Forschungsbericht : Forschung und Entwicklung 2019

Präsentiert werden ausgewählte Forschungsprojekte und Forscher/-innen sowie die Forschungsprofile der vier Fachbereiche und der Zentren/Institute

Update-Programming in motor vehicles via heterogeneous communication networks

Die bestehende, historisch gewachsene, Elektronik- und Kommunikationsarchitektur stößt immer mehr an ihre Leistungsgrenzen und muss in einem ganzheitlichen Ansatz neu überdacht werden. Ausgehend von der Historie der Kfz-Elektronik erfolgt eine Abschätzung der weiteren Entwicklung des Kfz mit den zu erwartenden Folgen für ein Fahrzeug- Kommunikationssystem. Die derzeit verfügbaren automobilen Datenbussysteme werden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für eine neue fortschrittliche Architektur bewertet. Im Mittelpunkt dieser Betrachtungen steht FlexRay als ein neuartiges zeitgesteuertes Datenbussystem der Automobilindustrie, dem als Backbone eine zentrale Rolle der vorgestellten Architektur zukommt. Nach der Einführung der eingesetzten Übertragungssysteme werden die beiden grundsätzlichen Architekturformen, die Gateway- und Backbone-Architektur, miteinander verglichen und die Vorteile der Backbone-Architektur heraus gearbeitet. Die Realisierung der einzelnen Domänen in Hard- und Software bis hin zum Aufbau des vollständigen Kommunikationssystems werden umfassend beschrieben und die dahinter stehenden Überlegungen verdeutlicht. Dieser neuartige Architekturentwurf erfordert ein Routingprotokoll, das vom Aufbau her an das Internetprotokoll IP angelehnt ist. Es übernimmt an Stelle des Super-Gateways der Gateway-Architektur die Aufgabe der Adressierung und der Vermittlung der Daten. Als Ergebnis dieser Arbeit steht ein Labor-Fahrzeugnetzwerk, das eine entsprechende Backbone-Architektur mit FlexRay-Backbone und einem Bluetooth-Diagnosezugang implementiert. Mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Diagnosetester ist die Update-Programmierung der Steuergeräte über das Netzwerk möglich. Die dafür notwendigen Voraussetzungen wie bspw. ein Flashbootloader wurden implementiert und der Nachweis der Funktionsfähigkeit der Backbone-Architektur damit erbracht.The current existing electronic and communication architectures are running more and more into to max capacity. Therefore a new holistic solution has to be made. This dissertation analyses the historical developments of current vehicle electronic systems in order to explain the restrictions for future requirements of automotive architectures. Based on these historical grown restrictions an estimation of the future developments and the expected consequences for in-vehicle communication systems was made. Starting from the theoretical basics the current available automotive data bus systems are introduced. Also the ability of these bus systems to run in modern communication architectures is assessed. Most emphasis is placed on FlexRay a newly developed, time triggered and fast bus system for the automotive industry. For that reason the FlexRay bus is used as a backbone and therefore it takes a very important position in the proposed communication architecture of this dissertation. The fundamental architectures, the gateway- and the backbone architecture, are compared and the advantages of the backbone architecture are named after the introduction of the used transmission systems. It is described in detail the realisation of the specific hard- and software domains up to the construction of the complete communication system. This developed architecture leads to new requirements for the communication protocols which are not or only with a lot of effort accomplishable with CAN based protocols. Therefore a routing protocol was developed that is similar to the internet protocol IP. The result of this dissertation is a prototype of an automotive network. The network is realised as a backbone architecture containing a FlexRay backbone. A Bluetooth diagnostic interface is also implemented. It is possible to update the software of the control unit (ECU) over the network with a self-developed diagnostic tester. The necessary requirements for the update programming, e.g. Flash-Bootloader, were implemented and the verification of the backbone architecture was adduced

Eine Entwicklungsmethodik für sicherheitsrelevante Elektroniksysteme im Automobil

Es wird eine neue Entwicklungsmethodik für sicherheitsrelevante Elektroniksysteme im Automobil vorgestellt. Die im Automobilbereich gängige Methodik wird um Inhalte bzgl. Sicherheit und Zuverlässigkeit erweitert, die an den Luftfahrt-Standard SAE ARP 4761 angelehnt an die Anforderungen im Automobilbereich angepasst wurden. Wesentliche Erweiterungen sind neben dem Einsatz einer Gefährdungsanalyse der intensive Einsatz von FTA und FMEA zum Nachweis der Sicherheitseigenschaften des Systems

Prüfplanung - Ein neues Prozessmanagement für Fahrzeugprüfungen

Für komplexe und sicherheitsrelevante Produkte wie Personenkraftwagen sind Prüfungen zur Qualitätsabsicherung im Produktionsprozess aus vielfachen Gründen erforderlich. Insbesondere sind gesetzliche und normative Vorgaben zu beachten. Das neue Prozessmanagement umfasst die Prüfplanung und die Organisation. Der Prüfplanungsprozess beinhaltet einen neu entwickelten Priorisierungsalgorithmus. Es wird ein numerisches Verfahren für die Auswahl der wichtigsten Prüfungen beschrieben

Systemorientierung in der modellbasierten modularen E/E-Architekturentwicklung

In modernen Kraftfahrzeugen wird heute für fast jede neue Funktionalität verteilte Software eingesetzt. Sie kommt auf E/E-Komponenten zur Ausführung und ist damit Teil von verteilten Elektrik/Elektronik (E/E)-Systemen, die eine Kunden- oder eine technische Funktionalität erbringen. Durch die Zunahme der verteilten Software-basierten Fahrzeugfunktionen ist heute die Kontrolle der Komplexität im Fahrzeug eine Kernherausforderung [54, 126]. Gleichzeitig müssen Fahrzeughersteller mit immer schnelleren Innovationszyklen umgehen [24, 54]. Es werden Plattform- und Modulstrategie-Ansätze mit dem Ziel eingesetzt, möglichst gemeinsame Komponenten über viele Fahrzeuge hinweg zu verwenden [168], der Komplexität zu begegnen und Entwicklungs-Zeit und -Kosten zu reduzieren [46]. In diesem Spannungsfeld ist insbesondere die E/E-Architektur des Fahrzeugs betroffen. Sie verbindet alle E/E-Komponenten der E/E-Systeme und ermöglicht deren Interaktion. E/E-Architekturen werden modelliert mit dem Ziel E/E-Architekturen zu entwerfen, zu bewerten, zu dokumentieren und abzusichern. Die E/E-Architekturmodellierung wird eingesetzt um eine möglichst optimale Lösung zu finden [69, 159], wobei sich die Entwurfskriterien oft diametral gegenüberstehen [171]. Bei der Auslegung der E/E-Architektur ist die Absicherung der Interaktion der E/E-Komponenten, die über Software und Hardware erfolgt, ausschlaggebend. Die E/E-Komponenten sind einerseits in E/E-Systemen und andererseits in E/E-Modulen der Modulstrategien organisiert. E/E-Module werden durch die Modulstrategien in der mechanischen Fahrzeugentwicklung als Teil eines vereinfachten, schnelleren Produktionsprozess definiert und weiterentwickelt. Die Evolution (Weiterentwicklung) der E/E-Module wird in den Modulstrategien ausschließlich Hardware-orientiert, d.h. ohne Betrachtung der Software und Auswirkung auf diese durchgeführt. Für die E/E-Architektur wird die Interaktion der Software heute lediglich nach Best Engineering Practice bewertet und wird somit ohne durchgängigen Prozess, Werkzeugunterstützung und Methodik durchgeführt. Damit sind sobald die Software mit einbezogen wird die \og Ziele, die mit der E/E-Architekturmodellierung verfolgt werden, heute nicht umsetzbar. Diese Arbeit hat das Ziel, die Herausforderungen für die zukünftige E/E-Architekturauslegung in diesem Spannungsfeld zu identifizieren und ein Lösungskonzept anzubieten. Dafür wird ein neuer systemischer Ansatz verfolgt. Es wird für die E/E-Architekturmodellierung untersucht, wie E/E-Systeme und E/E-Module einbezogen und die Evolution von E/E-Systemen einschließlich der E/E-Module durchgeführt werden kann. Als Lösungskonzept wird mit dieser Arbeit das E/E-System Produktlinien Engineering vorgestellt. Das Konzept wird im industriellen Umfeld ausgearbeitet und löst den heutigen modulorientierten Ansatz ab. Dabei wird der heutige Ansatz um Funktionen und E/E-Systeme erweitert und die Abhängigkeiten zwischen den Funktionen, E/E-Modulen und E/E-Systemen erfasst. Dadurch wird eine effiziente und modellübergreifende Wiederverwendung von E/E-Systemen ermöglicht. Zudem wird auf Methoden der Software-Entwicklung zurückgegriffen um die Evolution von E/E-Systemen zu realisieren: Zweigeteilt wird hierbei über eine neue Modellierungsebene eine Bewertung einer Evolution im E/E-Architekturmodell vorgenommen und mit einem neuen Modell für die Funktionen eine Umsetzung der Evolution im E/E-Architekturmodell ermöglicht. Für das E/E-System Produktlinien Engineering werden Anwendungsfälle erarbeitet und prototypisch im Werkzeug für die E/E-Architekturmodellierung PREEvision implementiert. Mit einer praktischen Fallstudie werden die Anwendungsfälle evaluiert. Mit den Konzepten dieser Arbeit werden erstmals die Ziele für die E/E-Architekturmodellierung nicht nur für die Hardware erreicht sondern eine vollständige Betrachtung eines E/E-Systems einschließlich der funktionalen Anteile (Software) realisiert. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist eine Steigerung der Modellierungseffizienz für fast alle Anwendungsfälle. Insgesamt wird das E/E-System Produktlinien Engineering in einem industriellen Kontext im Geschäftsbereich Mercedes-Benz Cars der Daimler AG erarbeitet und evaluiert. Es werden konkrete Fragestellungen und Probleme aus der Praxis der E/E-Architekturentwicklung für Kraftfahrzeuge behandelt und E/E-Systeme und Szenarien aus der E/E-Architektur-Domäne Chassis/Fahrerassistenz herangezogen. Produktiv eingesetzt werden einige Konzepte des E/E-System Produktlinien Engineerings im E/E-Plattform-Entwicklungsprojekt STAR3, das die nächste Generation der Mercedes-Benz S-Klasse und nachfolgender Kraftfahrzeuge bei Mercedes-Benz Cars umfasst

Prüfplanung : ein neues Prozessmanagement für Fahrzeugprüfungen

Die Arbeit analysiert die Potentiale der Risikoanalyse für die Planung von Prüfungen, Tests und Wartungsmaßnahmen an technischen Systemen. Der Autor beschreibt ein Prozessmanagement zur Prüfplanung, welches die Definition von komponenten- und funktionsbezogenen Qualitätsmerkmalen, die Risikobewertung der Qualitätsmerkmale, sowie einen neuartigen numerischen Priorisierungsalgorithmus umfasst. Die Methode ist generisch formuliert, die Anwendung ist für Personenkraftwagen erläutert

Towards Automotive Embedded Systems with Self-X Properties

With self-adaptation and self-organization new paradigms for the management of distributed systems have been introduced. By enhancing the automotive software system with self-X capabilities, e.g. self-healing, self-configuration and self-optimization, the complexity is handled while increasing the flexibility, scalability and dependability of these systems. In this chapter we present an approach for enhancing automotive systems with self-X properties. At first, we discuss the benefits of providing automotive software systems with self-management capabilities and outline concrete use cases. Afterwards, we will discuss requirements and challenges for realizing adaptive automotive embedded systems

Planung kooperativer Fahrmanöver für kognitive Automobile

Fahrerassistenzsysteme eröffnen die Möglichkeit für automatische Eingriffe in Gefahrensituationen und bieten dadurch ein Potenzial zur Unfallvermeidung und zur Minimierung der Unfallschwere im Straßenverkehr. Die Handlungen mehrerer kognitiver Fahrzeuge können über Funkkommunikation miteinander koordiniert werden. Diese Dissertation untersucht potenziell echtzeitfähige Bewegungsplanungsalgorithmen zur Planung von Fahrmanövern, die von mehreren Fahrzeugen kooperativ ausgeführt werden können

Dynamische Rekonfigurationsmethodik für zuverlässige, echtzeitfähige Eingebettete Systeme in Automotive

Currently, dynamically reconfigurable systems are not used in automotive and there is no process model for their development. The focus of this dissertation is to explore methods and approaches for the development of such systems. One major architectural driver is autonomous driving, another is functional high integration on central computing platforms. Taking these into account, dynamic reconfiguration is classified and explored

Modulorientiertes Produktlinien Engineering für den modellbasierten Elektrik/Elektronik-Architekturentwurf

Heutzutage werden E/E-Architekturen modellbasiert entworfen, um in der Fahrzeugentwicklung frühzeitig den Reifegrad für die fahrzeugweite Vernetzung und Integration von Elektrik, Elektronik und Software abzusichern. Das methodische Konzept und die praktische Umsetzung durch das Modulorientierte Produktlinien Engineering ermöglicht eine Erhöhung der Modellierungseffizienz und der Modellqualität sowie eine Anwenderunterstützung für die Modellierung der komplexen E/E-Architekturmodelle