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Integration vernetzter Fahrerassistenz-Funktionen mit HiL für den VW Passat CC Innovative Fahrerassistenzsysteme machen die Coupé-Limousine VW Passat CC zu einem bedeutenden Technologieträger. Durch den Einsatz der HiL-Simulation und mit einer manö- ver- und eventbasierten Testmethodik konnte Volkswagen mit IAV, IPG, T-Systems und Carts die Integration der vernetzten Fahrerassistenz-Funktionen in den Gesamtfahrzeugverbund systematisch unterstützt werden. SIMULATION & BERECHNUNG Automotive Engineering Partners 60 Hardware-in-the-Loop

Integration vernetzter Fahrerassistenz-Funktionen mit HiL für den VW Passat CC

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Integration vernetzter Fahrerassistenz-Funktionenmit HiL für den VW Passat ccInnovative Fahrerassistenzsysteme machen die Coupé-Limousine VW Passat CC zu einem bedeutenden Technologieträger. Durch den Einsatz der HiL-Simulation und mit einer manö-ver- und eventbasierten Testmethodik konnte Volkswagen mit IAV, IPG, T-Systems und Carts die Integration der vernetzten Fahrerassistenz-Funktionen in den Gesamtfahrzeugverbund systematisch unterstützt werden.

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1 Einleitung

Der hohe Komfort- und Sicherheitsan-spruch des VW Passat CC [1] wird durch eine Vielzahl wegweisender Fahrerassis-tenzsysteme (FAS) realisiert. Zu ihnen ge-hört der neue Spurhalteassistent „Lane Assist“, der durch einen Lenkeingriff einem ungewollten Verlassen der Fahr-bahn entgegenwirkt. Der Parklenkassis-tent „Park Assist“ unterstützt den Fahrer dabei, das Fahrzeug auf Ideallinie rück-wärts einzuparken. Die Vermessung der Parklücke und die Lenkbewegungen übernimmt das System; der Fahrer muss lediglich Gas geben und bremsen. Die au-tomatische Geschwindigkeits- und Dis-tanzregelung „Adaptive Cruise Control“ (ACC) mit Umfeldbeobachtungssystem „Front Assist“ passt die Geschwindigkeit durch geregelte Brems- und Beschleuni-gungseingriffe an die Verkehrssituation vor dem Fahrzeug an; sie warnt den Fah-rer bei Kollisionsgefahr. Zusätzlich wird bei einer bevorstehenden Notbremsung das Bremssystem vorbereitet und so die Empfindlichkeit des hydraulischen Bremsassistenten erhöht.

Genauso innovativ wie diese Systeme selbst sind auch die Methoden, mit de-nen bei Volkswagen eine effiziente und robuste Entwicklung sowie Integration von Regelsystemen im Gesamtfahrzeug-verbund vorangetrieben wird. Insbeson-dere Fahrerassistenzsysteme erfordern

aufgrund ihres vernetzen Aufbaus einen durch die Simulation gestützten Ent-wicklungs- und Testprozess.

Hinzu kommt, dass die Fahrerassis-tenzsysteme stark mit Steuergeräten (ECU) anderer Regelsysteme interagieren. So kommuniziert beispielsweise das ACC-Steuergerät mit dem Motor- und Getrie-besteuergerät und im Bedarfsfall auch mit dem Bremsensteuergerät, um den erforderlichen Sicherheitsabstand zum vorausfahrenden Fahrzeug zu regeln, Bild 1. Für den Fahrzeughersteller bedeu-tet diese Vernetzung einen hohen Inte-grationsaufwand. Er ist verantwortlich für das Gesamtfahrzeug und muss dafür sorgen, dass die Systeme, die zum Teil von verschiedenen Zulieferern stammen, fehlerfrei und robust im Gesamtfahr-zeug betrieben werden.

2 HiL-Testprozess und Testfallerstellung

Um die Komplexität bei der Integration der verteilten Fahrerassistenz-Funktio-nen im Gesamtfahrzeug zu bewältigen, wird bei Volkswagen konsequent auf die Hardware-in-the-Loop(HiL)-Simulation gesetzt. In einem mehrstufigen Testpro-zess wird zu festen Zeitpunkten des Pro-duktentstehungsprozesses der Gesamt-status des Fahrzeugs am Integrations-HiL-Prüfstand betrachtet, Bild 2. Dazu

Die Autoren

Dipl.-Ing. (FH) Sven-Oliver Müller ist Teamleiter Funk­tionsintegrationstest am Antriebs­ und Fahr­werks­HiL bei der Volkswagen AG in Wolfsburg.

Sven Wachendorf ist Testobjektverant­wortlicher bei der Volkswagen AG in Wolfsburg.

Dr.-Ing. Marcus Brand ist Leiter Funktions­integration/HiL bei der Volkswagen AG in Wolfsburg.

Dipl.-Ing. (FH) Henning Schröder ist Projektleiter Em­bedded Systems bei der T­Systems ES GmbH in Wolfsburg.

Bild 1: Verteilte Funktionen bei der automatischen Geschwindigkeitsregelung – das ACC-Steuergerät kommuniziert mit Motor- und Getriebesteuergerät sowie Bremsensteuergerät

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Szot ist Entwicklungsinge­nieur EE bei der IAV GmbH in Gifhorn.

Dipl.-Ing. Sebastian Schwab ist verantwortlich für Test Systems und En­gineering Services bei der IPG Automotive GmbH in Karlsruhe.

Birgit Kremer M. A. ist verantwortlich für Marketing und Tech­nik­Kommunikation bei der IPG Automotive GmbH in Karlsruhe.

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werden verschiedene Prozessschritte im Gesamtintegrationstest durchgeführt. Die Wechselwirkungen und übergreifen-den Funktionen der Systeme können so mit hoher Testabdeckung bereits in frü-hen Entwicklungsphasen untersucht und abgesichert werden.

Die Tabelle zeigt die Testthemen, die schwerpunktmäßig am Prüfstand unter-sucht werden. Bei der Testfallerstellung arbeiten die Verantwortlichen für die einzelnen Steuergeräte eng mit den Inge-

nieuren aus der Fachabteilung zusam-men. Sie nehmen an Erprobungsfahrten teil und führen die Tests, die sie im Vor-feld definiert haben, real im Fahrzeug durch. Hierdurch erlangen sie ein tiefes Verständnis für das Systemverhalten der Steuergeräte, woraus sich neue Testan-forderungen und Testaufgaben ergeben. Systemgrenzen werden spürbar, und es können sehr schnell Testfälle für den Prüfstand generiert werden, die im Fahr-zeug nur schwer durchzuführen sind. Weiterhin unterstützten die HiL-Tests die systematische Analyse von Auffällig-keiten aus den Fahrversuchen. Dadurch bieten die HiL-Prüfsysteme einen deut-lichen technischen Mehrwert und wer-den somit effizient innerhalb des Frei-gabeprozesses eingesetzt.

3 Manöver- und eventbasiertes Testen

Zur Absicherung des gesamten Steuerge-räte-Verbundes in Antriebsstrang und Fahrwerk des VW Passat CC diente ein HiL-Integrationsprüfstand als Antriebs-/Fahrwerks-Simulator, Bild 3. Hier sind 18 Steuergeräte verbaut, wie beispielsweise Motor-, Getriebe-, Bremsen- und Lenkungs-steuergeräte, Kombiinstrument sowie die Fahrerassistenzsysteme. Die Systeme kommunizieren über den CAN-Bus und

sind an den Prüfstand der Firma Carts Real-Time Solutions GmbH und die Echt-zeitsimulationsumgebung CarMaker von IPG Automotive gekoppelt.

Die Echtzeitsimulationsumgebung CarMaker dient als Fahrdynamiksimula-tion und stellt die Versuchsumgebung zum Testen der Fahrerassistenzsysteme im virtuellen Fahrversuch bereit. Hier-mit können die Funktionen der Systeme in Echtzeit in der geschlossenen Regel-schleife von Fahrzeug, Fahrer, Straße, Verkehr und sonstiger Infrastruktur un-tersucht werden.

Die Simulationsumgebung ermögli-cht ferner eine manöver- und eventba-sierte Testmethodik, wie sie aus dem re-alen Fahrversuch bekannt ist. Der virtu-elle Fahrer IPGDriver kann allgemeingül-tige Fahranweisungen abarbeiten und wie ein realer Versuchsfahrer aus dem Manöver heraus Test-, Mess- und Diagnose-aktionen auslösen. Das erlaubt es dem Versuchsingenieur, mit vertrauten Manö-ver- und Aktionskommandos beliebige Fahrmanöver zu rekonstruieren. Damit ist auch die Simulation methodisch nah am Fahrversuch. Auch hier konzentriert sich der Tester auf Testinhalte und nicht – wie es häufig bei modellbasierten An-sätzen der Fall ist – auf die Generierung von passenden Signalen.

Die Verkehrsszenarien, die als Zielum-gebung für die Sensoren des virtuellen

Bild 2: Prozessschritte im Gesamtintegrationstest

Tabelle: Testthemen für Antriebs- und Fahrwerks-HiL

Funktionstests

Fahrerbedienung / Fahrerinformation

Zustandsübergänge

Abschaltbedingungen

spezifische Schnittstellen

Ersatzreaktion / Robustheit

Tests zu Querschnittsthemen

Funktionale Diagnose

Unter­ und Überspannungsprüfungen

Kommunikation über Bussysteme

Virtuelle Probefahrten

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VW Passat CC dienen, werden mit Hilfe des Moduls IPGTraffic in CarMaker re-konstruiert. Hierzu wird jedem Ver-kehrsobjekt eine Liste an Manövern zuge-wiesen, Bild 4. Diese beinhaltet beispiels-weise Geschwindigkeiten, Beschleuni-gungen oder Sinusschwingungen in Längs- und Querrichtung. Die Manöver des Testfahrzeugs und der Verkehrsob-jekte werden von einer zentralen Ablauf-steuerung gesteuert. Diese stellt eine Ver-bindung zwischen den Manövern des Verkehrs und des Testfahrzeugs her, so dass die Manöver der Verkehrsobjekte ab-hängig von den Manövern des Testfahr-zeugs ausgelöst werden können. Ein wei-terer Vorteil ist, dass beliebige zeit-, weg-, strecken- oder ereignisabhängige Trigger als Auslöser für Aktionen wie Spurwech-sel-, Beschleunigungs- oder Bremsmanö-ver zur Verfügung stehen. So können Er-eignisse, wie zum Beispiel das Erreichen eines Streckenpunktes, als Auslöser für einen Manöversprung definiert werden. Damit ist es sehr leicht möglich, Testsze-narien zu rekonstruieren, die relativ zum Testfahrzeug immer gleich sind.

Nachfolgend werden die grundsätz-lichen Testmöglichkeiten und einige Testbeispiele der Funktionen automa-tische Distanzregelung, Einparkhilfe so-wie Spurhalteassistent am Antriebs-/Fahrwerks-HiL-Simulator beschrieben.

3.1 Automatische Distanzregelung und UmfeldbeobachtungssystemUm das Auffahren auf vorausfahrende Fahrzeuge (Follow Mode) im ACC durch-führen zu können, ist das virtuelle Test-fahrzeug mit einem Sensormodell ausge-stattet, das die Umgebung vor dem Test-fahrzeug nach beweglichen Objekten abtastet. Die Informationen über erfasste Objekte werden über den CAN-Bus an das reale ACC-Steuergerät im HiL-System-Verbund übertragen, Bild 5.

Innerhalb der Testroutinen zur Ab-standsregelung wird beispielsweise über-prüft, ab welcher Entfernung die voraus-fahrenden Fahrzeuge erfasst werden und ob die ausgegebenen Fahrerhinweise im Kombiinstrument den jeweiligen ACC-Betriebszuständen entsprechen.

Weitere Testszenarien untersuchen, bis zu welchen Differenzgeschwindig-keiten das System automatisch den nöti-gen Sicherheitsabstand zum Vorderfahr-zeug regeln kann. Bei zu hohen Diffe-

renzgeschwindigkeiten muss die Fahrer-übernahmeaufforderung im Kombi-instrument angezeigt werden.

Durch Überlagerung der Geschwin-digkeit der vorausfahrenden Fahrzeuge mit einer Sinus-Schwingung in Längs-

Bild 3: Komponenten des Antriebs-/Fahrwerks-HiL-Simulators

Bild 4: Eventbasiertes Testen – jedem Verkehrsobjekt in CarMaker wird eine Liste an Manövern zugewiesen

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richtung kann in Dauerlaufversuchen über Nacht die Robustheit der automa-tischen Geschwindigkeitsanpassung ana-lysiert und bewertet werden.

3.2 ParklenkassistentDer Parklenkassistent „Park Assist“ wird im Zusammenspiel mit der realen Len-kung, dem Bremsensteuergerät und dem Kombiinstrument getestet. Das System ist über die realen Ultraschallsensoren an den HiL-Prüfstand gekoppelt. Auch die Lenkung und das Kombiinstrument sind im Original in das HiL-System zum Testen integriert worden.

In der Simulationsumgebung werden verschiedene Einparkszenarien mit vari-ierenden Parklückenlängen rekonstru-iert. Der virtuelle Fahrer fährt beispiels-weise mit geringer Geschwindigkeit (<30 km/h) an stehenden Fahrzeugen vor-bei. Über eine Umfeldsimulation werden die Parklückeninformationen in geeig-neter Form aufbereitet. Diese Informati-onen werden über die Ultraschallsen-soren vom Steuergerät eingelesen und als reale Parklücke erkannt, Bild 6. Das Steuergerät kommuniziert wiederum mit dem Fahrermodell und signalisiert, wenn eine Parkmöglichkeit besteht und

der Fahrer anhalten soll. Legt der virtu-elle Fahrer den Rückwärtsgang ein, wird die Querregelung des Parklenkassisten-ten aktiviert. Der virtuelle Fahrer fährt langsam rückwärts, der Parklenkassis-tent lenkt das Fahrzeug auf berechnetem Kurs in die Parklücke. Zusätzlich über-wachen Modelle der Abstandssensoren im Front- und Heckbereich die Abstände des Testfahrzeugs zu den simulierten ste-henden Fahrzeugen in der Verkehrs-umgebung.

Neben einem reibungslosen Einpark-vorgang und einer korrekten Anzeige im Kombiinstrument bei unterschiedlichen Einparkszenarien wird sichergestellt, dass der Parklenkassistent bei Lenkeingriffen durch den Fahrer deaktiviert wird.

3.3 SpurhalteassistentAuch der Spurhalteassistent „Lane Assist“ kommuniziert wie der Parklenkassistent über CAN mit dem Lenkungs- und Brem-sensteuergerät. Bei der Kopplung des Sys-tems an den HiL-Prüfstand spielt die Ani-mation der Echtzeitsimulation eine wich-tige Rolle. Auf einem Monitor in einer Black-Box wird die 3D-Animation exakt aus dem Blickwinkel angezeigt, den die Kamera im Fahrzeug hat. Die reale Kame-

ra ist vor dem Monitor positioniert und schließt damit optisch den Regelkreis zwischen Simulation und Hardware, Bild 7. Grundvoraussetzung für die Reali-sierung des Regelkreises war eine hohe Performance zur Echtzeitausgabe der Ani-mation mit sehr geringen Latenzzeiten.

Zum Test der Spurhaltefunktionen wer-den Fahrszenarien simuliert, bei denen der virtuelle Fahrer durch Sinus-Pendeln mit geringem Lenkmoment an den Rand der Fahrspur heranfährt. Die reale Kamera erfasst die simulierten Fahrbahnmarkie-rungen, und das System wertet die Position des Fahrzeugs aus. Weicht der Wagen von seiner Spur ab, wird das virtuelle Fahrzeug auf die Fahrspurmitte zurückgeführt, in-dem das Lenkmoment des Fahrers durch einen Lenkmomenteingriff des Systems überlagert wird. Diese Tests werden mit verschiedenen Streckenprofilen variiert, beispielsweise bei kurviger Straßenfüh-rung, unterschiedlichen Fahrbahnmarkie-rungen und mehrspurigen Straßen. Dabei wird auch geprüft, ob bei einem Über-schreiten des maximal zulässigen Lenkmo-ments des Spurhalteassistenten der Fahrer zum Lenken aufgefordert wird. Möglich ist dies durch die Lenkmomentschnittstelle des IPGDriver in CarMaker, der neben dem Lenken über den Lenkradwinkel auch das Lenken über ein Lenkmoment beherrscht. Wie beim Parklenkassistenten war es auch hier wichtig, dass bei der Regelung klar zwischen Längs- und Querdynamik ge-trennt werden kann. Der Fahrer regelt Fahrpedalstellung, Bremse und Kupplung und lässt sich in der Querdynamik vom System übersteuern.

Ein weiteres Testthema ist das Erken-nen einer „Freihandfahrt“ des Fahrers, bei der sich das System automatisch deaktivie-ren muss. Außerdem wird sichergestellt, dass der Fahrer das System übersteuern kann. Auch dieses Szenario wird in der Si-mulation mit verschiedenen Variationen (unterschiedliche Lenkmomente durch das Fahrermodell, Streckenführungen etc.) reproduzierbar nachgebildet.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Die Hardware-in-the-Loop-Simulation ist ein etablierter Bestandteil des Freigabe-prozesses bei Volkswagen. Neue Soft- und Hardwareversionen aus den Fachabtei-lungen werden höchst effizient im virtu-

Bild 5: Testschnittstelle ACC – Hindernissimulation für die Distanzregelung (Datenübertra-gung über den CAN-Bus an das ACC-Steuergerät im HiL-System-Verbund)

Bild 6: Integration des Parklenkassistenten am HiL-Prüfstand

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ellen Fahrversuch getestet. Damit ist es für den VW Passat CC möglich, Fehler be-reits in frühen Entwicklungsphasen zu erkennen und kostengünstig mit gerin-gem Aufwand zu beseitigen. Mit Hilfe der manöver- und eventbasierten Testmetho-dik von CarMaker ist es den Ingenieuren von Volkswagen, IAV, IPG, T-Systems und Carts möglich, auch komplexe Testszena-rien einfach und schnell in reproduzier-bare Prüfabläufe umzusetzen. Austausch-bare Testfälle und eine konzerneinheit-liche und prüfstandunabhängige Testau-tomatisierung sichern darüber hinaus die Wiederverwendbarkeit von Testfällen ab. Das erworbene Simulations-Know-how steht damit auch in späteren Projekten zur Verfügung.

Gleichzeitig ist die Testabdeckung der reproduzierbaren Tests am Prüfstand sehr umfassend und eine wichtige Ergänzung

zum Fahrversuch. Insbesondere für Fah-rerassistenzsysteme, die aktiv in die Fahr-dynamik des Fahrzeugs eingreifen, sind die Anforderungen an die Funktionssi-cherheit und Zuverlässigkeit der Einzel-systeme und deren Interaktion mit dem Systemverbund sehr hoch. Die Vielfalt von möglichen Szenarien, in denen die Funktionen abgesichert werden müssen, wird mit der Simulation unterstützt. Die weiter zunehmende Vernetzung und neue Kundenfunktionen werden zu einem weiteren Ausbau der Integrations-test am HiL-Prüfstand führen.

Um auch domänenübergreifende Funktionen testen zu können, sollen da-her die Bereiche Antrieb/Fahrwerk und Komfort, die derzeit auf unterschiedli-chen HiL-Systemen angesiedelt sind, ge-koppelt werden. Weitere Herausforde-rungen für die Zukunft bringen neue

Sensortechnologien und die zunehmende Fusion von Sensordaten mit sich. Insbe-sondere die immer wichtiger werdenden kamerabasierten Systeme erfordern neue HiL-Konzepte. Die Simulationsumgebung muss für alle Sensoren gleichzeitig ein konsistentes Abbild reproduzierbarer Sze-narien in Echtzeit liefern. Gemeinsam mit den Partnern IPG Automotive und Carts Real-Time Solutions GmbH arbeitet Volkswagen daher intensiv an diesen The-men. Bereits im Herbst 2009 werden Lö-sungen verfügbar sein, um neue verteilte Fahrerassistenz-Funktionen in realisti-schen Fahrmanövern am Prüfstand testen zu können.

Literaturhinweis[1] See, M. von: Der neue VW Passat cc. In: ATZ 110

(2008), nr. 6, S. 494­501

Bild 7: Test des Spurhalteassistenten im HiL-Prüfstand

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