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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Steuerungsnetzwerk für Kraftfahrzeuge,
mit Knoten in der Form von Steuergeräten, Sensoren und/oder
Aktoren, die durch einen zeitgesteuerten Bus miteinander verbunden
und zeitlich synchronisiert sind.
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In
DE 103 40 165 A1 wird
ein Steuerungsnetzwerk dieser Art beschrieben, das beispielsweise einen
Sensor und ein Steuergerät aufweist. Durch die Synchronisation
des Sensors mit dem Bus sollen hier die Meßzeiten des Sensors
so gesteuert werden, daß die nach jedem Meßzyklus
erhaltenen Ergebnisse möglichst ohne Verzögerung über
einen freien Zeitslot des Busses übermittelt werden können,
so daß die Meßdaten, wenn sie im Steuergerät
eintreffen, noch möglichst aktuell sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
in Anspruch 1 angegebene Erfindung nutzt den zeitgesteuerten Bus
nicht nur zur Synchronisation der Netzwerkknoten mit dem Bus, sondern auch
zur Synchronisation der Netzwerkknoten untereinander und, darauf
aufbauend, zur zeitlichen Koordinierung der von verschiedenen Knoten
auszuführenden Aktionen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Beispielsweise
erlaubt es die Erfindung, die Meßzyklen mehrerer Sensoren,
beispielsweise zweier oder mehrerer Radarsensoren, zeitlich so aufeinander
abzustimmen, daß gegenseitige Signalstörungen
vermieden werden.
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Wenn
das Netzwerk verschiedene Aktoren enthält, beispielsweise
für automatische Eingriffe in das Antriebssystem, das Bremssystem
und/oder die Lenkung des Fahrzeugs im Rahmen einer automatischen
Abstands- und Geschwindigkeitsregelung, eines elektronischen Stabilitätssystems
(ESP), eines prädiktiven Sicherheitssystems (PSS; Predictive Safety
System) zur Kollisionsvermeidung oder zur Milderung der Kollisionsfolgen,
und dergleichen, erlaubt es die Erfindung, die Aktionen der verschiedenen
Aktoren zeitlich so abzustimmen, daß unerwünschte
Wechselwirkungen vermieden werden.
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In
der Kraftfahrzeugtechnik besteht eine zunehmende Tendenz, verschiedene
Steuerungs- und Assistenzfunktionen miteinander zu vernetzen. In diesem
Zusammenhang läßt sich die Erfindung auch dazu
nutzen, die Aktionen von verschiedenen Signalauswertungs- und Steuergeräten
so aufeinander abzustimmen, daß jedes Steuergerät
die von ihm errechneten Ergebnisse oder Teilergebnisse, die auch von
anderen Steuergeräten benötigt werden, möglichst
zeitgerecht zur Verfügung stellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Steuerungsnetzwerkes;
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2 ein
vereinfachtes Kommunikationsprotokoll eines FlexRay-Busses, über
den verschiedene Knoten des Steuerungsnetzwerkes miteinander kommunizieren;
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3 eine
Skizze einer Fahrsituation zur Erläuterung der Funktionsweise
des Netzwerkes; und
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4 ein
Beispiel einer von einem Zeitkoordinationssystem erstellten Aktionstabelle.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Das
in 1 gezeigte Steuerungsnetzwerk umfaßt
eine Anzahl von Knoten 10, die durch einen zeitgesteuerten
Bus 12 (z. B. einen deterministischen Bus wie FlexRay oder
dergleichen) miteinander verbunden sind. Bei den Knoten 10 handelt
es sich um Sensoren, Steuergeräte und Aktoren, die für
verschiedene Assistenz- und Sicherheitsfunktionen in einem Kraftfahrzeug
benötigt werden. Im gezeigten Beispiel umfassen die Sensoren
zwei Radarsensoren R1 und R2, die dazu dienen, weiter entfernte Objekte
(z. B. vorausfahrende Fahrzeuge) im Vorfeld des eigenen Fahrzeugs
zu orten, sowie ein System von Ultraschallsensoren U, die zur Ortung
von Objekten im Nahbereich dienen.
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Bei
zwei weiteren der Knoten 10 handelt es sich um Steuergeräte,
nämlich ein Steuergerät PSS zur Ausführung
von Sicherheitsfunktionen (Pre-Crash), und ein Steuergerät
EH für eine elektronische Einparkhilfe auf der Basis der
Signale der Ultraschallsensoren U.
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Weitere
Knoten 10 des Netzwerkes sind Aktoren A1 und A2, beispielsweise
zur Aktivierung von Sicherheitsgurtstraffern und zur Vor-Aktivierung
von Airbags unter der Kontrolle des Steuergeräte PSS.
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Jeder
Knoten 10 weist eine Bus-Schnittstelle 14 auf, über
die er mit dem Bus 12 kommuniziert und die ein mit dem
Bus 12 synchronisiertes Bus-Zeitreferenzsystem enthält.
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Im
gezeigten Beispiel weist jeder Knoten 10 außerdem
ein lokales Zeitreferenzsystem 16 auf, das jedoch in der
Lage ist, sich mit dem Bus-Zeitreferenzsystem 14 zu synchronisieren,
wie in 1 durch Doppelpfeile angedeutet wird.
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Mindestens
einer der Knoten, im gezeigten Beispiel das Steuergerät
PSS, weist zusätzlich ein Zeitkoordinationssystem 18 auf,
das dazu dient, die von den verschiedenen Knoten auszuführenden
Aktionen zeitlich miteinander zu koordinieren. Dies ist trotz einer
räumlichen Trennung der Aktoren 10 möglich,
weil die Zeitreferenzsysteme 14, 16 sämtlicher Aktoren
aufgrund der Synchronisation mit dem Bus 12 dieselbe globale
Zeit anzeigen, so daß die Ausführungszeiten der
verschiedenen Aktionen sämtlich auf dieselbe globale Zeit
bezogen werden können.
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In
einer modifizierten Ausführungsform kann die Funktion des
Zeitkoordinationssystems 18 auch auf mehrere Knoten verteilt
sein.
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In 2 ist
ein typisches Kommunikationsprotokoll eines zeitgesteuerten Busses 12 dargestellt.
Als Beispiel ist hier das Protokoll für einen FlexRay-Bus
gezeigt. Dieses Protokoll umfaßt 64 Zyklen, die jeweils
eine bestimmte Zykluszeit Y (abhängig vom Global cluster
Parameter GCP, beispielsweise 5 ms) haben. Jeder Zyklus ist unterteilt
in ein statisches Segment 20, ein dynamisches Segment 22 und
ein Symbolsegment 24 (Symbol Window Segment) und eine Leerlaufzeit 25 (Network
Idle Time), die von dem Bus als Puffer für die lokale Zeitsynchronisation
der Controller genutzt wird). Das statische Segment 20 enthält
Slots 26 fester Länge, die jeweils einem der Knoten 10 zugewiesen
sind. Das dynamische Segment 22 enthält Slots 28,
deren Länge dynamisch, je nach Bedarf, variieren kann.
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Die
von den einzelnen Knoten 10 bzw. deren Bus-Schnittstellen
zu sendenden Daten sind zu ”Frames” zusammengefaßt,
die auf die den betreffenden Knoten zugewiesenen Slots verteilt
werden. Die Verteilung kann dabei von Zyklus zu Zyklus variieren. Nach
dem Ende des Zyklus Nr. 63 beginnt eine neue Sequenz mit dem Zyklus
0, und die Verteilung der Frames wiederholt sich mit der Periode
von 64 Zyklen.
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Jeder
Frame besitzt im Header einen Zykluszähler (Cycle Counter).
Die Synchronisation der Zeitbasis der Schnittstellen 14 (Controller)
erfolgt automatisch und ist Teil der FlexRay Spezifikation.
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Ein
Triggersignal ”Start New Cycle” und die Zyklus-Zählwerte
definieren somit zusammen eine einheitliche und kohärente
Zeitreferenz über eine Zeitspanne von 64·Y ms.
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Wenn
die miteinander zu koordinierenden Aktionen der verschiedenen Knoten
sämtlich in demselben Intervall von 64·Y ms liegen,
genügt folglich das durch die Bus-Schnittstellen 14 bereitgestellte Bus-Zeitreferenzsystem.
Wenn Aktionen über längere Zeitspannen geplant
und zeitlich koordiniert werden sollen, läßt sich
eine globale Zeitreferenz dadurch erreichen, daß sich die
lokalen Zeitreferenzsysteme 16 immer wieder mit dem Bus-Zeitreferenzsystem 14 synchronisieren.
Dazu kann beispielsweise das Zeitkoordinationssystem 18 innerhalb
deer 64·Y ms zyklisch eine ”Globale Zeit” auf
den Bus legen.
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In 3 ist
schematisch die Frontpartie eines Kraftfahrzeugs 30 dargestellt,
das mit dem hier beschriebenen Steuerungsnetzwerk ausgerüstet
ist. Die Radarsensoren R1 und R2 sowie deren Ortungsbereiche 32, 34 und
die Ultraschallsensoren U sind symbolisch dargestellt. Weiterhin
ist ein Objekt 36 gezeigt, das ein potentielles Hindernis
sein könnte, das möglicherweise ein Auslösen
der Aktoren A1 und A2 erforderlich macht.
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Kurz
vor dem in 3 dargestellten Zeitpunkt hat
das Objekt 36 noch in den Ortungsbereichen 32, 34 beider
Radarsensoren R1 und R2 gelegen, so daß es mit Hilfe der
Radarsensorik vom Steuergerät PSS erkannt wurde. Allerdings
ist anhand der Radarechos nicht ohne weiteres zu entscheiden, ob es
sich bei dem Objekt 36 um ein wirkliches Hindernis handelt
oder um ein unbedeutendes Objekt wie eine auf der Straße
liegende Blechdose oder dergleichen.
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In
der in 3 dargestellten Situation liegt das Objekt 36 bereits
im toten Winkel der beiden Ortungsbereiche 32, 34,
so daß es von der Radarsensorik nicht mehr erfaßt
werden kann. In dem hier lediglich als Beispiel dargestellten Anwendungsfall
sollen nun die Ultraschallsensoren U, die eigentlich für die
Einparkhilfe vorgesehen sind, dazu genutzt werden, das Objekt 36 näher
zu qualifizieren und im Nahbereich zu verfolgen. Der entsprechende
Zeitablauf ist schematisch in 4 dargestellt.
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4 zeigt
eine Aktionstabelle, die beispielsweise vom Zeitkoordinationssystem 18 erstellt und
fortlaufend aktualisiert wird. In der linken Spalte ist die globale
Zeit angegeben, z. B. in Millisekunden, und in der rechten Spalte
sind die zugehörigen Aktionen und Ereignisse aufgeführt,
die von den verschiedenen Knoten des Netzwerks auszuführen
sind. So führt beispielsweise der Radarsensor R1 seine
Messung zur globalen Zeit 10 aus, während der
Radarsensor R2 seine Messung zur globalen Zeit 20 ausführt.
Obgleich dies in 4 nicht näher dargestellt ist,
wird diese Tabelle so fortgeschrieben, daß der Radarsensor
R1 seine Messungen zu den Zeiten 30, 50, 70 etc.
ausführt, und der Radarsensor R2 zu den Zeiten 40, 60, 80 etc.
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Durch
dieses Alternieren der Messungen mit den beiden Radarsensoren R1
und R2 wird sichergestellt, daß sich die von den verschiedenen
Radarsensoren gesendeten und empfangenen Signale nicht gegenseitig
stören.
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Weiterhin
ist in 4 ein Ereignis dargestellt, das zu irgendeiner
nicht vorher festliegenden globalen Zeit x stattfindet und darin
besteht, daß das Steuergerät PSS, das das Objekt 36 anhand
der Radarsignale verfolgt, feststellt, daß das Objekt nicht mehr
geortet werden kann (weil es nun im toten Winkel liegt). Zu diesem
Zeitpunkt berechnet das Steuergerät PSS die sogenannte ”time
to collision” TTC, die die Zeit angibt, die vom aktuellen
Augenblick an voraussichtlich noch vergehen wird, bis das Objekt 36, wenn
es denn ein echtes Hindernis ist, mit dem Fahrzeug 30 kollidiert.
Daraufhin sorgt das Zeitkoordinationssystem 18 dafür,
daß zu einem etwas späteren Zeitpunkt, im gezeigten
Beispiel bei x + 0,5 TTC, die Ultraschallsensoren U eingeschaltet
werden (obgleich die Einparkhilfefunktion nicht in Betrieb ist).
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Wenn
die Ultraschallsensoren das Objekt 36 ebenfalls orten,
muß davon ausgegangen werden, daß es sich um ein
echtes Hindernis handelt, und zu genau berechneten Zeiten werden
dann, wieder unter der Kontrolle des Zeitkoordinationssystems 18, die
Aktoren A1 und A2 ausgelöst. Wenn die Ultraschallsensoren
das Objekt 36 nicht orten können, da es sich um
ein kleines, irrelevantes Objekt gehandelt hat, sorgt das Zeitkoordinationssystem 18 dafür,
daß die Ultraschallsensoren zu einem Zeitpunkt, der deutlich
später liegt als der erwartete Aufprallzeitpunkt, beispielsweise
bei x + 2 TTC, wieder ausgeschaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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