Simulation bei der Entwicklung autonomer Fahrzeuge

Im Zuge der Entwicklung von Fahrassistenzsystemen (FAS) und von autonomen Fahrzeugen müssen neue Ingenieursdisziplinen wie die künstliche Intelligenz ausgebaut werden. Jedoch sind laut aktuellen Schätzungen Milliarden von Testkilometern notwendig, damit Sicherheit und Zuverlässigkeit von FAS und autonomen Fahrzeugen gewährleistet sind. Dies ist jedoch kaum zu bewerkstelligen.

Statt in der Realität lassen sich die tausenden von Fahrszenarien und unterschiedliche Designparameter präzise, schnell und kostengünstig mithilfe von Simulationen virtuell testen. Simulationen haben gezeigt, dass sie die technologische Entwicklung wesentlich beschleunigen können. So können mittels Simulationen virtuelle Tests an virtuellen Prototypen durchgeführt werden. In diesem Rahmen können tausende von Simulationen innerhalb der Zeit und dem Budget, die für einen einzigen physikalischen Test erforderlich sind, vollendet werden.

Übertragung auf das autonome Fahren

Gerade Fahrszenarien können dank umfassender Simulationen mit einem System-Verhaltensmodell eines autonomen oder teilautomatisierten Fahrzeugs durchgeführt werden. Solch ein Fahrzeugmodell beinhaltet sämtliche Sensoren, Regelsysteme, Antriebssysteme und Karosserie, platziert in einer virtuellen Fahrumgebung bestehend aus Straßen, Gebäuden, Fußgängern, Beschilderung, usw. In dieser simulierten Umgebung können tausende Fahrszenarien zügig evaluiert werden, um zu prüfen, ob die Fahrzeugsensoren, Regelalgorithmen und Fahrsysteme sich situationsabhängig wie erwartet verhalten.

Autonome Fahrzeugtechnologie und FAS Systeme sind im Wesentlichen Regelungsschleifen, die vier Basiselemente beinhalten – Physikalische Umwelt, Sensoren, Regler und Aktuatoren. Während das Fahrzeug durch die physikalische Welt fährt, tasten die Sensoren die umgebenden Objekte ab. Die Regler treffen aufgrund der ermittelten Objekte Entscheidungen und Aktuatoren bewegen das Fahrzeug wie von den Reglern vorgeschrieben. Die Simulation eines vollständigen Fahrszenarios – insbesondere einer Situation, wo das Fahrzeug an eine Kreuzung fährt, den Querverkehr beachtet, eine Lücke abwartet, einen sicheren Moment findet und die Kreuzung überquert, erfordert eine Systemsimulation.

Weltmodelle müssen her

Der erste Schritt beim Aufbau einer Systemsimulation ist ein Weltmodell, bestehend aus virtuellen Straßen, Gebäuden, Fußgängern, anderen Fahrzeugen usw. Das untersuchte Fahrzeug – im Folgenden als Ego-Fahrzeug bezeichnet – bewegt sich in dieser virtuellen Welt. Anschließend werden die Sensoren des Ego-Fahrzeugs modelliert. Radar, Ultraschallsensoren, Kameras und andere Sensoren am Ego-Fahrzeug beobachten die sie umgebende virtuelle Welt und generieren simulierte Sensorsignale. Die Sensorsignale werden weitergegeben zur Signalverarbeitung, zur Sensorfusion und zu den Regelungsalgorithmen. Die Algorithmen entscheiden über die Geschwindigkeitsänderung des Autos durch Beschleunigung oder Bremsen und die Richtungsänderung durch Drehen des Lenkrads.

Die Entscheidungen der Regler werden weitergeleitet an die Aktuatoren des virtuellen Automodells, wie Bremsen, Lenkrad und virtuellen Antrieb, welche die Bewegung des Fahrzeugs kontrollieren. Die Fahrzeugbewegung wird durch das in der Systemsimulation enthaltene Modul der Fahrzeugdynamik errechnet. Es erfasst verschiedene Details wie rutschige Straßenverhältnisse und sagt präzise die Fahrzeugbewegung vorher und setzt es an seine neue Position in der Modellwelt. Die vollständige Regelungsschleife wiederholt sich so lange, bis das Fahrszenario abgeschlossen ist. In solchen Fahrsimulationen können unterschiedliche Parameter schnell und bequem getestet werden. Insbesondere kann eine „Was-wäre-wenn-Studie“ zur Untersuchung des Effekts eines unerwarteten Sensorfehlers durchgeführt werden.

Zusätzlich sind diese Simulationsszenarien besonders wertvoll für Regressionstests von Software und Algorithmen. Die Schnelligkeit, die Wirtschaftlichkeit, die Genauigkeit und die Automatisierung der Simulationen von Szenarien machen sie zu einem unentbehrlichen Werkzeug zur Wiederholung von vordefinierten Regressionstests. Die Ansys Simulationsplattform verknüpft in ihrer Kategorie herausragende Werkzeuge, um hochgenaue Fahrsimulationen von autonomen Fahrzeugen durchzuführen.

Über Fahrszenarien hinaus leistet die Simulationssoftware von Ansys der Automobilindustrie aber auch bei der Modellierung und Entwicklung von Software und Algorithmen, der funktionalen Sicherheitsanalyse, der Simulation der Sensorleistung sowie elektronischer Hardware und der Halbleitersimulation wertvolle Dienste. Schließlich verlangt die Entwicklung von Fahrassistenzsystemen (FAS) und autonomen Fahrzeugen gegenüber heutigen Fahrzeugsystemen weit mehr Testfälle und Evaluationen von Betriebsszenarien. Die technische Simulation ist das Werkzeug, das nötig ist, diese extrem teure und zeitintensive Aufgabe zu bewältigen. Mit der Geschwindigkeit und Kosteneffizienz technischer Simulationen können Ingenieure FAS und autonome Fahrzeuge virtuell evaluieren. Die Ansys Simulationsplattform liefert hochauflösende Simulationswerkzeuge mit der erforderlichen Genauigkeit und Sicherheit für die Simulation von FAS und autonomen Fahrzeugen – für insgesamt sechs primäre Simulationsanforderungen.

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