Entwicklern die passende Testumgebung stellen

Die Weiterentwicklung in der Fahrzeugsimulation macht keine Pause. Aktuelle Tools werden immer schneller und bewältigen bei den virtuellen Tests immer komplexere Datenmengen. all4engineers sprach mit André Pinnel, Simulationsspezialist der Tesis DYNAware, über echtzeitfähige Gesamtfahrzeug-Simulation und die Anwender, "intelligente" Prüfstände und künftige Herausforderungen in der Simulation.

Herr Pinnel, alle Automobilhersteller suchen nach Tools zur echtzeitfähigen Gesamtfahrzeug-Simulation. Ist das in Ihren Augen realistisch oder überhaupt sinnvoll?
Ich denke, das ist nicht nur sinnvoll, sondern wird in Zukunft die einzig vernünftige und effiziente Möglichkeit sein, die Gesamtstruktur von vernetzten Steuergeräten im Fahrzeug zu testen. Ein Beispiel: Fahrerassistenzsysteme wie Abstandsregelsysteme reagieren auf Ereignisse und Hindernisse im Verkehr und greifen dabei sowohl in die Motorregelung als auch in die Bremsregelung ein. Die gegenseitige Wechselwirkung der Steuergeräte ist schwer zu überblicken. Und die Komplexität steigt exponentiell, wenn noch weitere Steuergeräte involviert sind. Derartige Systeme mit einer Vielzahl von denkbaren Testfällen und Abhängigkeiten lassen sich nur noch automatisiert im Labor untersuchen und testen.
Die virtuelle Simulationsumgebung zur Entwicklung und zum Test von vernetzten Steuergeräten in Echtzeit gibt es bei der Tesis DYNAware schon länger. Unser Produktportfolio enthält alle nötigen Komponenten, nämlich Simulationsprogramme für Fahrdynamik, Bremshydraulik, Bordnetz, Antriebsstrang, Getriebe und Motordynamik sowie zur Abbildung von Fremdverkehr und Hindernissen. Diese Komponenten lassen sich auf Simulink-Ebene problemlos zu einem Gesamtmodell kombinieren und bilden so die ideale Testumgebung für vernetzte Steuergeräte aller Art.

Das klingt kompliziert. Kommt der Testingenieur damit überhaupt zurecht?
Hier sprechen Sie einen Punkt an, der auf der Liste unserer Neuentwicklungen ganz oben steht: die Unterstützung von Prozessen und automatischen Arbeitsabläufen, um dem Anwender die Arbeit zu erleichtern.
Der Testingenieur will sich oft nicht um Modelldetails oder um die Programmierung von Testszenarien kümmern. Wir stellen also Schnittstellen und Hilfsmittel zur Verfügung, die es ermöglichen, unsere Programme auf Knopfdruck zu bedienen und die Simulationsergebnisse in automatisch generierten Berichten auszuwerten. Damit kann man sich in kürzester Zeit einen Überblick über die durchgeführten Tests verschaffen, die Ergebnisse mit früheren Resultaten vergleichen und bei Bedarf noch etwas tiefer nachforschen. Programmierkenntnisse sind dabei für den Tester nicht mehr nötig. Natürlich steht für den Entwickler weiterhin die Möglichkeit offen, in die Prozesse einzugreifen.

Warum sind Komponentenprüfstände so interessant für Sie?
Komponentenprüfstände wie Reifen-, Achs-, Lenkungs-, Antriebsstrang- oder Motorprüfstände bieten uns die Möglichkeit, hoch präzise Daten für unsere Modelle abzuleiten und zu validieren. Viele Parameter können Datenblättern oder Konstruktionszeichnungen entnommen werden. Oft lassen sich Daten auch aus vorhandenen Modellen ableiten. Wir liefern standardmäßig viele klassentypische Fahrzeugdatensätze mit. Jedoch sind für hohe Genauigkeitsanforderungen validierte Daten unerlässlich.
Unsere Simulationsprogramme sind nach einem Baukastenprinzip aufgebaut. Um jedes Teilmodell zu testen, setzen wir auf virtuelle Prüfstände. Wie mit ihren klassischen mechanischen Pendants können damit gezielt die Eigenschaften der jeweiligen Teilkomponente untersucht werden. Auf dem virtuellen Prüfstand führt man die gleichen Tests wie auf einem echten Prüfstand durch. Ein abschließender Vergleich von Simulations- und Messergebnissen belegt auf einen Blick die Modell- und Parametergüte. Das klappt erstaunlich gut.
Es können übrigens auch mehrere Modelle, Datensätze und Messungen miteinander verglichen werden. Damit kommt man manchmal sogar Messfehlern auf die Spur.

Was macht einen Prüfstand eigentlich "intelligent"?
"Intelligent" wird ein Komponentenprüfstand, wenn er nicht mehr einfach nur vordefinierte oder gemessene Stimuli abfahren kann, sondern in einer Art Regelkreis mit einem Fahrzeug-Simulationsprogramm steht - eine Art "Test Rig in the Loop".
Lassen Sie mich das anhand eines "intelligenten", dynamischen Achsprüfstands erläutern: Die Fahrt auf der Nordschleife des Nürburgrings wird mit einem Fahrermodell und dem virtuellen Fahrzeug simuliert. Das Programm liefert in Echtzeit Sollwerte für die aktuellen Radpositionen und -einfederungen an den Prüfstand. Der Prüfstand stellt die simulierten Positionen an einer realen Achse ein.
Soweit könnte man das auch durch Vorgabe von Messwerten, die man beim Befahren der Nordschleife aufgezeichnet hat, erreichen. Im Unterschied dazu kann nun aber ein virtuelles Fahrzeug mit dem Prüfstand interagieren. So können beispielsweise die im Prüfstand gemessenen Feder- und Dämpferkräfte eines aktiv geregelten Fahrwerks an unser Fahrdynamikprogramm veDYNA zurückgegeben werden. Dadurch werden realitätsnahe Tests dieses aktiv geregelten Systems möglich, die Stimuli werden durch das Verhalten der aktiven Systeme beeinflusst. Der Prüfstand kann auf neue Situationen und Reglereinstellungen reagieren, ist also "intelligent".
Ein weiteres Beispiel ist ein "Tire in the Loop"-Prüfstand, und wie er mit veDYNA realisiert wurde.

Was ist eigentlich ein "Tire in the Loop"-Prüfstand und wozu wird er eingesetzt?
Mit "Tire in the Loop" bezeichnen wir einen Prüfstand, bei dem ein real existierender Reifen auf einer Trommel rollt und wie im echten Fahrbetrieb angetrieben, gebremst und belastet wird. Die Wechselwirkung zwischen Fahrzeug und Reifen wird simuliert. Wie in einem HiL-Prüfstand für ABS-Steuergeräte kann auch ein ABS-System eingebunden sein. Ein mögliches Entwicklungsziel ist zum Beispiel, das Zusammenwirken von Reifen und Fahrzeug zu optimieren und das ABS besser auf den Reifen abzustimmen. veDYNA ist für diesen Zweck Erfolg versprechend im Einsatz.
In einer anderen Variante ist eine Achse mit Reifen in einem Prüfstand aufgebaut. Damit lassen sich beispielsweise aktive Federungen untersuchen.

Welche weiteren Schwerpunkte haben Sie sich in der Produktentwicklung gesetzt?
Die Automobilindustrie arbeitet mit Hochdruck an der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen und Systemen zur Unfallvermeidung. Unsere Aufgabe ist es, den Entwicklern die passende Testumgebung zur Verfügung zu stellen. Dazu zählt unser Traffic-Modul mit seiner graphischen Benutzeroberfläche.

Was kann das Traffic-Modul?
Mit dem Traffic Add-On zu veDYNA können Verkehr und Hindernisse simuliert werden. Ein "Observer" berechnet ständig Relativpositionen und -geschwindigkeiten. Der virtuelle Sensor generiert daraus eine Objektliste, zum Beispiel zur Verwendung in Fahrerassistenzsystemen, so wie das auch echte Sensoren wie Radar, Lidar, Infrarot, Ultraschall oder Kameras mit Bildverarbeitung liefern. Das Sensormodell berücksichtigt dabei unter anderem den Reflexionsgrad von Objekten und Streueffekte sowie mögliche Überdeckungen. Es ist aber auch möglich, kundenspezifische Sensormodelle einzubinden. Typische Anwendungsfälle sind Abstandsregelsysteme, Spurhalte- und Spurwechselassistent sowie Einparkhilfen.
Für die einfache Bedienung dieses Moduls haben wir zusammen mit unseren Kunden typische Szenarien zusammengestellt. Darin werden Verkehr und Hindernisse automatisch so geführt und positioniert, dass beispielsweise ein vorhandener Abstandsregler eingreifen muss. Diese Szenarien können natürlich vom Kunden angepasst und erweitert werden.

Inwieweit ist die Simulation von Hybrid-Technologie in Ihren Lösungen eingebunden?
In unserer Bibliothek zur Simulation von Fahrzeug-Bordnetzen sind unter anderem Modelle für Batterien und Generatoren, E-Motoren und SuperCaps enthalten. Da außerdem unser Antriebsstrang offen und modular aufgebaut ist, können Teile davon ganz einfach durch Hybrid-Komponenten ersetzt und erweitert werden.
Wo noch detailgetreuere Simulationen nötig werden, kann man auch Modelle aus anderen Programmen wie Dymola einbinden. Die Schnittstellen sind vorhanden.

Worin werden in den nächsten Jahren die nach Ihrem Dafürhalten größten Herausforderungen in der Fahrzeugsimulation liegen?
Da unsere Kunden in ganz unterschiedlichen Bereichen mit unterschiedlichen Anforderungen an Funktionalität und Qualität der Modelle arbeiten, ist diese Frage nicht einfach zu beantworten.
Wichtig sind sicher die einfache Erweiterbarkeit um Benutzer- und Spezialmodelle, ein automatisierter Bedatungsprozess inklusive Validierung der Parametergüte, nahtlose Einbindung in die Prozessabläufe beim Kunden, und nicht zuletzt eine intuitive Benutzeroberfläche für alle Anwendungsmöglichkeiten. Das Ganze muss dann auch noch für alle unterstützten Echtzeitplattformen reibungslos funktionieren.
Das Feedback unserer Kunden zeigt mir, dass wir auf dem richtigen Weg sind.

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 2003 als Leiter des veDYNA Teams. In dieser Funktion verantwortlich für die Entwicklung des Fahrdynamik Simulationsprogramms veDYNA.

Autor(en): Thomas Jungmann

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