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Marek Feldo
Dipl.-Inf. Marek Feldo
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iStock / Orbon Alija

AUTOSAR

Berlin, Juni 2023. Um 8.30 Uhr haben Sie einen Termin in Ihrem Büro auf der anderen Seite der Stadt. Über eine App auf dem Smartphone rufen Sie einen autonomen Citypiloten, der Sie in Ihr Büro fährt. Sie buchen heute den etwas teureren Privat-Taxi-Service, bei dem unterwegs nicht noch andere Passagiere ein- und aussteigen, um die Kosten zu teilen. Auf der Fahrt informieren Sie sich mithilfe des Infotainment Systems Ihres Citypiloten über die aktuellen Aktienstände, sowie die neusten Nachrichten und eine Wetterprognose für den Nachmittag. Im Hintergrund kommuniziert Ihr Wagen mit allen anderen autonomen Fahrzeugen im Straßenverkehr, ebenso wie den Ampeln, Verkehrsschildern und hunderten weiteren Sensoren, die den Verkehr der Stadt flüssig halten. Ihr Wagen sendet und empfängt Daten über die Straßenlage, den Motorzustand, das Zeit Management, er loggt Daten über die gefahrenen Kilometer und den verbrauchten Strom. All dies funktioniert flüssig und ohne dass Sie sich selbst darum kümmern müssen, dank der eingebetteten Software-Architektur, die die Automatisierung des modernen Autos erst möglich macht. 

Neue Architekturen

Das beschriebene Szenario ist nicht so weit entfernt, wie es möglicherweise den Anschein hat. Die ersten autonom fahrenden Autos sind vereinzelt bereits auf den Straßen zu sehen, ganze Industrien sind dabei Ihre Produktion und Logistik auf autonome Fahrzeuge auszurichten. Die Megatrends der Technologiesierung haben mittlerweile jeden Aspekt des alltäglichen Lebens erreicht. Im Bereich der Automobilbranche sind vor allem Themen wie die Konnektivität, Elektrifizierung und Autonomes Fahren richtungsweisend. So wird der Anteil an autonom fahrenden Autobahnpiloten und Citypilotautos laut einer aktuellen Studie des Prognos-Forschungsinstituts für den ADAC bis 2050 auf rund 40 Prozent geschätzt. Außerdem drängen neue Akteure auf den Markt und entwickeln eigene Anwendungen und Softwarelösungen. Dies stellt zusätzlich zu den Herausforderungen des technischen Wandels einen Konkurrenzdruck für die etablierten Erstausrüster (Original Equipment Manufacturer - OEM’s) und Zulieferer dar. Die sich daraus ergebenden Anwendungsbereiche bieten viele Vorteile für Kunden und Hersteller. Doch die erfolgreiche und effiziente Entwicklung dieser Anwendungsbereiche kann mit den aktuellen Architekturen nicht erreicht werden. 

AUTOSAR

Um eine neue Art der integrierten Elektrik/Elektronik (E/E) Architekturen zu erreichen, wird seit etwa 15 Jahren in einem Zusammenschluss von Autoherstellern, Zulieferern und Tool-Entwicklern eine neue, standardisierte Automobil-Software-Architektur entwickelt. Das Ergebnis dieses Bestrebens ist AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture).

Was bedeutet das genau? Das Ziel ist es, die Software-Architektur von elektronischen Steuergeräten (Electronic Control Units - ECUs) zu standardisieren, nach dem Motto „cooperate on standards, compete on implementations“. AUTOSAR ermöglicht eine gemeinsame Entwicklungsmethodik auf der Grundlage eines standardisierten Austauschformats. Somit kann Software, die auf der Grundlage der AUTOSAR Layered Software Architecture zur Verfügung gestellt wurde, in Fahrzeugen unterschiedlicher Hersteller eingesetzt und Elektronikkomponenten unterschiedlicher Anbieter markenübergreifend verbaut werden. AUTOSAR bereitet somit den Weg für innovative elektronische Systeme, die eine verbesserte Performanz, Sicherheit und Umweltverträglichkeit bieten. 

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AUTOSAR ist das standardisierte Austauschformat zwischen der Applikation und dem ECU. Fraunhofer FOKUS

Classic und Adaptive

In modernen Automobilen steigt die Vernetzung von elektronischen Komponenten rasant. Sicherheit, Infotainment, automatisierte Sensorik, Vehicle-to-X-Kommunikation und viele weitere moderne Anwendungsbereiche erfordern spezialisierte ECUs. Die erste AUTOSAR Version Classic 1.0 (2005) hatte daher primär das Ziel, die ständige Neuentwicklung gleicher oder ähnlicher Softwarekomponenten einzudämmen. Ein hierfür entscheidendes Element ist der Virtual Functional Bus (VFB). Dieser virtuelle Bus entkoppelt die Applikationen von der Infrastruktur. Der VFB händelt somit sowohl die Kommunikation innerhalb-, sowie zwischen den einzelnen ECUs. Dieses Konzept erwies sich als Wegweisend: Weltweit sind heute etwa 70 Prozent aller elektronischen Steuergeräte nach dem AUTOSAR Standard konfiguriert. Jedoch blieben bei AUTOSAR Classic sämtliche Anwendungsbereiche strikt auf bestimmte elektronische Steuergeräte eingestellt und die Architektur erwies sich somit als zu starr, um den sich immer weiter entwickelnden technischen Standards des modernen Autos noch gerecht zu werden.

Die mit der steigenden Datenmenge aus neuen Sensoren einhergehende gesteigerte Komplexität der Rechenoperationen führt zu einem Trend der Aufgabenteilung und zu dynamischen Systemen. Wenn es in der Vergangenheit ausreichend war, dass ein ECU eine Steuerfunktion erfüllte, geht der Trend heute dahin, dass ein Steuergerät mehrere Funktionen übernimmt. Denn neue, rechenintensive Algorithmen, leistungsstärkere Prozessoren, und stärkere Vernetzungen im gesamten Verkehrssystem machen eine dynamische, flexible Softwarearchitektur nötig. Hierbei rückt die seit 2017 entwickelte Plattform AUTOSAR Adaptive in den Fokus. Im Gegensatz zu der Classic Plattform besitzt Adaptive einige Neuerungen: So werden spätere Änderungen von bestehenden Anwendungen (etwa in Form von Updates) oder das Einspielen von neu entwickelten Applikationen über eine Funkschnittstelle wie WLAN oder das Mobilfunknetz, d.h. sogenannte Over-the-Air Aktualisierungen, möglich gemacht. Und während mit Classic vorrangig Steuergeräte realisiert wurden, die direkt und auf bestimmte Sensoren und Antriebselemente zugreifen mussten, zielt die adaptive Plattform auf Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen ab - wie z. B. das hoch automatisierte Fahren. AUTOSAR bleibt dabei aber interoperabel und wird Software Funktionen zwischen ECUs verteilen, die jeweils mit der Adaptive oder Classic Plattform ausgestattet sind, je nach Anspruch der Softwarefunktion. Rechenintensive Funktionen werden in Adaptiven ECUs lokalisiert werden, tief eingebettete Funktionen bei Classic ECUs. Ein weiteres Hauptmerkmal der Adaptive Platform ist außerdem die Service orientierte Kommunikation. Kern der neuen adaptiven Plattform ist ein auf dem POSIX (Portable Operating System Interface) Standard basierendes Betriebssystem.

Seit Anfang November ist das nächste große Release Update für die AUTOSAR Adaptive Platform auf dem Markt, das Release 18-10. Mit AUTOSAR 18-10 wird die Adaptive Architektur um neue Funktionscluster mit zugehörigen Application Programming Interfaces (API) erweitert. Diese geben Applikationsentwicklern die Möglichkeit Basisdienste zur nutzen, die von der Architektur zur Verfügung gestellt werden (bspw. um einen Dienst im Fahrzeug zu suchen oder um einen Dienst anderen anzubieten über ara::com). Diese Basisdienste werden in Zukunft mit jedem Release weiter ergänzt. 

Warum Testen?

Integrierte E/E Architekturen in der Automobilbranche sollten absolut verlässlich funktionieren, und ihre Aufgaben fehlerfrei erledigen können. Fraunhofer FOKUS und der Geschäftsbereich Quality Engineering (SQC), sind Premium Partner der AUTOSAR Gesellschaft und helfen dabei, den Standard weiterzuentwickeln. Die zunehmende Komplexität von eingebetteten Systemen und Architekturen stellt heute besonders hohe Anforderungen an die Entwicklungskompetenz der Ingenieure. Durch den Einsatz moderner Methoden und leistungsfähiger Entwicklungswerkzeuge sowie durch eine Zusammenarbeit unterschiedlicher Teams, sind die Wissenschaftler von FOKUS in enger Abstimmung mit AUTOSAR-Partnern in der Lage, komplexe Systementwicklungen effizient, zuverlässig und normgerecht durchzuführen. 

Anwendungsbereich: Adaptive AUTOSAR Architecture

Konkret resultiert diese Arbeit in verschiedenen Anwendungsbereichen, so vor allem in der AUTOSAR Arbeitsgruppe die sich mit der Methodik und Austauschformaten beschäftigt.

Im Umfeld der Adaptive Platform ist Fraunhofer Fokus an der Erstellung eines Formats für ein Manifest beteiligt. Dieses wird zusammen mit den Applikationen auf das Steuergerät geladen und enthält neben der Konfiguration der Applikationen weitere Konfigurationseinstellungen die notwendig sind um die Ausführung des Systems zu ermöglichen.

In einem Applikationsmanifest ist unter anderem festgeschrieben:

  • wann die Applikation gestartet werden soll (z.B. in welchem Fahrzeugzustand)
  • wie oft die Applikation gestartet werden soll
  • wie die Applikation gestartet werden soll (mit welchen Eingabeparametern)

Das Manifest wird direkt auf das Steuergerät geladen. Das hierfür verwendete Austauschformat ist XML. Auf die standardisierten Schnittstellen der neu entwickelten APIs können Entwickler nun die von ihnen entworfenen Applikationen aufsetzen. Die Standardisierung macht es außerdem möglich, dass Applikationen verschiedener Hersteller auf ein Steuergerät gepackt werden können, die alle die standardisierten AUTOSAR Schnittstellen benutzen

Wenn eine Applikation also einen Service sucht (bspw. eine Tankstelle in der Nähe), benutzt sie die standardisierte ara::com API und die Methode FindService. Gleiches gilt für ein Programm, das einen Service für die Außentemperatur anzeigt. Wieder würde FindService aufgerufen werden, um alle Services zu bekommen, die eine Außentemperatur liefern können. Diese Konfiguration wird zur Laufzeit ausgewertet und die Ausführung des Systems wird entsprechend der Konfiguration gesteuert, ohne das die Applikationen angepasst werden müssen.

Diese Dynamik und Flexibilität ist es, die die Adaptive AUTOSAR Platform auszeichnet.

Um den zu anfangs beschriebenen Tag zu ermöglichen, müssen sämtliche elektronischen Steuergeräte einwandfrei funktionieren. Der Ausfall von nur einigen wenigen ECUs kann in einem hochvernetzten, komplexen System wie dem Straßenverkehr zu schweren Unfällen führen. Eine sorgfältig ausgearbeitete und getestete Systemarchitektur ist Voraussetzung für ein fehlerfreies funktionieren dieses Systems. In Zukunft stehen eine weitere Funktionserweiterung, sowie die Entwicklung einer flexiblen Work-Package-Struktur im Fokus der Entwicklung. AUTOSAR ist bereits heute zu einem marktübergreifenden Standard in der Automobilbranche geworden und wird auch in Zukunft die Grundlage für eine erfolgreiche Vernetzung der Autoelektronik bilden.