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Integrierter GNSS-Empfänger

Neuer Ansatz für Vehicle-in-the-Loop-Prüfstände

21. Mai 2021, 11:49 Uhr   |  Nicole Wörner

Neuer Ansatz für Vehicle-in-the-Loop-Prüfstände
© AVL

Testfahrzeug mit GNSS-Simulation für prädiktive ACC-Tests auf dem Rollenprüfstand

Mit der Integration eines GNSS-Simulators in einen Vehicle-in-the-Loop-Prüfstand ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Validierung auf Fahrzeugebene für Fahrerassistenzsysteme und autonomes Fahren. Hier schließt sich die Lücke zwischen realen Straßentests und der Simulation.

Von: Rolf Hettel, Senior Application Engineer bei AVL Deutschland GmbH und Markus Irsigler, Product Manager Signal Generators bei Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

Fahrerlose Autos gewinnen in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung. Angefangen bei Level-2-Fahrerassistenzsystemen (ADAS) über teilautonomes Fahren bis hin zu vollautonomem Fahren in der Zukunft – die Komplexität der Funktionen steigt drastisch. Die Validierung dieser Funktionen unter allen möglichen Bedingungen und Variationen ist eine große Herausforderung in der Automobilentwicklung. Beispielsweise erfordern Funktionen wie ein autonomes Notbremssystem (AEB), ein Abstandsregeltempomat (ACC) oder sogar vollautomatisierte Funktionen wie ein Autobahnpilot einen enormen Aufwand an funktionaler und nichtfunktionaler Validierung und Optimierung am fertigen Fahrzeug – bei einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen und Fahrzeugkonfigurationen.

Um die funktionale Sicherheit dieser Funktionen zu erproben, sind die Komplexität der Testszenarien und die unzählig vielen Testkilometer, die abgespult werden müssen, eine Herausforderung für moderne Validierungsansätze. Aktuell gibt es drei Lösungswege für die Validierung von Fahrerassistenzsystemen und autonomem Fahren. Entweder mittels Testfahrten auf öffentlichen Straßen oder Teststrecken, durch Hardware-in-the-Loop-Tests (HiL) oder durch rein virtuelle, softwarebasierte Tests, d.h. ohne jegliche Hardwarekomponenten.

Tests auf Teststrecken oder öffentlichen Straßen ergeben ein realistisches Bild, sind aber nicht vollständig reproduzierbar und können den Testfahrer und andere Testteilnehmer gefährden. Zusätzlich müssen auf der Teststrecke nach jedem Testlauf die gleichen Startbedingungen wiederhergestellt werden, ein Vorgang, der viel Zeit in Anspruch nimmt. HiL-basierte Tests nutzen reale Steuergeräte (ECU) und Funktionen, sind aber schwierig aufzusetzen, da eine komplexe Restbussimulation erforderlich ist. Eine reine Simulation ist sehr produktiv, effizient und flexibel. Da allerdings keine physischen Komponenten zum Einsatz kommen, mangelt es bei virtuellen Tests an der realen Interaktion zwischen den Fahrzeugsystemen, die aber für die Validierung von großer Bedeutung ist.

Viele dieser Methoden sind mit Nachteilen verbunden. Jedoch lassen sich diese mit einem anderen Ansatz überwinden, mit Vehicle-in-the-Loop-Verfahren (ViL) am Prüfstand.

Messaufbau für die Prüfung des Abstandsregeltempomat
© Rohde & Schwarz

Messaufbau für die Prüfung des Abstandsregeltempomat

Simulation einer kombinierten GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo-Konstellation für einen mobilen GNSS-Nutzer
© Rohde & Schwarz

Simulation einer kombinierten GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo-Konstellation für einen mobilen GNSS-Nutzer

Funktionstests mit einem ViL-Prüfstand

Die ViL-Umgebung (hier der AVL Drivingcube) realisiert einen neuen Validierungsansatz und schließt damit die Lücke zwischen realen Straßentests und der Simulation. Im Gegensatz zu einem reinen HiL-Lösungsweg, der auf einzelnen Komponenten basiert, wird das gesamte, integrierte und fahrbereite Fahrzeug getestet, das in einer virtuellen Umgebung auf einem Prüfstand betrieben wird. Entweder physikalische bzw. phänomenologische Sensormodelle (d. h. Einspeisung von Sensorausgängen einer Softwaresimulation an das elektronische Steuergerät) oder physische Sensorstimulatoren verbinden die zu prüfenden Steuergeräte mit der simulierten Umgebung. Der Einsatz eines Lenkaktuators ermöglicht das Lenken am Prüfstand. Diese Testumgebung wurde für die Evaluierung aller Arten von Funktionen für ADAS und autonomes Fahren entworfen, z. B. das automatische Beschleunigen oder Verzögern des Fahrzeugs im prädiktiven ACC-Modus.

Der Prüfstand steigert die Effizienz während der Validierung und Optimierung von Funktionen für ADAS und autonomes Fahren, da sich die Szenarien hier deutlich einfacher reproduzieren lassen als im echten Straßenverkehr. Zudem wird der Zugang zum Fahrzeug während des Betriebs vereinfacht. Kritische Situationen können auf sichere Art und Weise validiert werden, während dies auf einer realen Straße nicht möglich ist. Insbesondere die Sensorsimulation und -stimulation spielen beim Ablauf komplexer Szenarien eine wichtige Rolle für zuverlässige Validierungsergebnisse.

GNSS-Stimulation

Mit einem GNSS-Simulator lässt sich die Validierungsumgebung erweitern, sodass man das im Fahrzeug integrierte GNSS-System mit realen GNSS-HF-Signalen stimulieren kann. Somit können navigations- und kartenbasierte Funktionen für ADAS und autonomes Fahren wie der prädiktive Abstandsregeltempomat (ACC) oder der Hub-to-Hub-Betrieb (H2H) getestet werden.

Der Simulator generiert Signale für sämtliche globalen Navigationssatellitensysteme wie GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou sowie für viele satellitengestützte Ergänzungssysteme (SBAS). So ist es ganz einfach, realistische Konstellationen zu erzeugen, bei denen Satelliten von mehreren unterschiedlichen GNSS vorhanden sind. Zusätzlich ist es möglich, Signale gleichzeitig auf allen Frequenzbändern (beispielsweise L1, L2 und L5) zu generieren und so moderne Mehrfrequenz-GNSS-Empfänger zu integrieren und validieren.

Die Sichtbarkeit von Satelliten und die Leistungspegel lassen sich während der Stimulation ändern. Somit stehen zusätzliche Möglichkeiten zur Verfügung, abgeschattete und blockierte GNSS-Signale zu modellieren. Der GNSS-Simulator empfängt Fernsteuerbefehle von der ViL-Umgebung über LAN-, USB- oder GPIB-Schnittstellen. Die für die GNSS-Simulation nötigen Positions- und Lagedaten lassen sich über SCPI- oder UDP-Befehle an den Simulator streamen, sodass sich die Integration einfach gestaltet. Hohe Streaming-Raten mit bis zu 100 Hz stellen in Kombination mit einer geringen Befehlsverarbeitungslatenz bis minimal 20 ms eine hohe Verarbeitungs- und Signalgenauigkeit sicher.

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1. Neuer Ansatz für Vehicle-in-the-Loop-Prüfstände
2. Testen der prädiktiven ACC-Funktion in einer ViL-Umgebung

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