Einsatz von Fly-by-Wire- Technologie zum Aufbau eines X-by-Wire HGV- Demonstrators

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1 Einsatz von Fly-by-Wire- Technologie zum Aufbau eines X-by-Wire HGV- Demonstrators München, Michael Armbruster Klaus Bäuerle Prof. Dr.-Ing. R. Reichel Dr. Spiegelberg Dr. Maisch Aktive Sicherheit durch Fahrassistenz Herausforderungen der Avionik 2 Einführung/Systemüberblick PEIT 3 Software-Struktur 4 Test 5 Ausblick 2

2 1 Herausforderungen der Avionik 2 Einführung/Systemüberblick PEIT 3 Software-Struktur 4 Test 5 Ausblick 3 Der Weg zu By-Wire-Technik in der Luftfahrt Kontinuierlicher Drang nach Effizienzverbesserung Erhöhung der Sicherheit Schrittweise Elektronifizierung ABER Elektronik selbst genügte den ureigentlichen Sicherheitsbestimmungen nicht und konnte bei Fehlverhalten überdrückt werden, der Pilot konnte mit dem mechanischen Backup die Mission beenden. 4

3 Warum Fly-By-Wire ohne mechanisches Backup? Ständig steigende Anforderungen Nach Realisierung von systemübergreifenden Funktionen wie z.b. automatische Flugbereichsbegrenzung, automatische Belastungsbegrenzung u.a. Nach Gewichtsreduktion Nach Reduktion des Wartungsaufwands Nach Reduktion des Pilotentrainings und Nach Erhöhung der operationellen Verfügbarkeit von Flugzeugen Weg von lose kommunizierenden Einzelsystemen hin zu einem hochintegrierten zentralen Steuersystem mit einem hochsicheren Zentralrechner mit Zugang zu allen Sensoren und Stellmotoren der Flugsteuerung. 5 HERAUSFORDERUNG DER AVIONIK VON HEUTE Gesamtsystem besteht aus mehr als 180 Einzelsystemen Avionik besteht aus mehr als 200 Computern/Controllern Subsysteme sind funktionell eng verzahnt Subsysteme werden von mehr als 90 Suppliern geliefert Avionik übernimmt absolut sicherheitskritische Aufgaben Redundante Fly-By-Wire-Systeme PARADOXON JE KOMPLEXER DIE AVIONIK UMSO SICHERER SOLL SIE FUNKTIONIEREN 6

4 Komponenten der By-Wire-Technik HW Redundante HW-Architektur, trotz Fehler im System ist weiterhin die Sicherheit und Funktionalität gegeben z.b. Start trotz Fehler, Wartungsaktionen nur zu planbaren Zeitpunkten (z.b. alle 400h) Sensorik und Aktuatorik Zur Verbesserung der Verfügbarkeit wird der Elektronikanteil der Stellmotoren bzw. Sensoren auf ein Minimum reduziert. Einzelkomponenten werden so zuverlässiger. SW Redundanzmanagementsoftware fester Bestandteil des Zentralrechners zur Bewertung des Systemzustands und Steuerung der Systemfunktionalität in Abhängigkeit der Systemverfügbarkeit. 7 MERKMALE EINES ZENTRALEN SICHERHEITSKRITISCHEN STEUERUNGSSYSTEMS AM ILS Modularer Aufbau Systemsteuerung in Abhängigkeit der Systemverfügbarkeit Im fehlerfreien Zustand werden alle Ressourcen genutzt (Applikationen für absolut sicherheitskritische Funktionen als auch weniger wichtige werden ausgeführt) Im Fehlerfall werden die Ressourcen neu verteilt Sicherheitskritische Funktionen bleiben erhalten Weniger sicherheitskritische Funktionen werden abgebrochen Erkennen von Designfehlern durch dissimilaren Aufbau System-Recover-Mechanismen bei power-interrupts 8

5 Systemvergleich Flight-Control/ Powertrain- System Control- FLIGHT MANAGEMENT Autopilot FLIGHT MANAGEMENT Referenz Flugstrecke Optimierte Flugstrecke FLIGHT GUIDANCE HEADING, TRACKING AUTOLAND VEHICLE MANAGEMENT Autopilot ROUTE MANAGEMENT Start-/Ziel Streckenplanung und Optimierung VEHICLE GUIDANCE Hinderniserkennung Prädiktive Fahrzeugstabilisierung FBWC PILOT CONTROL (WISH VECTOR) Vertikale Beschleunigung Rollrate PTC DRIVER CONTROL (WISH VECTOR) Orientierung Geschwindigkeit Sensor Sensor DCAG 9 Umsetzung und Restriktionen in PEIT Zentrales redundantes Steuerungssystem mit fail-op/failpassive Character Verwendung von Serienkomponenten Aufbau eines redundanten CAN-Kommunikationsnetzwerks mit niedriger Auslastung Ebenensichtweise der Fahrzeugfunktionen Vorgabeebene Koordinationsebene Ausführungsebene zur späteren Standardisierung der Interfaces zwischen Steuerungssystem und Vorgabeebene bzw. Steuerungssystem und Mechatronikebene Untergliederung der SW in Redundanzmanagement und Applikationen, so dass für diese der redundante Systemaufbau nicht sichtbar ist. 10

6 1 Herausforderungen der Avionik 2 Einführung/Systemüberblick PEIT 3 Software-Struktur 4 Test 5 Ausblick 11 Warum X-By-Wire? Wirtschaftlichkeit Gewichtsersparnis, Verringerung der Werkstattzeiten, langfristig günstigere Produktionskosten als bei vergleichbaren mechanischen Systemen, geringere Direct-Operating-Costs, Erhöhung der operationellen Verfügbarkeit (z.b. Fahrzeugstart und Steuerung auch im Fehlerfalle möglich, Werkstattaufenthalte nur zu bestimmten fest planbaren Zeitpunkten, ) Aktive und passive Sicherheit Horizontal vernetzte Systeme, elektronische Steuerung der Aktuatorik, Verringerung der Reaktionszeiten, elektronische Hinderniserkennung, prädiktive Korrektur des Fahrerwunsches auf Basis des Fahrzeugzustands und der Umgebunssituation Umweltverträglichkeit Gewichtsersparnis und dadurch geringeren Kraftstoffverbrauch, All-Electric- Car ohne Hydrauliksysteme Performance Packaging, horizontal vernetzte Systeme 12

7 Ziel Kommandoebene (Fahrerwunsch, Umwelterkennung) Koordinationsebene (Bestimmung eines Bewegungsvektors unter Berücksichtigung von Fahrzeugzustand, Fahrerwunsch und Fahrzeugumgebung) Mechatronische Ebene (Umsetzung des ZielBewegungsvektors) DaimlerChrysler BOSCH 13 Systemprinzip ESP-Sensors EnergyManagement Man-MachineInterface Powertrain Brake-By-Wire Steer-By-Wire 14

8 Systemüberblick, Ebenenstruktur und Kommunikationspfade 15 Discrets Direkt am PTC eingelesene diskrete Klemmensignale Klemme 15 in/out Klemme 15R in/out Klemme 61 in/out Klemme 50 in/out Klemme 15 für PPACK 16

9 1 Herausforderungen der Avionik 2 Einführung/Systemüberblick PEIT 3 Software-Struktur 4 Test 5 Ausblick 17 SW-Struktur 18

10 Control-laws des PTC 19 Applications Application or control-definition ESP III FCE (friction-coefficient-estimator) Energy-Management Standardized friction coefficient delivered by Uni Budapest Uni Budapest iqbattery Uni-Karlsuhe 20

11 1 Herausforderungen der Avionik 2 Einführung/Systemüberblick PEIT 3 Software-Struktur 4 Test 5 Ausblick 21 Stimulation der CAN-Interfaces 22

12 System-Test/Verifikation PC mit SW-Tool zur CAN-Stimulation CAN-Devices für PC Simulation externer units Externe Fehlerstimulation Spy-Mechanismus timing-requirements: TX von CAN-Messages alle 10ms Für Debug-CAN: 16 Messages innerhalb max.233ms SW-Integration::CAN Stimulations-SW Hauptfenster zur Aggregateauswahl 2) Message-Anwahl 3) Stimulationsfunktions-Auswahl 4) Beispieldaten 24

13 SW-Integration::Der SPY-Mechanismus Systemfehler können meist nur intern stimuliert werden (z.b. Simulation einer leichten Asynchronität zwischen Lanes, Dateninkonsistenz, ) Funktionalität Trace Data Duration Trigger Cycle-Number Manipulate Data Parameters are the same than those of tracemechanism Manipulate PTC SW-State Restart Stop Continue Force state 25 1 Herausforderungen der Avionik 2 Einführung/Systemüberblick PEIT 3 Software-Struktur 4 Test 5 Ausblick 26

14 Ausblick zukünftige Aktivitäten Erweiterung des Fahrer-Bewegungsvektors durch einen Assistenz-Bewegungsvektor aus umfelderkennenden Systemen (Radar, Kamera, ) Vereinfachung des Kommunikationssystems durch Verwendung von Bussystemen wie z.b. Flexray. Zulassung des sicherheitskritischen Steuerungssystems und der Redundanzmanagementsoftware Erweiterung der Applikationen Standardisierung der Interfaces zum zentralen Steuerungssystem 27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 28

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