Förderung
Im Rahmen der Hightech-Strategie und des Forschungsprogramms IKT2020 der Bundesregierung hat die Universität Stuttgart das interdisziplinäre Forschungsvorhaben VALIDATE im Juli 2008 gestartet, mit dem Ziel CO2-Emissionen von Fahrzeugen zu reduzieren. Das Vorhaben wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 3,7 Millionen Euro bis Juni 2011 gefördert. Die 100%-ige Förderung durch das BMBF ermöglicht den Aufbau einer sehr leistungsfähigen Forschungsplattform, die es ermöglicht, den Nutzen zukünftig geplanter elektronischer Regelungs- und Assistenzsysteme für Kraftfahrzeuge in einer teilweise oder vollständig virtuellen Umgebung qualitativ und quantitativ zu bewerten.
Projektpräsentation
Der Hauptteil des Forschungsprojekts VALIDATE beinhaltet den Aufbau eines großen Fahrsimulators, mit dem Fahrerassistenzsysteme für eine intelligente Unterstützung zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs entwickelt werden können. Fahrsimulatoren stellen eine kostengünstige und gefahrlose Möglichkeit dar, neue Systeme in einer virtuellen Umgebung aber mit realen Fahrern zu erproben. Dies gilt insbesondere für Assistenzsysteme, die auf eine indirekte Reduktion des Verbrauchs über eine Beeinflussung der Fahrweise abzielen. Dazu ist allerdings eine realistische Nachbildung von Längs- und Querbeschleunigungen notwendig, wie sie bei einer realen Fahrt auftreten und vom Fahrer über den im Innenohr befindlichen Vestibularapparat wahrgenommen werden.
Diese Aufgabe wird im Rahmen des VALIDATE-Projekts durch ein aufwendiges Bewegungssystem mit einer Kombination aus Translationsbewegungen in zwei Richtungen (x- und y-) und Rotationsbewegungen mittels eines Hexapods mit sechs Freiheitsgraden bewältigt. Die Fahrzeugumgebung (Fahrbahn, Umfeld und Verkehr) wird mit hohem Detaillierungsgrad mit stereoskopischer Rundumsicht dargestellt. Zusätzlich stellt eine räumliche akustische Geräuschdarstellung sowie eine hochwertige dynamische Kraftrückwirkung an den Bedienelementen (Pedale, Lenkrad, etc.) eine realistische Fahrzeug- und Fahrerumgebung sicher. So können aussagekräftige Probandenstudien und Akzeptanzuntersuchungen der entwickelten Systeme durchgeführt werden.
Ein weiterer Bestandteil des Projektes ist ein Messfahrzeug, mit dem die Energieflüsse im Fahrzeug und die Aktivitäten des Fahrers bei Fahrten im alltäglichen Fahrbetrieb exakt erfasst werden können, um Einsparpotenziale zu erkennen. Es werden die Energieflüsse im Antriebsstrang, im Bordnetz und in den Nebenaggregaten untersucht. Alltäglicher Fahrbetrieb bedeutet, dass das Fahrzeug auf einem ausgewählten Streckennetz bewegt wird, dessen statistische Eigenschaften dem Nutzungsprofil eines gegebenen Fahrzeugtyps oder einer Fahrzeugklasse möglichst genau entsprechen. Für die ausgesuchte Teststrecke, welche einen Teil des öffentlichen Straßennetzes ausmacht, wurde sichergestellt, dass die Verteilung der befahrenen Straßentypen (Autobahn, Landstraße, Innerortsstraßen) sowie die Verteilung der gefahrenen Geschwindigkeiten und der Steigungen bzw. Gefälle in guter Näherung mit statistischen Fahrzeugnutzungsdaten übereinstimmen.
Eine weitere Anwendung des Messfahrzeugs ist die Erfassung von Umgebungsdaten, z.B. Fahrbahnverläufe, Steigungsprofile, Verkehrsdichte etc. Aus diesen Daten können virtuelle Fahrumgebungen abgeleitet werden, um z.B. verschiedene Auslegungen eines neuen Fahrerassistenzsystems im Fahrsimulator realitätsnah zu untersuchen. Dabei werden auch die Einflüsse der Straße berücksichtigt, wie z.B. Streckencharakteristik, Straßenzustand und Oberflächenbeschaffenheit. Außerdem können aus den gesammelten Messdaten Lastkollektive für den realistischen Betrieb von Antriebs- und Bordnetzkomponenten am Prüfstand generiert werden. Die mit dem Messfahrzeug gewonnenen Messdaten können auch zur Berechnung der Parameter von Simulationsmodellen sowie zur Modellvalidierung herangezogen werden.
Für die Simulation des Fahrzeugs wird ein leistungsfähiges, echtzeitfähiges Simulations- und Prototypingsystem eingesetzt. Dieses Simulationssystem besteht aus mehreren unabhängigen vernetzten Rechnern, welche eine Simulation der Fahrzeugdynamik und des Antriebsstrangs sowie weiterer Fahrzeugteilsysteme, z.B. des Bordnetzes, realisieren.
Das Rapid-Prototyping-System ermöglicht es, eine neue Fahrzeugfunktion, z.B. einen Regler oder eine Assistenzfunktion, mit Hilfe graphischer Entwicklungswerkzeuge zu modellieren und sofort in Echtzeit ablaufen zu lassen. Ein solches Prototyping-System wird bei VALIDATE eingesetzt, wenn eine neue Betriebsstrategie oder ein Assistenzsystem in Verbindung mit dem Fahrsimulator oder dem Antriebsprüfstand in verschiedenen Varianten erprobt werden soll.
Der erwähnte Antriebs- und Bordnetzprüfstand, der zurzeit am IVK aufgebaut wird, soll ebenfalls in die VALIDATE-Umgebung eingebunden werden. Die Mittel für diesen Prüfstand wurden von der Universität Stuttgart und der DFG genehmigt. Dieser Prüfstand ermöglicht Untersuchungen an unterschiedlichsten Antriebssträngen. In Verbindung mit den übrigen VALIDATE-Komponenten ergeben sich vielfältige neue Prüfmöglichkeiten, die in dieser Weise noch nicht realisiert wurden.
Ziele
Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens VALIDATE steht der Aufbau einer Forschungsplattform zur Entwicklung elektronischer Kraftfahrzeugsysteme, z.B. Antriebstrang- und Fahrerassistenzsysteme, die eine Reduktion der CO2-Emissionen ermöglichen. Diese Plattform erlaubt eine ganzheitliche Quantifizierung und Optimierung des Kraftstoffverbrauchs im realen Fahrbetrieb. Das Ziel von VALIDATE ist die Bereitstellung von virtuellen Bewertungs- und Entwicklungsmethoden für elektronisch gesteuerte Fahrzeugantriebe und Assistenzsysteme mit Schwerpunkt auf vorausschauenden Systemen, mit denen die CO2-Emissionen stark reduziert werden können.
Im Rahmen des Projekts werden folgende Ansätze verfolgt:
- Untersuchung des CO2-Einsparpotenzials vorausschauender Systeme zur Verbrauchsreduktion
- Erforschung von Möglichkeiten des Einsatzes von kombinierter Umfeldsensorik zur Verbrauchsreduzierung
- Auslegung neuer Antriebs- und Bordnetz-Komponenten, z.B. Generatoren und Batterien bei konventionellen und Hybridfahrzeugen
- Erprobung prototypisch realisierter Fahrerassistenzsysteme in einer virtuellen Umgebung
- Untersuchung des dynamischen Zusammenwirkens von Betriebsstrategien und Antriebskomponenten durch Kombinationen von Antriebsstrangprüfstand und Fahrsimulator (HIL-Betrieb)
- Validierung von Simulationsmodellen für Fahrsimulator und Prüfstand mittels Fahrversuchen
Verwertungsplan
Die Projektergebnisse sollen die wissenschaftliche und technologische Fahrzeug-Kompetenz der Universität Stuttgart am Automobilstandort Deutschland festigen und stärken und die Lehre und Ausbildung von Ingenieuren forcieren.
Zur wirtschaftlichen Verwertung der Projektergebnisse wird die VALIDATE-Umgebung interessierten Unternehmen der Automobil- und Zulieferindustrie zur Verfügung gestellt, um neue Technologien und Systeme zu überprüfen und zu validieren. Die Nutzung von VALIDATE ermöglicht den Unternehmen eine frühzeitige und zuverlässige Bewertung neuer Technologien und Produkte in den Bereichen der elektronischen Antriebsstrangregelung, des Energiebordnetzes und der Fahrerassistenz hinsichtlich Akzeptanz und Nutzen.
Im Verlauf der Entwicklungsphasen eines neuen Produkts, von der Simulation bis zum seriennahen Prototyp, können die verschiedenen Entwicklungsstufen fortlaufend in der VALIDATE-Umgebung erprobt und optimiert werden.
Dabei bestehen folgende Möglichkeiten für Fahrzeughersteller und Systemlieferanten:
- Quantifizierung der energetischen Auswirkungen neuer Systeme in zukünftigen Fahrzeugbaureihen durch die Kombination von Fahrversuchen (Messfahrzeug) und einer Simulation der neuen Teilsysteme. Typische Anwendungen sind elektronisch gesteuerte, automatisierte Getriebe mit unterschiedlicher Auslegung, Generatoren, Leistungselektronik und Batterien für eine erhöhte Rückgewinnung von Bremsenergie, elektrifizierte Nebenaggregate wie Lenkung und Klimaanlagen sowie Full- und Mild-Hybrid-Antriebe.
- Erprobung von Mensch-Maschine-Schnittstellen für Fahrerassistenzsysteme im Fahrsimulator.
- Erprobung von elektronischen Steuergeräten sowie Antriebs- und Bordnetz-Komponenten bis hin zu vollständigen Kfz-Antrieben einschließlich der Hybridtechnik im Hardware-in-the-Loop-Betrieb.
- Die Analyse verschiedener Varianten und Kombinationen solcher Systeme ermöglicht zuverlässige Aussagen, welche Reduktion der CO2-Emissionen im Normzyklus und im Realbetrieb zu erwarten sind.
Partner
An den Forschungsarbeiten sind mehrere Institute der Universität Stuttgart beteiligt. Durch die Bündelung der umfangreichen Kompetenzen in den Bereichen Automobiltechnik, Verkehrsinfrastruktur und Virtuelle Realität wird eine Forschungsplattform geschaffen, die die führende Stellung der Universität Stuttgart in der Fahrzeugforschung und Simulationstechnologie national und international festigen wird.