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Automobilelektronik: Schneller und agiler in der frühen Phase der Produktentstehung

Direkt auf Los: Modulare Steuergeräteplattform für die Konzept- und Kleinserienentwicklung mindert Zeit- und Kostenaufwand

In der Phase der Konzeptentwicklung und -bestätigung werden für Prototypen und Prüfsysteme in der Regel elektronische Komponenten benötigt, die eigens für diesen einmaligen Einsatz entwickelt und hergestellt werden müssen. Dies erzeugt hohe Kosten, außerdem zieht der meist erhebliche Zeitaufwand eine verzögerte Produkteinführung nach sich. Eine schnelle, agile Reaktion auf kurzfristige Änderungen ist durch die aufwändige Startphase ausgeschlossen. Gerade für die schnelllebige Automobilbranche bedeutet dies einen gravierenden Nachteil. Um den Prozessschritt zu beschleunigen und gleichzeitig Raum für die nötige Flexibilität zu schaffen, hat der Entwicklungsdienstleister ARRK Engineering einen anderen Weg eingeschlagen: Anhand von zahlreichen Use-Cases wurden häufig angefragte Funktionen ermittelt und entsprechende Bausteine für ein modulares Steuergerätekonzept, das sogenannte Build Rapid Systems (kurz: BuildRS), entwickelt. Mit diesem ist es jetzt möglich, Mess- und Steuerungssysteme für verschiedenste Anwendungen deutlich schneller und kostengünstiger als bisher zu erstellen: Die Bausteine mit den geforderten Funktionalitäten müssen lediglich einem Pool an bereits existierenden Hard- und Softwarekomponenten entnommen und miteinander kombiniert werden.

„Seit vielen Jahren unterstützen wir Automobilhersteller und Zulieferer als strategischer Entwicklungspartner“, erklärt Zarko Tomic, Teamleiter Softwareentwicklung bei ARRK Engineering. „Im Rahmen von Vorentwicklungsprojekten, Komponententests und Versuchsserien treten dabei bestimmte Anwendungsfälle immer wieder auf: Dazu zählen beispielsweise die Übertragung von Daten und Signalen über Bussysteme oder W-LAN sowie die Auswertung von Sensoren und die Ansteuerung von Motoren.“ In der Regel werden für diese Fälle eigens spezielle Steuergeräte entwickelt – was aufgrund der geringen benötigten Stückzahlen einen hohen Zeit- und Kostenaufwand bedeutet. Alternativ wird auf Universalsteuergeräte zurückgegriffen, die für den einzelnen Anwendungsfall meist überdimensioniert sind. Beides treibt die Entwicklungsdauer und
-ausgaben in die Höhe, was gerade im Hinblick auf die Schnelllebigkeit der Automobilbranche nachteilig ist. „An diesem Punkt haben wir angesetzt: Statt immer wieder neue Steuereinheiten für Testgeräte und Prototypen zu entwickeln, die sich nur bei einem einzigen Projekt verwenden lassen, wollten wir Bausteine definieren – ähnlich Legosteinen –, die entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall in wenigen Schritten zu einem individuellen und flexibel anpassbaren Steuergerät zusammengesetzt werden können“, so Tomic weiter.

Höchste Flexibilität durch Eigenentwicklung

ARRK Engineering entwickelte den zugrundeliegenden Hardware-Baukasten und die Software im eigenen Hause. „Dies war notwendig, da sich vergleichbare Systeme am Markt für unsere Zwecke entweder als zu groß und kostenintensiv erwiesen haben oder eher auf den Hobbyelektronikanwender abzielten. Damit waren sie zu leistungsschwach und instabil“, bemerkt Tomic. Ein weiteres Problem bestand oftmals auch darin, dass bei diesen Modellen kein direkter Eingriff in die Software möglich war, ARRK Engineering selbst also keine umfassenden Änderungen vornehmen konnte. Dies wiederum verhindert eine flexible Anpassung und Erweiterung des Systems, was aber in verschiedensten Projekten von höchster Wichtigkeit ist.

Bei der Entwicklung des neuen Steuergerätekonzepts entschied sich ARRK Engineering für eine gleichermaßen systematische wie pragmatische Vorgehensweise: „Nachdem das Plattformkonzept stand, wurde mit allen folgenden Projekten, bei denen eine bis dato noch nicht vorhandene Funktion erforderlich war, gleichzeitig ein neuer Baustein für unsere modulare Steuergeräteplattform entwickelt“, erinnert sich Tomic. Im Laufe der letzten Jahre ist auf diese Weise aus der Idee ein umfangreiches Baukastensystem entstanden – das analog zu den im Rahmen von zahlreichen Projekten ermittelten Kundenbedürfnissen gewachsen ist. Inzwischen kann ARRK Engineering auf einen Pool von Funktionen für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten zugreifen, zum Beispiel digitale oder analoge Ein- und Ausgänge, Motorensteuerung und Bluetooth- oder W-LAN-Übermittlung und zahlreiche unterstützte Bussysteme. Dabei wird das Portfolio durchgängig weiter ausgebaut.

Kompakte Module mit anpassbarer Software

Das System, dem ARRK Engineering den Namen BuildRS gegeben hat, besteht aus zwei Platinen: Die Controllerplatine dient zur Verbindung mit anderen Geräten über CAN und bildet den Ausgangspunkt für die Einheit; die Peripherieplatine definiert die eigentliche Funktion der Steuerung. „Wenn beispielsweise aufgrund einer veränderten Anforderung des Kunden von digitalen Ausgängen auf analoge Ausgänge oder von einem Sensor auf einen anderen gewechselt werden soll, müssen wir lediglich die Peripherieplatine austauschen“, führt der Teamleiter aus. „Der Kunde profitiert dabei von der schnellen Reaktionszeit, von niedrigeren Kosten und einer erhöhten Systemstabilität.“ Dabei gibt es zwei Möglichkeiten, die Platinen zusammenzufügen: nebeneinander, für einen erleichterten Zugriff auf alle Komponenten, oder kompakt übereinander, um das System unempfindlicher gegenüber Außeneinwirkungen zu machen. Je nach Kundenanforderungen sind neben CAN mittels eines zusätzlichen Moduls auch andere Anbindungen realisierbar, zum Beispiel LIN, Bluetooth oder W-LAN.

Auch die Softwarearchitektur der BuildRS-Plattform ist modular aufgebaut: „Die Software verfügt ebenso wie die Hardware über eine ständig wachsendes Portfolio von möglichen Funktionen, die der Funktionalität der Peripherieplatine entsprechen“, erläutert Tomic. Über die CAN-Schnittstelle lässt sich das System auf einfache Art und Weise konfigurieren oder neu programmieren. Dies impliziert, dass bei Funktionswechsel häufig lediglich die Software neu konfiguriert und nicht komplett neu aufgespielt werden muss. Da es sich hierbei ebenfalls um eine Eigenentwicklung von ARRK Engineering handelt, verfügt das Unternehmen über den vollen Zugriff auf den Quellcode. Auf diese Weise können jederzeit schnell und effektiv sowohl die Hard- als auch die Software an die Anforderungen der Kunden angepasst und dabei auch das volle Potenzial der Hardware genutzt werden.

Drei Einsatzmöglichkeiten für eine schnelle Konzeptentwicklung und -bestätigung

BuildRS bietet verschiedenste Verwendungsmöglichkeiten rund um die Konzeptentwicklung und -bestätigung. So können die Module zum Beispiel zur Elektrifizierung einzelner Prototypen dienen. „Beispielsweise hat BuildRS in einer Sitzkiste zur Sitzverstellung Verwendung gefunden  – als Motortreiber und zur digitalen Signalübermittlung“, erläutert Tomic. Hierbei ist die Langlebigkeit der Module ein großer Vorteil: Gestapelt oder in einem Gehäuse verbaut können sie über viele Jahre hinweg genutzt werden. Dadurch eignen sie sich auch für langfristig angelegte Probandenversuche oder Demonstratoren, zum Beispiel für Messen.

Der zweite Verwendungszweck ist der Einsatz bei Kleinserien oder Testgeräten. „Ein Beispiel hierfür ist ein Pedalmessgerät, das wir für die Automobilindustrie entwickelt haben“, erklärt Tomic. Das Ziel bei dieser Testvorrichtung ist die kombinierte Messung und Analyse von Pedalweg und –kraft zum Beispiel für Brems-, Kupplungs- oder Gaspedale. Ein Modul übernimmt dabei die Aufgabe, die Werte beider Sensoren zu verwalten, in digitale Signale zu übersetzen und diese zur weiteren Verarbeitung zu übermitteln. Ein zweites Modul ist Teil der Fernbedienung, durch die die Anlage aus der Distanz gesteuert werden kann. Der Kunde profitiert hier von der Modularität des Systems: „Unsere Entwicklungsleistung bezüglich der Steuerungen umfasste in diesem Fall die Auswahl der geeigneten BuildRS-Platinen, das Aufspielen der Software und das Konfigurieren der Funktionen – ein Zeitaufwand von wenigen Stunden bei gleichzeitig geringen Kosten“, fasst Tomic zusammen.

Doch auch als Teil von Tischaufbauten im Rahmen der Konzeptbestätigung bietet BuildRS Vorteile hinsichtlich Budget- und Zeitplanung, denn wie in den anderen Fällen muss hier ebenfalls kein neues Steuergerät entwickelt werden. Gleichzeitig hat der Kunde im Gegensatz zu handelsüblichen Einheiten mehr Freiheiten in der Anpassung und dadurch die Möglichkeit, BuildRS mehrfach einzusetzen. Da die einzelnen Peripherieplatinen nachkaufbar und leicht austauschbar sind, kann schnell und vergleichsweise günstig eine neue Funktion zugekauft werden. Die Inbetriebnahme der neuen Platine erfolgt über den CAN-Anschluss mittels der modularen Basis-Software, die auf der Controllerplatine aufgespielt ist. Auf diese Weise kann der Nutzer selbstständig die Funktion der Steuereinheit anpassen und in den Tischaufbau integrieren. „BuildRS kann grundsätzlich für alle Arten von Prototypen und Kleinserien verwendet werden. Dadurch lassen sich die Entwicklungskosten pro Endgerät drastisch senken“, schließt Tomic.

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Veröffentlichung

Ausgabe 01/2019

25.03.2019

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