WO2021089308A1 - System zum steuern einer maschine - Google Patents

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WO2021089308A1
WO2021089308A1 PCT/EP2020/079348 EP2020079348W WO2021089308A1 WO 2021089308 A1 WO2021089308 A1 WO 2021089308A1 EP 2020079348 W EP2020079348 W EP 2020079348W WO 2021089308 A1 WO2021089308 A1 WO 2021089308A1
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WO
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control programs
following features
machine
containers
monitoring module
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PCT/EP2020/079348
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English (en)
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Inventor
Udo Schulz
Mouham Tanimou
Joshua-Niclas OERGELE
Andreas Lapp
Micha Muenzenmay
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F9/00—Arrangements for program control, e.g. control units
    • G06F9/06—Arrangements for program control, e.g. control units using stored programs, i.e. using an internal store of processing equipment to receive or retain programs
    • G06F9/44—Arrangements for executing specific programs
    • G06F9/455—Emulation; Interpretation; Software simulation, e.g. virtualisation or emulation of application or operating system execution engines
    • G06F9/45533—Hypervisors; Virtual machine monitors
    • G06F9/45558—Hypervisor-specific management and integration aspects
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06F9/06—Arrangements for program control, e.g. control units using stored programs, i.e. using an internal store of processing equipment to receive or retain programs
    • G06F9/44—Arrangements for executing specific programs
    • G06F9/455—Emulation; Interpretation; Software simulation, e.g. virtualisation or emulation of application or operating system execution engines
    • G06F9/45533—Hypervisors; Virtual machine monitors
    • G06F9/45558—Hypervisor-specific management and integration aspects
    • G06F2009/45591—Monitoring or debugging support

Definitions

  • the present invention relates to a system for controlling a machine.
  • the present invention also relates to a corresponding agricultural or other machine.
  • SW software
  • OTA over-the-air
  • VCG vehicle connectivity gateway
  • vehicle-internal control units can be expanded in this way by features that use existing sensors and actuators for new applications.
  • Corresponding applications can be created by the manufacturer or original equipment manufacturer (OEM) of an agricultural machine - for example by means of a development kit and offered on a digital sales platform in the cloud.
  • Conceivable extensions are, for example, advanced telemetry or special agricultural functions such as targeted weed control.
  • DE102015203766A1 discloses a subsystem for a vehicle with a device management client connected via an air interface to a device management server of the backend for exchanging device, vehicle and diagnostic and software update information, one connected via the air interface to a download server of the backend Download client for downloading a software update from the backend into the vehicle, software update clients connected to the download client for applying the software update and a vehicle update client connected to the download client and the software update clients for coordinating the software update.
  • the container or operating system virtualization which has been common in data center operations for a long time, has recently increasingly found its way into the practice of embedded systems.
  • This method makes it possible to operate several instances of an operating system as so-called guests in isolation from one another on a host system.
  • the host can provide a complete runtime environment to each application encapsulated within such a container, which may include, for example, dynamic libraries of the programming language used by the respective developer, such as Java, C or Python.
  • this "lightweight" form of virtualization imposes some restrictions on the guests, but has the advantage that all containers share the core of the native operating system - typically Linux, BSD, Solaris or another Unix-like system use. The use of containers thus spares the scarce resources of embedded systems. Disclosure of the invention
  • the invention provides a system for controlling a machine and a corresponding agricultural or other machine according to the independent claims.
  • the approach according to the invention is based on the knowledge that a framework that integrates the new feature is required in the target control device in order to integrate a new performance feature into the functional network of a vehicle.
  • Existing integration frameworks of this type have generally been developed for a software architecture on a microcontroller (pC).
  • PPC microcontroller
  • their tasks are very diverse and include the central coordination of the relevant feature over its entire "life cycle" (lifecycle management, LCM).
  • the framework according to the invention ensures the basic functionality of the control device over the entire life cycle of its features and the monitoring of the features that have already been installed by means of basic services of an integrated software platform.
  • the measures listed in the dependent claims enable advantageous developments and improvements of the basic idea specified in the independent claim.
  • the tasks of the framework with regard to infrastructure and communication can be distributed to an integration system service (daemon), a monitoring module and - with regard to signal arbitration and provision of substitute values or a functional fallback level with prioritization, etc. - a service-oriented communication bus in order to benefit control programs to be able to integrate into a service-oriented architecture (SOA).
  • Daemon integration system service
  • SOA service-oriented architecture
  • the single figure shows the architecture of an integration framework according to the invention.
  • One embodiment of the invention relates to a control device with its native operating system.
  • the system according to the invention comprises software elements which are based on this operating system.
  • An example of such an operating system is a Linux derivative optimized for control devices that supports, for example, CAN drivers, network connections, WLAN, USB and the control of the input and output amplifiers.
  • the operating system can be expanded to include virtualization solutions such as Docker or Linux containers (LXC).
  • the control unit communicates with one or more cloud backends and contains application software that gives the system a specific performance feature. This is encapsulated by containers so as not to influence other functions, and uses a programming interface (application programming interface, API) of the software platform. As a rule, the performance characteristic corresponds to an application function that can be fulfilled by the machine.
  • API application programming interface
  • a monitoring module (18) monitors the control programs (16) and services with regard to possible malfunctions and ensures their fail-safe operation. In the event of a component failure, the monitoring module (18) takes the error reaction required for functional reliability from a configuration (22) of the respective control program (16) that is comparable to the “manifest” files known from various runtime environments. Conceivable error responses include, for example, the provision of substitute services, error diagnosis and the provision of substitute values for failed control programs (16).
  • the monitoring module (18) should for its part be modular so that it can behave differently in the error state depending on the feature. For each interface, the behavior in the event of an error is described in configuration (22) - for example, the reference source for possible substitute values. This error detection, error definition and error substitute reactions on the basis of the configuration (22) is of decisive importance for the reliability of the system (10).
  • Said monitoring module (18) monitors whether the corresponding services are available, but not whether they function correctly in the respective control program (16). The specific error reaction then depends, as already mentioned, on the associated configuration (22). If, for example, substitute values or original are defined, different reactions can take place depending on the configuration.
  • This instruction can also be defined for a specific control program (16) by its configuration (22) as a function of the signal concerned and the severity of the error. Is there z. If, for example, a certain signal is defined as critical, this leads to the termination of the control program (16) which is dependent on this signal in the event of an error.
  • the monitoring module gives an LCM module, for example, the command to deactivate the corresponding feature. If, for example, certain interfaces (20) as a signal source are disturbed or fail, the monitoring module (18) determines this as part of the monitoring and, in the event of a faulty signal, directs the error reaction of the affected control program (16) provided by configuration (22) ) a.
  • the coordination and prioritization of performance features is carried out by a service-oriented communication bus (19). This is also responsible for the signal arbitration and selection and provision of the substitute values or functional fall-back level. With a signal arbitration of five temperatures, for example, a temperature according to the configuration of the
  • Communication bus (19) prioritized and automatically selected. In the course of this, the quality of service (QoS) is also calculated and reported.
  • the communication bus (19) is implemented as a service with its own configuration and is thus monitored by the monitoring module (18).
  • all containers (15) are in a memory (14) managed by the framework (13) with an in input (25 ) and exit area (26) subdivided landing zone (24).

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Abstract

System (10) zum Steuern einer Maschine, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - eine Hardware (11), - ein auf der Hardware (11) ausführbares Betriebssystem (12), - ein auf dem Betriebssystem (12) basierendes Integrations- Framework (13) mit einem Speicher (14) für Container (15), die jeweils mindestens ein Steuerprogramm (16) für die Maschine umfassen.

Description

Beschreibung
Titel
System zum Steuern einer Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Steuern einer Maschine. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Land- oder anderweitige Maschine.
Stand der Technik
Hinlänglich bekannt sind Verfahren zum Verteilen oder Aktualisieren von Software (SW) über eine - mitunter als „Luftschnittstelle“ ( overthe air, OTA) bezeichnete - drahtlose Datenschnittstelle. Gattungsmäßige Verfahren finden Anwendung sowohl auf Anwendungssoftware (SOTA) als auch auf eingebettete Systemsoftware ( firmware , FOTA).
Nach dem Stand der Technik werden FOTA und SOTA beispielsweise zur Aktualisierung der Steuergeräte vernetzter Kraftfahrzeuge und Landmaschinen eingesetzt. Zur telematischen Verbindung zwischen dem die Steuergeräte koppelnden Bussystem und dem Internet (der sinnbildlichen „Cloud“) dient hierbei typischerweise eine Fahrzeugverbindungsschnittstelle ( vehicle Connectivity gateway, VCG).
Jenseits der Wartung und Fehlerbereinigung bereits installierter Software lässt sich der Funktionsumfang fahrzeuginterner Steuergeräte auf diesem Wege um Leistungsmerkmale ( features ) erweitern, welche vorhandene Sensoren und Aktoren für neue Anwendungsfälle nutzen. Entsprechende Applikationen können durch Hersteller oder Erstausrüster {original equipment manufacturer, OEM) einer Landmaschine - etwa mittels eines Entwicklungskits {development kit) erstellt und auf einer digitalen Vertriebsplattform in der Cloud angeboten werden. Als denkbare Erweiterungen kommen zum Beispiel fortgeschrittene Telemetrie oder agrartechnische Spezialfunktionen wie die gezielte Unkrautbekämpfung in Betracht.
DE102015203766A1 offenbart ein Teilsystem für ein Fahrzeug mit einem über eine Luftschnittstelle mit einem Gerätemanagement-Server des Backends verbundenen Gerätemanagement-Client zum Austauschen von Geräte-, Fahrzeug- und von Diagnose- sowie Softwareupdateinformationen, einem über die Luftschnittstelle mit einem Download-Server des Backends verbundenen Download-Client zum Herunterladen eines Softwareupdates von dem Backend in das Fahrzeug, mit dem Download-Client verbundenen Softwareupdate-Clients zum Anwenden des Softwareupdates und einen mit dem Download-Client und den Softwareupdate-Clients verbundenen Fahrzeugupdate-Client zum Koordinieren des Softwareupdates.
Im Zuge einer unabhängigen Entwicklung findet die im Rechenzentrumsbetrieb bereits seit längerem übliche Container- oder Betriebssystem-Virtualisierung in jüngerer Zeit vermehrt Eingang in die Praxis der eingebetteten Systeme {embedded Systems). Diese Methode erlaubt es, mehrere Instanzen eines Betriebssystems als sogenannte Gäste ( guests ) isoliert voneinander auf einem Wirtssystem ( host ) zu betreiben. Auf diese Weise kann der Wirt jeder innerhalb eines solchen Containers gekapselten Anwendung ( application , app) eine vollständige Laufzeitumgebung zur Verfügung stellen, die beispielsweise dynamische Bibliotheken der vom jeweiligen Entwickler genutzten Programmiersprache wie Java, C oder Python umfassen mag. Im Gegensatz zur Nutzung eines Hypervisors erlegt diese „leichtgewichtige“ Form der Virtualisierung den Gästen zwar einige Einschränkungen auf, birgt jedoch den Vorteil, dass alle Container den Kern des nativen Betriebssystems - typischerweise Linux, BSD, Solaris oder ein anderes Unix-ähnliches System - gemeinsam nutzen. Die Nutzung von Containern schont somit die knappen Betriebsmittel eingebetteter Systeme. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein System zum Steuern einer Maschine und eine entsprechende Land- oder anderweitige Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Einbindung eines neuen Leistungsmerkmales in den Funktionsverbund eines Fahrzeugs im Zielsteuergerät ein Framework benötigt wird, das das neue Feature integriert. Bestehende Integrations- Frameworks dieser Art sind in der Regel für eine Software-Architektur auf einem Mikrocontroller (pC) entwickelt worden. Zudem sind ihre Aufgaben sehr vielfältig und umfassen die zentrale Koordination des betreffenden Features über seinen gesamten „Lebenszyklus“ ( lifecycle management, LCM).
Ein Vorzug dieser Lösung liegt vor diesem Hintergrund in ihrer geringeren Komplexität, sodass auch Software-Architekturen auf einem Mikroprozessor (mR) gut handhabbar sind. Das erfindungsgemäße Framework gewährleistet hierzu die Basisfunktionalitäten des Steuergerätes über den gesamten Lebenszyklus seiner Features sowie die Überwachung der bereits installierten Features durch Basisdienste einer integrierten Softwareplattform.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So können die Aufgaben des Frameworks hinsichtlich Infrastruktur und Kommunikation auf einen Integrations- Systemdienst ( daemon ), ein Überwachungsmodul und - im Hinblick auf Signalarbitrierung und Bereitstellung von Ersatzwerten bzw. einer funktionalen Rückfallebene mit Priorisierungen usw. - einen dienstorientierten Kommunikationsbus verteilt werden, um Steuerprogramme vorteilhaft in eine dienstorientierte Architektur {service-oriented architecture, SOA) einbinden zu können. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt die Architektur eines erfindungsgemäßen Integrations- Frameworks.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Steuergerät mit dessen nativem Betriebssystem. Das erfindungsgemäße System umfasst Softwareelemente, welche auf diesem Betriebssystem basieren. Ein Beispiel für solch ein Betriebssystem ist ein für Steuergeräte optimiertes Linux-Derivat, das beispielsweise CAN-Treiber, Netzwerkverbindungen, WLAN, USB sowie die Ansteuerung der Ein- und Ausgabe- Endstufen unterstützt. Zusätzlich kann das Betriebssystem um Virtualisierungslösungen wie z.B. Docker oder Linux- Container (LXC) erweitert werden. Darüber hinaus kommuniziert das Steuergerät mit einem oder mehreren Cloud-Backends und enthält Anwendungssoftware, welche dem System ein bestimmtes Leistungsmerkmal verleiht. Diese wird durch Container gekapselt, um andere Funktionen nicht zu beeinflussen, und nutzt eine Programmierschnittstelle ( application programming interface, API) der Softwareplattform. In der Regel entspricht das Leistungsmerkmal einer von der Maschine erfüllbaren Anwendungsfunktion.
Die Abbildung illustriert die grundlegenden Softwaremodule eines erfindungsgemäßen Systems, deren Zweck und Wirkungsweise nunmehr im Einzelnen erläutert seien.
Ein Systemdienst (17) des Frameworks (13) - im Falle eines U NIX-ähnlichen Betriebssystems (12) beispielsweise in Gestalt eines sogenannten Daemons - verwaltet die Steuerprogramme und verantwortet insbesondere deren Installation, Einrichtung, Aktualisierung, Starten, Beenden, Unterbrechung, Wiederaufnahme und Deinstallation. Ein Überwachungsmodul (18) überwacht die Steuerprogramme (16) und Services im Hinblick auf mögliche Fehlfunktionen und gewährleistet deren ausfallsicheren ( fail-safe ) Betrieb. Im Falle eines Komponentenversagens entnimmt das Überwachungsmodul (18) hierzu die zur Funktionssicherheit erforderliche Fehlerreaktion einer - den von verschiedenen Laufzeitumgebungen bekannten „Manifest“- Dateien vergleichbaren - Konfiguration (22) des jeweiligen Steuerprogrammes (16). Denkbare Fehlerreaktionen umfassen beispielsweise die Bereitstellung von Ersatzservices, Fehlerdiagnose sowie die Bereitstellung von Ersatzwerten für ausgefallene Steuerprogramme (16).
Das Überwachungsmodul (18) sollte seinerseits modular sein, sodass es sich je nach Feature im Fehlerzustand anders verhalten kann. Für jede Schnittstelle wird in der Konfiguration (22) das Verhalten im Fehlerfall beschrieben - etwa die Bezugsquelle für mögliche Ersatzwerte. Diese Fehlererkennung, Fehlerdefinition und Fehlerersatzreaktionen anhand der Konfiguration (22) ist für die Ausfallsicherheit des Systems (10) von entscheidender Bedeutung.
Die Fehlererkennung für Signale, die das Feature konsumiert, erfolgt durch das Feature selbst.
Das besagte Überwachungsmodul (18) überwacht, ob die entsprechenden Services vorhanden sind, nicht aber, ob diese im jeweiligen Steuerprogramm (16) korrekt funktionieren. Die konkrete Fehlerreaktion richtet sich sodann, wie bereits erwähnt, nach der zugehörigen Konfiguration (22). Wenn beispielsweise Ersatzwert oder Original definiert sind, können konfigurationsabhängig unterschiedliche Reaktionen erfolgen.
Diese Handlungsanweisung kann für ein bestimmtes Steuerprogramm (16) durch dessen Konfiguration (22) auch abhängig von betroffenem Signal und Schwere des Fehlers festgelegt sein. Ist dort z. B. ein bestimmtes Signal als kritisch definiert, führt dies zur Beendigung des von diesem Signal abhängigen Steuerprogrammes (16) im Fehlerfall. Das Überwachungsmodul gibt hierzu beispielsweise einem LCM-Modul den Befehl zur Deaktivierung des entsprechenden Features. Wenn bspw. bestimmte Schnittstellen (20) als Signalquelle gestört sind bzw. ausfallen, dann stellt das Überwachungsmodul (18) dies im Rahmen der Überwachung fest, und leitet bei einem fehlerhaften Signal die von der Konfiguration (22) vorgesehene Fehlerreaktion des betroffenen Steuerprogrammes (16) ein.
Die Koordination und Priorisierung von Leistungsmerkmalen erfolgt durch einen dienstorientierten Kommunikationsbus (19). Dieser verantwortet auch die Signalarbitrierung und Auswahl sowie Bereitstellung der Ersatzwerte bzw. funktionalen Rückfallebene. Bei einer Signalarbitrierung von fünf Temperaturen beispielsweise wird eine Temperatur gemäß der Konfiguration des
Kommunikationsbusses (19) priorisiert und automatisch ausgewählt. In diesem Zuge wird auch die Dienstgüte {quality of Service, QoS) berechnet und gemeldet. Der Kommunikationsbus (19) ist seinerseits als Service mit eigener Konfiguration implementiert und wird also solcher vom Überwachungsmodul (18) überwacht. Um zur Laufzeit auf einem mR den direkten Einsprung in den Container (15) eines bestimmten Steuerprogrammes (16) zu erlauben, sind sämtliche Container (15) in einem durch das Framework (13) verwalteten Speicher (14) mit einer in Eingang- (25) und Ausgangsbereich (26) unterteilten Landezone (24) abgelegt.

Claims

Ansprüche
1. System (10) zum Steuern einer Maschine, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- eine Hardware (11),
- ein auf der Hardware (11) ausführbares Betriebssystem (12),
- ein auf dem Betriebssystem (12) basierendes Integrations- Framework (13) mit einem Speicher (14) für Container (15), die jeweils mindestens ein Steuerprogramm (16) für die Maschine umfassen.
2. System (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- das Framework (13) umfasst einen Systemdienst (17) zum Verwalten der Steuerprogramme (16) und
- das Framework (13) umfasst ein Überwachungsmodul (18) zum Überwachen der Steuerprogramme (16).
3. System (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- das Überwachungsmodul (18) ist für ein sicheres Versagen der Steuerprogramme (16) eingerichtet.
4. System (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- das System (10) umfasst ferner einen dienstorientierten Kommunikationsbus (19) und weitere Schnittstellen (20) und
- das Überwachungsmodul (18) ist dazu eingerichtet, zumindest den Kommunikationsbus (19) zu überwachen.
5. System (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale:
- die Container (15) umfassen ferner Datenspeicher (21),
- die Container (15) umfassen jeweils ferner eine Konfiguration (22) der vom Container (15) umfassten Steuerprogramme (16) und
- die Container (15) weisen eine Abstraktionsschicht (23) für den Kommunikationsbus (19) auf.
6. System (10) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die Konfiguration (22) beschreibt Fehlerreaktionen der Steuerprogramme (16) und
- das Überwachungsmodul (18) ist dazu eingerichtet, beim Versagen der Steuerprogramme (16) die Fehlerreaktionen einzuleiten.
7. System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwalten der Steuerprogramme (16) mindestens eine der folgenden Aufgaben umfasst:
- Installation,
- Einrichtung,
- Aktualisierung,
- Starten,
- Beenden,
- Unterbrechung,
- Wiederaufnahme und
- Deinstallation der Steuerprogramme (16).
8. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- die Hardware (11) umfasst einen Mikroprozessor.
9. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die Hardware (11) umfasst einen CAN-Transceiver und - das Betriebssystem (12) umfasst einen CAN-Protokollstapel.
10. Maschine mit einem System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015203766A1 (de) 2015-03-03 2016-09-08 Robert Bosch Gmbh Teilsystem für ein Fahrzeug und entsprechendes Fahrzeug
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