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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Steuern verschiedener autonomer Fahrfunktionen in einem autonomen oder teilautonomen Fahrzeug.
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Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) umfassen eine Vielzahl an Systemen, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden. Durch die fortschreitende Entwicklung im Bereich der autonom und teilautonom fahrenden Fahrzeuge werden der Einfluss und der Wirkungsbereich solcher Fahrerassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) immer größer. Durch die Entwicklung immer präziserer Sensoren ist es möglich, die Umgebung und den Verkehr zu erfassen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs vollständig oder teilweise ohne Eingriff des Fahrers zu kontrollieren. Fahrerassistenzsysteme einschließlich autonomer Fahrsysteme (Autonomous Driving System) können dabei zur Erhöhung der Sicherheit im Verkehr sowie zur Verbesserung des Fahrkomforts beitragen.
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Neben der Erfassung und Erkennung von statischen Objekten in der Umgebung des eigenen Fahrzeugs mittels Umgebungssensoren, wie beispielsweise Kamera-, Radar-, Lidar- oder Ultraschallsensoren, können auch sich bewegende Objekte und andere Verkehrsteilnehmer erfasst werden. Ausgehend hiervon kann beispielsweise ein Verhalten eines autonomen oder teilautonomen Fahrzeugs an eine aktuelle Situation angepasst werden. In vielen Fahrzeugen werden mehrere Sensoren unterschiedlicher Sensortypen verbaut, um ein genaueres Bild der Fahrzeugumgebung zu zeichnen und um auf Einflüsse im Wirkungsbereich der Fahrerassistenzsysteme schneller reagieren zu können. Die Zahl der verwendeten Sensoren steigt deshalb stetig. Gleichzeitig wird die Auflösung der Sensoren immer größer, was zu einer wachsenden Datenmenge führt, die im Fahrzeug verarbeitet werden muss.
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Zur Datenverarbeitung werden Verarbeitungsvorrichtungen und Steuergeräte verwendet, die Schnittstellen zu den unterschiedlichen Sensoren aufweisen. Die Steuergeräte haben Prozessoren und Recheneinheiten zur Verarbeitung der von den Sensoren zur Verfügung gestellten Daten. Da im Fahrzeugbereich die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der Systeme und Prozessoren eine große Rolle spielt, werden nur solche Geräte verwendet, die eine Freigabe für den Einsatz im Automobilbereich und im Fahrzeug besitzen. Aufgrund dessen können Prozessoren nicht ohne Weiteres ausgetauscht werden, um die Rechenkapazitäten zu erhöhen und die Verarbeitungszeiten zu reduzieren. Gleiches gilt für die Schnittstellen der Geräte und Verarbeitungseinheiten, die begrenzt sind. Insbesondere beim Anfall sehr großer Datenmengen hat dies zur Folge, dass die Verarbeitungszeiten steigen oder nicht alle Daten innerhalb vorgegebener Antwortzeiten der Systeme verarbeitet werden können.
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Es besteht somit die Herausforderung, auch bei einer sehr großen Anzahl von Sensordaten eine schnelle Verarbeitung der anfallenden Sensordaten zu erzielen, um die für ein teilautonomes oder autonomes Fahren notwendigen Steuerdaten in möglichst kurzer Zeit zu erlangen.
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Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Steuern autonomer Fahrfunktionen in einem autonomen oder teilautonomen Fahrzeug, mit:
- einer Schnittstelleneinheit mit mehreren Eingangsschnittstellen zum Empfang von Sensordaten von Sensoren mit Informationen für Fahrfunktionen des Fahrzeugs;
- einer ersten Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Sensordaten der Sensoren und zum Erzeugen von Steuerdaten für eine Fahrfunktion des Fahrzeugs;
- einer zweiten Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der Sensordaten der Sensoren und zum Erzeugen von Steuerdaten für eine Fahrfunktion des Fahrzeugs; wobei die erste und zweite Verarbeitungseinheit je eine Datenschnittstelle zum Austauschen von Daten mit der Schnittstelleneinheit und je eine bidirektionale Geräteschnittstelle zur Übertragung von Daten zwischen den Verarbeitungseinheiten umfassen;
- einer Steuereinheit zum Steuern des Datenflusses der Sensordaten von der Schnittstelleneinheit zu den Verarbeitungseinheiten und zum Steuern des Datenflusses zwischen den Verarbeitungseinheiten; und
- einer Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben der Steuerdaten für eine Fahrfunktion.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Steuern verschiedener autonomer Fahrfunktionen in einem autonomen oder teilautonomen Fahrzeug mit einer Vorrichtung wie oben beschrieben und mit mehreren Sensoren, die mit der Schnittstelleneinheit in der beschriebenen Vorrichtung verbunden sind.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einem System wie oben beschrieben.
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Weiterhin betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern verschiedener autonomer Fahrfunktionen in einem autonomen oder teilautonomen Fahrzeug, mit den folgenden Schritten:
- Empfangen von Sensordaten mit Informationen zu autonomen Fahrfunktionen des Fahrzeugs von Sensoren des Fahrzeugs mittels einer Schnittstelleneinheit;
- Steuern des Datenflusses der Sensordaten von der Schnittstelleneinheit zu wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten;
- Senden von Sensordaten mit Informationen zu autonomen Fahrfunktionen von Sensoren des Fahrzeugs zu den wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten;
- Steuern des Datenflusses der Sensordaten zwischen den wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten;
- Übermitteln der Sensordaten zwischen den wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten;
- Verarbeiten der Sensordaten; und
- Erzeugen von Steuerdaten für eine Fahrfunktion des Fahrzeugs aus den Sensordaten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens bewirkt.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können das Verfahren und das Computerprogrammprodukt für die Steuervorrichtung und das System zum Steuern von Fahrfunktionen sowie das Fahrzeug entsprechend den in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern autonomer Fahrfunktionen weist den Vorteil auf, dass der Datenstrom der Sensordaten von der Schnittstelleneinheit zu den Verarbeitungseinheiten von einer Steuereinheit gesteuert und kontrolliert wird. Damit ist es möglich, die Sensordaten auf zwei oder mehrere Verarbeitungseinheiten aufzuteilen. Mittels der weiteren bidirektionalen Geräteschnittstelle, über die die Verarbeitungseinheiten verfügen, kann ein Datenaustausch und eine Übertragung der von der Schnittstelleneinheit empfangenen Sensordaten zwischen den Verarbeitungseinheiten erfolgen. Hierbei wird eine schnelle Datenschnittstelle verwendet, sodass die gesamte von den Verarbeitungseinheiten zur Verfügung stehende Datenübertragungsbandbreite ausgeschöpft werden kann. Zum einen können mittels der bidirektionalen Geräteschnittstelle Sensordaten auf weitere Verarbeitungseinheiten übertragen werden. Zum anderen kann hierdurch sichergestellt werden, dass die Verarbeitungseinheiten über alle Sensordaten verfügen. So lässt sich eine Redundanz der Datenverarbeitung garantieren. Jede der Verarbeitungseinheiten kann auf die gleichen Sensordaten zurückgreifen und die gleichen Abläufe durchführen. Insbesondere für Sicherheitsfunktionen und Fahrfunktionen für ein autonomes Fahren ist eine derartige Redundanz aus Sicherheitsgründen wünschenswert und erforderlich.
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Obwohl in der Regel die Datenrate der Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheiten limitiert ist, kann auch bei dem Anschluss einer Vielzahl von Sensoren an die Schnittstelleneinheit ein hoher Datendurchsatz und ein hoher Datenfluss garantiert werden, da die Daten auf mehrere Verarbeitungseinheiten aufgeteilt werden können. Hierbei kann die in der Regel begrenzte Bandbreite der Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheit maximal ausgeschöpft werden. Weitere Daten werden über die sehr schnelle Geräteschnittstelle zwischen den Verarbeitungseinheiten ausgetauscht.
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Die Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheiten ist bevorzugt eine bidirektionale Schnittstelle, mittels der Sensordaten empfangen werden können. Zudem werden die aus den Sensordaten in der Verarbeitungseinheit ermittelten Steuerdaten für eine Fahrfunktion eines autonomen oder teilautonomen Fahrzeugs, die aus den Sensordaten in der Verarbeitungseinheit ermittelt werden, an die Schnittstelleneinheit übermittelt. Neben den Steuerdaten können auch andere Daten übermittelt werden.
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Erfindungsgemäß übernimmt die Steuereinheit die Steuerung des Datenflusses der Sensordaten von der Schnittstelleneinheit zu den einzelnen Verarbeitungseinheiten. Die Steuereinheit steuert auch den Datenfluss zwischen den einzelnen Verarbeitungseinheiten, sodass ein derartiger Datenaustausch sichergestellt wird. Auch wird bevorzugt geregelt, dass die erforderlichen Sensordaten den jeweiligen Verarbeitungseinheiten zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann die Steuereinheit festlegen, dass mehrere Verarbeitungseinheiten die gleichen Sensordaten empfangen. Dies ist für eine redundante Verarbeitung notwendig. Es ist aber auch möglich, dass einzelne Verarbeitungsaufgaben auf unterschiedliche Verarbeitungseinheiten aufgeteilt werden. Hierzu können Daten, über die einzelne Verarbeitungseinheiten verfügen, untereinander ausgetauscht werden. Dies können nicht nur Sensordaten sein, die über die Schnittstelleneinheit an die einzelnen Verarbeitungseinheiten übertragen werden, sondern auch Zwischenergebnisse, Rechenergebnisse oder Funktionsaufrufe, wenn eine modulare Abarbeitung von Programmen oder Rechenmodulen vorgesehen ist. Auf diese Weise lässt sich ein jedenfalls teilweises Parallel-Processing von Funktionen oder Funktionsaufrufen oder von Steuerprogrammen realisieren.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass auch bei steigenden Rechnerkapazitäten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten von Recheneinheiten oder Verarbeitungseinheiten und einem steigenden Datenvolumen die Schnittstelle zwischen zwei Verarbeitungseinheiten das begrenzende Element in der Systemarchitektur bildet. In der Regel ist die Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheiten, auch wenn sie hoch performant sind, auf ein Gigabit pro Sekunde für eine einzelne Verarbeitungseinheit begrenzt. Beispielsweise kann die Datenschnittstelle eine Ethernet-Schnittstelle sein. Die Verarbeitungseinheiten können beispielsweise sogenannte „Systeme auf einem Chip“ (System-on-Chip) oder Mikroprozessoren sein. Wird ein System mit zwei oder mehreren Verarbeitungseinheiten mit mehr als 10 Eingangskanälen mit einer Datenrate von 100 Megabit pro Sekunde oder mit mehr als einer Datenleitung mit einer Datenrate von mehr als 1 Gigabit pro Sekunde verbunden, entstehen in der Regel Probleme, die Informationen von allen externen Sensoreinheiten zu ermitteln. Damit zwei oder mehrere Verarbeitungseinheiten zur Verarbeitung der Vielzahl der Daten verwendet werden können, ist eine gesteuerte Aufteilung der Daten notwendig, damit nicht die einzelnen Verarbeitungseinheiten lediglich unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Sensordaten Verarbeitungen durchführen können. Soll ein redundantes oder paralleles Verarbeiten aller Sensordaten stattfinden, ist eine entsprechende Aufteilung und Steuerung notwendig.
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Damit eine Steuerung des Datenflusses erfolgen kann, wird bevorzugt erkannt, wie viele Daten an der Schnittstelleneinheit anliegen und auf die einzelnen Verarbeitungseinheiten verteilt werden müssen. Dies kann beispielsweise entweder im Vorhinein festgelegt sein, wenn die Konfiguration der Schnittstelleneinheit und die daran angeschlossenen Sensoren bekannt sind. Alternativ und bevorzugt ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Auswerteeinheit vorgesehen, die zum Ermitteln und Auswerten der an der Schnittstelleneinheit anliegenden Datenbandbreite ausgebildet ist. Mittels der Auswerteeinheit kann auch auf geänderte Konfigurationen oder zusätzlich eingeschaltete Sensoren und weitere Sensordaten reagiert werden. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise auch in der Steuereinheit der Vorrichtung integriert sein. Die Auswerteeinheit kann in Form von Software realisiert sein. Sie kann beispielsweise die Sensorschnittstellen der Schnittstelleneinheit abfragen und deren Datenrate ermitteln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet, die Sensordaten auf die erste und zweite Verarbeitungseinheit aufzuteilen. Die Steuereinheit kann ein selbständiges Element oder Bauteil, in die Schnittstelleneinheit integriert oder als System-on-Chip ausgebildet sein. Sie kann als Software implementiert sein. Die Aufteilung der Daten erfolgt, wenn die Bandbreite der an der Schnittstelleneinheit anliegenden Sensordaten größer ist als ein vorgegebener Schwellwert. Dieser vorgegebene Schwellwert kann beispielsweise die Bandbreite der Datenschnittstelle der einzelnen Verarbeitungseinheiten sein. Ist die Datenrate der an der Schnittstelleneinheit angeschlossenen Sensoren größer als die Datenrate, die die Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheiten aufweist, kann eine Aufteilung der Daten auf die erste und zweite Verarbeitungseinheit erfolgen. Selbstverständlich ist es möglich, die Sensordaten auf weitere Verarbeitungseinheiten aufzuteilen, wenn mehr als zwei Verarbeitungseinheiten vorgesehen sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schnittstelleneinheit dazu ausgebildet, der ersten und zweiten Verarbeitungseinheit die zugeteilten Sensordaten zu übertragen. Die Zuteilung der Sensordaten erfolgt über die Steuereinheit. Bevorzugt werden den jeweiligen Verarbeitungseinheiten Sensordaten von gleich vielen Sensoren übermittelt. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Auslastung der Verarbeitungseinheiten gewährleistet. Verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt über mehr als zwei Verarbeitungseinheiten, kann eine Aufteilung und Übertragung auf einzelne, mehrere, gruppierte oder alle Verarbeitungseinheiten erfolgen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine der Verarbeitungseinheiten die empfangenen Sensordaten, die über die Datenschnittstelle von der Schnittstelleneinheit übertragen wurden, an die andere Verarbeitungseinheit oder die anderen Verarbeitungseinheiten überträgt. Dadurch ist gewährleistet, dass wenigstens eine der Verarbeitungseinheiten über alle Sensordaten verfügt. Bevorzugt werden die über die Datenschnittstelle empfangenen Sensordaten an alle anderen Verarbeitungseinheiten weitergeleitet, sodass auch im Falle von mehr als zwei Verarbeitungseinheiten bevorzugt alle Verarbeitungseinheiten über alle Sensordaten verfügen. Selbstverständlich ist es möglich, bei mehr als zwei Verarbeitungseinheiten auch nur einen Teil der Verarbeitungseinheiten mit allen Sensordaten zu versorgen. Auf diese Weise lassen sich mehrere Verarbeitungseinheiten miteinander gruppieren, sodass ein Parallel-Processing zwischen den einzelnen Gruppen möglich ist. Innerhalb der Gruppen kann eine Redundanz der Verarbeitung erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Übertragung der Sensordaten zwischen den einzelnen Verarbeitungseinheiten mittels der bidirektionalen Geräteschnittstelle. Die Geräteschnittstelle ist eine Schnittstelle mit einer hohen Bandbreite, die vorzugsweise über der Bandbreite der Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheit liegt. Insbesondere bei einer Ausführung der Datenschnittstelle als Ethernet-Datenschnittstelle mit einer begrenzten Bandbreite von beispielsweise 1 Gigabit pro Sekunde liegt die Bandbreite der Geräteschnittstelle deutlicher darüber.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Geräteschnittstelle der Verarbeitungseinheiten eine Bandbreite von wenigstens 4 Gigabit pro Sekunde auf. Sie ist damit deutlich schneller als die in der Regel auf 1 Gigabit pro Sekunde beschränkte Bandbreite der Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheit. Besonders bevorzugt ist die Bandbreite der Geräteschnittstelle wenigstens 8 Gigabit pro Sekunde, sehr bevorzugt wenigstens 32 Gigabit pro Sekunde. Beispielsweise können mehrere Leitungen vorgesehen sein, sodass beispielsweise bei 4 Leitungen mit einer Bandbreite von 8 Gigabit pro Sekunde eine Gesamtübertragungsrate von 32 Gigabit pro Sekunde ermöglicht wird.
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Besonders bevorzugt ist die Geräteschnittstelle eine PCI-Express-Schnittstelle (PCIe-Schnittstelle). Eine derartige Schnittstelle ist genormt und weist die gewünschten Datenraten auf, sodass eine Übertragung von 10 Gigabit pro Sekunde, bevorzugt 16 Gigabit pro Sekunde, sehr bevorzugt 32 Gigabit pro Sekunde möglich ist. Größere Datenraten sind denkbar.
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Vorzugsweise umfasst die Schnittstelleneinheit einen Switch, an dem mehrere Eingangsschnittstellen vorgesehen sind. Bevorzugt hat der Switch wenigstens vier Eingangsschnittstellen, besonders bevorzugt wenigstens acht Eingangsschnittstellen. Die Schnittstelleneinheit kann mehrere Switche umfassen. Besonders bevorzugt basiert die Schnittstelleneinheit auf Ethernet-Verbindungen. Die Schnittstelleneinheit umfasst bevorzugt mehrere Ethernet-Switches, die beispielsweise je acht Eingangsschnittstellen aufweisen.
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In der Praxis des autonomen Fahrens haben sich Ethernet-Verbindungen im Fahrzeug etabliert. Vorzugsweise ist die Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheit eine Ethernet-Schnittstelle. Sie ist in der Regel auf 1 Gigabit pro Sekunde begrenzt. Wenn beispielsweise die Schnittstelleneinheit mit vier Ethernet-Switches und je acht Eingangsschnittstellen ausgebildet ist, können bei voller Bestückung der Eingangsschnittstellen mit Sensoren und einer jeweiligen Übertragungsrate der Sensoren von 100 Megabit pro Sekunde insgesamt 1,6 Gigabit pro Sekunde an Bandbreite für alle Sensoren zur Verfügung gestellt werden. Da die 1 Gigabit pro Sekunde-Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheit diese Datenmenge nicht aufnehmen kann, muss eine Aufteilung der Sensordaten auf mehrere Verarbeitungseinheiten erfolgen. Beispielsweise könnten die Sensordaten von acht Sensoren an je eine Verarbeitungseinheit übermittelt werden. Die Gesamtdatenrate pro Verarbeitungseinheit wäre 800 Megabit pro Sekunde und somit kleiner als die maximal mögliche Bandbreite der Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheit mit 1 Gigabit pro Sekunde.
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Die entsprechende Aufteilung erfolgt mittels der Steuereinheit, die den Datenfluss der Sensordaten entsprechend auf die Verarbeitungseinheiten aufteilt. Die Steuereinheit kann beispielsweise auch als Software implementiert sein. Sie kann auch als System-on-Chip implementiert sein, in einer elektronischen Kontrolleinheit oder einem Steuergerät integriert sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ausgangsschnittstelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu ausgebildet, Steuerdaten auszugeben und für eine Weiterverarbeitung bereitzustellen. Beispielsweise können die Steuerdaten in einer weiteren Verarbeitungseinheit oder in einem Steuergerät des Fahrzeugs weiterverarbeitet werden. Es ist auch möglich, die Steuerdaten mittels der Ausgangsschnittstelle direkt an einen Aktor des Fahrzeugs zu übermitteln, beispielsweise um einen Lenkeingriff aufgrund der Verarbeitung von Radarsensordaten oder Lidarsensordaten zu initiieren.
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Das erfindungsgemäße System zum Steuern verschiedener autonomer Fahrfunktionen umfasst die oben genannte Steuereinheit und zwei oder mehrere Verarbeitungseinheiten, wobei die Verarbeitungseinheiten über die beschriebene Geräteschnittstelle miteinander verbunden sind. Die Geräteschnittstelle kann eine PCIe-Schnittstelle sein. Die Datenschnittstelle der Verarbeitungseinheit kann eine Ethernet-Schnittstelle sein.
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Das erfindungsgemäße System weist den Vorteil auf, dass eine Aufteilung von Teilaufgaben autonomer Fahrfunktionen auf mehrere Verarbeitungselemente möglich ist und so eine Unabhängigkeit des Systems erzeugt wird, sodass im Fehlerfall nur ein Teil des Systems ausfällt, andere Teile aber unverändert funktionieren können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Schnittstelleneinheit mehrere Sensorschnittstellen auf, die mit den entsprechenden Sensoren im Fahrzeug verbunden sind. Beispielsweise können Kamerasensoren, Ultraschallsensoren, Lidarsensoren oder Radarsensoren an die Steuerungsvorrichtung angekoppelt sein. Die Sensorschnittstellen sind in der Regel Ethernet-Schnittstellen mit einer Bandbreite von 100 Megabit pro Sekunde. Es können auch größere Datenraten von 1 Gigabit pro Sekunde oder mehr realisiert sein, wie beispielsweise bei Radarsensoren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung des Systems gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- 4 ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen System; und
- 5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes System 10 mit einer Vorrichtung 12 zum Steuern autonomer Fahrfunktionen sowie mehreren Sensoren 14, die mit der Vorrichtung 12 verbunden sind. Die Sensoren 14 können beispielsweise Kamerasensoren, Radarsensoren oder Lidarsensoren sein. Auch andere im Fahrzeug verbaute Sensoren sind möglich.
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Die Vorrichtung 12 umfasst eine erste Verarbeitungseinheit 16, eine zweite Verarbeitungseinheit 18, eine Schnittstelleneinheit 20, eine Steuereinheit 22 und eine Ausgangsschnittstelle 24.
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Die erste und zweite Verarbeitungseinheit 16, 18 haben jeweils eine Datenschnittstelle 26 und eine bidirektionale Geräteschnittstelle 28. Eine Datenleitung 30 verbindet die Datenschnittstellen 26 der ersten Verarbeitungseinheit 16 und der zweiten Verarbeitungseinheit 18 jeweils mit der Schnittstelleneinheit 20. Die Datenschnittstellen 26 sind als Ethernet-Schnittstellen ausgebildet, die eine Bandbreite von 1 Gigabit pro Sekunde aufweisen. Die Datenleitungen 30 sind entsprechend Ethernet-Leitungen. Die Schnittstelleneinheit 20 ist eine auf Ethernet basierende Schnittstelleneinheit.
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Die Schnittstelleneinheit 20 umfasst mehrere Eingangsschnittstellen 32, an die jeweils ein Sensor 14 angeschlossen ist. Vorzugsweise können die Eingangsschnittstellen 32 ebenfalls Ethernet-Schnittstellen sein, sodass die Sensoren 14 über je eine Ethernet-Leitung mit der Vorrichtung 12 verbunden sind.
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An der Schnittstelleneinheit 20 ist die Ausgangsschnittstelle 24 angeschlossen, mittels der Daten ausgegeben und für eine Weiterverarbeitung bereitgestellt werden können. Beispielsweise lassen sich über die Ausgangsschnittstelle 24 Steuerdaten ausgeben, die in einer der Verarbeitungseinheiten 16, 18 erzeugt werden und die über die bidirektionale Datenschnittstelle 26 und mittels der Schnittstelleneinheit 20 an der Ausgangsschnittstelle 24 anliegen. In dem hier gezeigten Beispiel ist an der Ausgangsschnittstelle 24 ein Aktor 34 angeschlossen, in dem die in der Vorrichtung 12 erzeugten Steuerdaten umgesetzt werden. Alternativ kann an der Ausgangsschnittstelle 24 auch ein Steuergerät angeschlossen sein oder eine andere Vorrichtung, die die Steuerdaten weiterverarbeitet oder eine Fahrfunktion ausführt.
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Die erste Verarbeitungseinheit 16 und die zweite Verarbeitungseinheit 18 sind über eine Geräteleitung 36 miteinander verbunden. Die Geräteleitung 36 ist mit der jeweiligen Geräteschnittstelle 28 der Verarbeitungseinheiten 16, 18 gekoppelt. Bevorzugt ist die Geräteleitung 36 als PCIe-Leitung ausgebildet, wobei die Geräteschnittstellen 28 entsprechende PCIe-Schnittstellen sind. Mittels der Geräteschnittstellen 28 können Daten, insbesondere in einer der Verarbeitungseinheiten 16, 18 erfasste Sensordaten, an die jeweils andere Verarbeitungseinheit 16, 18 übermittelt werden. Auf diese Weise kann ein Datenaustausch über die schnelle Geräteleitung 36 erfolgen, die eine Bandbreite von mehreren Gigabit pro Sekunde, bevorzugt wenigstens 10 Gigabit pro Sekunde, sehr bevorzugt wenigstens 20 Gigabit pro Sekunde und besonders bevorzugt wenigstens 30 Gigabit pro Sekunde aufweist.
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Die Steuereinheit 22 ist mit der Schnittstelleneinheit 20 verbunden. Sie steuert den Datenfluss der Sensordaten der einzelnen Sensoren 14 von der Schnittstelleneinheit 20 an die erste Verarbeitungseinheit 16 und die zweite Verarbeitungseinheit 18. Abhängig von der Datenmenge und der benötigten Datenrate, die von den Sensoren 14 zur Verfügung gestellt wird, wird der Datenfluss innerhalb der Vorrichtung 12 geregelt und gesteuert.
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Optional kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 12 eine Auswerteeinheit 38 umfassen, die die innerhalb der Vorrichtung 12 benötigte Datenbandbreite ermittelt und erfasst. Hierzu wird bevorzugt die an der Schnittstelleneinheit 20 anliegende Datenbandbreite ermittelt und ausgewertet. In Abhängigkeit der Datenbandbreiten, die an den Datenschnittstellen 26 der ersten und zweiten Verarbeitungseinheit 16, 18 maximal anliegen können, erfolgt eine Aufteilung des Datenflusses von der Schnittstelleneinheit 20 zu der ersten Verarbeitungseinheit 16 bzw. der zweiten Verarbeitungseinheit 18. Die nicht an die jeweilige Verarbeitungseinheit 16, 18 übermittelten Sensordaten werden über die Geräteleitung 36 zwischen den beiden Verarbeitungseinheiten 16 und 18 und deren Geräteschnittstellen 26 ausgetauscht. Die Auswerteeinheit 38 kann, wie in 1 gezeigt, beispielsweise in der Steuereinheit 22 integriert sein. Sie kann aber auch als eigenständiges Bauteil innerhalb der Vorrichtung 12 vorgesehen sein. Möglich ist es selbstverständlich, dass die Auswerteeinheit 38, die Steuereinheit 22, die erste und zweite Verarbeitungseinheit 16, 18 oder die gesamte Vorrichtung 12 in einem Chip oder System-on-Chip, einem Mikrocontroller, einem FPGA oder einem ähnlichen elektronischen Baustein integriert oder als solche ausgebildet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass einige dieser Elemente in Form von Software vorliegen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 38 als ein Softwaremodul innerhalb der Steuereinheit 22 integriert sein.
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Wie in 1 exemplarisch gezeigt ist, ist die Ausgangsschnittstelle 24 über eine Ausgangsleitung 40 mit der Schnittstelleneinheit 20 verbunden. An der Ausgangsschnittstelle 24 ist ein Aktor 34 angeschlossen. Selbstverständlich kann dies auch eine Steuereinheit oder ein Steuergerät oder eine ähnliche Komponente eines Fahrzeugs sein. Damit Daten über die Ausgangsschnittstelle 24 ausgegeben werden können, kann die erste und zweite Verarbeitungseinheit 16, 18 über ihre jeweilige Datenschnittstelle 26 und Datenleitung 30 Daten an die Schnittstelleneinheit übermitteln. Dies sind beispielsweise Steuerdaten, die zur Steuerung eines Aktors 34 verwendet werden. Die Datenschnittstelle 26 ist also eine bidirektionale Schnittstelle. Sie kann beispielsweise als Ethernet-Schnittstelle ausgeführt sein. Auch über die Geräteleitung 36 können Daten zwischen der ersten Verarbeitungseinheit 16 und der zweiten Verarbeitungseinheit 18 ausgetauscht werden. Die Daten sind nicht auf Steuerdaten oder Sensordaten beschränkt. Es können auch Zwischenergebnisse, Funktionsaufrufe oder ähnliche Informationen oder Daten zwischen den beiden Verarbeitungseinheiten 16, 18 ausgetauscht und übertragen werden.
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Die 2 und 3 zeigen zwei exemplarische Beispiele eines erfindungsgemäßen Systems 10 mit jeweils einer Vorrichtung 12 und einer Mehrzahl von Sensoren 14.
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2 zeigt ein System 10, an dessen Vorrichtung 12 acht Sensoren 14 angeschlossen sind. Die Schnittstelleneinheit 20 ist hier exemplarisch als Ethernet-Schnittstelleneinheit ausgebildet. Die Schnittstelleneinheit 20 umfasst in dem gezeigten Beispiel vier Switche 42, die als Ethernet-Switch ausgebildet sind. Selbstverständlich können auch entsprechend dem verwendeten Übertragungsprotokoll andere Switche und Schnittstellen verwendet werden.
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Exemplarisch ist hier gezeigt, dass die Ethernet-Switche jeweils vier Eingangsschnittstellen aufweisen, an denen jeweils ein Sensor 14 angeschlossen ist. Bei einer typischen Ethernet-Übertragungsrate der Sensoren 14 von je 100 Megabit pro Sekunde liegen also an jedem Switch 42 Daten mit einer Bandbreite von 400 Megabit pro Sekunde an. In dem gezeigten Beispiel mit zwei Switchen 42 und je vier Sensoren 14 beträgt die Gesamtdatenbandbreite also 800 Megabit pro Sekunde, um alle Daten gleichzeitig von der Schnittstelleneinheit 20 an die Verarbeitungseinheiten 16, 18 zu übertragen. Im hier gezeigten Beispiel werden also alle Daten direkt von der Schnittstelleneinheit 20 zu der ersten Verarbeitungseinheit 16 übertragen, da die Bandbreite der Datenschnittstelle 26 der Verarbeitungseinheiten 16, 18, die typischerweise bei 1 Gigabit pro Sekunde liegt, ausreichend ist.
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Um eine redundante Verarbeitung der Daten zu ermöglichen, können die Daten auch, bevorzugt gleichzeitig, über die Datenleitung 30 zwischen der Schnittstelleneinheit 20 und der zweiten Verarbeitungseinheit 18 an die zweite Verarbeitungseinheit 18 übermittelt werden. In beiden Verarbeitungseinheiten 16, 18 liegen bevorzugt alle Sensordaten vor. Ein direkter Austausch zwischen den beiden Verarbeitungseinheiten 16, 18 ist nicht notwendig. Dennoch ist es denkbar, dass Zwischenergebnisse zwischen den beiden Verarbeitungseinheiten 16 und 18 ausgetauscht werden, beispielsweise um Ergebnisse auf Konsistenz zu prüfen oder Zwischenergebnisse auszutauschen, um Zuverlässigkeitsbetrachtungen durchzuführen.
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3 zeigt ein Beispiel, bei dem alle Eingangsschnittstellen 32 der beispielhaften vier Switche 42 mit Sensoren 14 belegt sind. Unterstellt man wiederum, dass auch in diesem Beispiel Ethernet-Verbindungen verwendet sind, so sind die Switche 42 als Ethernet-Switche ausgelegt. Typischerweise haben die Sensoren eine Datenbandbreite von 100 Megabit pro Sekunde, sodass an jedem Switch 42 eine Datenrate von 400 Megabit pro Sekunde anliegt. Insgesamt müssen also von der Schnittstelleeinheit 20 viermal 400 Megabit pro Sekunde, folglich 1,6 Gigabit pro Sekunde als Datenbandbreite bzw. Datenrate zur Verfügung gestellt werden. Da die ebenfalls als Ethernet ausgebildete Datenschnittstelle 26 der ersten und zweiten Verarbeitungseinheit 16, 18 typischerweise auf 1 Gigabit pro Sekunde begrenzt ist, ist es nicht möglich, alle Daten gleichzeitig an eine der Verarbeitungseinheiten 16, 18 zu übermitteln. Die Steuereinheit 22 steuert die Schnittstelleneinheit 20 deshalb derart, dass die Sensordaten 60 von acht Sensoren 14, beispielsweise die der beiden in 3 links gezeichneten Switche 42, an die erste Verarbeitungseinheit 16 übertragen werden (gestrichelte Linie 50). Die benötigte Datenrate liegt mit 800 Megabit pro Sekunde unter der maximalen Datenrate der Datenschnittstelle 26 der ersten Verarbeitungseinheit 16. Die Sensordaten 62 der anderen acht Sensoren 14, die im gezeigten Beispiel an den beiden rechten Switchen 42 verbunden sind, werden über die Datenleitung 30 von der Schnittstelleneinheit 20 zur zweiten Verarbeitungseinheit 18 übermittelt (gestrichelte Linie 52).
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Damit beide Verarbeitungseinheiten 16, 18 über alle Sensordaten verfügen, werden die jeweils fehlenden Sensordaten über die Geräteschnittstellen 28 und die Geräteleitung 36 zwischen den beiden Verarbeitungseinheiten 16 und 18 ausgetauscht (gestrichelte Linie 54). Die Regelung erfolgt mittels der Steuereinheit 22.
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Da die Geräteschnittstellen 28 eine deutlich höhere Übertragungsrate zulassen (mehrere Gigabit pro Sekunde) und bevorzugt, wie in den 2 und 3 gezeigt, über einen PCIe-Controller bzw. ein PCIe-System 44 übertragen werden, kann eine redundante Verarbeitung aller Daten in den beiden Verarbeitungseinheiten 16, 18 problemlos erfolgen. Vielmehr können zusätzlich zu den Sensordaten auch weitere Daten, Zwischenergebnisse, Funktionsaufrufe oder Ähnliches übertragen werden.
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In den 1 bis 3 wurde jeweils ein erfindungsgemäßes System mit einer entsprechenden Vorrichtung 12 gezeigt, in der zwei Verarbeitungseinheiten 16, 18 implementiert sind. Selbstverständlich ist es möglich, auch mehr als zwei Verarbeitungseinheiten 16, 18 in einer Vorrichtung zusammenzufassen. Es können dann mehrere Sensordaten an der Schnittstelleneinheit 20 verarbeitet werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Switche 42 mehr als vier Eingänge für Sensoren 14 zur Verfügung stellen, wenn mehrere Switche vorhanden sind, also mehr als vier, oder wenn die Datenrate von den Sensoren 14 zu den Switchen 42 mehr als 100 Megabit pro Sekunde beträgt. Es kann eine Aufteilung auf mehrere Verarbeitungseinheiten 16, 18 möglich sein. Die Daten der einzelnen Verarbeitungseinheiten 16, 18 können zu den anderen Verarbeitungseinheiten 16, 18 weitergeleitet werden. Da die Geräteschnittstelle 28 sehr hohe Datenraten bis zu 32 Gigabit pro Sekunde und darüber ermöglicht, ist eine redundante Verarbeitung der Sensordaten oder ein Parallelprocessing auch bei großen Datenmengen möglich. Dies gilt insbesondere, wenn die Sensoren 14 beispielsweise Radarsensoren oder Kamerasensoren sind und Datenraten von mehreren Gigabit zur Verfügung stellen.
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4 zeigt ein Fahrzeug 46 in Form eines Lastkraftwagens, der mit dem erfindungsgemäßen System 10 ausgestattet ist. Die Vorrichtung 12 umfasst die Elemente und Komponenten, wie sie anhand der 1 bis 3 beschrieben wurden. Die einzelnen Komponenten sind in der Darstellung in 4 nicht explizit gezeigt. Ein Sensor 14 ist als Radarsensor ausgebildet und an der Front des Fahrzeugs 46 angeordnet. Der Sensor 14 ist mit der Schnittstelleneinheit der Vorrichtung 12 verbunden und übermittelt seine Daten an die Vorrichtung 12. Weitere Sensoren 14 sind ebenfalls im Fahrzeug angeordnet, jedoch in 4 nicht exemplarisch gezeigt.
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Die Vorrichtung 12 ermittelt aus den Sensordaten mittels ihrer Verarbeitungseinheiten Steuerdaten, die an der Ausgangsschnittstelle 24 der Vorrichtung 12 ausgegeben werden und mittels der Ausgangsleitung 40 an den Aktor 34 übertragen werden. Der Aktor 34 initiiert entsprechende Eingriffe in die Fahrdynamik oder Fahrzeugsteuerung, um Fahrfunktionen in dem Fahrzeug auszuführen. Beispielsweise kann ein Bremseingriff durch den Aktor 34 ausgelöst werden.
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In der 5 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Empfangens S10 von Sensordaten mit Informationen zu autonomen Fahrfunktionen eines Fahrzeugs 46 von Sensoren 14 des Fahrzeugs 46 mittels einer Schnittstelleneinheit 20, des Steuerns S12 des Datenflusses der Sensordaten von der Schnittstelleneinheit 20 zu wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten 16, 18, des Sendens S14 von Sensordaten von Sensoren 14 zu den wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten 16, 18, des Steuerns S16 des Datenflusses der Sensordaten zwischen den wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten 16, 18, des Übermittelns S18 der Sensordaten zwischen den wenigstens zwei Verarbeitungseinheiten 16, 18, des Verarbeitens S20 der Sensordaten und des Erzeugens S22 von Steuerdaten für eine Fahrfunktion aus den Sensordaten. Dargestellt ist auch der optionale weitere Schritt des Bereitstellens S24 der Steuerdaten an eine Ausgangsschnittstelle zur Weiterverarbeitung. Das Verfahren kann beispielsweise als Software implementiert sein, die auf einem Fahrzeugsteuergerät, einem Fahrzeugzentralrechner, einer elektronischen Kontrolleinheit oder einer elektronischen Steuereinheit ausgeführt wird. Vorzugsweise wird das Verfahren während des Betriebs der Sensoren des Fahrzeugs und während des Betriebs des Fahrzeugs angewendet.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit können die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- System
- 12
- Vorrichtung
- 14
- Sensor
- 16
- erste Verarbeitungseinheit
- 18
- zweite Verarbeitungseinheit
- 20
- Schnittstelleneinheit
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Ausgangsschnittstelle
- 26
- Datenschnittstelle
- 28
- Geräteschnittstelle
- 30
- Datenleitung
- 32
- Eingangsschnittstelle
- 34
- Aktor
- 36
- Geräteleitung
- 38
- Auswerteeinheit
- 40
- Ausgangsleitung
- 42
- Switch
- 44
- PCIe-System
- 46
- Fahrzeug
- 50
- Datenfluss
- 52
- Datenfluss
- 54
- Datenfluss
- 60
- Sensordaten
- 62
- Sensordaten
