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Mit Simulation auf dem Weg zum vollständig autonomen Fahren

| Autor / Redakteur: Scott Stanton / Juliana Pfeiffer

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

Das Rennen um vollständig autonom fahrende Autos ist bereits voll im Gange. Damit einhergehen entscheidende Veränderungen der technischen Komplexität und der anzuwendenden Sicherheitskriterien. Die zum Nachweis der Sicherheit erforderliche Fahrzeugerprobung über Milliarden von Kilometern ist jedoch extrem zeitintensiv und teuer. Die Simulation ist hier eine kostengünstigere Alternative zu den praktischen Fahrtests.

Die Anzahl autonomer Fahrzeuge steigt stetig – und zwar 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.

Closed-Loop-Simulation: wie „sieht“, „denkt“ und „handelt“ das Fahrzeug?

Schätzungen zu Folge sind 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 umfasst virtuelle Städte und Straßen. Ebenso Sensoren, die als „Augen und Ohren“ des Fahrzeugs agieren, sowie 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 und ausführt und wie es manövriert. Selbstverständlich 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.

Radar- und Antennensimulationslösungen reproduzieren Leistung in der realen Welt

Sensoren gehören nicht nur zu den kritischsten, sondern auch zu den komplexesten Komponenten eines autonomen Fahrzeugs, da sie große Mengen an Umgebungsdaten in Echtzeit erfassen, verarbeiten und mit Hilfe 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 Automobils montiert, wo ihr Abstrahlverhalten durch die Materialeigenschaften und die geometrische Konfiguration der Front verzerrt wird. Um zuverlässig in unterschiedlichsten Automodellen zu arbeiten, müssen die Radarsysteme daher 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.

Ansys bietet ein komplettes Paket von Radar- und Antennensimulationslösungen, die darauf ausgelegt sind, die Leistung in der realen Welt mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu reproduzieren. Durch den Einsatz der Ansys-Software können Elektroingenieure 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. Darüber bietet Ansys auch Lösungen für andere Sensortechnologien an, wie zum Beispiel Ultraschall, der nicht zuletzt bei der Einparkhilfe zum Einsatz kommt.

Simulation der Halbleiterbauelemente

Ansys ermöglicht zudem die Simulation der Halbleiterbauelemente, die den Radarsystemen zugrunde liegen und die Signalverarbeitung unterstützen. Halbleiter unterstützen einen großen Teil der Funktionen von autonomen Fahrzeugen, doch die Masse der benötigten Elektronik kann auch zur Ursache für erhebliche 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-Lösungen wie Ansys Red-Hawk 3DIC und Power Artist 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. So kann das Entwicklungsteam Fahrzeuge mit dem Wissen auf den Markt bringen, dass die Halbleiter in realen Betriebsumgebungen wie gefordert funktionieren.

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Zuverlässigkeit der Elektronikbauteile: Entwicklung von zuverlässiger Hardware

Moderne Elektronik-Hardware gehört zu den kritischsten Komponenten autonomer Fahrzeuge, da sie Schlüsselfunktionen wie Kommunikation, Bild- und Datenerfassung, Systemsteuerung, künstliche Intelligenz sowie Mobilität unterstützen. Deshalb muss die Hardware ausreichend robust sein, um elektrischen, thermischen, vibratorischen und mechanischen Belastungen zu widerstehen. Statt Hardware-Prototypen physikalischen Tests zu unterziehen, können Ingenieure diverse Ansys-Tools wie u.a. Icepak, SIwave und Mechanical zur Analyse von IC-Gehäusen, Boards, Gehäusen und Systemen in einem virtuellen Designraum verwenden.

Simulationen mit den Ansys-Tools erlauben wichtige Leistungsaspekte wie Leistungsintegrität, Energieverbrauch, elektrostatische Entladung, elektromagnetische Störungen und Verträglichkeit, thermische Leistung sowie strukturelle Robustheit aufzuzeigen. Auf der Basis der Analyseergebnisse können die Ingenieure dann bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses Korrekturmaßnahmen ergreifen, bevor die endgültigen Kosten festgelegt werden.

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Entwicklung sicherheitskritischer Embedded Software

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 seine bewährte Scade-Lösungsfamilie für die Softwareentwicklung und -verifikation an. Durch numerische Modellierung und Kontrolle aller Codegenerierungsaktivitäten sind Software-Entwickler mit Scade-Lösungen gut ausgerüstet, um die Sicherheitsstandards der Industrie und hohe Leistungsstandards zu erfüllen. Des Weiteren verbessern die Scade-Lösungen von Ansys die Zuverlässigkeit des Softwarecodes und ermöglichen eine signifikante Reduzierung der Entwicklungszeit und -kosten im Vergleich zu manuellen Methoden der Codegenerierung.

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Funktionale Sicherheit: Ein automatischer Ansatz

Unabhängig davon, wie umfassend im vorgeschalteten Engineering-Prozess getestet wird, kann jedes elektronische System in der Praxis versagen. Dies gilt leider auch für autonome Fahrzeuge, bei denen Ausfälle auf Systemebene katastrophale Folgen nach sich ziehen können. Daher müssen Ingenieure ein hohes Maß an Sicherheitsmechanismen integrieren, damit das gesamte System beim Ausfall einer Komponente angemessen reagieren kann. Jedoch stellt sich der Prozess zur Analyse der funktionalen Sicherheit aufgrund der Vielzahl an mechanischen Komponenten, umfassender Elektronik sowie zahlreichen Hard- und Softwaresystemen extrem komplex dar.

Als Lösung für dieses Problem bietet Ansys die Software „medini analyze“. Mit diesen Tools wird die Analyse der funktionalen Sicherheit nicht nur automatisiert, sondern nahtlos in die gesamte Produktentwicklung integriert. Statt nur mit Vermutungen zu arbeiten, wie sich ein Fahrzeug bei einem Funktionsausfall verhält, können Ingenieure potenzielle Ausfallmodi anhand einer faktenbasierten Methode auswerten und als Antwort darauf eine Systemebene entwickeln, welche die Auswirkungen des Ausfallmodus mildert und die Menschen schützt. (jup)

* Director of Engineering Solutions, Ansys

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