Hardware-in-the-Loop-Test von GPS-basierten Fahrzeugfunktionen

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1 Hardware-in-the-Loop-Test von GPS-basierten Fahrzeugfunktionen B. Eng. Benjamin Hahn, TH Ingolstadt Dipl.- Ing. (FH) Stefan Geneder, TH Ingolstadt Dr. Felix Pfister, AVL List, Graz Dr. Chrisitan Wilhelm, AUDI AG, Ingolstadt

2 Agenda 1. GPS Überblick 2. Navigationsbasierte FAS 1. Übersicht 2. Beispiele 3. Testen von GPS basierten Systemen 1. Stand der Technik 2. Real Life Testing 3. NI GPS Toolkit 4. Umsetzung Navigation in the Loop 4. Ausblick 2

3 GPS Überblick GPS Navigationssystem 24 Satelliten senden Signale im L1 und L2 Frequenzband Datenrate von 50 Bit/s und Rahmenperiode von 30s Übertragung mittels Bandspreizverfahren L1-Frequenz übertragt C/A-Code für zivile Nutzung und orthogonal dazu P/Y-Code für die militärische Nutzung L2-Frequenz übertragt ausschließlich P/Y-Code 3

4 GPS Überblick Funktion Satelliten teilen über Funk ihre genaue Position und Uhrzeit mit Zur Positionsbestimmung muss ein Empfänger die Signale von drei Satelliten empfangen Im Receiver werden die Signallaufzeiten ermittelt und daraus die aktuelle Position errechnet Für Korrektur des Empfängeruhrenfehlers muss das Signal eines vierten Satelliten vorhanden sein 7-9 echte Satelliten sichtbar von einem Punkt auf der Erde 4

5 Ausrüstungsgrad Navigationssysteme Quelle: Insitut für Demoskopie Allensbach 5

6 Fahrerassistenzfunktionen - Überblick Geschwindigkeits- /Kurvenwarnassistent Autonomes Fahren Spurwechselassistent Collision Warning and Avoidance Intelligentes Thermomanagement Vorausschauende Fahrstrategie Powertrain Management Optimierung der Betriebsstrategie durch Kenntnis des zu erwartenden Energiebedarfs/Rekuperationspotentials Vorausschauende Anpassung der Automatik - Schaltstrategie 6

7 FAS Beispiel Audi A6 Navigationsbasierte FAS im aktuellen Audi A6 Tempolimit-Anzeige Navigationsunterstütztes Abstandsregelsystem Intelligente Schaltstrategie: Getriebesteuerung des Automatikgetriebes erhält Informationen über die zu erwartenden Geschwindigkeit Vermeiden von ineffizientes Schalten vor Kurven oder vor Abschnitten mit konstanten Geschwindigkeiten Adaptives Lichtsystem Quelle: Audi Quelle: Audi Quelle: Audi Quelle: Audi 7

8 FAS - Beispiel Adaptive Frontlighting Systems Karten, GPS, Lenkwinkel- und Beschleunigungssensoren sowie Umgebungserfassungssensoren liefern Umgebungsinformationen Nutzung der Informationen zur optimalen Ausleuchtung der Fahrbahn Anpassung an Verkehrsart (Rechts- / Linkslenker) Adaption auf aktuelle befahrene Straße und Höchstgeschwindigkeit Reaktion auf Senken / Kuppen Ausleuchten von Kurven und Kreuzungen Kreuzungslicht Stadtlicht Landstraßenlicht Autobahn 8

9 ADAS - Today Powertrainmanagement Betriebsstrategie für Hybridfahrzeuge Senkung des Ladezustandes der Batterie vor Streckenabschnitten mit Gefälle Maximale Rekuperation Anheben des Ladezustandes für Bereiche mit niedriger Geschwindigkeit Großer Abschnitt mit reinem elektrischen Fahren Quelle: BMW Einsparpotential bis 4% bei Gefällefahrten, sowie bis 8% bei Staufahrten Quelle: BMW 9

10 FAS - Beispiel Porsche ACC InnoDrive Vorausschauende Längsdynamikregelung Erweiterung eines Abstandsregeltempomaten mit topgraphischen Informationen, wie Geschwindigkeitsbeschränkungen, Fahrbahnsteigungen und Kurvenradien Energieeinsparung von ca. 10% Vehicle Model Digital Maps Drivers Request Distance Radar Vehicle Sensors Camera Numerical Optimization Quelle: Porsche Velocity Gear Clutch torque Braking deceletarti on Average velocity Fuel consumpti on 10

11 FAS Beispiel VW Temporary Auto Pilot Längs- und Querführung des Fahrzeugs auf Autobahnen von 0 bis 130 km/h Hält sicheren Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug Stellt Wunschgeschwindigkeit ein Verzögerung bei stark bremsenden vorausfahrenden Fahrzeuge Reagiert der Fahrer nicht auf eine Übernahmeaufforderung, erfolgt eine Warnung, dann ein automatischer Nothalt, ggf. mit Fahrstreifenwechsel Quelle: VW Umfeldsensorik Radar Kamera Ultraschall Laser Karte Umfeldmodell Objektmodell (Hindernisse) Belegungsmodell (Freibereiche) Fahrbahnmodell (Weg) Situationsverständnis Cut-in-Prädiktion 11

12 WIE KANN DIE FUNKTION UND DIE EFFIZIENZ SOLCHER VORAUSSCHAUENDEN SYSTEME REPRODUZIERBAR VALIDIERT WERDEN? 12

13 Test Navigationsbasierter Systeme Einfaches Abspielen aufgezeichneter Szenarien Daten müssen inkl. Zusatzdaten (z.b. Beschleunigungswerte) eingefahren werden Einspielen von Position über Simulation über Steuergeräte - Schnittstelle möglich Schnittstelle muss schon während Anforderungsdefinition definiert worden sein Einspielen der Navigationsdaten über Bus Universelle Schnittstelle muss umgesetzt sein (ADASIS) Schnittstellenspezifikation muss bekannt sein Quelle: IPG 13

14 Virtuelle Systemintegration GPS Emulation am Prüfstand Sat I/O AVL InMotion Echte emittierte Signale von virtuellen Satelliten 14

15 AVL InMotion / IPG CarMaker Real Life Testing Quelle: IPG 15

16 X-in-the-Loop Prozess AVL InMotion / IPG CarMaker Durchgängige Entwicklungs- und Testumgebung Quelle: IPG Model/Software Steuergeräte Motor Batteriesystem Powertrain/Fzg. HMI Quelle: IPG MiL / SiL HiL EiL BiL PiL /ViL DiL 16

17 Generierung von virtuellen Strecken Quelle: Genesys NAVTEQ RP Road Export Straßenart Anzahl Fahrspuren Straßenprofil Kurvenradien Tunnel, Brücken Geschwindigkeitsbegrenzung Kreuzung Ampeln Google Earth IPG Road Realfahrt GPS-Datenlogger Kamera Verkehrszeichenlogging 17

18 Funktions- und Energieflusssimulator GPS-Signal GPS-Simulator Beschleunigungssensorik Lenkwinkelsensor n / w GPS-Position Quelle: Audi n / w AVL InMotion Umfeldsensorik 18

19 NI GPS Toolkit Erzeugen von echten Satelliten-Signalen (C/A-Code im L1-Band) Simulation von bis zu 12 Satelliten gleichzeitig NI GPS Simulation Toolkit: NI PXIe-8133 Windows-Controller, NI PXIe-5672 Vector Signal Generator, PXI-8513/2 CAN Interface und LabVIEW GPS Simulation Toolkit Fehlersimulation Niedrige Leistungslevels, um Folierung oder urbane Schluchten nachzubilden Satellitenausfall Vorhandensein von Interferenzen oder Störsignalen Parameter Frequenzbereich (NI PXIe-5672) GPS Frequenz (L1) Navigation Data Type Samplerate Maximale Anzahl an Satelliten 12 Maximale Geschwindigkeit Positionsgenauigkeit Leistungsbereich Spezifikation 250 khz to 2.7 GHz MHz GPS C/A Code at 50 bps BPSK 1,5 MS/s >514 m/s <5 m -145 to +10 dbm 19

20 NI GPS Toolkit Satellitensimulation Vorgabe der Receiverpositition (Longitute, Latitude, Altitude) und Zeit durch Benutzer Bestimmung der für diese Position zu diesem Zeitpunkt sichtbaren Satteliten über Almanach - Dateien Generierung der einzelnen GPS Signale für die sichtbaren Satelliten Zusammenfassung der einzelnen GPS Signale Ausgabe der GPS - Signale über Signalgenerator und Einspeisung in Receiver über HF - Schnittstelle 20

21 Navigation in the Loop Demonstrator AVL InMotion GPS-Position Longitude [deg] Latitude [deg] Elevation [dat] CAN NI GPS Simulator GPS Signal der Satelliten über HF-Kabel 21

22 Navigation in the Loop Demonstrator 22

23 Navigation in the Loop Demonstrator 23

24 Navigation in the Loop Demonstrator 24

25 Ausblick Serienintegration in die Prüfstandsumgebung Nutzung der GPS - Fehlersimulation Erweiterung um andere Navigationssysteme z.b. Gallileo oder Glonass Abbildung von Car2x Applikationen am Prüfstand Bruce Willis in Live Free or Die Hard (L. Wisemann) 25

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27 Literatur [1] Institut für Demoskopie Allensbach: ACTA 2010, Innovationen treiben die Märkte, 2012 [2] Pfister, F., Schick, B.: Die Zukunft hat einen Sensor: Location Awareness meets Powertrain Controls, 4. Internationales Symposium für Entwicklungsmethodik, Wiesbaden, 2011, S [3] Schick, B., Leonhard, V., Lange, S.: Vorausschauendes Energiemanagement im virtuellen Fahrversuch, Automobiltechnische Zeitschrift - ATZ, Bd. 114 (2012) Nr. 4, S [4] Nöcker, G., Mezger, K., Kerner, B.: Vorausschauende Fahrerassistenzsysteme, in Workshop Fahrerassistenzsysteme, Karlsruhe, 2005, S [5] Moebus, M., Malte, J., Wagner, M., Durekovic, S.: Digitale Karten als vorausschauende Sensoren für Fahrerassistenzsysteme, in GMM-Fachbericht, Band 69, Berlin, Offenbach: VDE-Verlag, 2011, S [6] Lipinski, D.: Tempolimitanzeige, Automobiltechnische Zeitschrift - ATZ, Bd. 113 (2011), Heft extra: Der neue Audi A6, S [7] Berlitz, S., Funk, C., Horst, R., Rosenow, A.: Assistenzsysteme zur Verbesserung der Sicht bei Tag und Nacht, Automobiltechnische Zeitschrift - ATZ, Bd. 113 (2011), Heft extra: Der neue Audi A6, S [8] Vukotich, A., Duba, G. P., Gollewski, T.: Fahrerassistenzsysteme - Vernetzung und Datenfusion, Automobiltechnische Zeitschrift - ATZ, Bd. 113 (2011), Heft extra: Der neue Audi A6, S [9] Woloschin, H., Weidemann, D., Zäpfel, S., Volkmar, K.: Kraftübertragung, Automobiltechnische Zeitschrift - ATZ, Bd. 113 (2011), Heft extra: Der neue Audi A6, S [10] Bartels, A., To, T.-B., Karrenberg, S., Weiser, A.: Hochautomatisches Fahren auf der Autobahn, Automobiltechnische Zeitschrift - ATZ, Bd. 113 (2011), Nr. 9, S

28 Literatur [11] Radke, T., Roth, M.: Energetische Modellierung von Schaltvorgängen mit Hilfe statistischer Versuchsplanung als Voraussetzung optimaler Betriebsstrategien, 4. Internationales Symposium für Entwicklungsmethodik, Wiesbaden, 2011, S [12] Porsche: ACC InnoDrive, [13] Wilde, A., Herzog, T., Herzog, H. - G., Löwenau, J., Durekovic, S.: Adaptives Energiemanagement in Hybridfahrzeugen - Situationsgerechte Ladestrategien unter Berücksichtigung von Verkehrs-, Geschwindigkeits- und Höheninformationen, in Elektrik, Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, Renningen - Malmsheim: expert verlag, 2009, S [14] Düser, T.: X-in-the-Loop ein durchgängiges Validierungsframework für die Fahrzeugentwicklung am Beispiel von Antriebsstrangfunktionen und Fahrerassistenzsystemen, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Diss., 2010 [15] GPS Visualizer: Find "Missing" Elevations with GPS Visualizer, [16] GeneSys: ADMA-G-Eco+ Automotive Dynamic Motion Analyzer mit DGPS, 2005 [17] NI: GPS, Multiple Satellites Signal Generation, 2009 [18] NI: GPS Receiver Testing, [19] US A1 28