Sensorsysteme für Car2X - Herausforderungen für die Fahrzeugarchitektur

1 Motivation

Die EU-Kommission hat das ambitionierte Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 die Anzahl der Verkehrstoten in Europa auf annähernd Null zu reduzieren, vgl. [1]. Die Einführung von Gurtrückhaltesystemen, die großflächige Marktdurchdringung von Sicherheitssystemen, wie Anti-Blockiersystem (ABS) und elektronischem Stabilitätsprogramm (ESC) waren wichtige Meilensteine auf dem Weg, die Fahrzeugsicherheit zu erhöhen. Die rasante Weiterentwicklung von elektronischen Komponenten wie Mikrocontrollern und Sensoren, und die damit einhergehende Kostenreduktion ermöglichen die Entwicklung und den breiten Einsatz weiterer Funktionen, die im einfachsten Fall den Fahrer bei der Aufgabe des Fahrzeugsteuerns entlasten und unterstützen können. Darüber hinaus werden Anwendungen ermöglicht, die die Fahrzeugumgebung beobachten, im Gefahrenfall frühzeitig warnen und gegebenenfalls ein Ausweich- und/oder Bremsmanöver einleiten. Schlüsselkomponenten für die Realisierung derartiger Funktionen basieren meist auf optischen Sensoren wie Kamera, Radar oder Lidar. Deren Reichweite ist jedoch begrenzt und die Zuverlässigkeit lässt bei Sichtbehinderungen nach. Aus diesem Grund wurde die Technologie der Car2X-Kommunikation auf Basis des ITS-G5 Standards (in USA: IEEE 1609) [2] entwickelt, um zuverlässig kritische Situationen in Echtzeit zu erkennen, auch wenn kein Sichtkontakt herrscht. Fahrzeuge tauschen entsprechende Informationen und Nachrichten untereinander und mit der Infrastruktur aus, so dass damit Funktionen möglich werden, die eine drohende Kollision mit einem verdeckt entgegenkommenden oder abbiegenden Fahrzeug erkennen und vermeiden können.
Eine wichtige Information für die Realisierung derartiger Funktionen ist eine sehr genaue und zuverlässige Bestimmung der eigenen Position; daher ist die Aufbereitung von GNSS-Daten essentieller Bestandteil solcher Systeme, s. [3] - [8]. Für die präzise Lokalisierung werden zusätzlich Drehraten-, Beschleunigungs-, Raddrehzahl- und Lenkwinkelinformationen benötigt, die die GNSS-Signale stützen. Aus den GNSS-Daten kann ferner die koordinierte Weltzeit (englisch UTC: universal time, coordinated) sehr exakt erfasst werden. Dies ermöglicht eine genaue Zeitstempelung aller im Steuergerät erfassten Signalen und abgeleiteten Größen wie Position, Drehraten, Beschleunigungen und Fahrzeuggeschwindigkeit.
In diesem Beitrag werden verschiedene Fahrzeugarchitekturen vorgestellt, wie das Car2X-Steuergerät in das Fahrzeug eingebunden werden kann und wie Sensoren an dieses Steuergerät angeschlossen bzw. in dieses Steuergerät integriert werden können.
Es werden die Auswirkungen behandelt, wie sich verschiedene Fahrzeugarchitekturen auf die Zeitsynchronität innerhalb des Fahrzeugs sowie zwischen Fahrzeugen auswirken
können. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf einem Vergleich von integrierten zu verteilten Sensorsystemen, die in diesem Zusammenhang auch GNSS-Receiver umfassen.

2 Anwendungsfälle und Anforderungen
2.1 CAM: Cooperative Awareness Messages
2.1.1 Anforderungen an Laufzeit

Der Erfolg von kooperativen intelligenten Transportsystemen (ITS) hängt essentiell von der Definition und Einhaltung gemeinsamer Standards ab, die gewährleisten, dass unterschiedliche Teilnehmer miteinander kommunizieren können. Verschiedene Gremien und Organisationen widmen sich der Standardisierung, wie zum Beispiel die internationale Standardisierungsorganisation (ISO), das europäische Standardisierungsgremium (CEN) oder das europäische Standardisierungsinstitut für Telekommunikation (ETSI).
Im technischen Report [9] der ETSI TC ITS Arbeitsgruppe „User and Application Requirements“ wird das Basisset von Car2X-Anwendungen vorgestellt. Dort werden vier Anwendungsklassen definiert: aktive Straßensicherheit, kooperative Verkehrseffizienz, kooperative lokale Dienste und globale Internetdienste. In der technischen Spezifikation [10] werden Anforderungen für Anwendungen, die Verkehrsgefahren anzeigen, beschrieben, darunter: sich näherndes Unfallfahrzeug, langsames Fahrzeug, stehendes Fahrzeug, elektronisches Notbremslicht, Falschfahrer, ungünstige Wetterbedingungen, Gefahrenstelle, Verkehrslage, Baustelle, Personen auf der Fahrbahn. So werden unter anderem für Anwendungen in kritischen Verkehrssituationen zur Vermeidung von Unfällen oder zur Senkung der Unfallschwere Anforderungen an hoch-dynamische Daten gestellt. Diese Datenelemente werden zusammen mit anderen Informationen über den Zustand der eigenen ITS-Station (z.B. Fahrzeug) zu Nachrichtenpaketen zusammengefasst, die periodisch mit bis zu 10 Hz ausgesandt werden. Diese Nachrichtenpakete werden gemeinhin als CAM (Cooperative Awareness Message) bezeichnet und dienen dazu, die umliegenden ITS-Stationen über den eigenen Fahrzeugzustand zu informieren. Eine Definition der CAM erfolgt in [11]. In [12] werden unterschiedliche Klassen von ITS-Stationen definiert. Höherwertige „A-Klasse“ Stationen sollen gewährleisten, dass zwischen dem Zeitpunkt T0 (an dem die Daten für die elektronischen Systeme verfügbar sind) und dem Zeitpunkt T1 (zu dem eine CAM mit dem Zeitstempel versehen wird, der der in der CAM enthaltenen gemessenen Absolutposition entspricht) maximal 150 ms vergehen sollen. Das Alter von hochdynamischen Daten soll also zur Zeitstempelung 150 ms nicht überschreiten, siehe Abschnitt 3.3.1 bzw. Bild 4.
In [12] findet sich die gesamte Wirkkette und die zugehörige Latenzzeit für die Übertragung von gemessenen Signalen. Es wird vorgeschlagen, dass für Anwendungen, die vor Längskollisionen warnen und ggf. Brems- oder Ausweichmanöver durchführen, die gesamte Latenzzeit von der Aufnahme des physikalischen Messwerts bis zum Initiieren eines entsprechenden Manövers maximal 300 ms betragen soll; dieses Zeitintervall entspricht einer zurückgelegten Strecke von 10 m bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h. ITS-Stationen der Klasse B erfüllen die Anforderung T1-T0 < 150 ms nicht und erlauben somit keine kollisionsvermeidenden Anwendungen.

2.1.2 Positions- und Zeitgenauigkeit

Für Anwendungen in hochdynamischen Fahrsituationen, beispielsweise wenn vor möglichen Frontalzusammenstößen gewarnt werden soll, ist neben der Kenntnis der Positionen der Fahrzeuge auch wichtig, dass gute Zeitsynchronität zwischen den beteiligten Fahrzeugen herrscht bzw. die Fahrzeuguhr nur wenig von einer gemeinsamen Zeitbasis, wie der koordinierten Weltzeit, abweicht. Eine Analyse verschiedener Anforderungen [z.B. 12, 13] an die Positions- und Zeitgenauigkeit für verschiedene Umgebungsszenarien (freier Himmel, Tunnel etc.) ergibt, dass sich das 95%-Konfidenzintervall3 der Absolutposition im Bereich von 5 - 15 m bewegen und der Fehler der Fahrzeugzeit kleiner als 10 - 20 ms sein soll.

2.1.3 Konfidenzintervall

Das Konfidenzintervall soll insbesondere für Klasse A ITS Stationen gemäß [10] für alle hochdynamischen Daten übertragen werden. Dazu zählen unter anderem: aktuelle Fahrzeugposition, Bewegungsrichtung des Fahrzeugs, Trajektorienkrümmung, Fahrzeugbeschleunigungen (longitudinal, lateral, vertikal), Gierrate, Lenkwinkel, Spurwechselanzeige, Bremspedalbetätigung, Gaspedalbetätigung.
Die Information über das Konfidenzintervall ist für die empfangenden ITS Stationen wichtig, um entscheiden zu können, ob die Qualität der erhaltenen Daten ausreicht, um diese für entsprechende Funktionen einzusetzen oder um sie zu ignorieren.
2.2 DENM: Decentralized Environmental Notification Message
Für die auf dem ITS-G5 Standard basierende Car2X-Kommunikation sind im Bereich um 5,9 GHz ein Kontrollkanal und zwei Service-Kanäle definiert. Über den Kontrollkanal, der auf
3 95%-Konfidenzintervall ist der Bereich um einen Messwert, in dem sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% der reale Wert befindet
niedrige Latenz optimiert ist und der durch Car2X-Teilnehmer ständig abgehorcht wird, werden zu den oben genannten CAM sogenannte DENM übertragen. Dies sind Nachrichten über akut aufgetretene Ereignisse, die direkt am Ort des Geschehens ausgesendet werden. Spezifiziert werden diese Nachrichten, die beispielsweise auf Stauenden, Einsatzfahrzeuge, Notbremsungen, Gefahrenstellen oder ähnliches hinweisen, in [14]. Betrachtet man den Anwendungsfall elektronisches Notbremslicht (bei dem im Falle einer Notbremsung eines Fahrzeuges nachfolgende Fahrzeuge gewarnt werden) werden folgende Anforderungen an das Beschleunigungssignal des bremsenden und daraufhin die DENM aussendenden Fahrzeuges gestellt: die Erstellung der DENM muss innerhalb von 100 ms nach der Notbremsung angefordert werden; zur Plausibilisierung der Notbremsung muss der Absolutbetrag der gemessenen Verzögerung des bremsenden Fahrzeugs größer als 0,4 m/s² sein und diese Beschleunigungsinformation darf nicht aus einem GNSS-Signal erzeugt worden sein [15]. Die sich hieraus ergebende Anforderung an die Laufzeit von Beschleunigungssensorsignalen ist sogar noch anspruchsvoller als die in 2.1.1 beschriebene.

3 Car2X-Fahrzeugarchitekturen
3.1 Schlüsselkomponenten

Für ein Car2x-System werden bestimmte Schlüsselkomponenten benötigt:

  • Antenne,
  • Empfänger für Informationen aus dem globalen Satellitennavigationssystem,
  • Sensoren für Drehraten, Beschleunigungen, Raddrehzahlen und Lenkwinkel,
  • Recheneinheit inklusive Speicher.

3.1.1 Antenne

Für das Senden und Empfangen der Car2X-Nachrichten wird mindestens eine Antenne im 5,9 GHz Band benötigt. Mindestens eine weitere Antenne empfängt die GNSS-Signale, aus denen die Eigenposition berechnet werden kann. Sogenannte Intelligente Antennenmodule beinhalten neben reinen passiven Antennen auch Platinen mit elektrischen Schaltkreisen zur Verarbeitung der empfangenen und zu sendenden Signale. Die Integration von GNSS-Empfängern und Mikroprozessoren zur Verarbeitung von Car2X-Signalen ist daher möglich. Da der zur Verfügung stehende Bauraum in einem derartigen Antennenmodul stark limitiert ist, können nicht beliebig viele Komponenten integriert werden. Modulare und skalierbare Ansätze sind nur beschränkt realisierbar. Heute verwendete Inertialsensoren, die aus mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) bestehen, können aufgrund der Empfindlichkeit dieser Sensoren gegenüber den starken mechanischen Vibrationen, die in der Umgebung von Dachantennen auftreten, nicht in diese integriert werden.

3.1.2 GNSS Empfänger

Aus den empfangenen GNSS-Signalen werden von einem GNSS-Empfänger in mehreren Schritten die Eigenposition und die Zeitbasis, z.B. UTC, abgeleitet. In vielen Fahrzeugen stellt bereits das Navigationssystem die entsprechenden Informationen bereit, typische Abweichungen gegenüber UTC liegen bei heutigen Systemen allerdings im Bereich von mehreren hundert Millisekunden. Wie oben bereits gezeigt, ist für manche Car2X-Anwendungen eine wesentlich höhere Genauigkeit erforderlich. Zusätzliche hochwertigere GNSS-Empfänger sind daher für hochperformante Car2X-Systeme notwendig. Neben der Antennenintegration können GNSS-Receiver in beliebige Steuergeräte wie z.B: ein Airbag-Steuergerät oder ein dezidiertes Car2X-Steuergerät verbaut werden. Dafür müssen dann allerdings die hochfrequenten GNSS-Signale über ein Koaxialkabel von einer entsprechenden Antenne zum Einbauort des Steuergeräts geleitet werden. Um die Vision Zero – Reduzierung der Anzahl der Verkehrstoten auf null - zu erreichen, treibt Continental die Weiterentwicklung des heutigen Airbag-Steuergerätes in Richtung Safety Domain Control Unit (SDCU) voran, das für verbesserte Insassenschutzfunktionen eine entsprechende ASIL D (Automotive Safety Integrity Level D) Umgebung zur Verfügung stellt. Die SDCU bietet unter anderem skalierbare Rechenleistung, skalierbare Inertialsensorik und erweiterte Anbindungen an die restliche Fahrzeugarchitektur, sie gewährt Zugang zu Umfeld- und Fahrdynamiksensoren und erlaubt somit die Integration von Fahrerassistenzfunktionen, s. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.. In einer Fahrzeugarchitektur, die aus den drei Domänen Sicherheit, Bewegung (Antrieb, Steuern, Bremsen) und Komfort & Mensch-Maschine-Schnittstelle besteht, ist die SDCU das Steuergerät der Sicherheitsdomäne. [16, 17]

3.1.3 Sensoren

Wie in 2.1.3 dargestellt, sollen unter anderem Informationen über Drehraten, Beschleunigungen, Raddrehzahlen und Lenkwinkel des eigenen Fahrzeugs an umliegende ITS-Stationen übertragen werden. Diese Sensoren, die in modernen Fahrzeugen für die ESC-Funktion bereits vorhanden sind, werden auch benutzt, um die Bestimmung der Eigenposition zu optimieren.

3.1.3.1 Raddrehzahlsensoren

Raddrehzahlsensoren sind die Basis für die Geschwindigkeitsberechnung des Fahrzeugs. Zur Erfüllung Ihrer originären Aufgaben im Antiblockiersystem (ABS) und in der Elektronischen Stabilitätskontrolle (ESC), die durch das Brems-Steuergerät durchgeführt werden, sind sie über eine Zweidrahtschnittstelle an dieses angeschlossen. Die Raddrehzahlsensoren basieren meist auf magnetischen Prinzipien und liefern Impulse, wenn entsprechend kodierte Elemente auf dem Rad an ihnen vorbeiziehen. Das Brems-Steuergerät kann die daraus berechnete Fahrzeuggeschwindigkeit, die einzelnen berechneten Radwinkelgeschwindigkeiten oder gar die Anzahl der einzelnen Impulse, die innerhalb eines Zeitfensters gezählt wurden, über den Fahrzeugbus anderen Busteilnehmern zur Verfügung stellen. Der Verbau-Ort sowie der Anschluss der Raddrehzahlsensoren an das Steuergerät, das die ABS und ESC-Funktion erfüllt, ist mittelfristig nicht veränderbar.

3.1.3.2 Inertialsensoren
3.1.3.2.1 Fahrdynamiksensoren

Die fortschreitende Miniaturisierung und Integration von Inertialsensoren hat dazu geführt, dass auch für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automobil bereits heute in einem einzigen Gehäuse Messelemente für Gierrate (Drehgeschwindigkeit um die Fahrzeughochachse) und für Beschleunigungen kleiner 100 ms-2 (Low-G) entlang aller drei Raumachsen untergebracht werden können. In greifbarer Zukunft werden IMUs (Inertial Measurement Units) verfügbar sein, die Beschleunigungen entlang aller drei Raumachsen und Drehraten um alle drei Raumachsen detektieren können. Gierraten- und Querbeschleunigungssignale werden wie Raddrehzahlsignale für die Elektronische Stabilitätskontrolle benötigt. ESC ist in die höchste Sicherheitsklasse ASIL D eingestuft, weswegen die Signale dem ESC-Steuergerät sicher und zuverlässig zur Verfügung gestellt werden müssen. MEMS Inertialsensoren, deren mechanische Reaktion auf Drehgeschwindigkeiten und Beschleunigungen elektronisch erfasst wird, sind aufgrund ihres mechanischen Wirkprinzips sensitiv auf mechanische Störungen mit Frequenzanteilen jenseits ihres Arbeitsbereichs bis 10 oder 50 Hz. Eine Abstimmung des Vibrationsverhaltens der Sensoren mit der Einbauumgebung ist wichtig für die sichere und zuverlässige Funktion der Inertialsensoren, aber nicht in jedem Einbauort erfolgreich durchführbar.
Zur Erledigung ihrer Messaufgabe müssen Inertialsensoren nicht an einem bestimmten Ort im Fahrzeug angebracht sein. Die Integration in unterschiedliche Steuergeräte im Fahrzeuginnenraum ist heute Stand der Technik; bevorzugt wird das Airbag-Steuergerät (Safety Contol Unit - SCU, s. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.), da diese Signale dort ebenfalls für sicherheitsrelevante Anwendungen genutzt werden und dort günstige Einbaubedingungen herrschen. Die Integration in ein ESC-Steuergerät ist machbar, stellt jedoch hohe Anforderungen an die Sensorelemente bezüglich Vibrations- und Temperaturrobustheit aufgrund der entsprechenden Umgebungsbedingungen im Motorraum. Die Integration von Inertialsensoren für ESC-Anwendungen in eine Antenneneinheit ist aus den in 3.1.1 genannten Gründen nicht zu empfehlen.

3.1.3.2.2 Unfallsensoren

In Unfallsituationen treten Beschleunigungen größer 1000 ms-2 auf. Das Auftreten derartiger Beschleunigungen ist Voraussetzung für das Zünden von Airbags und wird gemessen durch sogenannte High-G-Sensoren, die einerseits in der SCU verbaut sind, andererseits aber auch an mehreren Stellen im Fahrzeug als sog. Satellitensensoren Einsatz finden. Sie unterscheiden, ob es sich um einen Frontalzusammenstoß oder einen Seitenaufprall handelt. Das Wirkprinzip ist identisch zu den Low-G Sensoren, aber aufgrund des stark erweiterten Messbereichs müssen unterschiedliche Sensordesigns eingesetzt werden.
Wie in [18] dargelegt, ist es für die Entwicklung künftiger Sicherheitssysteme notwendig, auch weitere Unfallszenarien in Betracht zu ziehen, die mit erstaunlicher Häufigkeit auftreten - beispielsweise Szenarien, bei denen nach einem ersten Kontakt mit dem Bordstein oder
der Leitplanke die kinetische Energie des havarierenden Fahrzeugs immer noch sehr hoch ist. Die Sicherheitssysteme sollen auch hier die Situation korrekt einschätzen und sowohl das Fahrzeug stabilisieren als auch zum Insassenschutz im Falle einer zweiten Kollision beitragen. In derartig hochdynamischen Situationen ist es wichtig, zuverlässige Informationen mit entsprechend hoher Aktualisierungsrate im Millisekundenbereich zu erhalten. Eingebettet in eine ASIL D Steuergeräte-Architektur liefert die Plausibilisierung von integrierten High-G- mit Low-G- und Drehratensensoren die notwendige Basis und kann eine sinnvolle Ergänzung durch die Fusion mit GNSS-, Raddrehzahl- und Lenkwinkelsignalen erfahren.

3.1.3.3 Lenkwinkel und weitere Sensorinformationen

Weitere Sensoren, wie z.B. der Lenkwinkelsensor oder entsprechende Detektionsmechanismen zur Erkennung der Betätigung des Brems- oder Gaspedals sind zur Erfüllung ihrer Messaufgabe an den jeweiligen Messstellen angebracht und direkt oder indirekt an den CAN-Bus angeschlossen.

3.1.4 Recheneinheit

Mehrere SW-Schichten, die in Bild 2 dargestellt sind, gewährleisten die Funktionsfähigkeit eines Car2X-Systems:

  • ITS Zugangstechnologien: Medienzugriffssteuerung (MAC), Checksummenberechnung (CRC)…
  • ITS Geo-Netzwerk und Transport-Protokoll: geographische Adressierung und Weiterleitung, Datensammlung und Konsolidierung, weitere Datenaufbereitung …
  • ITS Facilities: Eigenpositionierung und Zeitsynchronisation (PoTi: Position and Time), Car2X-Nachrichtengenerierung und -bereitstellung (CAM, DENM), Anbindung an den Fahrzeugbus für Fahrzeugdaten und HMI-Daten …
  • Car2X-Anwendungen, wie elektronisches Notbremslicht, lokale Gefahrenwarnung ...
  • Security-Funktionen, z.B. für die Signierung und Verifikation von ein- und ausgehenden Nachrichten

Die dazugehörigen Elektronikkomponenten (Mikroprozessor, Speicher, Security Modul) müssen entsprechende Anforderungen an die Rechenleistung (mehrere hundert Millionen Instruktionen pro Sekunde) und an die Speicherkapazität (zweistellige Megabyte Direktzugriffsspeicher) erfüllen, die in aktuell verbauten Steuergeräten nicht einfach verfügbar sind. Der erforderliche Bauraum für die notwendigen zusätzlichen Ressourcen und für die entsprechende Infrastruktur kann z.B. in einem bereits vorhandenen Steuergerät (SCU) oder in einem Dachmodul in oder nahe der Antenne (Intelligentes Antennenmodul) vorgesehen werden. Alternativ kann ein Car2X-Steuergerät (Car2X-ECU: electronic control unit) eingeführt werden.

3.2 Fahrzeugarchitekturen

Demnach ergeben sich verschiedene Möglichkeiten für Fahrzeugarchitekturen. Bild 3 zeigt beispielhaft die Möglichkeiten, wenn die notwendige Rechenleistung durch ein Car2X-Steuergerät erbracht wird.

Das Car2X-Steuergerät kann entfallen, wenn die Rechenleistung oder der Speicherbedarf durch ein anderes Steuergerät abgedeckt wird, das ebenfalls über entsprechende Schnittstellen verfügt. Auch eine Fusion des Car2X-Steuergeräts mit dem Antennenmodul ist
vorstellbar – mit den entsprechenden Einschränkungen, die sich durch den stark limitierten Bauraum oder die dann notwendigen Koaxialkabel ergeben. Mit den oben genannten Integrationsmöglichkeiten und Rahmenbedingungen ergeben sich insgesamt sieben grundsätzlich unterschiedliche Architekturen, je nachdem, wo IMU, Recheneinheit und GNSS-Empfänger integriert werden, s. Tabelle 1. Als mögliche naheliegende Integrationsorte, die den Bauraum für die notwendigen Car2X Komponenten bereit stellen, werden eine Safety Domain Control Unit (s. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) als Erweiterung des Airbag-Steuergerätes, ein dezidiertes Car2X-Steuergerät sowie ein Intelligentes Antennenmodul betrachtet.

3.3 Bewertungskriterien
3.3.1 Laufzeitbetrachtung

Im Falle der Wirkkette mit der höchsten Laufzeit, die sich für Inertialsensoren in einem Airbag- oder ESC-Steuergerät ergibt, erhält man mehrere Anteile für die gesamte Laufzeit.

Der Sensor selbst hat aufgrund seines Übertragungsverhaltens je nach Ausgangsfilter eine Phasenverschiebung, die sich in einer Gruppenlaufzeit von bis zu 30 ms für Drehgeschwindigkeiten auswirkt, die sich mit 5 Hz ändern. Je nach Änderungsgeschwindigkeit der Drehraten kann die Gruppenlaufzeit um mehr als 10 ms schwanken. Signalverarbeitung und weitere Filterungen im entsprechenden Steuergerät führen zu weiteren Signalverzögerungen von 10 ms bis 30 ms. Je nach Bus-Architektur ist die Übertragungszeit stark unterschiedlich. Dies kann von wenigen Millisekunden für Flexray oder CAN mit getriggerten Botschaftsanforderungen mit hoher Priorität bis hin zu typischen
Werten von über 20 ms mit Schwankungen von mehreren Millisekunden für nicht-deterministische CAN Architektur reichen. Bis zu 30 ms können noch im Car2X-Steuergerät benötigt werden, um die erhaltenen Signale zu verarbeiten, sie gegebenenfalls mit GNSS-Signalen zu fusionieren und mit einem Zeitstempel zu versehen. In Summe erreicht man damit Signalalter von etwa 100 ms, was den in 2.1.1 und 2.2 geforderten Wert von 150 ms und 100 ms gerade genügt. Grundvoraussetzung ist allerdings eine Busarchitektur, die längere Verzögerungen verhindert.

3.3.2 Positionierungs- und Zeitgenauigkeit

Konventionelle GNSS-Technologien, die in Fahrzeugnavigationssystemen Verwendung finden, erreichen die in 2.1.2 geforderten Genauigkeiten nicht, insbesondere unter den angegebenen Fahrsituationen in Tunnel, Wald und Stadt. Detailliert untersucht wurde dies in [19] und [20]. Aus diesem Grund wurde von Continental die Positionierungslösung M2XPro® entwickelt, die aus der Fusion von Fahrdynamiksensoren (Raddrehzahl-, Lenkwinkel- und Inertialsensoren) mit GNSS-Daten die Absolutposition und die koordinierte Weltzeit mit erhöhter Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Verfügbarkeit bestimmt [7]. Dieser Algorithmus ist rechenintensiv und läuft im Rahmen der Car2X-Recheneinheit in der ITS Facility-Schicht. Je geringer der konstante und variable Zeitversatz zwischen den Eingangssignalen des Fusionsalgorithmus ist, desto genauer können die Position und die Zeit bestimmt werden. Eine maximale Integration der Fahrdynamik- und GNSS-Sensoren liefert die besten Ergebnisse.

3.3.3 Konfidenzintervall

Um das in 2.1.3 beschriebene Konfidenzintervall über die Luftschnittstelle zu anderen Fahrzeugen senden zu können, muss das Konfidenzintervall von Signalen, die über einen Fahrzeugbus zur Car2X-Recheneinheit gelangen, entweder vom entsprechenden Signallieferanten spezifiziert oder über den Fahrzeugbus mit übertragen werden. Dies ist in heutigen Systemen nicht der Fall. In einem Fusionsalgorithmus, wie M2XPro®, kann für jedes ausgegebene Signal ein Konfidenzintervall berechnet werden. Insbesondere kann durch die Plausibilisierung verschiedener Signalquellen die Konfidenz stark erhöht werden, d.h. die jeweiligen Konfidenzintervalle können entsprechend reduziert werden. Hohe Integration und somit geringe Laufzeiten und Laufzeitschwankungen wirken sich positiv auf Konfidenzintervalle aus. Ferner können integrierte Sensoren mit höherer Frequenz abgetastet werden und der Fusionsalgorithmus kann besser auf die verbauten Sensoren optimiert werden.

3.3.4 Funktionale Sicherheit

Wie in 3.1.3.2.2 dargestellt, kann es für sicherheitsrelevante Anwendungen von Vorteil sein, die IMU in dem Steuergerät zu integrieren, das auch mit den High-G-Sensoren verbunden ist, in unserer Betrachtung also die SDCU. Die SDCU bietet aufgrund ihrer grundsätzlichen ASIL-Fähigkeit ideale Rahmenbedingungen für die Integration weiterer sicherheitsrelevanter Anwendungen. Aufgrund der schrittweisen Einführung der Car2X-Applikationen wird eine Car2X-ECU im ersten Schritt keine ASIL-Anforderung erfüllen müssen, kann aber entsprechend gestaltet werden. Zukünftige Car2X-Anwendungen aus dem Sicherheitsbereich, wie Linksabbiegeassistent oder Querverkehrsassistent, müssen jedoch ASIL-Anforderungen erfüllen. In eine Antenneneinheit werden voraussichtlich keine sicherheitsrelevanten Funktionen integriert werden.
Auch auf die funktionale Sicherheit von automatisiertem Fahren, für das Car2X-Anwendungen eine Schlüsselfunktion bilden, hat die Car2X-Architektur Einfluss. Architekturkonzepte für automatisiertes Fahren bestehen aus zwei größtenteils voneinander getrennten Subsystemen, so dass ein Subsystem das Fahrzeug in einen sicheren Zustand bringen kann, sollte das andere ausfallen. Ein Subsystem kann die SDCU und die Car2X-ECU mit den Fahrdynamiksensoren und GNSS beinhalten, während das zweite Subsystem etwa aus dem Fahrerassistenz-Steuergerät mit den zugehörigen optischen Sensoren bestehen kann. Für eine möglichst zuverlässige Rückfallfunktionalität ist es von Vorteil, dass das entsprechende Teilsystem möglichst räumlich und elektronisch integriert und von dem anderen System separiert ist, um nicht durch dieselbe Ursache auszufallen.

3.3.5 Zusammenfassung

Fokussiert man sich bei der Bewertung der verschiedenen Fahrzeugarchitekturen auf die Ziele kurze Laufzeit, hohe Positions- und Zeitgenauigkeit, schmales Konfidenzintervall und hohe Funktionale Sicherheit ergibt sich das in Tabelle 1 dargestellte Bild. Weitere Kriterien wie z.B. Security oder auch eine detaillierte Analyse der Systemkosten wurden in dieser Abhandlung explizit nicht herangezogen.
Zusammenfassend kann man sagen, dass bzgl der in 3.3.1-3.3.4 behandelten Kriterien höher integrierte Systeme eher von Vorteil sind. Sicherheitsrelevante Aspekte sprechen für eine Integration in die SDCU - auch aus Kostengründen sind integrierte Systeme zu bevorzugen. Da große Hoffnungen auf Car2X ruhen und zeitnahe Serieneinführungen gewünscht sind, wird für erste Architekturen eine verteilte Lösung einfacher umzusetzen sein - mit entsprechenden Performance-Einbußen. Mittelfristig werden allerdings auf Basis integrierter Lösungen sicherheitsrelevante aktive Car2X-Anwendungen entwickelt werden, die wesentliche Stützpfeiler für automatisiertes Fahren sein werden.

Autor des Artikels:

Dr.-Ing. Stefan Günthner, Continental, Frankfurt;
Bernhard Schmid, Continental, Frankfurt;
Dr.-Ing. Ulrich Stählin, Continental, Frankfurt;
Dr.-Ing. Gunnar Jürgens, Continental, Frankfurt;