Environment and Tools for the Development of Navigation- and Map-based Driver Assistance and Vehicle Guidance Systems

• Entwicklungsumgebung und -werkzeuge für navigations- und kartenbasierte Fahrerassistenz- und Fahrzeugführungssysteme

Reiter, Matthias Christian; Abel, Dirk (Thesis advisor); Rumpe, Bernhard (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Die Verwendung von Navigations- und Kartendaten erlaubt es, hochentwickelte Funktionen innerhalb eines mobilen Regelungssystems, zum Beispiel als Teil eines Fahrerassistenz- oder Fahrzeugführungssystems, zu realisieren. Jedoch kann die Verarbeitung solcher Daten in Echtzeit als Teil einer Regelungsstruktur sehr komplex und dadurch herausfordernd sein. Gegenstand der vorliegenden Abfassung ist der Aufbau einer Entwicklungsumgebung, welche die Implementierung solcher Systeme ermöglicht. Die Arbeiten zielen darauf ab, einen modellbasierten Entwicklungsablauf zu unterstützen sowie ein schlankes und kompaktes Fundament an Kernfunktionalitäten für navigations- und kartenbasierte Regelungssysteme bereitzustellen. Diese sollen sich mit vertretbarem Aufwand auf unterschiedliche Fahrzeuge, Steuergeräte und Anwendungen übertragen lassen. Dabei geht es nicht nur um die bloße Bereitstellung funktionsfähiger und wiederverwertbarer Softwarebausteine. Vielmehr soll begleitend auch eine Methodik beschrieben werden, mit deren Hilfe diese Bausteine getestet, kombiniert und implementiert werden können.Es wird eine Testplattform in Gestalt eines skalierten Modellfahrzeugs beschrieben. Sie dient durchgängig als Demonstrator für die vorgestellten Arbeiten. Mit seiner vereinfachten, PKW-ähnlichen Kinematik, Sensorik und Aktorik nähert sich der Aufbau des Fahrzeugs an die abstrahierte Modellvorstellung an, auf Basis derer die zum Einsatz kommende Software entwickelt wurde. Dabei wird angenommen, dass Regelungsalgorithmen, welche auf dem Modellfahrzeug entwickelt und getestet werden, im Allgemeinen so generisch sind, dass sie prinzipiell auch auf ein Vollfahrzeug übertragen werden können. Es werden Basismodelle der Fahrzeugdynamik aufgebaut, welche kompatibel zu üblichen, im Bereich der Fahrzeugtechnik verwendeten Modelle sind. Ein Arbeitsablauf im Sinne von Rapid Control Prototyping (RCP) wird vorgestellt, der sich verschiedener Ausprägungen von online und offline angewandter In-the-Loop Simulationsmethoden bedient. Mit dessen Hilfe können auf effiziente Weise prototypische Anwendungen entwickelt werden, die auf die sensorischen und aktorischen Möglichkeiten des Fahrzeugs zurückgreifen.Es findet eine Einführung in grundsätzliche Anforderungen an GNSS-basierte Regelungssysteme statt und die Implementierung eines Navigationsfilters wird vorgestellt. Gleiches gilt für einen flexibel einsetzbaren Electronic Horizon (EH) provider, einem weiteren Kernelement der vorliegenden Arbeit. Er erlaubt die Einbindung von Daten digitaler Straßenkarten in die Funktionalität eines Echtzeitregelungssystems. Zudem wird ein vielseitig anwendbarer Algorithmus für die Fahrzeugquerregelung entwickelt und implementiert. Er dient als Bindeglied und kann auf günstige Weise mit dem Navigationsfilter sowie den vom EH Provider gelieferten Kartendaten kombiniert werden. Dabei bilden die Elemente Navigationsfilter, EH Provider und Querregler einen durchaus mächtigen Satz an Werkzeugen, auf deren Basis eine Reihe interessanter Anwendungen -- sowohl im automobilen Umfeld als auch in einem allgemeineren Kontext -- realisiert werden können. Um die Vielseitigkeit der vorgestellten Werkzeuge zu belegen, wird eine Auswahl von Anwendungsbeispielen angeführt, die durch sie ermöglicht werden. Diese sind ein Adaptives Scheinwerferregelungssystem (AFL), ein Abstandsregeltempomat (ACC) sowie die Applikation einer "`Virtuellen Schiene"', einer Fahrzeugkolonne sowie eines "`Heterogenen Rendezvous"'.