HMI als ganzheitliches Ökosystem behandeln: Die Grundlagen

Dank einer ständig wachsenden Zahl von Sensoren, Funktionen und Diensten wächst die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), das digitale Cockpit, immer weiter über das bekannte Infotainmentsystem mit Knöpfen und Tasten zur Steuerung wichtiger Fahrzeugfunktionen hinaus. Es wird zum zentralen Dreh- und Angelpunkt im Fahrzeug. Seine User Experience und Benutzerfreundlichkeit ist entscheidend für Fahrer und Beifahrer. Gleichzeitig steigern die Anforderungen an Sicherheit, Interoperabilität und Konnektivität die Komplexität deutlich.

Automobilhersteller stehen bei der HMI-Umsetzung vielfach vor der Frage, ob vorgefertigte Lösungen genutzt oder eigene Lösungen von Grund auf neu entwickelt werden sollen. Unabhängig vom gewählten Ansatz: Das HMI oder die Nutzeroberfläche darf und kann nicht singulär behandelt werden, sondern muss gemeinsam mit dem gesamten eingebetteten System eines Fahrzeugs betrachtet werden – inklusive der Hardware, Software, Betriebssystemen, Virtualisierung, Middleware und Konnektivität.

Immer mehr Rechenleistung ist notwendig, um die zunehmende Anzahl von Sensoren betreiben sowie Komfort- und Sicherheitsfunktionen ermöglichen zu können. Gleichzeitig versuchen die Hersteller, die Komplexität der Elektroniksysteme durch die Einführung domänenübergreifender, zentralisierter Elektrik/Elektronik-Architekturen (E/E-Architekturen) zu reduzieren. Diese nutzen sehr leistungsfähige Fahrzeugrechner, die über zonenspezifische Steuergeräte (ECUs), mit den eingebetteten Steuergeräten, Aktuatoren und Sensoren verbunden sind.

Bei der Wahl der passenden Hardware-Plattform müssen Entwickler auch weit in die Zukunft blicken: Die Zeit bis zur Markteinführung und die langen Lebenszyklen der Fahrzeuge erfordern regelmäßige Software-Updates für Fehlerbehebungen, Sicherheitspatches und neue App- oder Fahrfunktionen – auch weit nach der Auslieferung des Fahrzeugs. Deshalb ist es wichtig, zukunftssichere Hardware-Komponenten zu verwenden, die auch künftigen Anforderungen gerecht werden können.

Die Wahl der richtigen Software-Plattform ist ebenso zentral. Einerseits muss sie zukunftssicher sein, um die Betriebskosten zu senken und die Benutzerzufriedenheit zu erhöhen. Andererseits hat die Software-Architektur einen starken Einfluss auf die Hardware-Anforderungen und muss unter Berücksichtigung aller bereits vorhandenen Software-Stacks entwickelt werden. Für Automobilhersteller bedeutet dies, dass ein bestehender Software-Stack, der oft in einer monolithischen Architektur erstellt wurde, mit einer verteilten Microservices-Architektur kombiniert werden muss.

Die derzeitigen Software-Strategien der OEMs sind unterschiedlich, und der Wettbewerb um das Betriebssystem (OS: Operating System) im Fahrzeug ist noch nicht entschieden. Einige große Unternehmen ziehen es vor, ihr eigenes Betriebssystem zu entwickeln. Dieser Ansatz ist der teuerste und zeitaufwändigste, denn es ist sehr arbeitsintensiv, ein ganzes Ökosystem aufzubauen und kontinuierlich weiterzuentwickeln. Allerdings bietet es aber auch die volle Kontrolle über seine Ausgestaltung und potenzielle zukünftige Gewinne.

Das aktuelle Spektrum verfügbarer Betriebssysteme umfasst eine große Vielfalt von Lösungen mit unterschiedlichen Vorteilen und Herausforderungen, die bei der Auswahl sorgfältig abgewogen werden müssen.

• Das ganzheitlichste Betriebssystem ist wohl Android Automotive: Es kombiniert die Vorteile von Open Source mit vielen wertvollen Komponenten, darunter ein Bluetooth-Stack, Mediaplayer, ein HMI-Framework oder Multidisplay-Unterstützung sowie dem Zugang zu Google Automotive Services (GAS) und dem Google Play Store.
• Als Basis für einen Connected-Car-Software-Stack kommt zudem häufig Automotive Grade Linux (AGL) zur Anwendung. In diesem Projekt arbeiten Automobilhersteller, Zulieferer und Technologieunternehmen zusammen, um einen skalierbaren Open-Source-Software-Stack für vernetzte Autos zu entwickeln. Mit Linux als Kernstück verspricht die AGL-Plattform eine schnelle Entwicklung und Prüfung von Prototypen und Lösungen für vernetzte Fahrzeuge in einer offenen Community.

Zusätzliche Komplexität entsteht, wenn man die gesamte automobile E/E-Architektur mit verschiedenen Subsystemen berücksichtigt. Diese Infrastruktur umfasst das gesamte ECU-Ökosystem sowie alle sicherheitsrelevanten Features, ADAS-Funktionen und mehr. Für die notwendige Trennung zwischen sicherheits- und nicht sicherheitsrelevanten Teilen können verschiedene Betriebssysteme für unabhängige Subsysteme zum Einsatz kommen. Dazu gehören: Autosar Classic und Adaptive, QNX von Blackberry, Integrity von Green Hills, Nvidia Drive OS, FreeRTOS, SAFERTOS, sowie VxWorks von WindRiver.

Eine allgemeine Herausforderung für alle Hersteller ist die Integration mit Geräten und Apps der Unterhaltungselektronik wie Android Auto und Apple CarPlay. Um diese Integration zu realisieren, enthalten die meisten Betriebssysteme Bibliotheken von Drittanbietern für die Integration.

Virtualisierung ist ein gängiger Ansatz, um Ressourcen zu isolieren: Statt also beispielsweise zwei verschiedene Hardware-Komponenten für zwei verschiedene Aufgaben zu nutzen werden auf einer Hardware-Komponente per Software zwei unterschiedliche Einheiten definiert und gesteuert – es entstehen so zwei „virtuelle Maschinen“, die software-basiert gemanagt werden können.

Die Virtualisierung auf Hardware-Ebene ist eine Schlüsseltechnologie, um mehrere Betriebssysteme auf eingebetteten Hardwareressourcen zu betreiben. In modernen und vor allem in (teil-)autonomen Fahrzeugen ist diese Fähigkeit entscheidend, um beispielsweise Infotainment und Sicherheitsfunktionen voneinander zu trennen.

Die isolierte Ausführung dieser verschiedenen Umgebungen auf einem einzigen Hardwaresystem stellt sicher, dass Fehlfunktionen und Hacks innerhalb einer Umgebung keine Auswirkungen auf andere haben. Technisch kann diese Virtualisierung durch Hypervisoren erreicht werden. Wie alle Betriebssysteme muss auch der Hypervisor funktionale Sicherheit gemäß ISO 26262 gewährleisten und Sicherheitszertifizierungen erhalten.

Damit Entwickler von Infotainment-Software mit weniger Aufwand und kürzerer Markteinführungszeit einzigartige, markenspezifische Benutzererlebnisse schaffen können, gibt es zahlreiche SDKs, Frameworks und HMI/In-Vehicle-Infotainment-Plattformen auf dem Markt. Diese produktionsreifen Middleware-Lösungen nutzen Open-Source-Betriebssysteme (hauptsächlich Android Automotive) und erweitern sie um eine Reihe vordefinierter grundlegender Funktionen und Anwendungen sowie um Standard-UI-Komponenten. Zusätzliche Anwendungsbibliotheken und APIs (Application Programming Interfaces) bilden – durch eine ständig wachsende Anzahl von Partnern – ein Ökosystem.

Gut dokumentierte APIs geben OEMs die volle Kontrolle über die Benutzerfreundlichkeit, das Design und das Erscheinungsbild ihrer Lösungen. Darüber hinaus können diese mit Hilfe von Standardprogrammiersprachen wie Kotlin, Java oder C++ um zusätzliche Funktionen erweitert werden, um so einzigartige, markenspezifische Features zu integrieren. Zu den bekanntesten Middleware-Lösungen gehören Kanzi One von Rightware, Telenav Vivid, DiSTI GL Studio und IndiGO, das TomTom Ende 2021 auf den Markt brachte.

Sensoren, Aktuatoren, Daten und mehr: Die drahtgebundene und drahtlose Konnektivität innerhalb des Fahrzeugs ist ebenso wichtig wie der drahtlose Zugang zu externen Quellen. All diese Verbindungen müssen berücksichtigt werden, um Fahrern und Nutzern wichtige Funktionen im Fahrzeug und ein verbessertes Fahrerlebnis zu bieten.

In modernen Fahrzeugen mit ihrer komplexen E2E-Architektur müssen im Allgemeinen drei Arten von Konnektivität realisiert werden:

1. Die fahrzeuginterne Buskonnektivität: Der CAN-Bus (Controller Area Network) wurde ursprünglich für die elektrische Multiplex-Verkabelung entwickelt und ermöglicht die Kommunikation zwischen unabhängigen Subsystemen. Je nach gewünschter Funktion lassen sich auch MOST-Bus (Media Oriented Systems Transport), FlexRay oder LIN (Local Interconnect Network) nutzen.
2. Lokale drahtlose Verbindungen über Wi-Fi und Bluetooth: Sie erlaubt die Integration von Endgeräten wie Mobiltelefonen, um die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen.
3. Externe Konnektivität: SIM-Netzkonnektivität ermöglicht Fahrzeugdatenkonnektivität sowie Notruffunktionen, Cloud- und Edge-Netzzugang etc. Diese Konnektivität ermöglicht erweiterte Funktionen wie den Zugang zu externen Cloud-Plattformen beispielsweise für Verkehrs- und Fahrzeugdatenanalyse, Flottenmanagement, ADAS und OTA-Software-Updates.

OEMs können unterschiedliche Ansätze wählen, um diese Konnektivitätsfunktionen aufzubauen. Ein Trend, der bei den meisten Akteuren zu beobachten ist, ist der Aufbau einer eigenen Cloud-Plattform, die in unterschiedlichen Modellen umgesetzt werden kann: Infrastructure-as-a-Service- (IaaS) und Platform-as-a-Service- (PaaS) Lösungen von Tech-Giganten (Microsoft Azure, Google Cloud Platform, Amazon Web Services, Oracle) helfen beispielsweise dabei, die Infrastrukturkosten zu senken und die Verfügbarkeit zu erhöhen. Sie können so die Grundlage der meisten Konnektivitätsfunktionen bilden. Wer für seine Kunden ein einzigartiges Markenerlebnis schaffen will, muss seine Lösungen jedoch weiter anpassen und auf das eigene Profil deutlich herausarbeiten.

Lösungen von Grund auf mit öffentlichen, privaten oder hybriden Clouds aufzubauen, ist kostspielig und mit viel mühsamer Arbeit verbunden. Bestehende Plattformen für vernetzte Fahrzeuge wie Microsoft Connected Vehicle Platform (MCVP) und Blackberry IVY nutzen deshalb die verfügbare Cloud-Infrastruktur und vorgefertigte SDKs. Die Installation dieser Plattformen im Fahrzeug ermöglicht es den OEMs, sich auf die Entwicklung der gewünschten Marken- und Fahrerlebnissen zu konzentrieren und dabei die vorhandene Infrastruktur und Bausteine zu nutzen.

Der Wettbewerb um das Auto der Zukunft wird an der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) gewonnen und verloren. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, HMI-Lösungen mit Benutzererfahrungen zu liefern, die Fahrer und Passagiere gleichermaßen begeistern. Automobilhersteller müssen dazu viele Ansätze prüfen und abwägen, Technologien erforschen, Funktionalitäten betrachten und schließlich Entscheidungen treffen, die ebenso zukunftssicher wie erfolgreich zu sein versprechen. Eines ist dabei sicher: Es braucht umfassendes Wissen über hochaktuelle Software-Technologien, verfügbare Lösungen und langfristige Softwarezyklen ebenso wie tiefgreifendes technisches Verständnis des gesamten HMI-Ökosystems – von der Chipebene über Middleware bis hin zu Connectivity und Cloud. Leistungsfähige Entwicklungspartner wie Intellias stehen Automobilherstellern und OEMs damit gern zur Seite.

Auf dem Automobil Elektronik Kongress 2022 wird das Intellias-Team eine HMI-Lösung zeigen, die auf Elektronik-Hardware in Automotive-Qualität beruht und Instrumentengruppe sowie Infotainment umfasst. Die Demo nutzt Technologien wie Java, Kotlin und Android Automotive OS und zeigt ein Bedienoberflächen-Design, das von Intellias entwickelt wurde. (av)