Satellit am Steuer

Das Fahrzeug blinkt, wechselt die Spur, beschleunigt und stoppt anschließend exakt an der nächsten Kreuzung – ohne jeglichen Eingriff von der Person am Steuer. Möglich machen das ein Satellitensystem, eine Vielzahl von Sensoren und eine dSpace MicroAutoBox II, in die Mitsubishi Electric eine autonome Fahrzeugsteuerung implementiert hat.

Abb.: Das japanische Quasi-Zenit-Satellitenpositionierungssystem stellt hochgenaue Positionsinformationen bereit. (Bild: Mitsubishi Electric Corporation)

Autonome präventive Sicherheitssysteme gehören mittlerweile zu den Ausstattungsoptionen vieler Fahrzeuge. Wenn sich parallel dazu die Infrastruktur verbessert, steigen sowohl die Zuverlässigkeit als auch der Reifegrad autonomer Fahrfunktionen – und damit das Sicherheitsempfinden des Fahrers. Bei der Herstellung automotiver Komponenten stehen für Mitsubishi Electric die Kunden und deren Sicherheit an erster Stelle. Hierfür entwickelt Mitsubishi Electric die präventive Sicherheitstechnologie ‚Diamond Safety‘, mit der Level 3 des autonomen Fahrens erreicht werden soll. Das Fahrzeug agiert hier bereits sehr selbstständig, jedoch sind in bestimmten Situationen noch Steuereingriffe seitens des Fahrers notwendig. Der Fahrer kann beispielsweise die Augen von der Straße nehmen und das Auto nimmt ihm die nötigen Fahrfunktionen ab, etwa bei Autobahnfahrten. Nach einer Vorwarnzeit von wenigen Sekunden muss der Fahrer allerdings selbst noch eingreifen können. Um die Komponenten dieser präventiven Sicherheitstechnologie zu verifizieren, kommt ein Rapid-Control-Prototyping (RCP)-System von dSpace – die MicroAutoBox II – zum Einsatz.

Abb.: Konfiguration des Fahrzeugsteuerungssystems (Bild: dSpace GmbH)

Satellitengestützte Positionierung

Um den hohen Grad an Präzision und Sicherheit von Level 3 des autonomen Fahrens zu erreichen, werden neben dem autonomen aktiven Sicherheitssystem hochpräzise, zentimetergenaue Positionsinformationen des japanischen Quasi-Zenit-Satellitenpositionierungssystems verwendet. Das Quasi-Zenit-Satellitensystem (QZSS, genannt ‚Michibiki‘) nutzt mehrere Satelliten, die dieselbe Umlaufzeit haben wie geostationäre Satelliten mit Bahnneigung (deren Umlaufbahn heißt Quasi-Zenit-Orbit). Diese Satelliten befinden sich auf mehreren orbitalen Ebenen, so dass sich immer ein Satellit in Zenitnähe über Japan befindet. Das System ermöglicht eine hochgenaue Satellitenpositionierung, die Japan nahezu vollständig abdeckt, einschließlich Häuserschluchten und bergigem Gelände. Das QZSS überträgt neben den aktuellen Positionssignalen spezifische Zusatzinformationen (Centimeter Level Augmentation Information) zur Genauigkeitssteigerung. Der erste Satellit zieht seit 2010 seine Bahnen. Ab 2018 wird das System aus drei weiteren Quasi-Zenit-Satelliten und einem geosynchronen Satelliten bestehen. Und im Jahr 2023 wird das System sieben Satelliten mit kontinuierlicher Positionierung umfassen. Mit den Daten aus dem System lässt sich ein Fahrzeug hochgenau und zuverlässig steuern, zum Beispiel bei Spurwechsel- und Spurhaltemanövern.

Abb.: Die MicroAutoBox II f?hrt zusammen mit anderen Komponenten die autonomen Fahrfunktionen aus. (Bild: Mitsubishi Electric Corporation)

Systemaufbau der Fahrzeugsteuerung

Die Fahrzeugsteuerung ist vollständig auf der MicroAutoBox II implementiert und analysiert eine Vielzahl von Sensor- und Fahrzeugdaten sowie Daten von autonomen und Infrastrukturkomponenten. Dazu gehören Sensoren wie Frontkamera und Millimeterwellenradar sowie Infrastruktursensoren wie hochpräzise GNSS (Global Navigation Satellite System)-Receiver und Karten. Zum Beispiel ermöglicht die Funktion des Spurhaltesystems hochpräzises autonomes Fahren, indem es die von der Frontkamera anhand der Mittellinienerkennung bestimmte Zielfahrspur mit der Zielfahrspur abgleicht, die aus den hochpräzisen Kartendaten und Positionssignalen gewonnen wird. Diese Daten werden durch andere Fahrzeuginformationen wie die Fahrgeschwindigkeit ergänzt und stehen als Eingang für die Ausführung von autonomen Fahrfunktionen und die Betätigung der Aktoren zur Verfügung.

(Bild: dSpace GmbH)

Autonome Fahrzeugsteuerung

Für die Lateralsteuerung des Fahrzeugs wird ein Modell der Geradeaussicht verwendet. Die vorausliegende Position, an der sich das Fahrzeug Sekunden später befinden würde, und die voraussichtliche Fahrstrecke in Form einer Näherungskurve werden verglichen und durch die laterale Abweichung Yd und den Winkel wiedergegeben. Anschließend bestimmen Yd, und weitere Fahrzeuginformationen die Lenksteuerung. Die Fahrzeugsteuerung in Längsrichtung übernimmt das System durch die Antriebs- und Bremssteuerung. Die Geschwindigkeit wird durch Vergleichen der Fahrgeschwindigkeit mit den von der Karte bereitgestellten Geschwindigkeitsbeschränkungen geregelt. Mit Ausnahme der Notbremsung werden die Bremsen so gesteuert, dass sie gleichmäßig verlangsamen. Ein Stopp an einer Kreuzung erfolgt basierend auf den Karteninformationen.

Verifizieren und Steuern mit ControlDesk und MicroAutoBox II

Die Entwicklungswerkzeuge von dSpace erwiesen sich als sehr nützlich und erlaubten, sowohl die mit Matlab/Simulink entwickelten Regelalgorithmen schnell zu implementieren als auch die Regelparameter online einzustellen, wodurch neue Lösungsansätze sofort getestet werden konnten. Diese Optionen sind besonders hilfreich, je komplexer ein System ist. Sie unterstützen beim Anschließen verschiedener Sensoren, die zum Verifizieren von Funktionen benötigt werden, und zum Kompensieren von Kommunikationslatenzen. Die Anzahl der zu verifizierenden Funktionen wird deutlich reduziert, genauso wie das inhaltliche Volumen, dessen Analyse sehr ressourcen- und zeitintensiv wäre. Beim Betrieb eines mit dem RCP-Equipment ausgestattetenFahrzeugs erlaubt die Experimentier-Software dSPACE ControlDesk das Überwachen verschiedener Parameter von einem Bildschirm aus, zum Beispiel das Ein-/Ausschalten der Fahrzeugsteuerungen und das Überwachen von Ein-/Ausgangswerten verschiedener Schnittstellen und Messdaten. Aufgrund der zahlreichen Schnittstellen ist die MicroAutoBox II nicht nur einfach im Fahrzeug zu handhaben, sondern ermöglicht es, weitere Messgeräte in Echtzeit zu überwachen, was die Evaluierung vereinfacht.