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Entwicklung eines Technologiedemonstrators für autonomes und elektrisches Fahren

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  • Entwicklung eines Technologiedemonstrators für autonomes und elektrisches Fahren

    Digitalisierung, autonomes Fahren, Konnektivität und Elektromobilität - das sind die vier Megatrends, die derzeit die Automobilindustrie antreiben. Die Fähigkeit, diese Themen zu beherrschen und zu vereinen, erfordert ein breites Spektrum an Wissen und Erfahrung. Bertrandt hat mit seiner HARRI-Innovationsplattform die kombinierte Anwendung dieser Bereiche unter Beweis gestellt und einen Technologiedemonstrator geschaffen, der auf dem Weg zu SAE Level 5 batterieelektrisch ist.


    Die Megatrends kombinieren

    Engineering-Partner sehen sich steigenden Anforderungen gegenüber. Es werden weniger Einzelprojekte vergeben, während stattdessen ein zunehmender Bedarf an Entwicklungslösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Automobilindustrie besteht. Darüber hinaus wird von den Entwicklungspartnern erwartet, dass sie an neuen Mobilitätskonzepten für die Zukunft arbeiten und die Kunden in ihren Geschäftsmodellen entsprechend unterstützen.

    Aus diesem Grund hat Bertrandt die HARRI-Innovationsplattform [1] auf der Grundlage einer konzernweiten und interdisziplinären Zusammenarbeit geschaffen, um potenziellen Kunden die Bandbreite ihrer Technologiekompetenz zu zeigen - nicht nur in der Automobilindustrie, sondern in vielen anderen Branchen auch. In diesem innovativen Technologiedemonstrator vereint Bertrandt die vier Megatrends Digitalisierung, automatisiertes und autonomes Fahren, Konnektivität und Elektromobilität. Es zeigt, wie die komplexen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Megatrends durch intelligente Lösungen umgesetzt werden können.


    Auf dem Weg zu SAE Level 5

    Autonomes Fahren ist bereits Realität. Die dramatischen Entwicklungen bei Fahrerassistenzsystemen beschleunigen die Ankunft fahrerloser Transportlösungen. Künstliche Intelligenz wird immer weiter verbreitet und es ist ein neuer Ansatz für die Mensch-Maschine-Interaktion erforderlich. Künstliche Intelligenz ist neben Sensortechnologie und funktionaler Sicherheit der Schlüsselkatalysator für autonomes Fahren. Es müssen Algorithmen für Umgebungserkennungssensorsysteme und Datenanalysewerkzeuge entwickelt werden, die auf maschinellem Lernen [2] basieren. In zahlreichen Projekten im Bereich des automatisierten Fahrens auf den SAE-Ebenen 3 und 4 und des autonomen Fahrens auf Ebene 5 gibt es fundierte technische Kenntnisse in Bereichen wie Lokalisierung, Konnektivität und Cloud-Anwendungen.

    Ein zentraler Aspekt ist die Planung und Durchführung einer autonomen Bewegung. In einem Gesamtprojekt entwickelte Bertrandt seinen HARRI-Technologie-Demonstrator als intelligentes autonomes Fahrsystem, das anhand von Informationen über die Umwelt unabhängig reagieren und Entscheidungen treffen kann. Der Schwerpunkt lag auf der Entwicklung der Software und einem umfassenden Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Software, Hardware und mechanischen Systemen. Ziel des Projekts war es, dem Pkw zu ermöglichen, autonom und sicher zu einem vordefinierten Parkplatz zu fahren, auf Aufforderung zurückzukehren und den Ladevorgang selbständig zu starten. Dies bedeutete, dass sich die Ingenieure mit den vielen verschiedenen Problemen befassen mussten, denen das Fahrzeug im Alltag auf der Straße begegnen wird: hochpräzise Lokalisierung, Abbildung 1 .

    Abbildung 1 Autonomes Fahren erfordert viel Know-how in Bereichen wie Lokalisierung, Hinderniserkennung und Problemstrategieplanung (© Zapp2Photo | shutterstock)

    Abbildung 1
    Autonomes Fahren erfordert viel Know-how in Bereichen wie Lokalisierung, Hinderniserkennung und Problemstrategieplanung (© Zapp2Photo | shutterstock)




    Darüber hinaus sind weitere wichtige Faktoren die Umgebungserkennung, die Flugbahnplanung, die Quer- und Längssteuerung sowie zusätzliche übergeordnete Funktionen. Die Umgebungserkennung hilft mit verschiedenen Sensoren, die Umgebung aufzuzeichnen und beispielsweise Objekte zu erkennen und zu klassifizieren. Weitere Themen, die im Entwicklungsprozess zum autonomen Fahren eine Schlüsselrolle spielen, sind Konnektivität und Backend, ADAS-Validierung, elektrische Speichersysteme, Ladesysteme und Ladeinfrastruktur, Leistungselektronik und Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) sowie innovativ Konzepte, Prozesse und Methoden. Last but not least müssen Qualität und Sicherheit jederzeit gewährleistet sein.

    Die HARRI-Innovationsplattform integriert all diese notwendigen Komponenten und demonstriert auch die Kompetenz des Unternehmens im Bereich Software-Engineering. Das Projekt kombiniert agile Entwicklungsansätze mit Anwendungen für den Bewertungsstandard Automotive Spice. Darüber hinaus bietet die Plattform eine außergewöhnliche Benutzererfahrung, die auf psychologischen Untersuchungen und technischen Ansätzen basiert und sogar bis zur intuitiven Mensch-Maschine-Kommunikation über ein benutzerfreundliches HMI reicht.


    Entwicklung eines Displays für das HMI

    Displays und Maschinen werden immer komplexer und intelligenter. Die Qualität des HMI bestimmt, wie einfach sie von den Benutzern verwendet werden können. Bertrandt entwickelte neue Methoden, die keine Schalter, Knöpfe, Touchscreens usw. beinhalten und das Verständnis zwischen Mensch und Maschine verbessern. Das Hauptziel war die Entwicklung eines innovativen Displays für den HARRI-Technologie-Demonstrator ( Abbildung 2). Dabei wurden sowohl das technische Design derartiger Displays als auch Anwenderprobleme wie die Bewertung der Schnittstellen berücksichtigt. Eine wichtige Aufgabe war die Erstellung eines Anzeige- und Steuerungskonzepts für den Technologiedemonstrator. Zusätzlich wurde ein Fahrsimulator gebaut, um auch Benutzerstudien durchzuführen. So wurden Displaykonzepte in einer frühen Entwicklungsphase evaluiert.
    Für den Technologiedemonstrator wurde das HMI komplett neu entwickelt (© Bertrandt)

    Abbildung 2: Für den Technologiedemonstrator wurde das HMI komplett neu entwickelt (© Bertrandt)




    Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Softwareentwicklung einer Smartphone-App, mit der der Benutzer mit dem Pkw interagieren kann - nicht lokal, sondern remote. Somit können Informationen über den Ladezustand angefordert oder ein Befehl gesendet werden, um zu einem bestimmten Zeitpunkt an einen bestimmten Ort zu fahren.

    Für die externe Kommunikation wurde ein HMI geschaffen, das innovative Lösungen ermöglicht: Wie interagiert ein autonomes Fahrzeug mit seiner Umgebung? Wie kommuniziert es mit Fußgängern und Radfahrern? In diesem neu entwickelten Design sieht das Unternehmen ein großes Potenzial für neue Möglichkeiten in Bezug auf visuelle Funktionen, die eine Interaktion zwischen dem Fahrzeug und anderen Verkehrsteilnehmern ermöglichen.

    Die Datenverarbeitung innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs ist die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Digitalisierung und Konnektivität. Dieser Technologiedemonstrator demonstriert auch Themen wie eine solide Back-End-Struktur, die schnelle Erkennung und Verarbeitung der gesammelten Daten sowie die Car-2-X-Kommunikation.


    Basis für eine Cloud-basierte Architektur

    Um die Architektur für autonomes Fahren zu entwickeln, mussten sichere Datenübertragungspfade eingerichtet und eine Cloud-basierte Plattform entworfen werden. Auf diese Weise können von Sensoren aufgezeichnete Fahrzeugdaten in der Microsoft Azure-Cloud gespeichert und ausgewertet werden. Bertrandt konzentrierte sich auf die Kommunikation zwischen dem Pkw und den Backend-Systemen, um die für das autonome Fahren erforderlichen Daten zu verarbeiten. Daraus hat sich eine lösungsorientierte Plattform entwickelt. Die Konnektivitätsexperten halfen dabei, mehrere Autos - in Zukunft könnte dies sogar eine Fahrzeugflotte sein - mit der Bertrandt-Cloud zu verbinden. Es wurden auch Verbindungen zu zusätzlichen Geräten wie Smartphones hergestellt, die als HMI fungieren und ein Auto nach Erhalt der Bestätigung durch den Benutzer sicher in den autonomen Modus schalten können.

    Die von Bertrandt selbst entwickelte Automotive Analytics and Development Platform ist eine Lösung zur Analyse von Sensordaten und zur Entwicklung von Algorithmen mit künstlicher Intelligenz. Es gibt Schnittstellen in alle Bereiche des autonomen Fahrens. Die Software und Funktionen benötigen Informationen von den Back-End-Systemen, um sie beispielsweise zu lokalisieren und die Umgebung zu erkennen. Die HMI-Systeme benötigten auch Daten, die vom Back-End auf dem Display im Auto erzeugt wurden, sowie Statusmeldungen darüber, was der Technologiedemonstrator gerade tat oder tun wird. Die Kommunikationskanäle mussten auch für die elektrische Ladeinfrastruktur offen sein, die Informationen über das Fahrzeug und seinen Ladezustand liefert. Das eigens entwickelte modulare Tool- und Engineering-Kit bietet eine skalierbare,


    Ausführung autonomer Bewegungen

    Die Planung und Umsetzung autonomer Bewegungen war das zentrale Anliegen des Projekts. Bertrandt hat ein intelligentes autonomes Fahrsystem entwickelt, das selbständig reagieren und auf Basis von Umweltinformationen Entscheidungen treffen kann. Ein Schlüsselfaktor ist die Entwicklung der Software. Der Technologiedemonstrator kann derzeit mit zwölf Kameras, fünf Lidarsystemen und zehn Ultraschallsensoren in einem begrenzten Bereich autonom fahren. Die Algorithmen für diesen Sensorsatz wurden intern erstellt. Das autonome Fahrsystem kann mit künstlicher Intelligenz lernen und bereits Verkehrszeichen auf Autobahnen und Haltestellen an Kreuzungen erkennen.

    Nach der Bewegungsplanung wurde ihre Umwandlung in tatsächliche Bewegungen entwickelt. Dazu musste das Drive-by-Wire-System aktiviert werden. Das System steuert nicht nur die Lenkung und die Bremsen, sondern auch das Gaspedal und kann für verschiedene Prototypanwendungen angepasst werden. Die manuelle Lenkung kann über eine integrierte Joystick-Steuerung erfolgen. Obwohl dies für ein Level-4-System eigentlich nicht erforderlich ist, ist es als Fallback-Level bzw. für die Verwendung in Level-3-Anwendungen sinnvoll. Die eigentliche Zielübergabe wird jedoch von der mit dem Fahrzeug verbundenen App durchgeführt. In diesem Beispiel war es die Auswahl des Parkplatzes und die Rückgabeanforderung.


    Hochleistungs-Batteriemanagementsystem

    Der Trend zur Elektromobilität wird auch im HARRI-Technologie-Demonstrator berücksichtigt. Als eigene Entwicklung wurde ein skalierbares Batteriesystem entwickelt, das die Stromverbraucher des Fahrzeugs mit der erforderlichen Energie und Leistung versorgt. Das System verwendet die neuesten Lithium-Ionen-Zellen mit einer hohen volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte, wodurch das Batteriesystem etwa 60% leichter und kompakter ist als vorhandene Speicher ( Abbildung 3) . Es besteht aus mehreren Batteriemodulen in einer Karosseriestruktur, Abbildung 4, ein Hochleistungs-Batteriemanagementsystem (BMS) und eine Batterieanschlussdose. Jedes Modul verfügt über Sensoren zur Überwachung von Temperatur und Spannung. Die Informationen werden von Zellencontrollern an das BMS gesendet. Softwarealgorithmen im BMS verwenden die gesammelten Daten, um sicherzustellen, dass die Zellen in einem sehr engen Temperatur- und Spannungsbereich arbeiten. Die BMS-Daten werden anschließend über den CAN an das Fahrzeug übertragen.
    Das neu entwickelte Lithium-Ionen-Batteriesystem ist 60% leichter als herkömmliche Systeme von heute (© Bertrandt)

    Abbildung 3: Das neu entwickelte Lithium-Ionen-Batteriesystem ist 60% leichter als herkömmliche Systeme von heute (© Bertrandt)


    Technisches Innenleben des Technologiedemonstrators mit seiner Körperstruktur (oben rechts) (© Bertrandt)

    Abbildung 4: Technisches Innenleben des Technologiedemonstrators mit seiner Körperstruktur (oben rechts) (© Bertrandt)



    Autonomes Fahren führt zu besonderen Anforderungen an Energie, Leistung und Verfügbarkeit, die das Hochspannungssystem des Fahrzeugs erfüllen muss. Dieses System besteht aus der elektrischen Speichervorrichtung, die die Energie zum Antreiben des Fahrzeugs und zur Versorgung seines elektrischen Systems liefert, und dem Leistungselektroniksystem, das diese Energie in die erforderliche Form umwandelt. Der Akku kann über ein integriertes Ladegerät oder über eine externe Schnellladestation über eine herkömmliche Steckdose aufgeladen werden ( Abbildung 5). Die Batteriedaten werden vom BMS über CAN-Kommunikation an den Domänencontroller des Technologiedemonstrators gesendet und vom HMI auf den interaktiven Displays dargestellt. Die Konnektivitätsfunktionen und Back-End-Systeme senden und sichern die Daten an die Bertrandt Automotive Cloud, auf die beispielsweise Smartphone-Apps zugreifen können. Ein interner Softwareentwicklungsprozess und agile Entwicklungsmethoden ermöglichen es sicherzustellen, dass das Batteriesystem den Anforderungen an die funktionale Sicherheit von ISO 26262 entspricht und die Qualitätsspezifikationen von Automotive Spice erfüllt.
    Abbildung 5 Leitfähige Lademöglichkeit für den Technologiedemonstrator (© Bertrandt)

    Abbildung 5: Leitfähige Lademöglichkeit für den Technologiedemonstrator (© Bertrandt)




    Weiterentwicklung von Funktionsbereichen

    Bertrandt arbeitet derzeit eng an zwei Themenbereichen. Zum einen entstehen hochautomatisierte Ladefunktionen; Dies kann das leitende Laden mit einem Roboterarm oder über einen innovativen Steckverbinder oder einen induktiven Ansatz beinhalten. Zum anderen ist die hochdynamische Routenplanung mit dynamischer Objekterkennung ein weiteres spannendes Thema für die Weiterentwicklung der Funktionsbereiche des Unternehmens. Die HARRI-Innovationsplattform ist ein klarer Beweis dafür, dass Bertrandt nicht nur Lösungen für die einzelnen Trendthemen anbietet, sondern auch deren kombinierte Anwendung beherrscht.

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