Autonomen Fahrzeugen gehört die Zukunft – der Weg dorthin führt jedoch über große technische Hürden.

Bild: Razvan, Ansys

Simulationstools für Fahrzeuge Der Wettlauf um das erste autonome Auto

04.10.2018

Das Rennen um vollständig autonom fahrende Autos ist in vollem Gange. Die zum Nachweis der Sicherheit erforderliche Fahrzeugerprobung über Milliarden von Kilometern ist jedoch extrem aufwendig. Um autonome Fahrzeugprogramme dennoch erfolgreich umsetzen zu können, bieten sich Simulationen als kostengünstige Alternative zu den Fahrtests an.

Die Anzahl autonomer Fahrzeuge steigt stetig – und zwar nicht nur im Automobilbereich. Unternehmen wie Amazon setzen beispielsweise Roboter oder Drohnen für die Warenauslieferung ein. Zweifellos gehört autonomen Fahrzeugen die Zukunft. Der Weg dorthin birgt jedoch große technologische Herausforderungen.

Zum Beispiel sind Milliarden von Kilometern an praktischer Straßenerprobung erforderlich, um den Sicherheitsnachweis eines autonomen Fahrzeugs zu erbringen. Beim derzeitigen Tempo des Fortschritts würde es Jahrhunderte dauern, bis die Straßentests abgeschlossen sind. An diesem Punkt kommen technische Simulationen ins Spiel, mit deren Hilfe sich autonome Fahrzeuge in einer virtuellen Umgebung gefahrlos und zeitsparend analysieren lassen.

Virtuelle Straßenerprobung

Diese Simulationen müssen das Verhalten des Fahrzeugs in dessen Umgebung auf höchstem Niveau erfassen können. Alles, was das Fahrzeug während der Fahrt erfasst und wie es manövriert, wird als kontinuierlicher Closed-Loop-Prozess simuliert. Die Simulationen umfassen virtuelle Städte und Straßen. Sie enthalten Sensoren, die als Augen und Ohren des Fahrzeugs agieren, sowie Steuerungsalgorithmen, die alle kritischen Entscheidungen treffen. Auch die Fahrdynamik basiert auf den Anweisungen der Steuerungssoftware.

Selbstverständlich sind solche Simulationen nur dann zuverlässig, wenn sie eine genaue Darstellung aller relevanten Fahrzeugkomponenten sowie der Umgebung enthalten. Daher gibt es fünf technische Funktionen, die für exakte virtuelle Straßenerprobungen maßgeblich sind: Sensordesign, Optimierung der Halbleiter, zuverlässige Elektronik, sicherheitskritische Embedded-Software und Analyse der funktionalen Sicherheit.

Design für verschiedene Geometrien

Sensoren gehören nicht nur zu den kritischsten, sondern auch zu den komplexesten Komponenten eines autonomen Fahrzeugs: In Echtzeit erfassen, verarbeiten und übermitteln sie Unmengen an Umgebungsdaten. Die gängigsten Sensortypen sind Radar, Lidar, Kameras und Ultraschall. Die Prüfung und Analyse der Leistungsfähigkeit von Sensoren ist technisch sehr anspruchsvoll. Zum Beispiel sind Radarsensoren in der Regel hinter den Stoßdämpfern eines Autos angebracht, wo ihr Abstrahlverhalten durch die Materialeigenschaften und die geometrische Form der Front verzerrt wird.

Aus Zeit- und Kostengründen ist es nicht praktikabel, für jedes Fahrzeug unterschiedliche Sensoren zu bauen und zu testen. Um jedoch zuverlässig in unterschiedlichen Automodellen zu funktionieren, müssen die Radarsysteme so ausgelegt sein, dass sie mit verschiedensten Geometrien und Materialien problemlos zurechtkommen.

Ansys, einer der weltweit führenden Anbieter von technischen Simulationslösungen, bietet ein komplettes Paket von Radar- und Antennensimulationslösungen an, die darauf ausgelegt sind, Leistungen aus der realen Welt mit höchster Genauigkeit zu reproduzieren. Mit Hilfe der Ansys-Software lässt sich die Sensorleistung präzise vorhersagen – 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. Auch für andere Sensortechnologien wie zum Beispiel Ultraschall hat Ansys leistungsstarke Lösungen im Programm.

Optimierung der Halbleiterleistung

Mit der Ansys-Software lassen sich außerdem die Halbleiterbauelemente simulieren, die den Radarsystemen zugrunde liegen und die Signalverarbeitung unterstützen. Angesichts der Fülle von Elektronik in autonomen Fahrzeugen können Halbleiter erhebliche Leistungsprobleme verursachen. So können Leistungsverluste, elektrostatische Entladungen, elektromagnetische Störungen oder thermische/strukturelle Belastungen die Zuverlässigkeit eines Fahrzeugs negativ beeinflussen.

Beispielsweise führt ein Temperaturanstieg um 25 °C in der Regel zu einer drei- bis fünffach geringeren Lebensdauer eines elektronischen Geräts. Ansys-Lösungen wie RedHawk 3DIC oder PowerArtist können das Design integrierter Schaltungen optimieren. Sie unterstützen Ingenieure dabei, die Elektronikdichte zu regulieren und intelligente Kompromisse zwischen Produktgröße, Wärmeentwicklung und Gesamtleistung zu schließen.

Simulation sichert EMV und Leistung

Moderne Elektronik-Hardware übernimmt in autonomen Fahrzeugen Schlüsselfunktionen wie Kommunikation, Bild- und Datenerfassung, Systemsteuerung, künstliche Intelligenz oder Mobilität. Deshalb muss die Hardware ausreichend robust sein, um allen auftretenden elektrischen, thermischen und mechanischen Belastungen standzuhalten. Statt Hardware-Prototypen physikalischen Tests zu unterziehen, können Ingenieure auf Ansys-Tools wie Icepak, SIwave oder Mechanical zurückgreifen, um IC-Gehäuse, Boards, Gehäuse oder Systeme in einem virtuellen Designraum zu testen.

Die Simulationen liefern wichtige Einsichten bezüglich der Leistungsintegrität, des Energieverbrauchs, der elektrostatischen Entladung, der elektromagnetischen Verträglichkeit, der thermischen Leistung und der strukturellen Robustheit. Basierend auf den Analyseergebnissen können Ingenieure bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses Korrekturmaßnahmen ergreifen.

Sicherheitskritische Embedded-Software

Obwohl unsichtbar, sind Softwarealgorithmen die Grundlage für das sichere und zuverlässige Funktionieren eines autonomen Fahrzeugs. Jede wertebasierte Funktion – von der Signalverarbeitung bis hin zur Objekterkennung – muss einwandfrei funktionieren, damit das Fahrzeug überhaupt Daten sammeln und intelligente Entscheidungen treffen kann. Das bedeutet aber, dass der zugrunde liegende Softwarecode absolut fehlerfrei sein muss.

Um das Fehlerrisiko zu minimieren, bietet Ansys seine bewährte SCADE-Lösungsfamilie zur Softwareentwicklung und -verifikation an. Die numerische Modellierung und Kontrolle aller Codegenerierungsaktivitäten mit SCADE hilft Softwareentwicklern, die hohen Sicherheits- und Leistungsstandards der Industrie zu erfüllen. Zudem verbessern die SCADE-Lösungen die Zuverlässigkeit des Softwarecodes und reduzieren die Entwicklungszeit und -kosten im Vergleich zu manuellen Codeerzeugungsmethoden.

Unabhängig davon, wie umfassend ein Fahrzeug im Vorfeld getestet wird: Jedes elektronische System kann in der Praxis versagen. Bei autonomen Fahrzeugen können Ausfälle auf Systemebene jedoch katastrophale Folgen nach sich ziehen. Daher müssen Ingenieure ein Höchstmaß an Sicherheitsmechanismen in die Fahrzeuge integrieren, damit diese im Fall einer Störung angemessen reagieren können. Leider erweist sich die Analyse der funktionalen Sicherheit aufgrund der zahlreichen mechanischen Komponenten, der umfassenden Elektronik und der unterschiedlichen Hard- und Softwaresysteme als extrem schwierig.

Als Lösung für dieses Problem hat Ansys die Software Medini Analyze entwickelt. Damit lässt sich die Analyse der funktionalen Sicherheit nicht nur automatisieren, sondern nahtlos in die Produktentwicklung integrieren. Statt somit nur mit Vermutungen zu arbeiten, wie sich ein Fahrzeug bei einem späteren Funktionsausfall verhalten könnte, haben Ingenieure nun die Möglichkeit, potenzielle Ausfallmodi mit Hilfe einer auf Fakten basierenden Methode auszuwerten und nachhaltige daraus Antworten auf Systemebene zu entwickeln.

Der Wettlauf um das erste autonome Auto

Die wichtigste Frage ist mittlerweile nicht mehr, wie autonome Fahrzeuge unser Leben verändern werden, sondern welcher Hersteller sie als Erster anbieten wird. Beim Wettlauf um die Entwicklung von Lösungen für autonome Fahrzeuge spielt die Simulation eine zentrale Rolle.

Ansys bietet die einzige umfassende Simulationslösung zur Erprobung autonomer Fahrzeuge. Unabhängig davon, ob ein komplettes Fahrzeug oder lediglich eine einzelne Komponente entwickelt werden soll: Simulationen sind die passende Antwort auf die damit einhergehenden technischen Herausforderungen.

Bildergalerie

  • Moderne Simulationstools können maßgeblich zum Erfolg autonomer Fahrzeugprogramme beitragen.

    Bild: Ansys

  • Die SCADE-Lösungen von Ansys verbessern die Zuverlässigkeit des Softwarecodes und verschlanken den Entwicklungsprozess.

    Bild: Ansys

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel