Szenarien unter Kontrolle
Eventbasiertes Testen von Fahrerassistenzsystemen mit CarMaker
Fahrerassistenzsysteme bieten ein enormes Potenzial zur Verbessung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit. Allerdings sind die Anforderungen an die Systementwicklung bei der Vielfalt von real möglichen Szenarien hoch. Im vorliegenden Artikel werden Lösungen zur Identifikation wichtiger Szenarien und ihrer Rekonstruktion in der Simulation mit CarMaker präsentiert. Diese ermöglichen es, Fahrerassistenzsysteme systematisch hinsichtlich Sicherheit und Performance zu untersuchen und zu optimieren.
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- Simulation des komplexen Regelkreises Fahrer, Fahrzeug, Umwelt, Verkehr
Die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen verlangt nach einer durchgängigen Methoden- und Toolkette, mit der die Systeme in möglichst realistischen Testszenarien bewertet, optimiert und abgesichert werden können. Die Vielzahl von möglichen Szenarien, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen Fahrer, Fahrzeug, Verkehrssituation und Umwelt ergeben, stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Die wichtigsten Szenarien müssen als Testfälle identifiziert und in der Simulation reproduzierbar umgesetzt werden.
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Die Fahrdynamiksoftware CarMaker bietet für den systematischen Test von Fahrerassistenzsystemen wie ACC, Bremsassistent, Pre-Crash-System, Spurwechsel-, Einpark- oder Notbremsassistent praktische Lösungen. Das Traffic-Modul IPGTraffic simuliert frei konfigurierbare Verkehrssituationen mit einer beliebigen Anzahl von beweglichen Objekten (z.B. Fremdverkehr, Fußgänger) und statischen Hindernissen (z.B. parkende Fahrzeuge, Leitplanken, Verkehrszeichen, Bauwerke) in der Umgebung eines mit Sensoren ausgestatteten Testfahrzeugs.
Die Regelsysteme und die zugehörigen Sensoren können wahlweise unter Simulink oder auf C-Code-Ebene in das virtuelle Testfahrzeug von CarMaker integriert und je nach Entwicklungsstand und Testziel mittels Model-, Software- oder Hardware-in-the-Loop in unterschiedlichsten Fahrsituationen und Verkehrsszenarien gestestet werden.
Manöver- und Eventbasiertes Testen
Die Arbeitsmethode, mit der die Testfälle in CarMaker umgesetzt werden, fällt unter den Begriff ?eventbasiertes Testen?. Diese Methode knüpft beim manöverbasierten Testen an, welches sich im Bereich der klassischen Fahrdynamik sowohl im Fahrversuch als auch in der Simulation mit CarMaker längst durchgesetzt hat. Beim manöverbasierten Testen werden Fahrmanöver, wie µ-split-Bremsungen, ISO-Spurwechsel oder die stationäre Kreisfahrt in einzelne Mini-Manöver zerlegt, die in Simulation und Versuch exakt rekonstruiert werden.
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- µ-split Bremsmanöver
CarMaker unterstützt diese Methodik durch die flexible Manöversteuerung, mit der einzelne Mini-Manöver bestehend aus Open-Loop- und Closed-Loop-Manövern in Quer- und Längsdynamik beliebig kombiniert und zu einem ereignisabhängigen Ablaufprogramm zusammengestellt werden (siehe Tabelle).
| Mini-Manöver | Fahr-/Aktionsanweisung | Längsdynamik | Querdynamik |
| 0 | Beschleunigen auf 100 km und Anfahren auf µ-Split Fläche | Closed Loop IPGDriver |
Closed Loop IPGDriver |
| 1 | Bei Streckenpunkt ?S1? Freies Rollen |
Open Loop | Closed Loop IPGDriver |
| 2 | Bei Streckenpunkt ?S2? Vollbremsung und Lenkrad festhalten, um Stabilität im Zeitfenster 1s ermitteln zu können (Hinweis: Schleppmomentregelung) |
Open Loop | Open Loop |
| 3 | Nach 1 s Lenkkorrektur für gewünschte Kursführung, um Lenkwinkelbedarf ermitteln zu können |
Open Loop | Closed Loop IPGDriver |
| 4 | Bei Erreichen von 50 km/h Aktion: Raddrehzahldefekt durch DVA Signaleingriff (Hinweis: Fail-Safe Algorithmus) |
Open Loop | Closed Loop IPGDriver |
| 5 | Bremsung bis zum Stillstand | Open Loop | Closed Loop IPGDriver |
| 6 | Automatisches Auslesen des Fehlerspeichers |
Rekonstruktion von Testszenarien
Für Fahrerassistenzsysteme wurde diese strukturierte Testmethodik hin zum eventbasierten Testen weiterentwickelt. Damit können umfassende Szenarien aus beliebigen Konstellation von Verkehrssituation und Fahrmanöver einfach und schnell rekonstruiert werden.
Analog zur Manöversteuerung des Testfahrzeugs ordnet der Anwender jedem Objekt der Verkehrssimulation eine frei definierbare Liste an Mini-Manövern zu. Dies sind z.B. Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder Sinusschwingungen in Längs- und Querrichtung. Die Anfangsbedingungen für die Objekte wie Start-Positionen auf der Strecke, Anfangsgeschwindigkeiten oder gar ihr Erscheinen können ebenfalls frei definiert werden.
- Eventbasiertes Testen
Die Manöver des Testfahrzeugs und der Verkehrsobjekte werden von einer zentralen Ablaufsteuerung gesteuert. Diese stellt zum einen eine Verbindung zwischen den Manövern des Verkehrs und des Testfahrzeugs her, so dass die Mini-Manöver der Verkehrsobjekte abhängig von den Manövern des Testfahrzeugs ausgelöst werden können. Weiterer Vorteil ist, dass beliebige zeit-, weg-, strecken- oder ereignisabhägige Trigger als Auslöser für Mini-Manöver-Folgen bzw. Mini-Manöver-Sprünge zur Verfügung stehen. Ein zentraler Zustandsbeobachter überwacht synchron zur Simulation frei wählbare Simulationsvariablen und wertet sie hinsichtlich bestimmter Bedingungen aus. So können z.B. Ereignisse, wie das Erreichen eines Streckenpunktes, der Abstand zwischen zwei Fahrzeugen oder die Differenzgeschwindigkeit zwischen Testfahrzeug und vorausfahrendem Verkehrsobjekt als Auslöser für Mini-Manöver gewählt werden.
Damit können flexibel, intuitiv und schnell Szenarien generiert werden, die relativ zum Testfahrzeug immer gleich sind. Die Lösung unterscheidet sich damit deutlich von üblichen Pre-Processing-Verfahren, bei denen der Ablauf der Simulation zuvor berechnet und anschließend abgefahren wird. Bei Pre-Processing-Verfahren können die Testszenarien nur nach zahlreichen Vorsimulationen zur Bestimmung der Anfangspositionen und Geschwindigkeiten der Verkehrsobjekte und Testfahrzeuge definiert werden. Sie sind dann allerdings nur für eine bestimmte Modellparametrierung reproduzierbar darzustellen; bei veränderten Fahrzeugparametern, Geschwindigkeiten, Streckenführungen oder Reglerabstimmung müssen erneute Vorstudien durchgeführt werden. Mit dem hier gewählten Ansatz muss der Trigger dagegen nur einmal definiert werden und das Szenario kann unter Variation der Fahrzeug- und Reglerparameter, Geschwindigkeiten oder Streckenführungen exakt reproduziert werden.
TestWare/ADAS
Um Anwendern einen intuitiven Einstieg in das modellbasierte Testen von Fahrerassistenzsystemen zu bieten, wurde das Upgrade-Package TestWare for Advanced Driver Assistance Systems, kurz: TestWare/ADAS in CarMaker integriert. Hierin sind Testfälle, Testautomatisierungs- und Postprocessing-Routinen implementiert, um Fahrerassistenzsysteme umfassend und vollautomatisch per Knopfdruck zu testen.
Die Testfälle der TestWare/ADAS wurden auf der Grundlage eines Versuchs- und Bewertungskatalog identifiziert, den der TÜV SÜD Automotive bei realen Fahrversuchen entwickelt hat. Dieser beinhaltet realistische Szenarien, die auf Basis von Erkenntnissen der Risikobetrachtung und der funktionalen Sicherheitsanalyse bestimmt wurden. In Hinblick auf die Simulation wurde der Katalog um zahlreiche Szenarien erweitert, die im Fahrversuch auf der Teststrecke oder gar im öffentlichen Verkehr nicht oder sehr schwer dargestellt werden können. Hierzu zählen z.B. sicherheitskritische Fahrsituationen oder Versuche, die aufgrund der komplexen Abhängigkeit zwischen Testfahrzeug und Verkehr nicht unter reproduzierbaren Bedingungen auf der Teststrecke zu realisieren sind.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Modelle und Funktionalitäten wurde der entwickelte Szenarienkatalog vollständig in der Simulation mit CarMaker abgebildet.
Kurzer Auszug aus dem implementierten Testkatalog:
- Column driving acceleration
- Column driving sheer out
- Column driving deceleration
- Stop and Go
- Column driving sheer in
- Oncoming cars
Ein Sensormodell erlaubt es, beliebig viele Sensoren an beliebigen Stellen des virtuellen Testfahrzeugs zu positionieren, um z.B. Nahbereichs-, Fernbereichs- oder Einparksensoren zu simulieren. Die Sensoreigenschaften, wie Öffnungswinkel, Reichweite und Taktrate der einzelnen Sensorstrahlen können frei spezifiziert werden. Ist das Sensormodell aktiviert, tastet es ausgehend von dem spezifizierten Referenzpunkt am Fahrzeug den Sensorbereich strahlenorientiert nach Objekten ab und ist auch in der 3D-Animation mit IPGMovie sichtbar.
Über eine graphische Benutzeroberfläche innerhalb von CarMaker kann der Anwender ein bestimmtes Testszenario auswählen, konfigurieren und die automatische Simulation starten. Zu den Konfigurationsmöglichkeiten zählen:
- Graphische Benutzeroberfläche der TestWare/ADAS
Aus den Parametervariationen ergeben sich zahlreiche Varianten der einzelnen Szenarien, die sich in Testschleifen vollständig automatisieren lassen.
Für die Auswertung werden die Simulationsergebnisse in automatisch generierten Testprotokollen festgehalten. Diese stellen wichtige Signalverläufe, wie Abstände, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, über die Zeit und über den Abstand zum Vorderfahrzeug in Tabellen und Grafiken dar.
Aufgrund der enormen Anzahl der berechneten Werte werden darüber hinaus in einem automatischen Post-Processing-Verfahren die relativen Fahrzeugbewegungsgrößen (Relativposition, Relativgeschwindigkeit, Relativbeschleunigung) zu qualifizierbaren Kennwerten verdichtet. Diese geben die Systemeigenschaften komprimiert wieder und gestalten den Vergleich der Ergebnisse übersichtlich. Zu den Kennwerten zählen neben Momentanwerten wie Maxima und Minima der Verzögerung und Beschleunigung insbesondere Reaktionszeiten, Reaktionsabstände, Ansprechzeiten und Über-/Unterschwingwerte.
Fazit
Die vorgestellte Simulationsumgebung erlaubt es, neuartige Fahrerassistenzsysteme unter realistischen Bedingungen zu entwickeln und zu testen. In CarMaker können reale Fahrsituationen einfach und flexibel in der Simulation rekonstruiert werden. So kann getestet werden, ob Fahrsituationen von den Systemen zuverlässig erkannt werden und eine optimale Regelstrategie greift. In der TestWare/ADAS sind wichtige Testszenarien bereits in der Simulation implementiert. Damit führt der Anwender alle wichtigen Tests per Knopfdruck vollautomatisch durch, ohne dass er sich um die Rekonstruktion von Verkehrsszenarien kümmern muss. Die Ergebnisse werden ihm nach der Simulation in einem automatisch generierten Testprotokoll bereitgestellt. Die vorgestellte Lösung kann durchgängig für Model-, Software- und Hardware-in-the-Loop-Tests eingesetzt werden.
