Automotive Systeme

Die Entwicklung von mechatronischen Systemen, also Systeme welche aus Software, der Elektronik und Aktuatoren bestehen, erfolgt in der Regel nach Systems Engineering Prinzipien und Prozessen wie Sie in der Norm, ISO / IEC 12207 “Systems and software engineering – Software life cycle processes”, beschrieben werden. Automobile bestehen aus einer Vielzahl von Systemen, wie zum Beispiel:

• Motorsteuerungssystem (z.B. Electronic Diesel Control)
• Bremssystem (Anti-Blockier System, Stabilitätssysteme wie z.B. Electronic Stability Program)
• Lenksystem (z.B. Electronic Power Steering)
• Rückhaltesystem (Gurtstraffer, AIRBAG)
• Reifendruckkontrollsystem
• Fahrerassistenz Systeme (Notbremsassistent, Spurhalteassistent, Totwinkelassistent)

Die oben genannten Systeme sind bereits Serienausstattungsumfang. In Zukunft kommen gerade für das Hochautomatisierte und Autonome Fahren weitere Systeme und Funktionen hinzu, welche den Fahrer nicht nur assistieren, sondern eigenständig das Fahrzeug beschleunigen, bremsen und lenken. Die Entwicklung und Freigabe dieser Systeme bauen auf den bewährten Prozessen und Methoden aus der Systems Engineering Disziplin.

Abbildung 1  Beispielhafte Darstellung des Systems „Fahrzeug“ und dessen Subsysteme und Funktionen, Abbildung Quelle (Schäuffele & Zurawka, 2016)

Betrachtet man das Fahrzeug als Gesamtsystem (siehe Abbildung 1), so können die Subsysteme wie Antriebsstrang, Fahrwerk oder der Fahrerassistenz als Subsysteme betrachtet werden.[1] Die Subsysteme, welche wiederum in Ihren eigenen Systemgrenzen abgegrenzt werden können, bestehen aus einer Vielzahl an Funktionen (siehe Abbildung 1 mit „f“ gekennzeichnet). Diese Funktionen können beim Subsystem z.B. die ESP-Funktion sein (Elektronisches Stabilitätsprogramm für Regelung der Fahrdynamik) oder die ABS-Funktion (Anti Blockier Funktion der Bremse, für Lenkfähigkeit bei vollem Bremsdruck) Funktionen sein. Die Entwicklung ist noch lange nicht am Ende, z.B. werden für das Fahrerassistenzsystem, welches als Basis für das hochautomatisiertes Fahren oder auch autonomes Fahren darstellt, viele weitere Funktionen entwickelt.[2]

Abbildung 2 Prinzip Steuergerät/Mikrocontroller mit Schnittstellen, Abbildung Quelle (Schäuffele & Zurawka, 2016, p. 210)

Die Funktionen werden für bestimmte Anwendungsfälle, auch als „Use Case“ bezeichnet, entwickelt. Ein „Use Case“ stellt die Spezifikation oder eine „abstrakte“ Beschreibung einer allgemeinen, für den Serieneinsatz vorgesehenen, Anwendungsfall dar. Die Funktionen, unabhängig vom „Use Case“, werden nach heutigem Stand der Technik über die Software realisiert. Die Software ist in einem programmierbaren „Internem ROM“(„Read Only Memory“Speicher) gespeichert, welche auf einem oder mehreren Mikroprozessoren ausgeführt wird. Die Mikrocontroller, welche die Mikroprozessoren, Speicher und Schnittstellen beinhaltet (siehe Abbildung 2) können  aufgrund Anforderungen aus der Funktionalen Sicherheit weitere Komponenten wie einen zweiten Mikroprozessor als Redundanz oder „Hardware Watch Dogs“ aufweisen, z.B. für den Fall eines Hardware- oder Softwarefehlers kann z.B. mit einem zweiten unabhängigen Mikroprozessor auf der Platine des Mikrocontrollers, eine wichtige sicherheitskritische Funktion aufrechterhalten werden (z.B. beim Bremssystem die Bremsfunktion).[3]

Die Systeme eines Fahrzeugs werden als physikalische Steuergeräte (siehe Abbildung 2 oben) in einer Systemarchitektur wie folgt beispielhaft zusammengefasst [4]:

Abbildung 3 Systemarchitektur, „Physikalische Sicht“ Abbildung Quelle (Staron, 2017, p. 166)

Die Kommunikation zwischen einer „Main ECU“, also einem Hauptsteuergerät des Fahrzeugs, und beispielsweise weiteren Systemen wie dem Fahrerassistenzsystem (ADAS: Advanced Driver Assistance and Support[5]) erfolgt über die Flexray und / oder CAN Bus (CAN: Controller Area Network) Schnittstellen. Die Systemarchitektur stellt alle physikalischen Einheiten, in diesem Fall Steuergeräte, der Systeme im Fahrzeug dar. Als ein „System“ im Fahrzeug kann also von einem Steuergerät mit Software und Funktionen gesprochen. Es gibt auch mechatronische Systeme, diese bestehen aus der Elektronik Hardware (siehe in Abbildung 3), der Software sowie noch aus weiteren mechanischen Aktuatoren wie z.B. Magnetventile für die Steuerung eines hydraulischen oder pneumatischen Bremsdruckes (für die Ansteuerung der Bremsbeläge als Beispiel).

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[1] (Schäuffele & Zurawka, 2016)

[2] (Becker, et al., 2017)

[3] (Schäuffele & Zurawka, 2016)

[4] (Staron, 2017)

[5] (Staron, 2017, p. 166)

Literaturverzeichnis

Becker, J., Helmle, M., Pink & Oliver, 2017. System Architecture and Safety Requirements for Automated Driving. In: D. Watzenig & M. Horn, Hrsg. Automated Driving – Safe and More Efficient Future Driving. Graz/Austria: Springer Verlag, pp. 265-283.

Back, S. & Weigl, H., 2014. Design for Six Sigma, Kompaktes Wissen, Konkrete Umsetzung, Praktische Arbeitshilfen. München: Hanser Verlag.

Schäuffele, J. & Zurawka, T., 2016. Automotive Software Engineering. 6.Auflage Hrsg. Stuttgart: Springer Verlag.

Staron, M., 2017. Automotive Software Architectures. Gothenburg, Sweden: Springer .