Multi-scale multi-domain co-simulation for rapid prototyping of advanced driver assistance systems

Bücs, Róbert Lajos; Monti, Antonello; Leupers, Rainer

doi:38498

Multi-scale multi-domain co-simulation for rapid prototyping of advanced driver assistance systems

Bücs, Róbert Lajos^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von MSc. Róbert Lajos Bücs

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (vi, 195 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Leupers, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-07873
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/766110/files/766110.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Software für Systeme auf Silizium (611910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
advanced driver assistance systems (frei) ; driving simulators (frei) ; model-based design (frei) ; multi-domain co-simulation (frei) ; multi-scale simulation (frei) ; SystemC (frei) ; virtual prototyping (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
In den letzten Jahrzehnten haben sich Fahrzeuge von mechanischen Maschinen zu komplexen Hardware und Software (HW/SW) dominierten Systemen entwickelt. Dieser digitale Paradigmenwechsel lässt sich mit dem Aufkommen von Fahrerassistenzsystemen (ADAS) sowie Anwendungen des hochautomatisierten Fahrens erklären. Solche Funktionen erfordern jedoch eine nahezu exponentielle Menge an zusätzlichen SW-Funktionalitäten. Um die Leistungsanforderungen solcher Anwendungen zu gewährleisten, werden leistungsfähige Multicore- und Many-Core HW-Plattformen eingesetzt, was einen Trend zu stärker integrierten Architekturen aufweist. Infolgedessen wurde jedoch das Design und die Validierung sowie die Sicherheits-Untersuchung der digitalen Fahrzeug-Infrastruktur moderner Autos außerordentlich komplex geworden.Um diese Lücke zu schließen, entstanden mehrere Techniken, wie z. B. System-Engineering-Strategien und modellbasierte Design- und Validierungsmethoden. In dieser Arbeit wird die Erweiterung solcher traditioneller Ansätze mit rein simulationsbasierten Techniken zur Verbesserung und Beschleunigung des Gesamtsystem-Designs vorgeschlagen. Erstens wird der Einsatz von Fahrsimulatoren zur Durchführung virtueller Fahrversuche in einer frühen Phase der Anwendungsentwicklung vorgesehen. Darüber hinaus wird virtuelles Prototyping vorgeschlagen, um Systemexploration durchzuführen und das Simulationsspektrum von ADAS auf die eingebettete HW/SW-Implementierung zu erweitern.Die wichtigsten Forschungsbeiträge der Arbeit sind jedoch zwei Techniken, die eine effiziente Gesamtfahrzeugmodellierung ermöglichen. Erstens, Multi-Scale-Simulation, ein Ansatz zur Einbeziehung von Teilmodellen eines übergeordneten Simulationssystems auf verschiedenen Designabstraktionen. Dessen Hauptvorteil ist die Bereitstellung einer einstellbaren Auflösung für Modelle, wodurch ein Kompromiss zwischen der Ausführungs-Performance und der erforderlichen Simulationsgenauigkeit ermöglicht wird. Zum anderen wird Multi-Domain-Cosimulation vorgeschlagen, eine standardisierte Methode zur Vernetzung und gemeinsamen Nutzung mehrerer Ökosysteme der Fahrzeugsimulation. Dieser Ansatz berücksichtigt die multidisziplinäre Natur von Fahrzeugen, die spezielle Simulatoren erfordert, welche sich am besten eignen bestimmte Formalismen einzelnen Domäne zu implementieren.In dieser Arbeit wird ein umfassendes, virtuelles ADAS-Prototyping-Ökosystem vorgestellt, das alle oben genannten Konzepte in die Praxis umsetzt. Die vorgeschlagene Framework-Anordnung umfasst verschiedene Phasen des ADAS-Entwicklungsablaufs, wie z. B. modellbasiertes Design, virtuelle Systemintegration, Test und Verifikation virtueller Systeme sowie Anwendungsoptimierung. Um die Vorteile hervorzuheben, wird eine Vielzahl von ADAS-Anwendungen über das vorgestellte System prototypisch realisiert. Schließlich werden Erkenntnisse aus der Anwendungs- und Systemebene-Analyse vorgestellt und die Auswertung der Simulationsperformance wird durchgeführt, um das Optimierungspotenzial des virtuellen Ökosystems hervorzuheben.

In the last decades, vehicles have evolved from mechanical machines to sophisticated hardware and software (HW/SW) dominated systems. This digital paradigm shift can be explained with the rise of Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), as well as applications of highly automated driving. However, such features require a nearly exponential amount of additional SW functionalities. To support the performance demands of such applications, powerful multi and many-processor HW platforms have been employed, exhibiting a trend toward more integrated architectures. Yet, as a consequence, the design and validation, as well as safety assessment of the digital in-vehicle infrastructure of modern cars has become immensely complex.Several techniques arose to bridge this gap, e.g., system engineering strategies, and model-based design and validation methods. In this thesis, it is proposed to augment such traditional approaches with purely simulation-driven techniques to improve and accelerate overall system design. Firstly, the utilization of driving simulators is suggested to conduct virtual road tests in an early application design stage. Furthermore, virtual prototyping is proposed to perform system exploration and extend the simulation scope of ADAS to the embedded HW/SW implementation.However, the main research contributions of the thesis are two techniques that enable efficient full-vehicle modeling. Firstly, multi-scale simulation, an approach to integrate submodels of a top-level simulation system on different design abstractions. Its main benefit is providing a tunable resolution for models, thus enabling a trade-off between the execution performance and the required simulation accuracy. Secondly, multi-domain co-simulation is proposed, a standardized method to interconnect and jointly utilize multiple vehicular simulation ecosystems. This approach addresses the multi-disciplinary nature of vehicles, requiring specialized simulators that are best suited to implement a formalism representing an individual domain.Putting all aforementioned concepts in practice, a comprehensive fully virtual ADAS prototyping ecosystem is presented in this thesis. The proposed framework assembly covers various phases of the ADAS development flow, such as model-based design, virtual system integration, virtual system testing and verification, as well as application refinement. To highlight its potentials, a multitude of ADAS applications are rapidly prototyped via the proposed system. Lastly, insights into application and system-level analyses are presented, while simulation performance evaluation is provided to highlight the acceleration potential of the virtual ecosystems.

OpenAccess:
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