29.04.2022 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Virtual Test Drive: Prozesskette für die Fahrsimulation

Virtual Test DriveQuelle: zapp2photo/Shutterstock.com

Damit sich autonome Fahrzeuge im Straßenverkehr sicher bewegen können, müssen zahlreiche Sensoren die Umgebung exakt erfassen. Die Daten müssen zusammengeführt werden. Damit das funktioniert, sind virtuelle Tests unumgänglich.

Virtual Test Drive: Die Zusammenführung der von den Sensoren erfassten Informationen, auch Sensordatenfusion genannt, gehört zu den wichtigsten Aspekten in autonomen Fahrzeugen. Sie unterstützt Aufgaben wie die Objekterkennung, die Positionsbestimmung und die Kartierung. Damit ein autonomes Fahrzeug selbsttätig fahren kann, muss das System mit einheitlichen sowie hochgenauen und verlässlichen Daten versorgt werden.

Mehr Sicherheit durch Virtual Test Drive

Die Sensordatenfu­sion trägt dazu bei, Qualität und Zuverlässigkeit der Daten zu erhöhen, fehlende Informationen einzuschätzen und eine lückenlose Abdeckung rund um das Fahrzeug zu gewährleisten. Bevor jedoch Systeme zur Sensordatenfusion einsatzbereit und im öffentlichen Straßenverkehr nutzbar sind, müssen sie gründlich getestet werden. Bei vielen verschiedenen Sensoren ist es unumgänglich, diese Systeme virtuell zu testen, da Tests mit realen Fahrzeugen aus Kostengründen, aber auch wegen begrenzter Möglichkeiten reproduzierbarer Tests, nur eingeschränkt realisierbar sind. Virtuelle Sensordaten aus Simulationslösungen, die in die Sensordatenfusion eingespeist werden, können das Problem reproduzierbarer identischer Tests und wachsender Entwicklungszeiten lösen und gleichzeitig die Kosten senken.

Korrekte Interpretation

Eine der größten Herausforderungen beim Testen besteht in der korrekten Interpretation der Umgebung. Die Umgebung wird von Sensoren wie Kameras, LiDAR, Radar und Ultraschall für Hardware-in-the-Loop (HiL) und Software-in-the-Loop (SiL) -Tests für die Sensordatenfusion erfasst. Die Rohdaten werden unter anderem hinsichtlich Lichtmangels, Weißabgleich und Farbwerten der Umgebung korrigiert. In Virtual Test Drive (VTD) müssen die simulierten Kameras unter anderem das Licht, den Weißabgleich und die Farbwertkorrektur der erfassten Umgebung berücksichtigen, um die spezifischen HiL-Testanforderungen des Rohdatenbilds anzugleichen.

Die Korrektur und Anpassung des Rohdatenbilds erfolgt mittels der Simulation des Bildsignalprozessors (ISP) und der Kameralinse. Dabei müssen verschiedene Fehler im Zusammenhang mit dem Objektiv und des ISP der simulierten Kamera berücksichtigt werden. Bei der simulierten Kameralinse handelt es sich um Fehler durch chromatische Abweichung oder optische Verzerrung, während es für den Bildsignalprozessor der simulierten Kamera schwierig ist, Farben korrekt zu interpretieren. Für eine realistischere Simulation und Sensordatenfusion ist die Auslegung von Sensoren wie Radar, LiDAR und Ultraschall wichtig

Virtual Test Drive
Physikalisch basiertes Rendering mit Kamera. Bild: Hexagon Manufacturing Intelligence

Simulierte Kamera im Virtual Test Drive

Das jeweils getestete System benötigt daher die spezifischen Daten aus den simulierten Kameramodulen. Hierzu kann das Aufschalten eines RGB-Bayer-Filters gehören, der je nach Anforderung eine unterschiedliche Anzahl von Bits pro Pixel aufweist. Diese Anforderung lässt sich erfüllen, indem der Bildsignalprozessor im getesteten System entsprechend dem realen Kameramodul kalibriert wird. Virtual Test Drive ermöglicht die ISP-Feinabstimmung der simulierten Kamera für HiL-Tests zur Verbesserung von Farbgenauigkeit, Kontrast, Auflösung und kameraspezifischen Anpassungen durch Nachbearbeitung in Echtzeit. Dieses Bild ist vergleichbar mit dem realen Bild der Kamera. Um eine korrekte Linsenverzerrung zu realisieren, fanden Untersuchungen zur optischen Verzerrung mit einem Simulationsmodell statt. So kann VTD eine Verzerrung einer realen Kamera nachbilden.

Radar- und LiDAR-Sensoren

Um den realen Sensoren möglichst nahezukommen, sind die Radar- und LiDAR-Modelle in VTD mit Ray-Tracing-Algorithmen implementiert. Diese unterstützen die Simulation von Materialeigenschaften und physikalisch basierten Sensoreigenschaften. Die Simulation von Radar im Millimeterwellenbereich in VTD erlaubt die Konfiguration und Simulation von Daten aus Analog-Digital-Wandlern (ADC) oder schneller Fourier-Transformation (FFT) in Echtzeit. Zudem können die Nutzer mit bereitgestellten Beispielsensoren und Programmbib­liotheken ihre eigenen virtuellen Radarmodelle konzipieren und entwickeln. Das generierte ADC/FFT kann direkt in das Steuergerät eingespeist werden, um eine Rohsignalverarbeitung von Clustering, Objekterkennung, -verfolgung und -klassifizierung zu ermöglichen.

Zusätzlich können vereinfachte Sensormodelle mit einzelnen oder wenigen Strahlen zum Beispiel genutzt werden, um Ultraschallsensordaten in Echtzeit zu entwickeln und zu simulieren. Die generierten Daten können zur Erfassungsvalidierung direkt in das Steuergerät eingespeist werden. Um die Algorithmen der Sensordatenfusion zu testen, kann VTD die Sensoren auf verschiedenen Systemen synchron simulieren und somit auch für SiL skaliert werden. VTD ermöglicht die verteilte Sensorsimulation, wodurch die synchronisierten Sensordaten an die zu testenden Sensordatenfusionssysteme übermittelt werden.

Virtual Test Drive
Sensoren mit unterschiedlichen Funktionen. Bild: Hexagon Manufacturing Intelligence

Überwachungssysteme

Überwachungssysteme bestehen aus einem Fahrer- und einem Beifahrer-Überwachungssystem. Ersteres dient vor allem dazu, Fehler des Fahrers zu minimieren. Zu den Fahrerassistenzsystemen gehören unter anderem die Müdigkeitserkennung, das Fahrer-Überwachungssystem, die Auffahrkollisionswarnung, der Kreuzungsassistent sowie die Falschfahrwarnung. Durch eine monotone und sich wiederholende virtuelle Umgebung lassen sich diese Funktionen effizient mit Simulatoren testen.

Mit VTD lassen sich realistische virtuelle Umgebungen erzeugen. Damit die Fahrer ein echtes Fahrgefühl in einem Fahrsimulator bekommen, erlaubt VTD eine 360-Grad-Projektion mit der Möglichkeit, Wetterbedingungen und Tageszeit zu verändern. Die realen Sensoren im Fahrgastraum des Simulators werden mit der virtuellen Umgebung von VTD verbunden. Diese Sensoren überwachen den Fahrer und liefern Informationen über die Umgebung, in der sich das Auto (der Simulator) bewegt. Ist der Fahrer abgelenkt, und es kommt in der virtuellen Umgebung zu einer kritischen Situation, wird der Fahrer gewarnt. Dies ist nur ein Beispiel für die Möglichkeiten, die VTD unterstützt.

Von Daniel Wiesenhütter und Bernhard Mueller-Bessler.

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