"Bei vernetzten Steuergeräten steigt die Fehler-Wahrscheinlichkeit"

Durch den stark steigenden Elektronikanteil in neuen Fahrzeugmodellen ist die Arbeit der Entwicklungsingenieure ohne moderne Simulationsmethoden nicht mehr denkbar. all4engineers hatte Gelegenheit, André Pinnel, Simulationsspezialist der Tesis DYNAware GmbH, einige Fragen zu einheitlichen Standards in der Elektronik und echtzeitfähigen Modellen sowie zur Gesamtfahrzeugsimulation und Qualität von Simulationsergebnissen zu stellen.

Herr Pinnel, der Ruf nach einheitlichen Standards in der Elektronik für OEMs, Zulieferer und die Programmierer gleichermaßen wird immer lauter. Welche Probleme bringt der Status quo und wie würden sich etwa eine einheitliche Sensorik und die damit verbundene Verbesserung der Kommunikation zwischen den einzelnen Controllern konkret auf Ihre Arbeit auswirken?
Gegenwärtig existieren in modernen Fahrzeugen viele autarke Regelsysteme. Manche der Sensoren sind mehrfach vorhanden, die Regelsysteme agieren oft ohne direkte Interaktion. Das Potenzial der GCC, also der Global Chassis Control, liegt auf der Hand: Eine verbesserte Kommunikation unter den Steuergeräten ermöglicht Kontrollstrategien mit optimierten Reglereingriffen. Und eine einheitliche Sensorik versendet eindeutige Signale bei gleichzeitig reduziertem Gewichts-, Platz- und Kostenbedarf. So könnten etwa bei schneller Kurvenfahrt zunächst in einem aktiven Fahrwerkregelsystem die Dämpfkraftwerte an den einzelnen Rädern im Sinne der Fahrstabilität angepasst werden. Erst danach greift – wenn erforderlich – das ESP System durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder ein. Beide Systeme – aktives Fahrwerk und ESP – benötigen nur einen Gierratensensor.
Allerdings steigt bei vernetzten Steuergeräten die Fehlerwahrscheinlichkeit durch gegenseitige Beeinflussung. Der Testbedarf wird also stark zunehmen – und genau das ist das Hauptanwendungsgebiet unserer Simulationssoftware.

Was können Sie derzeit zum Thema "intelligente Sensoren" sagen?
Der intelligente Sensor der Zukunft wird wohl schon Aufgaben der Datenaufbereitung und der Datenreduktion übernehmen. Er enthält also kleine Programme, die ebenfalls im "Hardware in the Loop"-Betrieb (HIL) getestet werden müssen. Die Fähigkeit des Sensors, sich wechselnden Situationen anzupassen, kann als intelligentes Verhalten bezeichnet werden.

Bitte skizzieren Sie in wenigen Worten Ihre beiden Produkte "veDYNA" und "enDYNA".
veDYNA ist ein Programmpaket zur echtzeitfähigen Berechnung von Fahrzeugen und Anhängern. Neben der eigentlichen Fahrzeugsimulation gehören dazu Straße und Umwelt, eine Manöversteuerung, ein Fahrerregler sowie die Animation der Ergebnisse.
enDYNA bietet die detaillierte, ebenfalls echtzeitfähige Simulation von Verbrennungsmotoren. In der Toolbox enthalten sind Diesel- und Ottomotoren, deren Kühl- und Abgassysteme sowie Turbolader.

Wie würden Sie im Wesentlichen die Geschäftsidee Ihres Unternehmens beschreiben oder wie grenzen Sie sich vom Wettbewerb ab?
Die Kernkompetenz der Tesis DYNAware ist sicherlich die Entwicklung von echtzeitfähigen Modellen. Unsere Modelle wurden von Beginn an in Matlab/Simulink entwickelt. Das erlaubt die bequeme Einbindung von speziellen externen Modellen. Wir stellen die Schnittstellen zur Verfügung. So gibt es für veDYNA vorgefertigte Beispielmodelle für fast alle denkbaren externe Systeme wie Lenkung, Bremse, Radaufhängung, Antriebsstrang mit Kupplung und Differentialen, Motor und Reifen.
Alle Produkte können außerdem zu einem virtuellen Laborfahrzeug kombiniert werden. Diese Flexibilität und Konfigurierbarkeit, zusammen mit der Leistungsfähigkeit der Hardware unseres Partners dSpace, machen uns zum Marktführer auf dem Gebiet der echtzeitfähigen Fahrzeugsimulation. Das neue Produktstufenkonzept mit den preisgünstigen Einsteigerversionen veDYNA Entry und veDYNA Light wird uns neue, zusätzliche Märkte eröffnen.

Welche Modellvoraussetzungen, besonders was die Stabilität einer Simulation mit komplexeren Datenmodellen angeht, müssen im Hinblick auf Echtzeitfähigkeit erfüllt sein?
Bei Programmen für den echtzeitfähigen HIL-Bereich ist man auf einige Tricks angewiesen. So verwenden wir zum Beispiel einen Integrationsansatz, der die schnelle Berechnung bei konstanten Schrittweiten mit gleichzeitiger Stabilität auch bei großen Zeitintervallen vereint. Das hat den angenehmen Nebeneffekt, dass unsere Programme auch Offboard, also bei Simulationen am normalen PC, schnell und stabil sind. Für unsere Kunden ist das vor allem in der Vorentwicklung interessant, weil sich so sehr effektiv in kurzer Zeit Parameterstudien durchführen lassen. Der Anteil unserer "Offboard-Kunden" wächst zusehends.

Bitte beschreiben Sie uns vor dem Hintergrund der Gesamtfahrzeugsimulation Ihr so genanntes "Laborfahrzeug", mit dem vernetzte Steuergeräte in "Hardware in the Loop"-Tests geprüft werden, am Beispiel Ihres Projektes mit Audi (SPEA).
Bei SPEA (Simulationsprüfstand für vernetzte Funktionen im Antriebsstrang, Start im Jahr 2000) wurden erstmals enDYNA, veDYNA sowie unsere Getriebemodelle und Bremshydraulik in einem Prüfstand integriert. Es werden Steuergeräte für verschiedene Motorvarianten, Antriebsstrang, ESP/ABS, ACC und Niveauregulierung sowie deren Wechselwirkung untereinander getestet. Der Name SPEA greift also etwas zu kurz: Der Prüfstand geht weit über reine Tests am Antriebsstrang hinaus.
Seit SPEA wurden mehrere weitere Laborfahrzeuge auch bei anderen Kunden in Betrieb genommen. Das direkte Nachfolgeprojekt bei Audi ist so erfolgreich, dass es derzeit sogar im Schichtbetrieb läuft. Die Vielfalt der Applikationen wäre bei normaler Belegung zeitlich einfach nicht mehr unterzubringen.

Worin liegen nach Ihrem Dafürhalten die Besonderheiten moderner Fahrkomfortuntersuchungen?
Der für Fahrkomfortuntersuchungen relevante Frequenzbereich erstreckt sich bis zu etwa 30 Hz. In diesen "hohen" Frequenzbereichen reichen einfache Modelle zur Simulation von Reifen, Achsen und Achslagern sowie Motorlagerungen nicht mehr aus. Bei den Reifen müssen Eigenschwingformen berücksichtigt werden und bei den Achsen müssen die Massen von Lenkern und Hilfsrahmen ins Gleichungssystem aufgenommen werden. Die Lager müssen als Gummilager und/oder Hydrolager modelliert werden, um etwa Effekte der Viskosität, der Hysterese und von räumlichen Kraftzuständen abzubilden. Dies alles wird normalerweise mit MKS- oder FEM-Programmen untersucht, mit dem Nachteil, dass Berechnungen meist sehr lange dauern.
In veDYNA ist es nun möglich, die Schnittstellen für externe Reifen und Lager zu nutzen und auf die bereits vorhandene Datenbank detailliert geometrisch modellierter Achsen zurückzugreifen. In einigen Projekten konnte damit gezeigt werden, dass so Fahrkomfortuntersuchungen ausreichend genau mit ungewohnter Geschwindigkeit durchgeführt werden können.

Welches waren für Sie die spannendsten Aufträge und Projekte, an deren Entwicklung Sie in der Vergangenheit beteiligt waren?
Da gibt es sehr viele interessante Projekte. Sicher gehören die eben genannten Untersuchungen im Fahrkomfortbereich dazu. Ich möchte in diesem Zusammenhang die enge Zusammenarbeit mit Professor Rill/FH Regensburg betonen, der uns bei schwierigen Fragen mit theoretischem Hintergrund unterstützt. So entstanden viele der implementierten geometrischen Achsmodelle in Kooperation mit Ford. Sie sind dort bei unterschiedlichen Problemstellungen wie Motorunruhen oder Antriebsstrangschwingungen bei ABS-Bremsungen im Einsatz.

Die erforderliche Datenmenge für eine realitätsnahe Simulation ist immens. Wie lösen Sie das Problem der Datenverwaltung, um eine einfache und flexible Anwendung zu realisieren?
Das ist der große Vorteil unserer Matlab-Umgebung. Das komplette Pre- und Postprocessing für unsere Modelle erfolgt mit Hilfe der mächtigen Tools dieser einfach zu erlernenden Programmiersprache und ist deshalb auch vom Kunden problemlos zu erweitern. Die Struktur unserer Daten ist außerdem sehr generisch und kann ganz einfach auch in Datenbanken weiterverwendet werden.

Was bedeutet die Bezeichnung "Component in the Loop" bei Tesis genau?
Hier werden nicht nur Steuergeräte, sondern ganze Komponenten wie ein komplettes Lenksystem oder ein aktiver Wankstabilisator mit veDYNA verbunden und so mit den Signalen aus dem virtuellen Fahrzeug getestet. Wichtige Anwendungen sind zum Beispiel Funktionstests oder Dauerbetriebsuntersuchungen.

Woher erhalten Sie die Fahrzeug- und Testumgebungsdaten, die den Simulationen zugrunde liegen?
Jedes Modell ist nur so gut wie seine Bedatung. Ein wichtiges Prinzip unserer Programme ist deshalb die Verwendung von einfach zu messenden, physikalisch basierten Kennwerten. Das gilt besonders für veDYNA Entry und veDYNA Light. Hier wurden, um für den Benutzer den Einstieg möglichst einfachen zu gestalten, die nötigen Daten soweit reduziert, dass sie größtenteils aus Berichten in Zeitschriften wie ATZ/MTZ bestimmt werden können.
Auch in enDYNA erfolgt die Bestimmung der Modellparameter anhand von Standardmessungen im Preprocessing. Damit wird die häufig zeitaufwändige Parametrisierung stark verkürzt.

Welche Anstrengungen unternehmen Sie im Hinblick auf die Güte der zu erzielenden Simulationsergebnisse?
Mit steigenden Ansprüchen an die Genauigkeit steigen natürlich auch die Anforderungen an die Parametrierung von Simulationsmodellen. Wir haben deshalb in unserem Hause das Tool ParID entwickelt, das mit komplexen Optimierungsalgorithmen den Abgleich zwischen Simulation und Messung vereinfacht. Das ist sehr wichtig, denn selbst bei Fahrzeugdaten, die eigentlich genau bekannt sein sollten, gibt es Streuungen aus der Produktion oder Abweichungen des Messfahrzeugs. Mittlerweile haben wir gerade in diesem Bereich auch enormes Know-how aufgebaut, das unseren Kunden bei der Inbetriebnahme eines Prüfstandes natürlich zur Verfügung steht.
Hier ist aber sicher auch in Zukunft noch Entwicklungsspielraum. Wir arbeiten an einer, mit dem Kunden abgestimmten Versuchsplanung zur effektiven Bestimmung der Parameter. Und je detaillierter die Modelle werden, desto wichtiger werden Werkzeuge, die die exakte Bedatung dieser Modelle ermöglichen und vereinfachen.

Vielen Dank, Herr Pinnel, für das Gespräch.

Zur Person:
Dipl.-Ing./Dipl.-Phys. André Pinnel:
- Studium der Theoretischen Physik an der LMU München
- Studium des Bauingenieurwesens an der TU München
- von 1997 bis 1999: Methodenentwicklung FEM bei der BMW AG für die Firma Volke
- seit 1999 Mitarbeiter bei der Tesis DYNAware, seit Oktober dieses Jahres als Leiter des veDYNA Teams. In dieser Funktion verantwortlich für die Entwicklung des Fahrdynamik Simulationsprogramms veDYNA.

Autor(en): Thomas Jungmann

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