Fahrer, muss der Rechner fit genug sein, um gute Fahrleistungen zu erreichen. Ein Teil der Aufgabe liegt bei den Studierenden, die intensiv an den Algorithmen und Implementierungen feilen, der andere Teil bei der Hardware. Sie muss genug Leistung mit sich bringen.

egn17-dv
Mit dem ersten Modell, dem »egn17-dv«, trat e-gnition von Anfang an in der neu gegründeten Driverless-Klasse der autonom fahrenden Rennwagen an.
© e-gnition Hamburg e.V.

Hin zum Fahrzeug mit und ohne Fahrer

Mit dem ersten Modell, dem »egn17-dv«, trat e-gnition von Anfang an in der neu gegründeten Driverless-Klasse der autonom fahrenden Rennwagen an. Hierfür wurde zunächst ein Vorjahresfahrzeug der Klasse mit Fahrer umgerüstet und mit Sensoren, Aktuatoren sowie der nötigen Rechenpower ausgestattet. Die zentrale Recheneinheit, ein handelsübliches PC-Mainboard, war wie ein Jetpack auf dem Heck befestigt. In den nächsten Jahren steckte der PC in einer Schublade im Heck. So wurden die Wettbewerbe erfolgreich bestritten: Bereits mit den ersten Modellen errang das Hamburger Team in mehreren Kategorien Plätze auf dem Siegerpodest.

Die neuen Funktionen brachten allerdings ein höheres Gewicht mit sich und beeinträchtigten die Aerodynamik, sodass das Team die Wettbewerbe mit zwei unterschiedlichen Wagen bestritt. Der »egn20«, der im Sommer 2021 den Asphalt glühen lässt, ist nun das erste kombinierte Electric/Driverless-Modell: Zum ersten Mal wird kein dediziertes Fahrzeug ohne Fahrer eingesetzt, sondern ein Wagen ist durch eine modulare Bauweise sowohl mit als auch ohne Fahrer konkurrenzfähig. So springt der Fahrer einfach aus dem Fahrzeug – und nach wenigen Handgriffen fährt das Auto selbstständig weiter. Das übergeordnete Ziel ist eine vollständige Integration, sodass sich Mensch und Maschine die Steuerung nahtlos übergeben können.

Anbindung des COMe-Moduls
Die Anbindung des COMe-Moduls an den CAN-Bus im Fahrzeug ermöglicht die einfache Kommunikation mit allen anderen Platinen.
© e-gnition Hamburg e.V.

egn22: Integration auf dem nächsten Level

In der Planung des nächsten Modells wurde beschlossen, den PC vollständig ins Fahrzeug zu integrieren. Bislang waren die hardwarenahen Echtzeitfunktionen auf der Boardcomputerplatine auf einem Mikrocontroller untergebracht und die anspruchsvolleren Berechnungen für den autonomen Modus auf dem PC. Im nächsten Entwicklungsschritt verschmelzen beide Einheiten zu einer physikalischen Einheit.

Einen PC komplett selbst zu entwickeln, ist selbst für ein erfahrenes Team in der Formula-Student unrealistisch. Die Lösung des Problems: COM-Express-Module von Kontron. Im erarbeiteten Konzept stellt die in Eigenregie entwickelte Trägerplatine alle Anschlüsse und die Echtzeitfunktionen bereit, während das aufgesteckte COM-Express-Basic-Modul zusammen mit einer kleinen Grafikeinheit die Rechenpower für das autonome Fahren liefert. Das Modulkonzept erlaubt es, genau die benötigten Anschlüsse für die Peripherie im Fahrzeug zu verwenden.

Für e-gnition Hamburg ist Kontron der perfekte Partner. Das Modul »COMe-bCL6« mit einem Core i7-9850HE von Intel bietet die benötigte Rechenleistung und verringert mit dem aufgelöteten Flash-Speicher den externen Aufwand. Externe Sensorik ist zudem über USB und Ethernet verbunden. Eine Ethernet-Direktverbindung zwischen dem COM-Express-Modul und dem Mikrocontroller gewährleistet den schnellen und flexiblen Datenaustausch zwischen den beiden Einheiten. Die Anbindung des COMe-Moduls an den CAN-Bus im Fahrzeug ermöglicht zudem die einfache Kommunikation mit allen anderen Platinen.

Felix Scheikowski
Felix Scheikowski verantwortet die Bord- und Driverless-Computer sowie die Software Driverless bei e-gnition Hamburg e.V.
© e-gnition Hamburg e.V.

Embedded Board als Schlüssel zum Erfolg

Am Anfang stand die Idee für ein vollständig integriertes Fahrzeug. Diese mussten die Studierenden zunächst mit viel Recherche und vielen Diskussionen in ein erstes Konzept überführen, das dann von ehemaligen Teammitgliedern geprüft wurde. Mit der Idee wandte sich das Team an Kontron und freute sich über die schnelle Unterstützung. In mehreren Gesprächen schlossen die Studierenden die Auswahl des passenden Boards ab und durften die Schaltpläne einem professionellen Check unterziehen. In den nächsten Monaten wird die Platine fertig entwickelt und produziert. Bald kann das Team beide Teile der neuen Einheit zusammenführen und sie in den Elektrorennwagen der neuesten Generation einbauen.

Das Team der TU Hamburg ist dankbar für die Unterstützung von Kontron, ohne die das Projekt kaum möglich wäre. Zudem ist das Engagement von Kontron eine Anerkennung für die Leistung der Studierenden und zeigt, dass die Integration der COM-Express-Module in einen autonom fahrenden Rennwagen auch für Kontron ein spannendes und nicht alltägliches Projekt darstellt: »Es ist immer wieder erstaunlich, in welchen vielfältigen Anwendungen unsere Produkte zum Einsatz kommen. Es hat Spaß gemacht, die Studierenden bei der komplexen Aufgabe zu unterstützen und ich freue mich, wenn wir den Rennwagen live erleben,« so Philipp Bader, Junior Product Manager bei Kontron.


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