Voraussetzungen für autonome Fahrzeuge

Andrea Gillhuber,

Auf dem Weg zum autonomen Fahren

Das Rennen um vollständig autonom fahrende Autos ist im vollem Gange. Die zum Nachweis der Sicherheit erforderliche Fahrzeugerprobung ist jedoch extrem zeitintensiv, weshalb Simulationen als kostengünstigere Alternative zu den praktischen Fahrtests an Bedeutung gewonnen haben, um autonome Fahrzeugprogramme erfolgreich abzuschließen. Von Scott Stanton, Director of Engineering Solutions bei Ansys

Mit vollständig autonom fahrenden Autos einher gehen entscheidende Veränderungen der technischen Komplexität und der anzuwendenden Sicherheitskriterien. © Ansys

Die Zahl autonomer Fahrzeuge steigt stetig – nicht nur im Automobilbereich. Zu nennen sind zudem mobile autonome Roboter oder Drohnen, die nicht nur vom Militär eingesetzt werden, sondern auch von Unternehmen wie Amazon für die Auslieferung von Waren eingeplant sind. Außerdem sind Sattelzüge in der Entwicklung, die 24 Stunden Tag für Tag Produkte schnell und günstig über Tausende von Kilometern transportieren können. Zweifellos gehört autonomen Fahrzeugen die Zukunft – der Weg dorthin führt jedoch über große technologische Herausforderungen.

Kritische Technologien für autonome Fahrzeuge

So sind Schätzungen Milliarden von Kilometern an praktischer Straßenerprobung erforderlich, um den Nachweis über die Sicherheit eines autonomen Fahrzeugs zu erbringen. Beim derzeitigen Tempo des Fortschritts würde es Jahrhunderte dauern, bis die Straßentests abgeschlossen sind. An diesem Punkt kommt die technische Simulation ins Spiel. Sie ermöglicht, autonome Fahrzeuge in einer risikolosen, kostengünstigen und zeiteffizienten virtuellen Umgebung zu testen und zu analysieren. Auf höchstem Niveau müssen diese Simulationen das Verhalten des Fahrzeugs in seiner Umgebung erfassen können: Dies kann als eine „Closed-Loop-Simulation“ charakterisiert werden – wie „sieht“, „denkt“ und „handelt“ das Fahrzeug, gesteuert durch künstliche Intelligenz.

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Die Simulation hat als kostengünstigere Alternative zu praktischen Fahrtests signifikant an Bedeutung gewonnen, um autonome Fahrzeugprogramme erfolgreich abzuschließen. © Ansys

Die Simulation umfasst virtuelle Städte und Straßen ebenso wie Sensoren, die als „Augen und Ohren“ des Fahrzeugs agieren, Steuerungssoftware und Algorithmen, die kritische Entscheidungen treffen. Eine wichtige Rolle spielt zudem die Fahrdynamik, die auf den Anweisungen der Software und Algorithmen basiert. Diese Simulation stellt einen kontinuierlichen Closed-Loop-Prozess darüber dar, was das Fahrzeug während der Fahrt erfasst, ausführt und wie es manövriert. Selbstredend können diese Closed-Loop-Simulationen nur dann als zuverlässig angesehen werden, wenn sie exakte Darstellungen aller relevanten Komponenten des Fahrzeugs und seiner Umgebung enthalten. Daher gibt es fünf wichtige technische Funktionen, die exakte virtuelle Straßenerprobungen unterstützen:

• Sensordesign,

• Optimierung der Halbleiter,

• zuverlässige Elektronik,

• sicherheitskritische Embedded Software und

• die Analyse der Funktionalen Sicherheit.

Sensoren nehmen reale Welt wahr

Sensoren zählen zu den kritischsten Komponenten eines autonomen Fahrzeugs: Sie große Mengen an Umgebungsdaten in Echtzeit erfassen, verarbeiten und mithilfe von Signalverarbeitung übermitteln. Zu den gängigen Sensortypen zählen Radar, Lidar, Kameras und Ultraschall. Die Prüfung und Analyse der Leistungsfähigkeit von Sensoren stellt eine große technische Herausforderung dar: So werden zum Beispiel Radarsensoren in der Regel hinter dem Stoßfänger eines Autos montiert, wo ihr Abstrahlverhalten durch die Materialeigenschaften und die geometrische Konfiguration der Front verzerrt wird. Um zuverlässig in unterschiedlichen Automodellen zu arbeiten, müssen die Radarsysteme so ausgelegt sein, dass sie unter verschiedensten Geometrien und Materialeigenschaften problemlos funktionieren. Jedoch sind der Bau und der Test für jedes einzelne Modell aus Zeit- und Kostengründen nicht umsetzbar.

Autonomen Fahrzeugen gehört die Zukunft – der Weg dorthin führt jedoch über große technologische Herausforderungen. © Ansys

Ansys bietet ein Paket von Radar- und Antennensimulationslösungen, die darauf ausgelegt sind, die Leistung in der realen Welt mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu reproduzieren. Durch die Software kann die Sensorleistung vorhersagt werden – unabhängig davon, ob das Sensorsystem auf einem Fahrzeug montiert ist, sich in einer statischen Umgebung befindet oder während einer schnellen Closed-Loop-Simulation untersucht wird. Darüber gibt es auch Lösungen für andere Sensortechnologien wie Ultraschall, der nicht zuletzt bei der Einparkhilfe zum Einsatz kommt.

Optimierung der Halbleiterleistung

Ansys ermöglicht die Simulation der Halbleiterbauelemente, die den Radarsystemen zugrunde liegen und die Signalverarbeitung unterstützen. Halbleiter begünstigen einen großen Teil der Funktionen von autonomen Fahrzeugen, doch die Masse der benötigten Elektronik kann auch zur Ursache für Leistungsprobleme werden. So können Leistungsverluste, elektrostatische Entladungen, elektromagnetische Störungen sowie thermische und strukturelle Belastungen die Zuverlässigkeit und Integrität eines Produkts negativ beeinflussen. Beispielsweise führt ein Temperaturanstieg von 25 °C in der Regel zu einer 3- bis 5-fachen Verschlechterung der zu erwartenden Lebensdauer von elektronischen Geräten.

Ansys‘ RedHawk 3DIC und PowerArtist können das Design von integrierten Schaltungen optimieren. Sie unterstützen Ingenieure dabei, die Elektronikdichte zu regulieren und intelligente Kompromisse zwischen Produktgröße, Wärmeentwicklung und Gesamtproduktleistung zu treffen.

Kritische Technologien für autonome Fahrzeuge. © Ansys

Zuverlässige Hardware und sicherheitskritische Embedded Software entwickeln

Elektronik-Hardware zählt zu den kritischsten Komponenten autonomer Fahrzeuge; sie unterstützen Schlüsselfunktionen wie Kommunikation, Bild- und Datenerfassung, Systemsteuerung, künstliche Intelligenz sowie Mobilität. Daher muss die Hardware ausreichend robust sein, um elektrischen, thermischen, vibratorischen und mechanischen Belastungen zu widerstehen. Statt Hardware-Prototypen physikalischen Tests zu unterziehen, können Tools wie Icepak, SIwave und Mechanical zur Analyse von IC-Gehäusen, Boards, Gehäusen und Systemen in einem virtuellen Designraum verwendet werden.

Simulationen erlauben wichtige Aspekte wie Leistungsintegrität, Energieaufnahme, elektrostatische Entladung, elektromagnetische Störungen und Verträglichkeit, thermische Leistung sowie strukturelle Robustheit aufzuzeigen. Auf der Basis der Analyseergebnisse können bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, bevor die Kosten festgelegt werden.

Simulationen müssen auf höchstem Niveau das Verhalten des Fahrzeugs in seiner Umgebung erfassen können. © Ansys

Obwohl unsichtbar, sind die Computersoftware und die dazugehörigen Algorithmen die Grundlage für die sichere und zuverlässige Leistung aller autonomen Fahrzeuge. Jede numerisch basierte Funktion von der Signalverarbeitung bis hin zur Objekterkennung muss einwandfrei funktionieren, damit das Fahrzeug überhaupt Daten sammeln und intelligente Entscheidungen treffen kann. Das bedeutet auch, dass der zugrunde liegende Softwarecode absolut fehlerfrei sein muss. Um menschliche Fehler zu eliminieren, bietet Ansys die SCADE-Familie für die Softwareentwicklung und -verifikation an. Durch numerische Modellierung und Kontrolle der Codegenerierungsaktivitäten sind Software-Entwickler in der Lage, die Leistungs- und Sicherheitsstandards der Industrie  zu erfüllen. Des Weiteren wird die Zuverlässigkeit des Softwarecodes erhöht und Entwicklungszeit und -kosten im Vergleich zu manuellen Methoden der Codegenerierung reduziert.

Das Rennen gewinnen

Die Frage ist mittlerweile nicht mehr, wie autonome Fahrzeuge unser Leben verändern werden, sondern wer sie als erster anbieten wird. Beim Wettlauf um die Antworten auf verbleibende technische Herausforderungen sowie bei der Entwicklung innovativer und praktischer Lösungen spielt die Simulation eine zentrale Rolle. Ansys bietet umfassende Simulationslösung zur Erprobung autonomer Fahrzeuge. Unabhängig davon, ob es ein komplettes Fahrzeug oder nur eine Komponente zu entwickeln gilt, ist die Simulation die richtige Antwort auf die vielfältigen technischen Herausforderungen.

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