DE102018220092A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Absichern von automatisierten Fahrfunktionen - Google Patents
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- B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
- B60W50/04—Monitoring the functioning of the control system
Abstract
System (10) zum Absichern einer Fahrfunktion, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- das System (10) umfasst eine Nominalfunktionseinheit (11) zum Ausüben der automatisierten Fahrfunktion, eine Überwachungseinheit (12) zum Überwachen der Fahrfunktion und ein paketvermitteltes lokales Rechnernetz (16) und- das Rechnernetz (16) verbindet die Nominalfunktionseinheiten (11) mit den Überwachungseinheiten (12).- das lokale Netzwerk kann mit der Infrastruktur verbunden werden
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Absichern einer automatisierten Fahrfunktion. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
- Stand der Technik
- Als Fahrerassistenzsystem (FAS; advanced driver assistance system, ADAS) wird in der Fahrzeugtechnik jedwede elektronische Zusatzeinrichtung in einem Kraftfahrzeug zur Unterstützung des Fahrers in bestimmten Fahrsituationen bezeichnet. Im Gegensatz dazu nehmen zeitweise oder gar für ganze Streckenabschnitte automatisierte Fahrfunktionen (Automated Driving AD) dem Fahrer die Fahrzeugführung ab. Hohe Betriebssicherheit und die Verfügbarkeit aller wesentlichen Fahrzeugführungsfunktionen und deren Schutzfunktionen ist eine der Hauptanforderungen an ein solches System.
- Die Fahraufgabe wird im weitesten Sinne in die Ebenen der Planung, Führung und Stabilisierung eingeteilt. Schutzfunktionen werden ergänzend implementiert um Insassen und Personen um das Fahrzeug vor den Gefahren des bewegen Fahrzeug zu schützen. Um die Fahrfunktion vor Fehler der Systemtechnik zu schützen werden Sicherheitsmechanismen in das System implementiert. Diese Sicherheitsmechanismen ergänzt um Sicherheitsbarrieren, die sich in erster Linie die Aufgabe haben, zu verhindern, dass Fehlfunktionen (Fault Containment) sich auf andere Funktionen auswirken oder vor vorsätzliche Datenmanipulationen im Sinne der Security schützen. Zur Führung und Stabilisierung sind hierbei mitunter nur Handlungszeiträume von Sekundenbruchteilen verfügbar. Fahrerassistenzsysteme nach dem Stand der Technik greifen daher teilautonom oder autonom in Antrieb (z. B. Gas, Bremse), Steuerung (z. B. Park-Lenk-Assistent) oder Signalisierungseinrichtungen des Fahrzeuges ein oder warnen den Fahrer durch geeignete Mensch-Maschine-Schnittstellen kurz vor oder während kritischer Situationen.
- Dieser Regeleingriff bzw. die Signalisierungsfunktionen von automatisierten Fahrfunktionen setzen die Kenntnis der aktuellen Fahrsituation voraus in der entsprechenden Umgebung voraus. Somit benötigen AD-Funktionen in Ergänzung von ADAS-Funktionen wie Abstandsregeltempomat (adaptive cruise control, ACC) oder Abstandswarner zusätzlich Informationen bezüglich des Fahrzeugumfeldes. Für diese Art von AD-Funktionen kommen verschiedene Arten von Umfeld-Sensorik zum Einsatz. Dabei ist in der Regel die Kombination mehrerer Sensorsysteme im Wege einer sogenannten Sensordatenfusion notwendig.
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US20150138954A1 schlägt ein ringförmiges Netzwerk zum Datenaustausch zwischen mehreren in einem Fahrzeug angeordneten Steuergeräten mit mehreren Verteilern vor. Jeder der Verteiler umfasst mehrere Kommunikationspaare, die jeweils eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit zum Senden und Empfangen von Daten umfassen. Jedes der Steuergeräte ist über ein erstes Kommunikationspaar mit einem der Verteiler und jeder der Verteiler über ein zweites Kommunikationspaar mit der Ringverbindung verbunden. Dadurch, dass mindestens einer der Verteiler zusätzlich ein drittes Kommunikationspaar aufweist und über das dritte Kommunikationspaar mit der Ringverbindung verbunden ist, wobei eine Datenflussrichtung zwischen und in dem jeweiligen Kommunikationspaar und dem dritten Kommunikationspaar dieses Verteilers entgegengesetzt sein kann, soll auch bei einer Unterbrechung des ringförmigen Netzwerks der Datenfluss aufrechterhalten werden. - Offenbarung der Erfindung
- Die Erfindung stellt ein System zum Absichern von AD-Fahrfunktionen sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
- Der erfindungsgemäße Ansatz fußt hierbei auf der Erkenntnis, dass moderne Sicherheitssysteme für Fahrzeuge immer komplexere Steuerungssysteme erfordern. So werden heute auch Mikroprozessoren (µP), komplexe DSP (Digitale Signalprozessoren), GPU (General Purpose Units) die wie in Grafikkarten zu Multifunktionalen Recheneinheiten auf Basis einer Konfiguration zu Mehrfachrecheneinheiten kombiniert werden können oder Mehrfachrecheneinheiten (Many-Core), zur Steuerung eingesetzt, um die notwendige Rechenleistung bereitstellen zu können. Hierbei werden neben Videodaten neuronale Netze und hochkomplexe nichtdeterministische Prozesse verwendet. Neben der Sicherheit bedingen die Systeme eine hohe Verfügbarkeit der Fahrzeugführungsfunktionen. Eine derartige Hochverfügbarkeit kann nur durch System-Redundanzen gewährleistet werden.
- Die vorgeschlagene Lösung trägt ferner dem Umstand Rechnung, dass auch die µP in der Regel nicht die notwendige Diagnosedeckung für sicherheitsrelevante Fehler gewährleisten können, weshalb mitunter Mikrocontroller (µC) zur Überwachung eingesetzt werden. Ergänzend wird hier vorgeschlagen, dass die redundanten komplexen Recheneinheiten, ihre Überwachungsdaten über Ethernet im Kreuzvergleich überwachen, so dass insbesondere Hardwarefehler durch direkten Vergleich von gleichartigen Hardwaresystemen in Mikrosekundenbereich erfolgen kann. Im Allgemeinen wird die Schnittstelle zwischen µC und µP durch konventionelle Kommunikation (CAN, SPI etc.) oder gar direkte Hardwareverbindungen realisiert. Dies führt bei gattungsmäßigen Überwachungslösungen zu hochkomplexen Architekturen und einen hohen Redundanzbedarf für Verfügbarkeit und Diagnosefähigkeit. Wird auch diese Schnittstelle über das geswitchte Ethernet realisiert, können auch zwischen komplexen Recheneinheiten (µP) und Mikrocontroller sehr schnell große Mengen und große Datenpakte an Nutz- und Diagnosedaten in sehr kurzen Zeitintervallen ausgetaucht werden.
- Eine Ausführungsform der Erfindung basiert daher auf der Nutzung eines paketvermittelten lokalen Rechnernetzes für die Nominalfunktionen und den Austausch der Diagnosedaten.
- Ein Vorzug dieser Lösung liegt darin, dass das Diagnoseabbild jeder beliebigen Steuereinheit im Netz sehr schnell bereitgestellt werden kann. Somit ist auch jede beliebige Steuereinheit im Netz in der Lage, die notwendigen Überwachungsfunktionen oder Degradation durchzuführen. Dadurch werden Überwachungsfunktion, Plausibilisierung oder redundante Funktionen auf einer anderen System-Hardware ausgeführt, sodass durch den Vergleich mittels homogener redundanter HW zufällige HW-Fehler mit maximaler Güte (bei einer Diagnosedeckung von beispielsweise 99 %) identifiziert werden können.
- Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, dass ein verbundener Sicherheits-Mikrocontroller (safety microcontroller unit, MCU) über eine diversitäre Schnittstelle das korrekte und rechtzeitige Stattfinden der Überwachungen, Plausibilisierung und Redundanzen überwacht. Die Eignung der verschiedenen Sicherheitsmechanismen zu diesem Zweck kann während der Entwicklung sichergestellt werden.
- Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass das Rechnernetz eine Ringtopologie aufweist. Dieser Ansatz erlaubt eine deterministische Rechnernetzkommunikation der Steuereinheiten ohne Paketkollisionen, da Vorgänger und Nachfolger jeder Einheit klar definiert sind. Alle Einheiten arbeiten hierbei gleichsam als Informationsbereitsteller und haben die gleichen Zugriffsmöglichkeiten auf die bei garantierter Übertragungsbandbreite vermittelten Diagnosedaten. Die Ringtopologie bürgt zudem für eine hohe Skalierbarkeit des Systems und ist aufgrund ihrer regulären Struktur leicht programmierbar. Sinnvollerweise kann die Netztopologie auch genutzt werden um Steuereinheiten zur Laufzeit um zu konfigurieren. Beim Anschluss an die Infrastruktur durch drahtlose Verbindungen (Mobilfunk oder WLAN etc.) können die Fahrzeuginformationen (wie Position, Umfeld etc.) Diagnosedaten auch der an Zentraldiagnosedatenbanken oder Konzepte zur Verkehrslenkung angeschlossen werden. Somit ist auch mit großen Datenmengen eine Fahrzeugsteuerung, senden von Umfeldinformationen zum Fahrzeug (dichter Verkehr, Wetterlage etc.), Straßenverkehrsinformationen (rote Ampeln), Umkonfiguration (Flash-over-the-Air) oder Diagnostizierung aus der Infrastruktur möglich.
- Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass das Rechnernetz ein mit Netzwerkweichen (switches, switching hubs, bridging hubs, MAC bridges) aufgebautes Ethernet (switched Ethernet) ist. Durch den so verzichtbaren Mehrfachzugriff auf ein gemeinsam genutztes Übertragungsmedium mit entsprechender Trägerprüfung und Kollisionserkennung (carrier sense multiple access/collision detection, CSMA/CD) wird ein hohes Verkehrsaufkommen ohne Kapazitätsüberlastungen ermöglicht.
- Figurenliste
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine auf verschiedenen HW-Elementen durch ein geswitchtes Ethernet verbundene Diagnose- und Überwachungsschnittstelle. -
2 schematisch einen Ethernet-Ring für Nominalfunktion und Überwachungsfunktionen. - Ausführungsformen der Erfindung
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1 illustriert den grundlegenden Aufbau des erfindungsgemäßen Systems (10 ) anhand eines Beispiels. Das hier vereinfacht dargestellte System (10 ) umfasst eine Nominalfunktionseinheit (11 ), welche im Normalbetrieb eine ihr zugewiesene Fahrerassistenzfunktion oder autonome Fahrfunktion ausübt, sowie eine Überwachungseinheit (12 ), welche die Nominalfunktion der ersteren Einheit (11 ) überwacht und als Heißreserve (hot spare, hot standby) per Ethernet (16 ) mit dieser verbunden ist. - Nominalfunktionseinheit (
11 ) und Überwachungseinheit (12 ) umfassen jeweils die eigentliche Anwendung (13 ), einen Sicherheits-Mikrocontroller (15 ), welcher das Diagnoseabbild der Anwendung (13 ) fortwährend überwacht, sowie ein Multi-Processor-System, wie es etwa unter der Handelsbezeichnung Jetson Xavier von der NVIDIA Corporation vertrieben wird. Letzteres umfasst zu diesem Zweck neben einem Grafikprozessor und unterstützenden Bilderkennungsbeschleuniger einen leistungsfähigen Mehrkern-Mikroprozessor (14 ), welcher über das Ethernet (16 ) derart mit seinem Pendant verbunden ist, dass die Diagnoseabbilder jederzeit zwischen den Einheiten (11 ,12 ) ausgetauscht werden kann. - Ein PCI- oder anderweitiger Bus (
17 ) verbindet zudem die beiden Mikrocontroller (15 ) miteinander, welche jeweils zwecks Überwachung des Diagnoseabbildes auf demselben Wege mit dem Mikroprozessor (14 ) ihrer Einheit (11 ,12 ) gekoppelt sind. Es versteht sich, dass stattdessen ein synchroner serieller Bus (17 ) wie SPI oder CAN zum Einsatz kommen mag, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. -
2 beleuchtet das resultierende Netzwerk in seiner Gesamtheit. Wie die Abbildung erkennen lässt, sind sämtliche Mikroprozessoren (14 ) zu einem geswitchten Ethernet-Ring (16 ) verschaltet. Dies gewährleistet, dass sämtliche Daten zur gleichen Zeit für alle Teilnehmer im Netzwerk verfügbar sind. Jeder beliebige Fehler im Netzwerk löst hierbei eine Übernahme der betroffenen Nominalfunktion oder Überwachungsfunktion durch eine andere Einheit aus, die durch die Ringstruktur hierbei weiterhin mit ihren Kommunikationspartnern verbunden ist. Die so ermöglichten Anwendungen dienen im dargestellten Szenario zur autonomen Führung eines - in seiner Gesamtheit nicht dargestellten - Kraftfahrzeuges, weshalb die zur Perzeption (22 ) vorgesehenen, abbildungsgemäß linken Mikroprozessoren (14 ) über Netzwerkweichen (18 ) mit verschiedenen Messgliedern (19 ) verbunden sind. Die Regelstrecke wird an ihrem abbildungsgemäß rechtem Ende durch ein erstes Stellglied (20 ) und ein zweites, redundantes Stellglied (21 ) vervollständigt. - In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mag das Ethernet (
16 ) weitere Elemente etwa zur galvanischen Entkopplung der für Perzeption (22 ) und Steuerung (23 ) zuständigen Einheiten umfassen. Der Ring wird hierzu durch elektrisch nicht leitfähige, beispielsweise optoelektronische Kopplungsglieder, wie sie im Bereich der Netzwerktechnik etwa zur Verhinderung von Brummschleifen und elektromagnetischen Störungen bekannt sind, aufgetrennt. Auf diesem Wege können beispielsweise die Steuerungseinheiten (23 ) für den denkbaren Fall des Blitzeinschlages in oder magnetischen Impulses auf eines der Messglieder (19 ) schutzisoliert werden, da keine Leistungsübertragung zwischen den beiden Hälften des Ringes erforderlich ist. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 20150138954 A1 [0005]
Claims (13)
- System (10) zum Absichern einer automatisierten Fahrfunktion, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das System (10) umfasst eine Nominalfunktionseinheit (11) zum Ausüben der Fahrfunktion, eine Überwachungseinheit (12) zum Überwachen der Fahrfunktion und ein paketvermitteltes lokales Rechnernetz (16) und - das Rechnernetz (16) verbindet die Nominalfunktionseinheit (11) mit der Überwachungseinheit (12).
- System (10) nach
Anspruch 1 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Nominalfunktionseinheit (11) und die Überwachungseinheit (12) umfassen jeweils eine Anwendung (13), einen Mikroprozessor (14) und einen Sicherheits-Mikrocontroller (15) zum Überwachen eines Diagnoseabbildes der Anwendung (13) und - das Rechnernetz (16) verbindet die Mikroprozessoren (14) derart miteinander, dass das Diagnoseabbild über das Rechnernetz (16) ausgetauscht werden kann. - System (10) nach
Anspruch 2 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das System (10) umfasst ferner einen Bus (17), - innerhalb der Nominalfunktionseinheit (11) und der Überwachungseinheit (12) verbindet der Bus (17) jeweils den Mikroprozessor (14) mit dem Mikrocontroller (15) und - der Bus (17) verbindet die Mikrocontroller (15) miteinander. - System (10) nach
Anspruch 3 , gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - der Bus (17) ist ein CAN-Bus (17), - der Bus (17) ist ein PCI-Bus (17), - der Bus (17) ist ein SPI-Bus (17), - der Bus (17) ist ein Flexray oder - der Bus (17) ist ein weiteres Kommunikationssystem. - System (10) nach einem der
Ansprüche 2 bis4 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Nominalfunktionseinheit (11) und die Überwachungseinheit (12) umfassen jeweils ein Multi-Prozessor-System (10) und - das Multi-Prozessor-System (10) umfasst den Mikroprozessor (14), einen Grafikprozessor und einen Bilderkennungsbeschleuniger. - System (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Rechnernetz (16) ist ein Ethernet (16). - Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug umfasst Systeme (10) nach einem der
Ansprüche 2 bis6 und - die Anwendungen (13) betreffen Perzeption (22) und Steuerung (23) des Kraftfahrzeuges. - Kraftfahrzeug nach
Anspruch 7 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Rechnernetz (16) umfasst Netzwerkweichen (18) und - die Netzwerkweichen (18) sind in einer Ringtopologie miteinander verbunden. - Kraftfahrzeug nach
Anspruch 7 oder8 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug weist Messglieder (19) und Stellglieder (20, 21) auf und - das Rechnernetz (16) verbindet ferner die Netzwerkweichen (18) mit den Messgliedern (19). - Kraftfahrzeug nach
Anspruch 9 , gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Stellglieder (20, 21) umfassen mindestens ein redundantes Stellglied (21). - Kraftfahrzeug nach
Anspruch 9 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Kommunikationsnetze der Multi-Prozessor-Systeme sind galvanisch getrennt und durch getrennte Energieversorgungseinheiten gespeist und - jede galvanisch getrennte Einheit ist dazu eingerichtet, unabhängig von der redundanten Einheit die volle Fahrzeugführungsfunktion zu gewährleisten. - Kraftfahrzeug nach
Anspruch 9 , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Kommunikationsnetze der Multi-Prozessor-Systeme sind mit der Infrastruktur verbunden und - die Verbindung zur Infrastruktur ist eingerichtet, um Fahrzeugsteuerungsdaten, weitere Umfeldinformationen, Verkehrsinformationen, Konfigurationsänderungen, Diagnose und Positionsdaten zur sicheren Kommunikation zu nutzen. - Verfahren zum Absichern einer automatisierten Fahrfunktion, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - eine Überwachungseinheit eines Multi-Prozessor-Systems erhält Diagnosedaten eines gleichartigen zweiten Multi-Prozessor-Systems, - die Überwachungseinheit vergleicht die Diagnosedaten des zweiten Multi-Prozessor-Systems mit eigenen Diagnosedaten, sodass die Diagnosedeckung erhöht wird und - anhand der erhöhten Diagnosedeckung wird einer weiteren Verarbeitungseinheit, insbesondere einer Aktuator-Steuerung, eine Empfehlung gegeben, welche Daten des zweiten Multi-Prozessor-Systems für die Fahrfunktion hinreichend sicher sind.
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