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2023 | Buch

Architektur zur entwicklungsbegleitenden Modellierung und Simulation von Umfeldsensoren in Hybriden Testbeds

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Über dieses Buch

Umfeldsensoren wie Kamera und Lidar sind Schlüsseltechnologien für hochautomatisierte Systeme. Sie ermöglichen das automatisierte Fahren des Automobils, rekonfigurierbare Roboterzellen der Industrie und unbemannte Raumfahrzeuge zur Erforschung weit entfernter Planeten. Allerdings umfasst die Interaktion zwischen Sensor und Umfeld vielzählige Einflussfaktoren, die die Entwicklung und Absicherung dieser Systeme erschweren. Jörn Thieling stellt eine Architektur vor, die den Entwicklungsprozess durch realitätsnahe physikalische Simulationen begleitet, dabei sensor-, hersteller- und anwendungsübergreifend skaliert und zugleich von parallelen Prozessoren profitiert. Die mit dieser Architektur realisierten Hybriden Testbeds kombinieren je nach Bedarf oder Verfügbarkeit simulierte und reale Komponenten und ermöglichen so eine kontinuierliche Erprobung des entstehenden Gesamtsystems entlang seines vollständigen Entwicklungsprozesses – begonnen mit rein virtuellen Prototypen (den Digitalen Zwillingen) über teils virtuelle und teils reale Prototypen (den Hybriden Zwillingen) bis zur Fertigstellung des finalen realen Systems (dem Realen Zwilling).

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Die fortschreitende Digitalisierung und Automatisierung in unterschiedlichsten Bereichen führt zu Systemen, die eine zunehmende Anzahl menschlicher Aufgaben übernehmen. Hierzu gehört nicht nur das Ausführen bestimmter Handlungen, sondern auch die Wahrnehmung, Interpretation und Interaktion in einem dynamischen Einsatzumfeld. Eine der wohl prominentesten Anwendungen ist das automatisierte Fahren.
Jörn Thieling
Kapitel 2. Stand der Technik
Zusammenfassung
Eine Analyse des Standes der Technik liefert vielzählige Arbeiten, die die einleitend vorgestellten Problemstellungen adressieren und auf unterschiedliche Weise zu einer simulationsbasierten (d. h. virtuellen) Validierung [7] und Integration [8] von Umfeldsensoren (und der auf diesen basierenden Gesamtsystemen) beitragen. Um diese zunächst unstrukturierte Vielzahl an Arbeiten sinnvoll aus- und bewerten zu können, wurde eine geeignete Taxonomie eingeführt. Diese strukturiert die recherchierten Ansätze zunächst in die drei Oberklassen: Sensormodelle, Simulationsverfahren und XiL-Methoden, welche entsprechend in den folgenden Unterkapiteln näher beleuchtet werden.
Jörn Thieling
Kapitel 3. Zielsetzung
Zusammenfassung
Die Zielsetzung dieser Arbeit wird durch das folgende Fazit zum Stand der Technik motiviert (Kapitel 3.1) und in Form eines übergeordneten Konzepts mit dem Titel „Hybride Testbeds (HTBs)“ zusammengefasst (Kapitel 3.2).
Jörn Thieling
Kapitel 4. Grundlagen
Zusammenfassung
Die folgenden Kapitel behandeln die für diese Arbeit relevanten Grundlagen – begonnen mit den physikalischen Grundlagen der verschiedenen Sensortechnologien (Kapitel 4.1), gefolgt von den Grundlagen zu deren Modellierung am Beispiel einer raytracingbasierten Beleuchtungssimulation (Kapitel 4.2) sowie den passenden Implementationsgrundlagen zum GPU-basierten Echtzeit-Raytracing (Kapitel 4.3).
Jörn Thieling
Kapitel 5. Architektur zur Modellierung und Simulation von Umfeldsensoren
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die in dieser Arbeit entwickelte Architektur zur entwicklungsbegleitenden Modellierung und Simulation von Umfeldsensoren vorgestellt. Ziel dieser ist, eine flexible Modellierung und effiziente Simulation multimodaler Umfeldsensoren zu realisieren und dazu die unterschiedlichen Sensortypen und Simulationen zu generalisieren, sodass der Entwicklungsprozess anwendungs- und bereichsübergreifend von dieser Architektur profitiert (vgl. F1 und F2 aus Kapitel 3.2).
Jörn Thieling
Kapitel 6. Integration in den Entwicklungsprozess
Zusammenfassung
Während das vorangegangene Kapitel 5 das „Rüstzeug“ zur ganzheitlichen (d. h. in das Gesamtsystem integrierten) Simulation von Umfeldsensoren in der dazu entwickelten Architektur liefert, präsentiert dieses Kapitel die Integration dieser Architektur und Simulation in den Entwicklungsprozess. Ziel hierbei ist, (anwendungsübergreifend) den entwicklungsbegleitenden Einsatz von HTBs zu garantieren, indem sie nahtlose Transitionen zwischen Simulation und Realität – also zwischen Digitalem und Realen Zwilling – realisiert (vgl. F2 und F3 aus Kapitel 3.2).
Jörn Thieling
Kapitel 7. Echtzeitfähige Implementierung der Architektur
Zusammenfassung
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden alle zuvor behandelten Teile der Architektur in den Programmiersprachen C++ und CUDA implementiert und für eine flexible Nutzung in die 3D-Simulationsplattform VEROSIM integriert. Dementsprechend wurden auch alle im Architektur-Kapitel abgebildeten Ergebnisse der physikalischen Sensorsimulation mit dem hierzu implementierten Framework und den darauf aufgebauten Referenzimplementierungen zur generalisierten Kamera- und Lidar-Simulation generiert. Ziel der im Folgenden vorgestellten Softwaremodule ist, die zuvor vorgestellte Architektur inklusive aller behandelten Modelle und Methoden zu implementieren und dafür den zur Simulation notwendigen Rechenaufwand bestmöglich über alle verfügbaren Prozessoren zu parallelisieren (vgl. F4 aus Kapitel 3.2).
Jörn Thieling
Kapitel 8. Anwendung und Evaluation der Architektur
Zusammenfassung
Um die in dieser Arbeit entwickelte Architektur und die mit ihr realisierten HTBs zu evaluieren, wurden die zuvor vorgestellten Referenzimplementierungen im Entwicklungsprozess u. a. von zwei Industriepartnern (aus den Bereichen Raumfahrt und Automobil) eingesetzt und evaluiert. Konkret wurde die Entwicklung und Integration verschiedener Kamera- und Lidar-Sensoren auf Basis der hier vorgestellten HTBs begleitet, mit dem Ziel, den durch die HTBs geschaffenen Mehrwert zur Lösung der in Kapitel 1.1 eingeleiteten Problemstellungen zu evaluieren (P1 bis P3).
Jörn Thieling
Kapitel 9. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
Abschließend liefern die folgenden Kapitel eine Zusammenfassung der wesentlichen Ansätze und Ergebnisse dieser Arbeit (Kapitel 9.1) sowie einen Ausblick zukünftiger Forschungsschwerpunkte in diesem Bereich (Kapitel 9.2).
Jörn Thieling
Backmatter
Metadaten
Titel
Architektur zur entwicklungsbegleitenden Modellierung und Simulation von Umfeldsensoren in Hybriden Testbeds
verfasst von
Jörn Thieling
Copyright-Jahr
2023
Electronic ISBN
978-3-658-41822-9
Print ISBN
978-3-658-41821-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-41822-9