Mobile Daten aufzeichnen Datenlogger: ADAS- und AD-Funktionen mit Messtechnik absichern

Ein Gastbeitrag von Bernhard Kockoth und Anke Werner*

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In den letzten Jahren ist die Zahl der im Fahrzeug verbauten Sensoren und Kameras rasant angestiegen. Damit die Messdaten langfristig und zuverlässig aufgezeichnet werden können, müssen einige Parameter aufeinander abgestimmt werden.

Autonomes Fahren: Das anfallende Datenvolumen ist in den letzten Jahren rasant angestiegen. Für die Testfahrten müssen Messtechnik-Speziallisten verschiedene Parameter aufeinander abstimmen.
Autonomes Fahren: Das anfallende Datenvolumen ist in den letzten Jahren rasant angestiegen. Für die Testfahrten müssen Messtechnik-Speziallisten verschiedene Parameter aufeinander abstimmen.
(Bild: (c) Karneg - stock.adobe.com)

Erste Projekte mit selbstfahrenden Fahrzeugen sind in geschützten Umgebungen bereits in der Erprobung. Um zukunftsweisende Projekte mit vernetztem oder automatisiertem Fahren zu entwickeln und effizient abzusichern, müssen riesige Datenmengen aus realen Umwelt- und Verkehrssituationen erhoben werden. Diese mobile Datenaufzeichnung und -speicherung stellt hohe Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik.

Bild 1: Rasanter Anstieg des aufzuzeichnenden Datenvolumens. Ein Grund ist die steigende Zahl hochauflösender Kameras.
Bild 1: Rasanter Anstieg des aufzuzeichnenden Datenvolumens. Ein Grund ist die steigende Zahl hochauflösender Kameras.
(Bild: ViGEM)

Das anfallende Datenvolumen ist in den letzten zehn Jahren rasant gestiegen (Bild 1): Gründe hierfür liegen sowohl in der zunehmenden Anzahl der im Fahrzeug verbauten Sensoren wie beispielsweise Radar- und Lidarsensoren, der steigenden Anzahl von Verbindungen per Automotive Ethernet als auch in der Menge und Leistung immer höher auflösender Kameras. Heute kann bereits ein einzelner Kamerasensor bis zu fünf GBit/s an Daten generieren.

Damit das mobile Data Logging in Testfahrzeugen langfristig und zuverlässig funktioniert und Testflotten effizient ausgelastet werden können, müssen Messtechnik-Spezialisten wie die Firma ViGEM viele Parameter aufeinander abstimmen. Dazu zählen:

  • 1. Leistungsfähigkeit,
  • 2. Temperaturbereiche,
  • 3. Stromverbrauch,
  • 4. Kompatibilität und
  • 5. Datenspeicherung.

Eine leistungsfähige Rechnerplattform

Um die großen Datenraten von bildgebenden Sensoren und Hochleistungs-Netzwerken als auch die vielen kleinen Datenpakete von CAN- und LIN-Fahrzeugbussen in Echtzeit zu verarbeiten, braucht es im Datenlogger eine leistungsfähige Rechnerplattform. Für die Speicherung müssen die Daten sortiert und in Dateiformaten strukturiert abgelegt werden. Weitere Ressourcen sollten für eine bedienerfreundliche Benutzeroberfläche bereitgestellt werden.

Während moderne Serverprozessoren hierfür zwar die entsprechende Rechenleistung bei geringem Stromverbrauch bieten, sind sie für den Betrieb im Fahrzeug kaum geeignet. Robuste Universalprozessoren, wie sie in Laptops oder Büro-PCs verbaut sind, haben entweder zu wenig Leistung oder brauchen zu viel Energie. Ein Lösungsansatz ist die Integration von industriellen Mikrocontrollern im Datenlogger, die auf x86- oder ARM-Architekturen basieren. Sie bieten sowohl die geforderte Leistung bei gleichzeitig erweiterten Temperaturbereich. Damit keine wichtigen Daten verloren gehen, hat sich für Komfortfunktionen außerdem ein Pre-Trigger Vorlauf von ein bis zwei Minuten bei höchster Datenrate und einem großen RAM Zwischenspeicher mit einer Kapazität zwischen 64 und 512 GByte bewährt.

Das thermische Design und der Energieverbrauch

Für Dauerläufe unter extremen klimatischen Bedingungen muss das thermische Design aller im Fahrzeug verwendeten Geräte wie Datenlogger, Speichermedien, Stromversorgung und Peripheriegeräte auf Langzeit-Belastungen ausgelegt sein. Neben Schock- und Vibration sollten die Geräte beispielsweise in Temperaturbereichen von -20 bis 65 °C zuverlässig funktionieren, um sich für den Dauereinsatz zu qualifizieren.

Auch in puncto Stromverbrauch müssen die Datenlogger-Hersteller gegensätzlichen Anforderungen gerecht werden: Oft wird die Messtechnik mit im Fahrzeug aufwändig generierten Netzspannungen von 110 bis 230 V betrieben. Günstiger ist die direkte Anbindung an bereits im Fahrzeug vorhandene Stromquellen.

Kompatibel zu externen Systemen

Die zunehmende Anzahl der im Fahrzeug verbauten Sensoren, wie Radar oder Lidar, die wachsende Zahl von Verbindungen per Automotive Ethernet sowie die Menge und Leistung immer höher auflösender Kameras verlangt nach hochleistungsfähigen, flexiblen und durchgängigen Data-Logging-Systemen. Sie sollten sich individuell an Projektfortschritte anpassen lassen und für zukünftige Bedarfe durch Erweiterungen ausrüstbar sein. Die Aufnahme der Signale stellt sowohl hinsichtlich der Anzahl der Schnittstellen als auch hinsichtlich der Signalübertragung hohe Ansprüche an die im Fahrzeug installierte Messtechnik. Um das Risiko von Störeinflüssen auf die Sensorsignale zu reduzieren, hat sich die Messwertaufnahme mit externen Messtechnikadaptern, sogenannte Capture Modulen, bewährt.

Messtechnik nahe an der Datenquelle

Bild 2: Das Set-up mit zwei ViGEM-Datenloggern im Kofferraum eines Fahrzeugs.
Bild 2: Das Set-up mit zwei ViGEM-Datenloggern im Kofferraum eines Fahrzeugs.
(Bild: ViGEM)

Bei diesen verteilten Data-Logging-Systemen (Distributed Data Logging) werden die Capture-Module im Fahrzeug nahe an der Datenquelle platziert. Der Datenverkehr wird an den entsprechenden Schnittstellen erfasst, bevor Störungen im On-Board-Netzwerk auftreten können. Die Capture-Module konvertieren die eingegangenen Daten und leiten sie auf robusten Ethernet-Kabeln zum zentralen Datenlogger weiter.

In den Systemlösungen von ViGEM werden sie sortiert und in gängige Datenformate konvertiert. Anschließend lassen sich beispielsweise in Formate wie PCAP, VPCAP oder MDF4 nach ASAM-Standard speichern. Zur nanosekundengenauen Synchronisierung der zahlreichen Capture-Module an den Ethernet-Schnittstellen kann beispielsweise der gPTP-Standard IEEE 802.1 AS genutzt werden. Auf diese Weise lassen sich mit einem Hochleistungs-Datenlogger wie dem CCA 9010 beispielsweise in einer Acht-Stundenschicht bis zu 80 TByte an über 40 Schnittstellen im Erprobungsfahrzeug sammeln (Bild 2).

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Bild 3: Die mobile Datenaufzeichnung mit CCA-9010-Geräten von ViGEM arbeitet nach  dem Prinzip des Distributed Data Logging.
Bild 3: Die mobile Datenaufzeichnung mit CCA-9010-Geräten von ViGEM arbeitet nach dem Prinzip des Distributed Data Logging.
(Bild: ViGEM)

Das Distributed Data Logging (Bild 3) bietet den Betreibern von Testflotten im Projektverlauf oder bei Änderungen der Sensor- oder Netzwerkkonfiguration eine hohe Flexibilität. Ausgestattet mit zahlreichen Schnittstellen, muss der Datenlogger nicht aufwendig umgebaut werden, da viele konfigurierbare Anschlüsse wie 1000Base-T Ethernet, 100Base-T1 Ethernet, CAN FD oder 10G Ethernet SFP28, USB und USB3 bereits im Gerät integriert sind.

Dank der einfachen Anbindung der geeigneten Capture-Module sparen Entwicklungsabteilungen wertvolle Zeit sowie Kosten für aufwendige Produktanpassungen.

Daten aus dem Fahrzeug zuverlässig speichern

Bei Langzeiteinsätzen in rauen Umgebungen ist es notwendig, die Daten auf robuste Speichermedien mit hohen Kapazitäten zu speichern. NVMe-basierte Hochleistungs-SSDs sind die zeitgemäße Wahl für eine schnelle und dauerhafte Archivierung der im Fahrzeug erfassten Daten.

Die Firma ViGEM bietet in der Produktserie CCA 9010 validierte Wechselspeicher mit Kapazitäten von 16 bis 64 TBytes, Hot-Plug-Funktion und integrierter Datenverschlüsselung nach AES-256-Standard an. Im mobilen Datenhandling ermöglicht das durchgängige System den sicheren Transport der aufgezeichneten Daten vom Datenlogger bis ins Rechenzentrum sowie den zuverlässigen Datentransfer in die Cloud oder in redundante Datalakes. Nach erfolgreicher Übermittlung der Daten stehen die robusten Wechselspeicher direkt für einen erneuten Einsatz im Feld bereit.

In den vergangenen Jahren hat sich die Automobilindustrie auf die Entwicklung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS), autonomes Fahren (AD) und E-Mobilität konzentriert. Im Hinblick auf ein wachsendes Umweltbewusstsein und die veränderte Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel befassen sich aktuelle Entwicklungsprojekte zunehmend mit Themen zur Mobilitätsautomatisierung, wie Robotaxis, autonome Shuttles, selbstfahrende Lieferwagen, automatisierte Lastwagen oder selbstaufladende E-Fahrzeuge.

Bernhard Kockoth, Advanced Development Lead bei ViGEM ist überzeugt, dass folgende Anforderungen an Data-Logging-Anwendungen weiter an Bedeutung gewinnen werden, um verbesserte Mobilitätsprojekte sicher auf die Straße zu bringen:

  • Skalierbarkeit: Dank der Standardisierung von CMP (Capture Module Protocol) werden Adapter- und Capture-Module austauschbar. Individuelle Konfigurationen können sehr viel flexibler aufgebaut werden. Auch bei der Wahl des Datenloggers werden die Betreiber von Testflotten erweiterte Möglichkeiten haben.
  • Robustheit: Die neuen Use Cases wie selbstfahrende Lastkraftwagen in Minen oder Robotaxis in subtropischen Städten werden noch höhere Anforderungen an die Robustheit von Datenloggern und Speichermodulen stellen.
  • Kompaktheit: Die Entwicklung integrierter Mikroelektronik wird in der Automobilbranche weiter voranschreiten. Komplette Geräteserien vom Datenlogger, über die Wechselspeicher bis hin zu den Auslesestationen können bei gesteigerter Leistungsfähigkeit in kleineren, kompakteren Bauformen untergebracht werden.
  • Schnelligkeit: Kleinere Strukturgrößen bei Halbleitern versprechen mehr Parallelität, besseres Temperaturverhalten und die Möglichkeit, höhere Datenraten in „einem Stück“ zu verarbeiten. Noch ist ein 100G-Netzwerk im Fahrzeug wenig realistisch. Was im Rechenzentrum aber bereits Realität ist, wird auch im mobilen Data-Logging seine Umsetzung finden.
  • Intelligenz: Aktuelle Entwicklungen mit manuellen oder skript-basierten Triggern zur Auswahl der aufzuzeichnenden Daten können durch intelligente selektive Aufzeichnungsfunktionen ergänzt werden. Die Fortschritte der künstlichen Intelligenz für die Fahrwegsteuerung werden sich auch in anderen Funktionen der Fahrzeuge wiederfinden.
  • Cloud-Integration: Zuletzt werden Datenlogger auch zunehmend als Front-End für Cloud-Anwendungen zum Einsatz kommen. Bei einer geeigneten Software-Architektur können die Daten schon beim Einfahren nach bestimmten Kriterien vorverarbeitet werden. Damit lassen sich Zeit und Kosten bei der Übertragung und Nachverarbeitung sparen.

Aufgrund der hohen Komplexität bei den Projekten lassen sich zahlreiche Anforderungen nur durch Custom-Designs in enger Zusammenarbeit mit den Kunden erfüllen. Die Engineering-Services von ViGEM entwickeln seit über zehn Jahren maßgeschneiderte, zukunftsweisende High-End-Anwendungen zur besseren Anbindung der CCA-Systeme an Fahrzeug-Bordnetze: Sie reichen von der Konfiguration von Anschluss- und Datenkabeln, über die Auslegung der Stromversorgung bis hin zum mechanischen Zusammenbau der Subsysteme. Mit der Cloud-Integration wird man einen weiteren technologischen Meilenstein bei der effizienten Absicherung von ADAS und AD setzen.

* Bernhard Kockoth ist Advanced Development Lead und Anke Werner ist Marketing Manager. Sie arbeiten bei ViGEM GmbH.

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