Performance Evaluation of Time-Critical Data Transmission in Automotive Communication Systems

Leistungsbewertung zeitkritischer Datenübertragung in automobilen Kommunikationssystemen

Autor(en): Herpel, Thomas TU Erlangen-Nürnberg, 03. Juni 2010 Seiten: 166 Auflage: 1 Aufl. Band: 32 Sprache: EN ISBN-10: 3869553480 ISBN-13: 9783869553481 Zugeordnete Fachbereiche: Informatik | Elektrotechnik | AUDI Dissertationsreihe Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 29,20 € 27,74 € In den Warenkorb eBook (1418.8 kB) 29,20 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

Seit fast 30 Jahren bietet der Airbag als Komponente der passiven Fahrzeugsicherheit den Insassen Schutz bei einem Unfall. 1980, in der damaligen Mercedes-Benz S-Klasse, aktivierte das System lediglich einen Fahrerairbag und bestand aus 170 Bauteilen. Heute sind hochintegrierte, elektronische Steuerungen für Front-, Seiten-oder Kopf-Airbags bereits in Kleinwagen Serienausstattung. Die Airbagsteuerung war seit jeher als autarkes System ausgelegt, das eigenständig die Schwere der Kollision detektiert und die Schutzmittel aktiviert. Durch stetige Verbesserungen im Bereich der Sensorik, der Elektronik im Steuergerät und der algorithmischen Konzepte der Sensordatenverarbeitung konnten die Reaktionszeiten bis zur Auslösung der Airbags auf ca. 30 Millisekunden reduziert werden. Da jede Millisekunde, die die Systeme der passiven Sicherheit nach Kollisionsbeginn früher aktiviert werden können, dazu beiträgt, die Verletzungsschwere der Insassen zu reduzieren, wären jedoch noch kürzere Auslösezeiten wünschenswert. Passive Konzepte allein, also die Reaktion auf eine Kollision, scheinen weitestgehend ausgereizt, ebenso wie konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der Karosseriesteifigkeit. Ein vielversprechender Ansatz ist die Vernetzung von Systemen der passiven Fahrzeugsicherheit mit aktiven Sicherheitskompontenten, wie dem Elektronischen Stabilitätsprogramm oder der Radar-basierten Abstandsregelung. Diese Systeme greifen durch gezielte Aktionen in einer Gefahrensituation in das Fahrgeschehen ein um einen Unfall zu verhindern, z.B. wenn das Fahrzeug ins Schleudern gerät oder der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug einen kritischen Wert unterschreitet. Werden die Sensordaten, die die aktiven Systeme in einer frühen Gefährdungsphase errechnen, an die Airbagsteuerung kommuniziert und es kommt zur Kollision, kann auf diese schneller und effektiver reagiert werden, z.B. indem Auslöseschwellen in den Airbagalgorithmen bei akuter Gefährdung herabgesetzt werden und bei konkretem Eintritt der Kollision die Airbags mit diesem Vorwissen früher gezündet werden können als bei einer rein passiven Systemauslegung. Eine solche Vernetzung von aktiven und passiven Komponenten muss über die Fahrzeug-interne Kommunikationsinfrastruktur aus Bussystemen
wie CAN oder FlexRay und Gateways zur Verbindung einzelner Bussegmente geschehen. Hierbei ist die Echtzeitfähigkeit, also die Übertragung der Daten in einem prädizierbaren Zeitintervall, von essentieller Bedeutung für die Effektivität der vernetzten Fahrzeugsicherheitsfunktionen. Zu lange Übertragungszeiten können dazu führen, dass die Kollision bereits eingetreten ist, bevor die Sensordaten in den passiven Systemen überhaupt empfangen und verarbeitet werden konnten. Für die Entwicklung vernetzter, hochgradig zeitkritischer Systeme der Fahrzeugsicherheit ist somit eine Evaluation der Datenübertragung bereits in frühen Phasen des Entwurfsprozesses unerlässlich. Die vorliegende Dissertation stellt Konzepte und Methoden vor, die für eine umfassende Leistungsbewertung Fahrzeug-interner Kommunikation erarbeitet wurden und die Auslegung effizienter, zukünftiger Sicherheitssysteme entscheidend unterstützen. Es wurde eine Hardware-und Software-basierte Messinfrastruktur geschaffen, die es erlaubt, anhand aufgezeichneter Kommunikationsdaten Effekte bei der Datenübertragung im realen Fahrzeugbetrieb, dem sogenannten use-case, aufzuzeigen und wichtige Systemparameter zu identifizieren. Diese Parameter dienen als realistische Eingabedaten für ein Systemmodell, das Funktionalität und zeitliches Verhalten der relevanten Komponenten mittels UML-basierter Zustandsdiagramme und diskreter Ereignissimulation nachbildet. In der Simulation können verschiedenste Kommunikationsszenarien untersucht und aussagekräftige Leistungskenngrößen, wie Ende-zu-Ende Übertragungslatenzen, ermittelt werden. Gerade im Bereich zeit-und sicherheitskritischer Anwendungen des Insassenschutzes sind jedoch auch Aussagen über das Systemverhalten im schlimmstmöglichen Fall, dem worst-case, von großer Relevanz. Um auch für dieses Szenario gültige Ergebnisse zu erlangen, wurde die analytische Methode des Network Calculus für Fragestellungen der Fahrzeug-internen Kommunikation erweitert und erstmals angewandt. Die analytischen Resultate stellen garantierte obere Schranken für die Verzögerungen bei der Datenübertragung dar und erlauben, zusammen mit den Erkenntnissen aus den Messungen an realen Fahrzeugen und den Ergebnissen der Simulation, eine frühzeitige Bewertung des vernetzten Sicherheitssystems. Leistungskenngrößen können sowohl für den Normalbetrieb wie auch für schlimmstmögliche Systemszenarien ermittelt werden, wodurch eine umfassende, an die Kritikalität der jeweiligen Anwendung angepasste Bewertung in einer frühen Designphase und eine signifikante Effizienzsteigerung zukünftiger, vernetzter Fahrzeugsicherheitsfunktionen möglich ist.

Stichwörter

Sicherheitstechnik, Nachrichen- und Kommunikationstechnik