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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuersystem für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Steuersystem mit mehreren Steuervorrichtungen.
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Ein Fahrzeug umfasst mehrere Steuervorrichtungen, die jeweils dazu eingerichtet sind, eine vorbestimmte Aufgabe an Bord des Fahrzeugs zu erfüllen. Dazu ist eine Steuervorrichtung üblicherweise mit einem Sensor oder Aktor verbunden und umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, die als Mikrocomputer oder Mikrocontroller ausgebildet ist und mittels eines Computerprogrammprodukts eine vorbestimmte Steuerung durchführt.
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Die Steuervorrichtung ist häufig nahe am Aktor oder Sensor angeordnet. Eine übergeordnete Steuervorrichtung kann zur Steuerung mehrerer einzelner Steuervorrichtungen vorgesehen sein. Funktional zusammengehörende Steuervorrichtungen können eine Domäne bilden und eine übergeordnete Steuervorrichtung kann eine Domänensteuerung (domain controller) realisieren.
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Insgesamt kann eine installierte Verarbeitungskapazität aller Steuervorrichtungen groß sein, obwohl die volle Leistung einer Steuervorrichtung üblicherweise nur selten abgerufen wird. Zwischen den einzelnen Steuereinrichtungen ist jeweils eine Übergabe von Messwerten oder Parametern zu realisieren, wobei unterschiedliche Randbedingungen, etwa bezüglich Übertragungssicherheit, Geschwindigkeit, Echtzeitfähigkeit, Ausfallsicherheit oder Abhörsicherheit einzuhalten sind. Ein Steuersystem, das die Steuervorrichtungen umfasst, kann daher komplex sein und eine aufwändige Wartung erfordern. Eine Fehlersuche kann erschwert sein.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe eines verbesserten Steuersystems zum Einsatz an Bord eines Fahrzeugs. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Steuersystem für ein Fahrzeug umfasst mehrere Schnittstellen, jeweils zur Verbindung mit einem zugeordneten Sensor oder Aktor an Bord des Fahrzeugs; mehrere Steuervorrichtungen, die jeweils dazu eingerichtet sind, über eine zugeordnete Schnittstelle einen zugeordneten Sensor abzutasten oder einen zugeordneten Aktor anzusteuern, um eine vorbestimmte Funktion an Bord des Fahrzeugs zu steuern; und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, mehrere virtuelle Maschinen zu bilden; wobei die Steuervorrichtungen jeweils in einer der virtuellen Maschinen ablaufen.
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Die verschiedenen physischen Aktoren oder zugeordneten Sensoren werden von einem einzigen Steuersystem aus gesteuert, je nachdem, in welcher Domäne sie vorhanden sind, d.h. Zuweisung von Steuersystemen für einzelne Domänen zu einem einzigen Hauptsteuersystem. Somit können Aktuatoren oder Sensoren für einzelne Domänen von einem einzigen Steuersystem aus gesteuert werden.
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Einer Schnittstelle ist üblicherweise maximal ein Sensor oder Aktor zugeordnet. In einer virtuellen Maschine läuft bevorzugt nur eine Steuervorrichtung; in bestimmten Ausführungsformen können auch mehrere Steuervorrichtungen in einer gemeinsamen virtuellen Maschine ablaufen.
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Erfindungsgemäß kann eine reale Verarbeitungseinrichtung verwendet werden, um mehrere Steuereinrichtungen in virtuellen Maschinen auszuführen beziehungsweise zu simulieren. Eine solchermaßen virtuelle Steuereinrichtung kann ein bereits für eine physische Steuereinrichtung bereitgestelltes Computerprogramm ausführen. Die virtuelle Maschine kann dazu einer Umgebung der realen Steuereinrichtung nachempfunden werden.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann leicht ausreichend dimensioniert werden, um die Anforderungen der umfassten Steuereinrichtungen zu erfüllen. Bei Bedarf kann eine leistungsfähige Verarbeitungseinrichtung verwendet werden, die mehrere Rechenkerne oder Spezialeinrichtungen wie eine GPU, Shader oder Vektorrechner umfasst. Insgesamt kann das Steuersystem kostengünstiger aufgebaut werden als mit mehreren realen Steuereinrichtungen. Eine Kommunikation zwischen Komponenten des Steuersystems kann vereinfacht sein. Durch eine verringerte Anzahl realer Komponenten kann eine Ausfallsicherheit des Steuersystems erhöht sein. Sollte eine Steuereinrichtung im Steuersystem ausfallen, beispielsweise durch einen Fehler in einem Computerprogrammprodukt, so können die anderen Steuereinrichtungen weiter funktionieren. Die virtuelle Maschine kann auch neu gestartet werden, um die Steuereinrichtung aus einem Fehlerzustand, etwa einer Verklemmung (deadlock), zu befreien. Ferner ist es möglich, eine virtuelle Maschine abzuschalten, um eine zugeordnete Steuereinrichtung zu deaktivieren.
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Es ist bevorzugt, dass einem Aktor nicht mehr als eine Steuervorrichtung zugeordnet ist. Eine Kollision von einander widersprechenden Ansteuerungen verschiedener Steuereinrichtungen kann so vermieden werden. Einem Sensor können jedoch eine oder auch mehrere Steuervorrichtungen zugeordnet sein. So kann ein Aufwand zur Bereitstellung aller erforderlicher Sensoren verringert sein. Redundante Sensoren können eingespart werden. Durch die virtuellen Maschinen kann jede Steuereinrichtung nur einen Sensor „sehen“, die Existenz einer anderen auf den Sensor zugreifenden Steuereinrichtung kann ihr bei Bedarf verborgen werden.
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Für eine Steuervorrichtung in einer virtuellen Maschine können genau die Aktoren oder Sensoren verfügbar sein, die von der Steuervorrichtung genutzt werden sollen. Ein Sensor der Aktor, der für die Erfüllung der Aufgabe der Steuereinrichtung nicht relevant sind, kann für sie nicht zugänglich sein. Sollte sich die Aufgabe oder der Lösungsansatz der Steuereinrichtung ändern, so können die für sie „sichtbaren“ Aktoren oder Sensoren entsprechend angepasst werden. Sensoren oder Aktoren können für die Steuereinrichtung hinzugefügt werden oder wegfallen, ohne eine tatsächliche Änderung an der Konfiguration des Fahrzeugs vornehmen zu müssen.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, einer virtuellen Maschine eine virtuelle Schnittstelle bereitzustellen und eine Kommunikation zwischen virtuellen Schnittstellen bereitzustellen. So können virtuelle Maschinen beziehungsweise jeweils in ihnen ablaufende Steuereinrichtungen miteinander kommunizieren, ohne eine physische Schnittstelle benutzen zu müssen. Die Kommunikation kann einfacher, weniger fehlerträchtig oder weniger aufwändig sein.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann weiter dazu eingerichtet sein, eine Zuordnung von Ressourcen zu virtuellen Maschinen zu steuern. In einer ersten Variante können vorhandene Ressourcen den Steuereinrichtungen fest zugeordnet werden. In einer zweiten Variante kann ein Vergabeschema vorgesehen sein, um Ressourcen dynamisch den Steuereinrichtungen zuzuordnen. In beiden Varianten können Informationen zur Konfiguration einer virtuellen Maschine, der Verteilung von Ressourcen oder der Zuordnung von Sensoren oder Aktoren zu Schnittstellen oder von Schnittstellen zu Steuereinrichtungen außerhalb des Steuersystems abgespeichert werden. Diese Informationen können etwa in einer anderen Steuereinrichtung oder auf einem Server oder in einem Dienst, etwa in einer Cloud, abgelegt werden. Sollte das Steuersystem physisch ausgetauscht werden müssen, kann die Konfiguration mit geringem Aufwand eingespielt werden.
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Es kann eine Administrationsschnittstelle vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, eine Zuordnung von Ressourcen an Steuervorrichtungen zu steuern. Über die Administrationsschnittstelle kann beispielsweise ein Vergabeschema von Ressourcen an Steuereinrichtungen geändert werden. Eine Änderung kann zu einem Servicetermin des Fahrzeugs oder bei Bedarf auch im laufenden Betrieb des Fahrzeugs durchgeführt werden. In einer Ausführungsform kann die Änderung von einer zum Fahrzeug externen Vorrichtung aus gesteuert werden, beispielsweise über eine drahtlose Schnittstelle.
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Die Ressource kann eine Schnittstelle umfassen. Die Schnittstelle kann eine reale Schnittstelle umfassen, die mit einem Sensor oder einem Aktor verbunden ist, oder eine virtuelle Schnittstelle, die mit einer virtuellen Maschine verbunden ist.
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Die Ressource kann einen Speicher umfassen. Der Speicher kann einen Arbeitsspeicher, einen Festspeicher oder einen Massenspeicher umfassen. Einer Steuereinrichtung kann eine vorbestimmte Menge oder ein vorbestimmter Bereich in einem der Speicher zugewiesen werden. Optional können mehreren Steuereinrichtungen überlappende Speicherbereiche zugeordnet werden, um einen Austausch von Informationen oder eine kooperative Bearbeitung gemeinsamer Daten zu ermöglichen.
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Eine Ressource kann eine Verarbeitungsleistung umfassen. Die Verarbeitungseinrichtung kann beispielsweise nach dem Round Robin-Verfahren oder einem anderen Zuordnungsverfahren Zeitscheiben ihrer Verarbeitungsleistung an Steuereinrichtungen verteilen. Umfasst die Verarbeitungseinrichtung parallele Ausführungseinrichtungen, beispielsweise Rechenkerne, so können diese entsprechend an Steuereinrichtungen zugeordnet werden.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fahrzeug ein hierin beschriebenes Steuersystem. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug umfassen, beispielsweise ein Kraftrad, einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder einen Bus.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Fahrzeug mit einem Steuersystem; und
- 2 ein Steuersystem
schematisch darstellt.
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1 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem Steuersystem 105. Das Steuersystem 105 ist mit einer Anzahl Sensoren 110 oder Aktoren 115 am Fahrzeug 100 verbunden und dazu eingerichtet, mehrere vorbestimmte Steueraufgaben am Fahrzeug 100 auszuführen. Ein Sensor 110 kann eine physikalische Größe am Fahrzeug 100 abtasten und einen entsprechenden Sensorwert bereitstellen. Auf den Sensor 110 kann insbesondere lesend zugegriffen werden. Ein Aktor 115 kann zur insbesondere physischen Betätigung eines Elements des Fahrzeugs 100 eingerichtet sein und beispielsweise einen Elektromagneten, ein Ventil, eine Anzeige, einen Elektromotor oder eine optische oder akustische Ausgabeeinrichtung umfassen. Auf einen Aktor 115 kann insbesondere schreibend zugegriffen werden. Außerdem kann eine kombinierte Einrichtung 120 vorgesehen sein, auf die sowohl lesend als auch schreibend zugegriffen werden kann. Beispielsweise kann die Einrichtung 120 einen konfigurierbaren Sensor 110 oder Aktor 115 umfassen. Auch beispielsweise eine Kommunikationseinrichtung, die zur bidirektionalen Kommunikation eingerichtet ist, kann als kombinierte Einrichtung 120 vorgesehen sein.
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Eine Steueraufgabe des Steuersystems 105 kann beispielsweise eine Bewegung des Fahrzeugs 100 in Längs- oder Querrichtung oder eine Navigation des Fahrzeugs 100 umfassen. Insbesondere kann das Steuersystem 105 zur Steuerung eines Antriebsmotors, eines Getriebes oder einer Lenkung des Fahrzeugs 100 eingerichtet sein. Weitere mögliche Aufgaben des Steuersystems 105 umfassen Hilfsfunktionen wie die Steuerung eines Unterhaltungssystems oder einer Klimaanlage oder eine Verstellung eines Sitzes oder eines Scheinwerfers. Auch ein Fahrassistent, beispielsweise zur Spurhaltung oder zur Gefahrenbremsung, kann durch das Steuersystem 105 gesteuert werden.
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2 zeigt ein System 200, das ein Steuersystem 105 und mehrere Sensoren 110, Aktoren 115 und/oder kombinierte Einrichtungen 120 umfasst, die mit dem Steuersystem 105 verbunden sind. Rein beispielhaft sind in 2 zwei Sensoren 110, zwei Aktoren 115 und eine kombinierte Einrichtung 120 vorgesehen. Das Steuersystem 105 ist bevorzugt als eine integrierte Einheit ausgebildet, die insbesondere separat handhabbar sein kann. In einer Ausführungsform ist das Steuersystem 105 als eine einzige gedruckte Schaltung (PCB) ausgebildet. Das Steuersystem 105 kann an einer geeigneten Stelle am Fahrzeug 100 angebracht sein. An machen Fahrzeugen 100 können mehrere Steuersysteme 105 eingesetzt werden, die optional miteinander kommunizieren oder durch eine übergeordnete Steuereinrichtung gesteuert werden können.
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Das Steuersystem 105 umfasst eine Anzahl Schnittstellen 205, wobei eine Schnittstelle 205 bevorzugt mit einem Sensor 110, einem Aktor 115 oder einer lesenden oder schreibenden Seite einer kombinierten Einrichtung 120 verbunden ist. Eine bidirektionale Schnittstelle 205 ist ebenfalls möglich. In der Darstellung von 2 sind beispielhaft drei links dargestellte Schnittstellen 205 jeweils einem lesenden Zugriff und drei rechts dargestellte Schnittstellen 205 jeweils einem schreibenden Zugriff des Steuersystems 105 zugeordnet.
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Das Steuersystem 105 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 210, die dazu eingerichtet ist, mehrere virtuelle Maschinen 215 bereitzustellen, in denen jeweils eine Steuereinrichtung 120 abläuft. In 2 sind zwei virtuelle Maschinen 215 dargestellt, es können aber auch mehr sein, wie durch eine unterbrochene horizontale Linie angedeutet ist. Eine Steuereinrichtung 120 kann durch ein Computerprogrammprodukt realisiert sein, das in einer anderen Ausführungsform auf einer realen, dedizierten Verarbeitungseinrichtung ablaufen kann, die physisch mit Schnittstellen 205 beziehungsweise Sensoren 110, Aktoren 115 oder Einrichtungen 115 verbunden sein kann. Die Steuereinrichtung 120 ist dazu eingerichtet, eine vorbestimmte Steueraufgabe an Bord des Fahrzeugs 100 zu erfüllen. Vorliegend sind beispielhaft zwei virtuelle Maschinen 215 mit jeweils einer zugeordneten Steuervorrichtung 120 dargestellt.
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Jede virtuelle Maschine 215 bildet für eine Steuereinrichtung 120 eine vorbestimmte Ausführungsumgebung nach, die üblicherweise eine vorbestimmte Art von Verarbeitungseinrichtung und eine vorbestimmte Peripherie umfasst. Die Verarbeitungseinrichtung kann durch die reale Verarbeitungseinrichtung 210 realisiert werden. Die Peripherie kann durch Zuordnung oder Konfiguration von realen Ressourcen bereitgestellt werden, wobei eine Ressource insbesondere einen Speicher, eine Verarbeitungsleistung der Verarbeitungseinrichtung oder eine Schnittstelle umfassen kann.
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Reale Schnittstellen 205 können über eine Abbildungseinheit 225 an eine virtuelle Maschine 220 bereitgestellt oder für sie sichtbar gemacht werden. Die Abbildungseinheit 225 kann eine Anordnung von Schaltern oder eine Verdrahtung umfassen oder beispielsweise durch einen rekonfigurierbaren Halbleiter gesteuert werden. In einer Ausführungsform wird die Abbildungseinheit 225 durch die Verarbeitungseinrichtung 210 gesteuert oder simuliert.
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In 2 sind beispielhafte Zuordnungen zwischen realen, physischen Schnittstellen 205 und jeweils für eine virtuelle Maschine 215 sichtbare Schnittstellen mittels unterbrochener Linien dargestellt. Die linke virtuelle Maschine 215 ist mit zwei Sensoren 110 und der schreibenden Seite der kombinierten Einrichtung 120 verbunden; darüber hinaus kann eine virtuelle Schnittstelle 230 vorgesehen sein, die physisch außerhalb des Steuersystems 105 nicht verfügbar sein kann. Die rechte virtuelle Maschine 215 ist mit einem Sensor 110, einer lesenden Seite der kombinierten Einrichtung 120 und einem Aktor 115 verbunden. Im vorliegenden Beispiel sind beide virtuellen Maschinen 215 mit einem gemeinsamen Sensor 110 verbunden und einer der Aktoren 115 ist mit keiner der virtuellen Maschinen 215 verbunden. Außerdem umfasst auch die rechte virtuelle Maschine 215 eine virtuelle Schnittstelle 230, die beispielhaft mit der virtuellen Schnittstelle 230 der linken virtuellen Maschine 215 verbunden ist. In einer Ausführungsform können beliebig viele virtuelle Maschinen 215 mit einer virtuellen Schnittstelle 230 verbunden sein. Dabei können sich beispielsweise eine Busstruktur oder eine Punkt-zu-Punkt Struktur ergeben.
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In der dargestellten Ausführungsform ist außerdem eine Administrationsschnittstelle 235 vorgesehen, über die eine externe Einrichtung mit der Verarbeitungseinrichtung 210 kommunizieren kann. Insbesondere kann die Verarbeitungseinrichtung 210 konfiguriert werden oder ein Steuerprogramm kann angepasst werden. Ferner können Parameter oder Vorgehensweisen verändert werden. Insbesondere kann über die Administrationsschnittstelle 235 eine Konfiguration einer virtuellen Maschine 215 gesteuert werden. Die Konfiguration kann eine Bereitstellung von Ressourcen und insbesondere eine Zuordnung von Schnittstellen 205 zur virtuellen Maschine 215 umfassen. Ferner kann ein Computerprogramm in eine virtuelle Maschine 215 geladen werden, das, wenn es ausgeführt wird, eine Steuereinrichtung 220 realisiert. Eine virtuelle Maschine 215 oder eine Steuereinrichtung 220 können gestartet, unterbrochen oder angehalten werden. In einer Ausführungsform kann eine Steuereinrichtung 220 von einer in eine andere virtuelle Maschine 215 verschoben werden. Außerdem kann eine Steuereinrichtung 220 über die Administrationsschnittstelle 235 vom Steuersystem 105 heruntergeladen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 105
- Steuersystem
- 110
- Sensoren
- 115
- Aktor
- 120
- kombinierte Einrichtung
- 200
- System
- 205
- Schnittstelle
- 210
- Verarbeitungseinrichtung
- 215
- virtuelle Maschine
- 220
- Steuereinrichtung
- 225
- Abbildungseinheit
- 230
- virtuelle Schnittstelle
- 235
- Administrationsschnittstelle
