Pionierarbeit für die Automatisierung
Der autonom fahrende Kleinbus HEAT hat in der Hamburger Hafen-City seinen Testbetrieb aufgenommen. Ziel des ehrgeizigen Projekts: Passagiere ohne Fahrer mit bis zu 50 km/h auf öffentlichen Straßen zu transportieren. Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt von IAV und anderen Partnern gehört zu den weltweit ersten, bei denen das autonome Fahren im öffentlichen Straßenverkehr realisiert werden soll. Die Entwicklung vernetzter, autonomer Fahrzeuge wie HEAT stellt neuartige, hohe Anforderungen an die Ingenieursleistung.
„Wir sehen, dass wir für Projekte wie HEAT neue Wege finden müssen, um derart komplexe Funktionen wie das autonome Fahren von der Forschung in die Serie zu bringen. Das ist Neuland, das gibt es so bisher nicht in der Automotive-Welt. Bekannte konventionelle Methoden reichen hierfür nicht mehr aus“, sagt Dr. Matthias Butenuth, Fachbereichsleiter für Automated Driving Systems bei IAV.
Die Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit, Robustheit und Verfügbarkeit autonomer Fahrsysteme sind immens. Die Entwicklungsumfänge und die notwendige Anzahl der gefahrenen Test-Kilometer würden zu unrealistisch langen Entwicklungszeiten und -kosten führen.
Integrativer Gesamtentwicklungsprozess
Die Lösung, um die Aufwände in einem vertretbaren Rahmen zu halten, ist der Einsatz unterschiedlichster virtueller Methoden über den gesamten Entwicklungsprozess, von der Funktionsspezifikation bis hin zur Validierung der Umsetzung.
Wir benötigen Methoden und Prozesse, um im virtuellen Raum Erkenntnisse zu gewinnen und diese in allen Phasen zu nutzen.
— Abteilungsleiter Simulation & Validation bei IAV
„Eine Kernfrage ist: Wie machen wir die Ergebnisse der verschiedenen Methoden übertragbar? Wir haben noch ein gutes Stück vor uns, aber ohne einen derartigen Prozess wird man autonome Fahrsysteme nicht in Serie bringen können“, erklärt Thorsten Scheibe, Abteilungsleiter Simulation & Validation bei IAV.
Denn nur, wenn die Ergebnisse zwischen den Entwicklungsschritten und Methoden übertragbar sind und in die Gesamtentwicklung einfließen, können die Anzahl der real gefahrenen Kilometer sowie der Anteil an komplexen Methoden reduziert und der Entwicklungsaufwand insgesamt in einem realistischen Rahmen gehalten werden.
HEAT als Prozess-Prototyp
Für HEAT entwickelt IAV ein entsprechendes Konzept, das im Verlauf des Projekts weiter ausdefiniert und in die Praxis umgesetzt wird. Das IAV-Konzept baut auf verschiedene Module:
- simulative Methoden,
- szenenbasierte Entwicklung und Validierung sowie
- virtuelle Modelle.
Diese Module müssen intelligent kombiniert und ganzheitlich in den gesamten Entwicklungsprozess integriert werden. Dazu müssen Schnittstellen und Abläufe definiert sein und Standards eingehalten werden.
Methodische Vielfalt
Virtuelle Methoden kommen in allen Phasen zum Einsatz; so werden abstraktere genutzt, um große Parameterräume zu validieren und einzugrenzen sowie komplexere zur Bewertung von Corner Cases. Im frühen Entwicklungsstadium unterstützen simulative Validierungsmethoden wie Concept-in-the-Loop oder Vehicle-in-the-Loop die Definition valider Anforderungen sowie die Prozesse der sicheren Auslegung wie Safety of the Intended Function (SOTIF) und Funktionale Sicherheit. Die Funktionsentwicklung mittels Rapid Prototyping und eine frühzeitige Validierung der technischen Lösungen werden zum Beispiel mittels Model-in-the-Loop gefördert.
Szenarienbasierte Entwicklung und Validierung
Um virtuelle Methoden sinnvoll über den gesamten Prozess einsetzen zu können und kompatible Ergebnisse zu erhalten, müssen vorab Szenarien und Modelle definiert werden, die in allen Entwicklungsphasen genutzt werden können. Beispielhaft sei das Überholen eines anderen Fahrzeugs oder das Rechtsabbiegen an einer Ampel mit Fahrradstreifen genannt. Im Lauf des Entwicklungsprozesses wird das Set an relevanten Szenarien und zugehörigen Parametern kontinuierlich ausspezifiziert und erreicht so einen sehr hohen Reifegrad. Die Szenarien werden in einer speziellen Szenarien-Datenbank vorgehalten, auf die die verschiedenen virtuellen Methoden zugreifen.
Virtuelle Modelle
Um reale Gegebenheiten in Simulationen abzubilden, werden diese in Modellen abstrahiert – beispielsweise Modelle von Sensoren, um deren Funktions- und Systemverhalten abzubilden oder auch Verhaltensmodelle von Verkehrsteilnehmern.
Die Komplexität der Modelle ist anpassbar an die Ziele der Entwicklungsphasen und an die jeweils eingesetzte Methode. Die Modellnachsteuerung über den Entwicklungsprozess wird mittels konkreter Performanceindikatoren sowie statistischer Methoden ermöglicht. Auch die Modelle werden in einer zentralen Modell-Datenbank in abstrakter Beschreibungsform vorgehalten und können mit verschiedenen Simulations-Tools genutzt werden. „Unser Ziel ist, den kompletten Entwicklungsprozess zu automatisieren, einschließlich der abschließenden Validierung. Dafür gibt es bisher keine Norm. Das Projekt HEAT bietet uns die große Chance, das Konzept zu definieren und zu erproben und damit Pionierarbeit zu leisten“, so Butenuth.
Der Artikel erschien in der automotion 03/2019, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die autmotion kostenfrei bestellen.
