Vernetztes Automobil

Der Begriff des „vernetzten Autos“ wird zusehend stärker geprägt, und die Automobilindustrie ist mittlerweile Stammgast auf Messen wie der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas oder der Cebit in Hannover. Auffällig ist aber, dass mit dem Begriff ganz unterschiedliche Inhalte verbunden werden. Das reicht von klassischen Infotainment-Funktionen über Online-Software-Updates im Auto, neue Mobilitätskonzepte, Smart Grid und Car-to-X-Kommunikation.

Mit der geschickten Vernetzung von Airbag und ESP gelang es Bosch, ein Notbremssystem zu integrieren, mit dem verheerende Folgekollisionen nach Unfällen teils vermieden werden. Das Assistenzsystem Secondary Collision Mitigation (SCM) basiert auf der Sensorfusion, greift automatisch ein und bricht nicht ab, wenn die Datenübertragung durch den Erstaufprall gestört wird.

Die rasante Entwicklung verschiedenster neuer Sicherheitssysteme im Automobilbereich sowie der zunehmende Vernetzungsgrad dieser Systeme innerhalb des Fahrzeugs führen unweigerlich zu einer steigenden Testkomplexität. Im aktuellen Forschungsprojekt Visaps wird das bisher entwickelte Testsystem von der Hochschule Ingolstadt, IPG und Continental um einige Neuerungen erweitert und optimiert.

Verkehrsunfälle in einfachen Situationen kommen dank moderner Assistenzsysteme wie ACC, ESP und elektronischem Bremsassistent zunehmend seltener vor. Um auch die Anzahl komplexerer Unfälle an Kreuzungen oder bei Verdeckung und Nichteinsehbarkeit zu reduzieren, untersuchen KIT, Sick und Universität Passau zusammen mit anderen Partnern im Forschungsprojekt Ko-PER (Kooperative Perzeption) Ansätze, die auf einer besseren Auswertung und Verknüpfung von fahrzeuglokaler Umfelderfassung, Satellitennavigation, digitaler Onboard-Karte und Landmarkenerkennung basieren.

Im Rahmen des ersten europäischen Feldversuchs euroFOT wurde die Wirkung von acht verschiedenen Fahrerassistenzsystemen im öffentlichen Straßenverkehr untersucht. Neben der Umsetzung der kompletten Prozesskette zur Datenerhebung und -verarbeitung wurde am Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen University eine Wirkungsanalyse für die Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control, ACC) und die Abstandswarnung (Forward Collision Warning, FCW) an 100 Pkw durchgeführt. Die Ergebnisse der Wirkungsanalyse zeigen positive Effekte auf die Verkehrssicherheit und den Kraftstoffverbrauch.

Das Institut für Verkehrssystemtechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt hat im Rahmen eines Förderprojekts eine Fahrerassistenzfunktion entwickelt, die bei der Durchführung von Ein- und Ausfädelvorgängen unterstützt. Damit hilft das System, kritische Situationen und Unfälle zu vermeiden. Der Umfang der Unterstützung reicht dabei von einer Information und Warnung bis hin zu einer Automatisierung der Längsführung.

Die grundlegende Problematik jeglicher Sensorsignalverarbeitung im Bereich der Fahrerassistenzsysteme besteht in verschiedenen systeminhärenten Unsicherheiten: Zum einen unterliegen die Sensordaten selbst vielfältigen Störungen, zum anderen erfordern die meisten Assistenzsysteme eine Vorhersage der Verkehrssituation, woraus ebenfalls signifikante Unsicherheiten resultieren. An der TU Chemnitz wurde eine durchgehende Sensorsignalverarbeitungskette entwickelt, welche von den Sensordaten über das Umfeld- und Situationsmodell bis zur Bestimmung geeigneter Fahrmanöver Unsicherheiten mithilfe Bayes’scher Statistik beschreibt und in die Bestimmung des Ergebnisses mit einbezieht. Diese Entwicklung wurde 2011 mit dem Hermann-Appel-Preis in der Kategorie Elektronikentwicklung ausgezeichnet.

Aktive Sicherheitssysteme zur Kollisionsvermeidung können nur so gut sein wie die zur Verfügung stehenden Informationen über eine etwaig bevorstehende kritische Situation. Neben der fahrzeugeigenen Sensorik können dazu auch Geodaten herangezogen werden. Ein Forschungsprojekt an der RWTH Aachen will die Daten des europäischen Satellitensystems Galileo nutzen.

Prof. Dr. Ralf G. Herrtwich ist Leiter der Vorentwicklung von Fahrerassistenz- und Fahrwerksystemen bei der Daimler AG. Im Gespräch mit ATZelektronik nimmt er zu den anstehenden rechtlichen Maßnahmen Stellung, die den Weg zum vollautomatisierten Fahren ebnen müssen.

Der Austausch von Echtzeitinformationen über Verkehrs- und Straßenzustände, Informationen über Position und Bewegung von Verkehrsteilnehmern sowie kritische Verkehrssituationen vermittelt einzelnen Fahrzeugen ein detailliertes Bild von ihrer Umgebung über den Sichthorizont hinaus. Dies ermöglicht die Verbesserung der Verkehrssicherheit durch eine wesentlich präzisere und schnellere Unterstützung des Fahrers und kann dank Informationen über Verkehrsdichte und -ströme die Verkehrseffizienz erhöhen. Mit diesem Beitrag will das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zeigen, wie zukünftige Car-2-X-Kommunikation im Fahrzeug umzusetzen und in der E/E-Architektur und internen Kommunikation des Fahrzeugs zu verankern ist.

Solange die Ladesäulen-Infrastruktur für Elektrofahrzeuge nicht repräsentativ aufgebaut ist, scheitert Elektromobilität: Diese öffentliche Meinung verfestigt sich seit Jahrzehnten. Ein Irrtum, denn mit intelligenter Lade- und Kommunikationstechnik an Bord eines jeden E-Autos lässt sich der künstlich konstruierte Engpass unkonventionell, preiswert und mit der gewünschten Breitenwirkung lösen. Wie dies im Auto standardisiert, sicher und anwendbar funktionieren kann, stellt Ubitricity mit Partnerfirmen vor, allen voran Gigatronik und Vector sowie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt.

Energieeffizienz wird heute auch von vernetzten Steuergeräten gefordert, die wegen ihrer bereits geringen Stromaufnahme bisher nicht im Fokus der Entwicklungen standen. Insbesondere im Fahrbetrieb gilt es, den Stromverbrauch immer dann zu reduzieren, wenn keine Funktionen ausgeführt werden. Neueste Techniken zeigen deutliche Stromsparpotenziale auf, sind aber überwiegend in neuen Fahrzeugplattformen effektiv nutzbar. Deswegen entwickelte VW mit Zulieferern und Partnern das Pretended Networking.

Die Zukunft der Elektromobilität wird derzeit an vielen Fronten entschieden. Doch neben der eingeschränkten Reichweite und den hohen Kosten bereitet den Entwicklern vor allem die IT-Sicherheit einer künftigen Infrastruktur große Sorgen. Die Gefahr eines Missbrauchs an einzelnen Fahrzeugen bis hin zu Systemausfällen der verbundenen Infrastruktur soll deshalb das neu gegründete Konsortium „Secure eMobility“ minimieren.

Texas Instruments nutzt die Electronica, um neue Innovationen erstmals dem Publikum zu präsentieren. Der US-amerikanische Halbleiterhersteller verriet ATZelektronik bereits im Vorfeld der Messe die technischen Hintergründe eines neuen Cockpit-Konzepts. Hinter einer gekrümmten Scheibe bereitet eine SoC-(System-on-Chip)-Plattform alle Daten grafisch auf, die ein DLP-Chip dann an die Rückseite projiziert – schärfer und effizienter als bei herkömmlichen Systemen. Dank der OMAP-Architektur lassen sich auf der Plattform aktuelle Techniktrends aus der Konsumelektronik schneller integrieren.

Die mobile Informationstechnik wird das Wesen eines Automobils in vielen Bereichen grundlegend bestimmen. Eine Chance für die Hersteller. Doch zuvor muss es den Entwicklern gelingen, Systeme der Unterhaltungselektronik sicher ins Fahrzeug zu integrieren. Dabei dreht sich alles um die Konnektivität und um die Frage, wie die Komplexität zu beherrschen ist. Neue Programmiermethoden und System-on-Chip-Halbleiter mit integrierter Verschlüsselungsfunktion sollen die Entwicklung erleichtern.

Als einziger deutscher Automobilhersteller ist Daimler nicht der Allianz für Softwarestandardisierung Genivi beigetreten. Auch im Bereich Konnektivität, der Anbindung von Endgeräten und moderner Unterhaltungselektronik, bindet der OEM das Know-how im Unternehmen, anstatt sich abhängig zu machen oder Firmen zu gründen. Im Interview mit ATZelektronik spricht der Leiter Vorentwicklung Telematik und Infotainment, Ralf Lamberti, über seine Strategie und den ständigen Lernprozess in der neuen Welt der vernetzten Fahrzeuge.

Die Gesamtsystemsicherheit eines Fahrzeugs gelingt nur durch die zuverlässige Absicherung aller involvierten Steuergeräte, der ausführenden Aktuatoren und ihrer Kommunikation. Escrypt beschreibt die Anwendung und Umsetzung moderner Kryptographie zum Schutz von Steuergeräten im Automobil, um unerlaubte Eingriffe, unerlaubte Kopien oder Fälschungen zu verhindern.

Die zunehmende technische Weiterentwicklung und Verbreitung von Fahrerassistenzsystemen rückt die Betrachtung des Entwurfsprozesses derartiger Systeme in den Mittelpunkt. Baselabs stellt eine software-gestützte Methodik vor, die einen schnelleren und effizienteren Entwurf von Softwarekomponenten für die zuverlässige Erkennung des Fahrzeugumfelds ermöglicht. Die vorgeschlagene Methodik wird anhand eines exemplarischen Tracking-Systems analysiert.

Neue Fahrerassistenzsysteme stellen immer höhere Ansprüche an die Rechenleistung, Funktionalität und den Preis der im Steuergerät eingesetzten Bauteile. Nachdem diese Anforderungen in der Regel nicht durch kommerziell verfügbare Standardprodukte zu erfüllen sind, stellt Fujitsu einen kostenoptimierten Prozess zur kundenspezifischen Chipentwicklung bereit.

Die Technologie des Windschutzscheiben-Head-up-Displays hat inzwischen ein hohes Maß an Standardisierung erreicht. Auf dieser Erfahrungsbasis bereitet Continental aktuell die nächste Evolutionsstufe der ergonomisch günstigen Mensch-Maschine-Schnittstelle vor: Mit der kontaktanalogen Einspiegelung von Hinweisen in die reale Außenansicht des Fahrers lassen sich Fahrerassistenzsysteme in Zukunft noch besser unterstützen.

Porsche hat ein Fahrerassistenzsystem entwickelt, das die Umsetzung intelligenter Fahrstrategien erleichtert. InnoDrive kennt die technischen Eigenschaften des Fahrzeugs genau und integriert alle verfügbaren Informationen über die vorausliegende Fahrstrecke. Das System erzielt so bei mindestens gleicher Durchschnittsgeschwindigkeit Verbrauchsersparnisse von durchschnittlich 10 %.

Der CAN-Teilnetzbetrieb ermöglicht die Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme von Steuergeräten sowohl im Fahrbetrieb als auch in den Standphasen eines Fahrzeugs. Audi arbeitet in Kooperation mit anderen OEMs und Halbleiterherstellern an der Entwicklung und Standardisierung dieser Technologie. Der Teilnetzbetrieb ist zukünftig ein fester Bestandteil im Technologiebaukasten Vernetzung des Volkswagen-Konzerns. Eine Serieneinführung ist für 2014 geplant. Der Beitrag von Audi beschreibt die Entwicklung, mögliche Anwendungsfälle und die Absicherung des Teilnetzbetriebs. Ergänzend wird das Vorgehen zur Standardisierung in den OEM-übergreifenden Gremien Switch, Autosar und ISO dargestellt.

Kamerabasierte Fahrerassistenzsysteme funktionieren nur dann exakt und zuverlässig, wenn die Kamera-Orientierungen zum Fahrzeug präzise bekannt sind. Die werksseitige Kalibierung gerät im Laufe der Nutzung eines Fahrzeugs „aus dem Lot“. Beim Manövrieren, beispielsweise mithilfe eines Top-View-Systems, führt das zu störenden Fehlern in der Darstellung. Es muss nachjustiert werden. Die meisten bekannten Systeme für die Online-Kalibrierung verwenden die Fahrbahnmarkierungen als natürliche Informationsquelle, was mit erheblichen Einschränkungen in der Verfügbarkeit, der Konvergenzzeit und der Kameralage verbunden ist. ESG hat eine prototypische Lösung parat – und verrät Details einer neuartigen Online-Kalibrierung, die der Entwicklungsdienstleister derzeit einigen OEMs vorstellt.

Gemeinsam mit Intel entwickelt ZF Friedrichshafen eine offene Plattform, mit der eine Vielzahl verschiedener Telematik-Dienste in ein Fahrzeug integriert werden können. Unter der Verantwortung der Firma Openmatics soll das Telematiksystem in Zukunft auch im Automobil eingesetzt werden. Dieses nutzt eine Linux-basierte Softwareplattform. Damit können auch Drittanbieter eigene Apps auf der Plattform integrieren.

Die Fusion von GPS-Signalen und Fahrdynamikdaten ermöglicht eine spurgenaue Positionsbestimmung. Da diese Sensorfusion sicherheitsrelevant sein kann, sollte die Funktion und Robustheit aller darauf beruhenden Systeme möglichst früh prüfbar sein. IPG Automotive hat ein sogenanntes „Space“-Segment mit virtuellen GPS-Satelliten für die Fahrdynamiksimulation CarMaker entwickelt. Integrierte Fehlermodelle bilden GPS- und Sensorschwächen nach, um realitätsnahe virtuelle Fahrversuche zu ermöglichen.

Die Reichweite von Elektroautos variiert sehr stark in Abhängigkeit von den äußeren Einflüssen. Um eine exakte Vorhersage während der Fahrt zu geben, hat All4IP Technologies eine spezielle Software entwickelt, die unter anderem auch auf den CAN-Bus zugreift. Die App, programmiert für iOS- und Android-Betriebssysteme, berücksichtigt auch die Geländetopologie.

Für die Nutzfahrzeughersteller existiert beim Aufbau und der Gestaltung der Human Machine Interfaces sowie bei der E/E-Architektur erheblicher Überarbeitungsbedarf. Das macht sich bei den im Fokus des HMI stehenden Systemen – Kombiinstrument, Infotainmentsystem und Flottenmanagement – bemerkbar. Hinzu kommt, dass bildgebende Fahrerassistenzsysteme oder die Nutzerschnittstellen von Spezialaufbauten in das bisherige Konzept nicht integrierbar sind. Zudem besteht die Gefahr, dass die auf mehrere Anzeigeelemente verteilte Informationsflut zur Ablenkung des Fahrers führt. Verbesserungsvorschläge kommen von Fujitsu.

Fahrzeugseitiger Internetzugriff und Satellitenfernsehen kann für mobile Nutzer, zum Beispiel in Autos, Schiffen und Flugzeugen, nur sichergestellt werden, wenn eine stabile Verbindung zum Satelliten besteht. Es besteht ein hoher Bedarf nach kostengünstigen, kompakten, flachen und schwenkbaren Antennen, die nahtlos in mobile Endgeräte integriert werden können. Eine an der TU Darmstadt entwickelte, elektronisch abstimmbare phasengesteuerte Gruppenantenne, die ähnlich wie Flüssigkristallbildschirme (LCDs) hergestellt wird, zeigt, dass die genannten Forderungen durch Anwendung von kostengünstigen und bekannten Flüssigkristalltechnologien erfüllt werden können.

Würden beispielsweise besonders gefährdete Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger oder Radfahrer einen Transponder tragen, der in einem Smartphone integriert sein kann, könnten sie geortet werden. Ein vernetztes Fahrerassistenzsystem könnte die Bewegungsabläufe registrieren, eine mögliche Kollision voraussehen und präventiv informieren, bremsen oder ausweichen. Im Forschungsprojekt Ko-TAG (Kooperative Transponder) im Rahmen der Forschungsinitiative Ko-FAS (Kooperative Fahrzeugsicherheit) werden neue Sensortechniken entwickelt. BMW, als Projektleiter, erklärt die kooperative Sensortechnik sowie die Steuerungs- und Regelungstechnik dieses präventiven Sicherheitssystems.

Einer der Kernbestandteile von Fahrerassistenzsystemen ist die genaue und echtzeitfähige Abbildung der Fahrzeugumgebung, das sogenannte Umfeldmodell. Es dient als Datenbasis für die Algorithmen zur Situationsanalyse und Regelung. Hier gilt es, die enormen Datenmengen in den Griff zu bekommen und Standardschnittstellen zu schaffen. Continental zeigt Lösungen auf.

Im Hinblick auf einen automatisierten Verkehr werden Fahrerassistenzsysteme in Zukunft immer stärker in die Fahrzeugführung eingreifen. Derartige Systeme stützen sich vor allem auf die Umfeldwahrnehmung und insbesondere auf die Kenntnis der eigenen Fahrzeugposition. Hierbei entsteht der Bedarf, die spezifizierte Messqualität der Ortungssysteme zu verifizieren. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der TU Braunschweig und Audi wurden strukturelle und parametrische Anforderungen an ein Referenzsystem kategorisiert, aus dem sich für den jeweils betrachteten Anwendungsfall konkrete Anforderungen ableiten lassen.

Der hohe Testaufwand bei der Entwicklung von eHorizon-Anwendungen für Fahrerassistenzsysteme erfordert eine effiziente Entwicklungsplattform, mit der die einzelnen Softwarekomponenten von der Konzept- bis zur Serienentwicklung erprobt werden können. Zudem sollten die Ingenieure so weit wie möglich auf bereits bewährte fertige Software-Bausteine zurückgreifen können, um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen. Elektrobit ist in der Lage, sowohl eine komplette Entwicklungsumgebung mit Provider und „Reconstructor“ für OEMs und Tier-1-Zulieferer anzubieten als auch serienreife Target-Module für verschiedene Steuergeräte zu liefern.

Fahrzeughersteller und Verkäufer von speziell auf Automobile konfigurierten elektronischen Endgeräte sind der zunehmenden Konkurrenz durch andere Elektronikunternehmen ausgesetzt. Vor allem die hohe Dynamik der technischen Entwicklungen und die Frage nach passenden Geschäftsmodellen sind neue Herausforderungen für die Automobilbranche mit ihren langwierigen Entwicklungsprozessen. Der Einsatz Browser-basierter und plattformübergreifender Web-Techniken bieten hier einen vielversprechenden Weg, wie das Fraunhofer-Institut für offene Kommunikationssysteme, kurz Fraunhofer Fokus, herleitet.