Kameras, LIDAR, RADAR, Antennen, Rechner und Aktoren… Wenn Autonome Fahrzeuge unsere Sinne als steuerndes Element ersetzen sollen, wird es komplex. Keine Frage, das Autonome Auto ist ein rollender Computer – und – es ist gesprächig, denn es ist ständig mit seiner Umwelt in Kontakt, mit anderen Fahrzeugen, Ampeln und Verkehrsrechnern. Diese Art der Anbindung und Vernetzung ist unabdingbar, damit mögliches Gefahrenpotential rechtzeitig erkannt und in die Aktionen des Fahrzeugs einberechnet werden kann. Lösbar wird die Entwicklung solch komplexer Systeme oft nur mit Hilfe geeigneter Simulationsanwendungen, jedenfalls, wenn man im Zeit- und Kostenrahmen bleiben muss.
Die Kernherausforderungen bei der Platzierung der notwendigen elektronischen Einbauten in Autonomen Fahrzeugen liegen hauptsächlich in der Einhaltung stringenter Designkonzepte, dem Kostendruck und den Installationsvorgaben. Manchmal hängen sie aber auch ganz simpel von Umwelteinflüssen wie Spritzwasser ab, Eis und Schnee. Dies erschwert den optimalen Einbau von elektronischen Systemen.
Per Simulation lassen sich komplexe Vorgaben bereits im Voraus überprüfen und ohne Verfügbarkeit eines physischen Prototyps feststellen, zum Beispiel ob am Fahrzeug montierte Antennen eine zuverlässige Kommunikation gewährleisten. Aber auch Optimierungen sind auf Systemebene möglich. So kann sichergestellt werden, dass die verbauten Antennen alle spezifischen Anforderungen hinsichtlich vorgegebenem Frequenzband oder angedachter Platzierung erfüllen. Zusätzlich ist es möglich, die Variantenvielfalt der Fahrzeuge zu berücksichtigen, da diese beispielsweise mit oder ohne Schiebedach und teils mit unterschiedlicher elektronischer Ausstattung ausgeliefert werden.
Genaue Analysen werden auch verlangt, wenn es um die Mehrwegeausbreitung von Funksignalen im urbanen Umfeld oder Multiple Input Multiple Output (MIMO) bei mehreren parallel genutzten Antennen geht. Hier lassen sich „räumliche Fingerabdrücke“ generieren, die besonders in solchen Situationen vorteilhaft sind, wo es keine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger gibt. Ein typisches Anwendungsbeispiel wäre eine enge städtische Bebauung, in der sich zwei Fahrzeuge ohne direkten Sichtkontakt mit Kollisionskurs aufeinander zubewegen und per Funk gegenseitig Position und Fahrtrichtung mitteilen.
Nicht zuletzt müssen die Konstrukteure die elektromagnetische Verträglichkeit aller elektronischen Systeme und Antennen sicherstellen. Dabei steht immer das Gesamtsystem im Fokus. Hier reicht ein elektromagnetischer Simulationsansatz alleine nicht aus, denn strukturmechanische Randbedingungen müssen ebenso in die Analyse einbezogen werden, wie das Dynamikverhalten des Automobils in Echtzeit oder Verschmutzungen von Sensoren bei Fahrten durch Schlamm und Wasser.
Qualität und Zuverlässigkeit von Sensoren hängen sehr stark davon ab, wie und wo sie am Fahrzeug angebracht werden. Dies gilt insbesondere für Radarsensoren. Elektromagnetische Streusignale innerhalb der Autokarosserie sowie Verschmutzungen oder Erschütterungen können dazu führen, dass die korrekte Bestimmung von Entfernung, Lage und Art potentieller Kollisionsobjekte erschwert wird. Mit Hilfe von Simulation können die Entwickler Variantenvielfalt, Umwelteinflüsse und Qualitätsschwankungen vorhersagen, bewerten und entsprechende Maßnahmen ergreifen, ohne zeit- und kostenintensive Prototypenentwicklungen zu benötigen.
Die Simulation von autonomen Fahrzeugen (Autonomous Vehicles, Kurzform: AV) als Ersatz für reale Testfahrten ist keine radikal neue Idee. GM hat vorausgesagt, dass 95% der zukünftigen AV-Tests virtuell sein werden und nicht physikalisch. Dies ist nicht überraschend angesichts der Milliarden von Testkilometern, die nach allgemeiner Auffassung erforderlich sind, bevor vollständig selbstfahrende Autos auf die Straße gebracht werden können. Die Hersteller sehen erhebliche Kosten- und Zeiteinsparungen durch den Einsatz von Simulationen, da sich Verkehrsszenarien und Probleme, mit denen Fahrzeuge konfrontiert werden, in frühen Entwicklungsphasen erkennen und beheben lassen.
Es bedarf noch einiger Zeit und weiterer Entwicklungen, bis sich Autos in allen Verkehrssituationen selbstständig und kollisionsfrei fortbewegen. Dassault Systèmes ebnet schon jetzt den Weg mit seinen Lösungen der Marke SIMULIA und den Fokustechnologien von CST und Powerflow, passende physikalische Lösungen für beinahe jedes Subsystem zur Verfügung zu stellen und den Anwender bei der Übertragung in Echtzeitsimulationsszenarien zu unterstützen. Damit lassen sich Entwicklungszeiten von der Konzeption bis zum fertigen Produkt erheblich verkürzen.
Das Webinar <<Connected and Autonomous Vehicles>> aus der Serie <<Future Mobility>>bietet einen Überblick, wie Fahrzeuge ihre Umgebung erfassen und wie die gewonnenen Informationen umgesetzt und per Funk übertragen werden. Ansehen lohnt sich.
Co-Autor – Franz Hirtenfelder:
Franz Hirtenfelder arbeitet als Territory Technical Senior Manager bei Dassault Systèmes EuroCentral im Bereich Pre-/Postsales. Er widmet sich insbesondere den Themen: Antennen, Radar sowie diversen Hochfrequenz-Bauteilen und blickt auf eine jahrzehntelange Berufserfahrung bei der Betreuung von Anwendern mit komplexen Problemstellungen zurück. Aktuell beschäftigt er sich mit der Integration von CST Technologien im Bereich autonomes Fahren und weiteren Zukunftsthemen bei Dassault Systèmes.
