Überprüfung von Automobilsystemen – eine Mammutaufgabe

Auf der untersten Fahrzeugebene interagieren einzelne Sensoren und integrierte Schaltkreise (ICs) in den verschiedenen Subsystemen des Fahrzeugs. Aber das Fahrzeug ist auch Teil einer Gesamtumgebung, die andere Fahrzeuge, Fußgänger, Infrastruktur und sogar die Cloud umfasst. Dadurch wird die Verifikation von Automobilsystemen zu einer gewaltigen Aufgabe, denn es gibt buchstäblich Millionen von Szenarien, die zu überprüfen sind – und jedes dieser Szenarien hat weitere Variationen.

Ein solches Verifikationsprojekt ist realistischerweise niemals mit physikalischen Mitteln zu bewerkstelligen – es erfordert den Einsatz von Verifikationstools, die diesen Prozess handhabbar machen. Notwendig ist eine Kombination aus realistischer Szenariomodellierung, Simulation und mechatronischer Verifizierung, die letztlich ein neues Fahrzeug zügig und effizient auf die Straße bringt (Bild 1). Das Verfahren besteht aus der Modellierung der realen Umgebungsbedingungen und der Ausgänge von Sensoren, die darauf reagieren, der Verifikation der integrierten Schaltkreise, die die Sensordaten verarbeiten, und schließlich daraus, die berechneten Entscheidungen auf virtualisierte Versionen der mechanischen Systeme anzuwenden.

Modellierung der Fahrumgebung

Im ersten Schritt modelliert ein Werkzeug die Fahrzeuginfrastruktur wie Straßen, Brücken, Kreuzungen. Hinzu kommen physische Objekte wie Bäume, Gebäude, Schilder, andere Fahrzeuge, Fußgänger sowie die Wetterbedingungen. Das Tool verfügt außerdem über eine umfangreiche Bibliothek von modellierten Sensoren, V2X-Kommuniaktion und GPS. Diese Elemente arbeiten zusammen, um realistische Straßenbedingungen zu modellieren, mit Varianten für Tageszeit, Wetter, Farbe von Fahrzeugen oder Fußgängerbekleidung, Fußgängereigenschaften und den zahlreichen anderen Möglichkeiten, diese Szenarien zu testen. Zusammen erzeugen diese virtuellen Szenarien die Signale, die von den verschiedenen Fahrzeugsensoren erzeugt werden, während sie auf das Szenario reagieren. Diese Signale lassen sich dann dazu verwenden, die ICs zu testen, die für die Reaktion auf die Sensoren verantwortlich sind.

Verifikation der ICs

Simulation ist ein gängiges Werkzeug zur Überprüfung von Teilen einer integrierten Schaltung, aber für die Verifikation eines ganzen Chips ist sie viel zu langsam. Eine schnellere Möglichkeit der Überprüfung der ICs ist die Hardware-Emulation. Im Gegensatz zu Simulatoren, die mit Computerbefehlen arbeiten, implementiert ein Emulator die zu prüfende Schaltung in Logikchips, die das Herzstück des Emulators bilden. Im Hardware-Emulator Veloce von Siemens sind diese Logik-Chips so konzipiert, dass jedes digitale Design innerhalb der Größenbeschränkungen des Emulators implementierbar ist. Auch wenn Entwickler also nicht den eigentlichen endgültigen Chip verwenden – der noch nicht gebaut wurde – verwenden sie weiterhin Hardware anstelle von Software, und das kann die Dinge um das 1000- bis 10.000-fache beschleunigen.

Eine zentrale Anforderung an jeden Verifikationsansatz ist die Nachvollziehbarkeit. Es muss möglich sein, tief in die ICs hineinzusehen um erkennen zu können, wo und warum gerade etwas passiert ist. Mit einer echten, physikalischen Schaltung ist das nicht möglich, weil die überwältigende Mehrheit der Signale den Chip nie verlässt – sie sind also nicht sichtbar. Entscheidend ist, dass Hardware-Emulatoren auch die erforderliche Transparenz bieten, die es ermöglicht, in die Schaltungen einzudringen, wie es die Simulation erlaubt, aber mit wesentlich schnelleren Ausführungsgeschwindigkeiten.

Die im Emulator aufgebaute Schaltung fungiert als digitaler Zwilling der realen Schaltung. Damit lassen sich wesentlich effizienter qualitativ hochwerte Schaltungen entwickeln. Dies macht die Verifizierung wesentlich effizienter, da der IC schon vor seinem Bau getestet wird. Noch wichtiger ist, dass eventuelle Probleme so frühzeitig auffindbar sind, dass die Wahrscheinlichkeit einer teuren und zeitaufwändigen Neuentwicklung einer Fotomaske drastisch reduziert wird. Dies wiederum steigert das Vertrauen in die Produktion. Wichtig ist, dass Szenarien und Ergebnisse auf Anforderungen zurückführbar sind. Auf diese Weise gelangt der Entwickler schneller zu einem vollständigen, korrekten Design, da der Verifikationsplan und die Ergebnisse mit den Anforderungen verbunden bleiben, die das Design in erster Linie bestimmt haben (Bild 2).

Die ICs verarbeiten die Sensoreingänge und treffen Entscheidungen. Es ist wichtig, zu überprüfen, ob diese Entscheidungen die beabsichtigte Wirkung haben. Die Entscheidungen betreffen jedoch mechanische Systeme, die in einem Emulator nicht verfügbar sind. Ein anderes Werkzeug ist erforderlich, um die Ausgaben des Hardware-Emulators den Rest des Weges durch das System zu führen.

Siemens verfügt über ein Tool, das genau diese Möglichkeit bietet, indem es funktionale Mock-up-Units (FMUs) verwendet, um die Auswirkungen der Emulatorausgaben zu simulieren. Dies ist immer noch eine virtualisierte Umgebung, in der die Aktivität wichtiger mechanischer Komponenten wie die des Motors, des Getriebes, der Bremsen und der Lenkung getestet werden. Wenn also beispielsweise in einem Szenario ein Fußgänger unerwartet vor das Auto springt, werden die Kamera- und andere Sensorsignale, die dieses Ereignis beobachten, durch den Emulator geleitet.

Der Emulator entscheidet zum Beispiel, ob er ein Ausweichlenkmanöver macht oder die Bremsen betätigt oder beides. Die logischen Signale, die die Entscheidung beschreiben, lassen sich dann an das Simulationswerkzeug für mechanische Komponenten senden, wo das Lenkrad um den angeforderten Grad gedreht wird, oder die Bremsen im angeforderten Wert betätigt werden, oder beides.

Überprüfung von Stimulus zu Reaktion

Zusammen bieten diese Tools eine End-to-End-Überprüfung, die wichtig ist, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug unabhängig vom Szenario und von den betroffenen Fahrzeugteilen korrekt funktioniert. Dies alles geschieht komplett virtuell, d. h. ohne Verzögerungen beim Bau von Prototypen. Notwendig ist nur die Erstellung der korrekten Modelle – und viele davon sind bereits in den Tool-Bibliotheken verfügbar (Bild 3).