MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ...MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ...

MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

Abdullah DEMİR, Yrd. Doç. Dr.

• Automotive Software Systems

• Software Architectures for Advanced Driver Assistance Systems (ADAS)

• The Intelligent Automated Vehicle: the Last IoT Node

• Araçlardaki Mobil Uygulamalar

https://en.wikipedia.org/wiki/Data_rate_units

HATIRLATMA The ISQ symbols for the bit and byte are bit and B, respectively. In the context of

data rate units, one byte consists of 8 bits, and is synonymous with the unit octet.

The abbreviation bps is often used to mean bit/s, so that when a 1 Mbps connection

is advertised, it usually means that the maximum achievable bandwidth is 1 Mbit/s

(one million bits per second), which is 0.125 MB/s (megabyte per second), or about

0.1192 MiB/s (mebibyte per second). The Institute of Electrical and Electronics

Engineers (IEEE) uses the symbol b for bit.

Kilobit per second

kilobit per second (symbol kbit/s or kb/s, often abbreviated "Kbps") is a unit of

data transfer rate equal to:

1,000 bits per second

125 bytes per second

Megabit per second

megabit per second (symbol Mbit/s or Mb/s, often abbreviated "Mbps") is a unit of

data transfer rate equal to:

1,000,000 bits per second

1,000 kilobit per second

125,000 bytes per second

125 kilobytes per second

The International System of Quantities (ISQ)

SAE.ORG, Next-gen electronic controls: Open source, scalable and integrated; 19-Apr-2016 04

Tony Cooprider, Senior Technical Leader

for Ford Motor Co. “Twenty-five years

ago, 75% of the vehicle value was

mechanical, 22% was electronics and

there was a sliver of software. Software

has grown to 18%, electronics is now

about a third and about half is

mechanical parts.”

“We need to consolidate what we’ve

distributed, we want to reduce the

number of controllers in a car,” said

Michael Groene, Director of Global

Software Engineering at Delphi

Automotive.

• How many lines of code in a:

– F-22 Raptor:

– Average new Ford:

1.7 million

10 million

Noah Goodall, VDOT’s Connected Vehicle Program, Virginia Center for Transportation Innovation and Research, ASHE Old Dominion Section Meeting, June 13, 2013

Modern Vehicles – Very Sophisticated

Lines Of Code: Kod Satırı

Açıklama

F-22 Raptor (Yırtıcı Kuş), Lockheed

Martin firması tarafından, hava

üstünlüğü odaklı,düşük radar izi ile

yüksek görünmezlik sağlamaya yönelik

üretilen avcı uçağıdır. Amerika Birleşik

Devletleri Hava Kuvvetleri (USAF)'ne

göre, F-22 uçakları Birleşik Devletler

Küresel Saldırı Görev Gücü (US-

GSTF)'nün önemli bileşenlerindendir.

https://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjX8sqpuLzTAhVCkRQKHUeqDPQQjRwIBw&url=http%3A%2F%2Fwww.bilgiufku.com%2Ff-22-raptor-savas-ucagi-ozellikleri-ve-fiyati-nedir.html&psig=AFQjCNGMdYFXT45j1qcUT1Mur09jUHiebQ&ust=1493100720115331

Computerized Measurement

• Speed

• Heading (rota, yön)

• Acceleration (lateral, longitudinal, vertical)

• Position (from GPS)

• Other diagnostics Wipers on/off

Braking status

Tire pressure

Steering wheel angle

Headlights on/off

Turn signals on/off

Rain sensors

Stability control


Introduction to Automotive

Software Systems 2IN60: Real-time Architectures (for automotive systems)

More and more car functions are

being implemented in software

Developing software is

expensive

$$$

Car functions

powertrain, e.g.

engine control, transmission and gear control;

chassis, e.g.

ABS (Antilock Braking System), ESP (Electronic Stability Program),

ASC (Automatic Stability Control), ACC (Adaptive Cruise Control);

body (comfort), e.g.

air conditioning and climate control, dash board, wipers, lights,

doors, seats, windows, mirrors, cruise control, park distance

control;

telematics/wireless, e.g.

multimedia, infotainment, GPS and in-vehicle navigation systems,

CD/DVD players, rear-seat entertainment;

passive safety (emerging), e.g.

rollover sensors, airbags, belt pretensioners.

11

Powertrain Chassis Body Telematics Passive

safety

Program size 2 MB 4.5 MB 2.5 MB 100 MB 1.5 MB

Number of ECUs 3-6 6-10 14-30 4-12 11-12

Number of

messages

36 180 300 660 20

Bus topology Bus Bus Bus Ring Star

Bandwidth 500 Kb/s 500 Kb/s 100 Kb/s 22 Mb/s 10 Mb/s

Cycle time 10 ms – 10 s 10 ms – 10 s 50 ms 2 s 20 ms 0 5 s 50 ms

Safety

requirements

High High Low Low Very high

Task of engine control:

calculate amount of fuel and

exact moment of injection

Dependencies:

pedal (driver)

load of the engine

temperature

etc.

Sensors and actuators:

position of crankshaft

valves

Relevance:

avoid mechanical damage

provide quality of control (e.g. fuel efficiency)

Crankshaft (red), pistons (grey) in their

cylinders (blue), and flywheel (black)

Real-time requirements for fuel injection:

Keep the fuel intake valve open for f(x) μs at x rpm

Crankshaft position accuracy: 0.1 degree

1. At 100 rps 3s temporal accuracy

Challenges:

latency between sending “close” command to valve and the actual time when the valve closes

1. Communication latency

2. Environmental conditions (e.g. temperature)

Approach:

compensate for latency:

1. sensor signal indicates when valve closes

2. latency is measured during every engine cycle

3. determine when “close” command must be sent

Anti-lock Braking System

Controller

1. Brake

pedal

pushed

2. Pressure

passed to the

brake fluid

3. Wheel disc

brakes

squeezed

4. If the brake pedal is

pushed too hard, the

wheel will lock a

sensor detects this and

notifies the controller

5. Controller

releases the

pressure on

the discs by

releasing

some brake

fluid in a

container

6. The fluid is

pumped back to

repeat the

pressure on the

discs

7. Entire process is repeated about 15 times/sec

(by courtesy of Damir Isovic)

Electronic system:

Sensor: detects that the wheel will lock

Actuator: release and repeat the pressure on the discs

Controller: requires an ECU

Distributed:

Controller, sensors, and actuators at different locations

Requires wires or a network

Embedded and invisible to the driver

Reduce severity of head-to-tail crash

Stage 1 (~2.6 s to impact):

Provide visual and audible collision warning

1. shine lights and sound

Stage 2 (~1.6 s to impact):

Automatically initiate partial braking at 4 m/s2

Move the front passenger seat to safe position

1. Height, fore/aft adjustment, backrest angle

2. Inflate air-chambers inside seat for better support

If skidding: close front windows and sunroof

Stage 3 (~0.6s to impact):

Tighten the seatbelts (e.g. fire pyrotechnics or pulleys)

Prepare airbags for deployment

Relies on several subsystems

Radar for detecting potential collision

Anti-lock Braking System to apply partial

braking

Traction Control to identify if skidding

Window Control System to close windows

…

Complexity is due to the many dependencies

E.g. communication

Communication is expensive

Surface area, power consumption, latency, ability to

understand system behavior, …

Modular design:

Divide an integrated system into independent modules

Define interfaces between the modules

Keep the interfaces thin!

Advantages

Separation of concerns

Flexibility

Maintainability

Security

• When investigating the root causes for traffic jams in a city, it is infeasible to consider the interactions between molecules comprising the car or the driver’s brain.

• A model is an abstraction of the key elements which are relevant for achieving a given goal

Example: traffic in a city can be modeled by means of a queue network representing the streets, and Markov chains describing the arrival of cars

• A system is a set of interacting components

forming an integrated whole

• Architecture is a description of the individual

components and their interactions

Collection of models describing the system

from different views

Describes the architecture of software-intensive systems

Logical view: functionality that the system provides to end-users

Development view: implementation from programmers perspective

Process view: runtime behavior (tasks and how they communicate)

Physical view: mapping of the software onto physical layer

Scenarios: illustrates the architecture description based on several use cases

Electronic Control Unit (ECU)

Sensors and actuators

Microcontroller

Software

Bus

Connects individual ECUs

Interconnect between buses CA

N I

nfo

tain

ment

CAN Komfort

CAN Komfort

CAN Antrieb

CAN

Kombi

LIN

LINLIN

AFS-CANSensor-CAN

CA

N D

iagnose

Gateway

Controls one or more car functions

Types of electronic control units

Airbag (ACU), Engine (ECU),

Transmission (TCU), …

70 – 100 ECUs inside a car (nearly as

many as inside Airbus A380)

Microprocessor-based

An ECU and its interfaces

Power

CAN port FlexRay port Digital and Analog

I/O ports

Debug port

Example ECU (Freescale board EVB9512XF)

Power

CAN port

LEDs

Reset button

Microcontroller

(CPU + memory)

FlexRay port

Digital and

Analog

I/O ports

CAN controller

Debug port

Connects individual ECUs

Examples: CAN, FlexRay, I2C, IEEE 802.11p

K-CAN

System

MOST K-CAN

Periphery

SI-BUS

(Byteflight)

PT-CAN

Diagnose

Gateway

A particular bus defines the communication protocol (including message format

and possible message exchanges), bandwidth, physical interfaces.

Also referred to as “non-functional requirements” or “extra-functional requirements”

Timeliness/Predictability

1. Hard timing requirements: functional

2. Firm/soft timing requirements: non-functional (can be traded for others, e.g. a bit later but much cheaper to realize)

Dependability

Maintainability: ability for software to undergo modifications and repairs

Scalability: ability to scale a metric with changing architecture

1. Example: maintainability will decrease when increasing number of ECUs in a car

Security

Dependability is an umbrella term for Availability, Reliability and Safety

A real-time system is one with very strict timing constraints. For

example, during a crash you would like the airbag to inflate just at

the right time: not too early and not too late. So, the airbag controller

must guarantee that the strict timing constraints are met.

Example: inflation of an air bag

real-time fast

real time: fulfill specific timing requirements

best-casedeadline

time

response

worst-casedeadline

event

• Example: Software controlling the deployment of

airbags has 15 to 40 milliseconds to determine which

and in what order to activate

Specification:

Lower and upper bounds on the response time

Metrics:

Worst-case response time

Tardiness (yavaşlık, geç kalma)

32

Specification in 3 dimensions:

Availability: readiness for correct service

1. Metric: probability of the system being ready to use

1. Mean Time To Failure (MTTF), Mean Time To Repair (MTTR)

2. Availability: MTTF/(MTTF+MTTR)

Reliability: continuity of correct service

1. Metric: expected time until not being available

Safety: absence of catastrophic consequences on the user and the environment

1. Metric: catastrophic states are not reachable

• In 2005, Toyota recalled 160 000 Prius

hybrids, because of software causing car to

stall and shutdown.

Fix required 90 min per car = 240000 man

hours

• In 2008, VW recalled 6500 cars, because of

software causing unexpected increase in

RPM when air-conditioning is turned on.

The controlled system must remain safe

hazardous states unreachable (e.g., extremely

high temperatures)

even in erroneous conditions, safety must be

maintained (no “error exit”)

Certification: approval by independent agency

• Security: when the system is open to external

observation and control (e.g., via Internet)

confidentiality, integrity and non-repudiation

1. validation of privileges (authentication,

authorization)

2. secure protocols to make intrusion impossible

Non-repudiation: Red Olmayan

Repudiation: Tanımama, inkar etme

Recommended reading: [Burns] Ch. 1.1-1.3, 2.1-2.2, 2.10

Optional reading:

N. Navet, F. Simonot-Lion, “Automotive Embedded Systems

Handbook”, CRC Press, 2009

G. Leen, D. Hefferenan, “Expanding automotive electronics

systems”, Computer, 35(1), 2002

U. Keskin, “In-Vehicle Communication Networks: A Literature

Survey”, TU/e CS-Report 09-10, 2009

P. Kruchten, “Architectural Blueprints—The 4+1 View Model of

Software Architecture”, Software 12 (6), 1995

Kia

• Seri iletişim

• Paralel iletişim

Not: Paralel devrede 2 farklı sinyal için 2 kablo kullanılırken seri

devrede bir kablo üzerinden 2 ayrı sinyal gönderilir.

Kia

Ağ Tasarımları

ECU’lar aralarında bilgi alışverişi yapabilmek için

birbirlerine bağlanırlar.

ECU’lar arasında 3 tip bağlantı vardır.

• Çember/Halka

• Yıldız

• Otobüs/Bus

Kia

Bu tip bağlantıda ECU’lar

sinyal gönderir ve gönderdiği

sinyal tekrar kendisine gelir.

Kia

Bu tip bağlantıda merkezde bir ana

ECU vardır. Diğer ECU’lar ana ECU

üzerinden birbirine bağlanırlar.

Kia

Bu tip bağlantıda ECU’lar ortak iletişim

kablosuyla birbirine bağlıdır. Ortak

iletişim kablosu üzerinden data/veri

transferi oluşur.

Kia

İletişim Hızına Göre Sınıflandırma

Kia

CAN düşük hız düzenlemesi / LIN (GH)

Kia

LIN

Kia

CARNIVAL/SEDONA iletişim sistemi

Software Architectures

for

Advanced Driver Assistance Systems (ADAS)

Robert Leibinger, Software Architectures for Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), Elektrobit Automotive GmbH, July 7th, 2015


Power Consumption within BMW cars

Max. power consumption limits the number of ECUs


Rising Quota of Multicore deliveries at Volkswagen

Ramp up: Desteklemek yada güçlendirmek

Multicore usage ramps up (e.g. Powertrain).

ADAS will speed this up.

ARAÇLARDAKİ MOBİL UYGULAMALARIN ALTYAPISI

• CAN,

• LIN,

• FlexRay

bus sistemleri

Gül Türker, Araçlarda On Board Diagnostic Sistem ve Mobil Cihaz Uygulamaları, ab.org.tr/ab14/sunum/9.ppt


1986 - Robert Bosch / 1993 - ISO

Tek bir hat üzerinden kablolu veri transferi

Kontrol Alan Ağ modülü bulunan ilk entegre 1989 yılında Intel

Corp. tarafından piyasaya çıkarılmıştır.

• Siemens,

• Motorola,

• Philips,

• Microchip

Endüstriyel otomasyon, otomotiv ve mühendisliğin çeşitli

alanlarında kullanılır. Çift yönlü veri haberleşme için

kullanılır.

• Yüksek performanslı,

• Güvenilir,

Kablolu ağ teknolojisidir.


İletişim ortamına erişim yöntemi olarak, bit öncelikli

yapı kullanır.

CSMA/CD

Bu yöntem, mesajların çarpışmamasını garanti etmekle

beraber, iletişim hattının uzunluğunu sınırlandırır.

1 Mbit/s veri iletim hızı ile 40 m

40 Kbit/s veri iletim hızı ile 1000 m

CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access/Collosion Detection)

CSMA\CD (İngilizce: Carrier Sense Multiple Access With Collision

Detection, Çarpışma Algılayıcıyla Taşıyıcı Dinleyen Çoklu Erişim)


• Ağa bağlı bir düğümden tüm sistem kontrol edilebilir.

• Fonksiyonları kontrol eden komutlar seri olarak gönderildiği

için kablo ve konnektör karışıklığı azalır.

• Sistemin çözülmesi veya toplanması daha kolay ve daha

hızlıdır.

• Verimli hata bulma sağlar.

• Kullanıcıya uyarı ve durum bilgisi göndermek için daha

yüksek kapasite sağlar.

• Ağa yeni kontrol birimlerinin kolayca eklenebilmesini sağlar.

• Ağa erişimde farklı erişim öncelikleri sağlar.


• ITS- Intelligent Transportation Systems

• TMS – Traffic Management Systems

• TIS – Traffic Information Systems

• DSRC-Dedicated Short Range

Communication (802.11.p / 5.9 GHz)

• AVCS – Advanced Vehicle Control Systems

• V2V V2I V2X


1. Ad Hoc ağlar

2. Wireless LAN

3. Cell broadcast

4. DSRC

5. UWB (Ultra Wide Band)


• Araçsal Ağlar 5.9 GHz bandında, 75 MHz’lik band genişliğine sahip,

yüksek veri transfer hızı (6-27 Mbps) sunan DSRC (Dedicated Short

Range Communications) standardını kullanır.

• Bu standarda göre yol üzerinde hareket halindeki araçlar;

mevki,

zaman,

yön,

hız,

trafik durumu bilgilerini içeren rutin trafik mesajını yaymak zorundadır.

Dedicated Short-range Communications (DSRC):

Tahsis Edilmiş Kısa Mesafe İletişim


On-Board Diagnostic bir aracın kendi kendine tanı ve raporlama

yeteneğini yapabilmesini sağlayan bir otomotiv standardıdır.

OBD sistemleri aracın alt sistemlerine, sensor bilgilerine, motor

hakkında çeşitli verilere erişimi sağlar.


SAE J1962

16-pin (2x8) J1962 connector

• Motor devir

• Hesaplanmış yük değeri

• Antifiriz sıcaklığı

• Yakıt sistemi durumu

• Araç hızı

• Kısa mesafe yakıt sarfiyatı

• Uzun mesafe yakıt sarfiyatı

• Emme manifold basıncı

• Ateşleme Avansı

• Hava emiş sıcaklığı

• Hava akış oranı

• Oksijen sensör voltajı

• Yakıt basıncı

Elektronik kontrol

ünitesi (ECU)

herhangi bir arıza

oluştuğunda bir kod

numarası bildirir.


SAE J1850 PWM (pulse-width modulation — 41.6 kB/sec,

standard of the Ford Motor Company)

SAE J1850 VPW (variable pulse width — 10.4/41.6 kB/sec,

standard of General Motors)

ISO 9141-2. This protocol has an asynchronous serial data rate of

10.4 kBaud. It is somewhat similar to RS-232; however, the signal

levels are different, and communications happens on a single,

bidirectional line without additional handshake signals. ISO 9141-2 is

primarily used in Chrysler, European, and Asian vehicles.

ISO 14230 KWP2000 (Keyword Protocol 2000)

ISO 15765 CAN (250 kBit/s or 500 kBit/s). The CAN protocol was

developed by Bosch for automotive and industrial control. Unlike other

OBD protocols, variants are widely use outside of the automotive

industry. While it did not meet the OBD-II requirements for U.S.

vehicles prior to 2003, as of 2008 all vehicles sold in the US are

required to implement CAN as one of their signaling protocols.


Android, symbian ve windows işletim sistemli tablet, telefon ve

bilgisayarlarla veriler kablo olmadan, bluetooth ile görülebilir ve

düzenlenebilir. Ancak iOs işletim sisteminde kablosuz Wi-Fi özelliği

kullanılır.

• Android

• IOs

Önemli Not: Kablosuz haberleşme imkanı sağlayan mobil cihazlar ile aracın

OBD soketine uyumlu Bluetooth ve Wifi teknolojilerini destekleyen OBD II

tarama olarak farklı kitler bulunmaktadır. OBD II scanner kitleri için geliştirilmiş

çeşitli yazılımlar bulunmaktadır.

Smartphones


• Very sophisticated computer

• Sensors

GPS

3-axis accelerometer

Camera

Magnetometer

• Carried with you all day


• DashCommand

• iOBD2

• Mobilescan OBD

• MD4MyCar

• LogWorks

• Rev

• Roaders

Kaynak: “BMW.com.tr” web sitesi, BMW Teknoloji Rehberi (Erişim Tarihi: 03/04/2014).

Flex Ray Flex Ray, araç bileşenleri arasında veri aktarımını hızlandıran yeni geliştirilmiş bir seri

veri yolu sistemidir. Flex Ray, farklı sistemlerin güvenli ve hassas bir şekilde birbirine

bağlanmasına olanak verir. Yeni ve hızlı sürücü destek sistemleri ile yürüyen aksam

kontrol sistemleri daha güvenli ve daha konforlu sürüş anlamına gelir.

Elektronik sürücü destek sistemlerinin karmaşıklığı gün geçtikçe artmaktadır. Yeni şasi

ve hareketli aksam kontrol sistemleri, etkin bir şekilde işlev görebilmek için son derece

yüksek veri aktarım hızlarına ihtiyaç duymaktadır. Bu artan gereksinimleri karşılamak

için BMW, otomotiv uygulamalarında gerekli olan güvenlik, hız ve yüksek kaliteyi

sağlayabilecek yeni bir veri yolu sistemi geliştirmek için konusunda uzman firmalar ile

işbirliğine girdi. 2007 yapımı BMW X5, dünyada bu yeni teknolojiyi kullanan ilk standart

üretim otomobil oldu. Flex Ray, Adaptif Sürüş yürüyen aksam kontrol sisteminin optik

veri yolunu kontrol eder ve amortisörlerin elektromanyetik valfleri ile dengeleyicileri

kontrol etmekte kullanılır, bu sayede Adaptif Sürüş, araç gövdesinin yana yatma etkisini

ortadan kaldırır.

Flex Ray’in en önemli avantajlarından biri yüksek veri aktarım hızlarıdır: Saniyede

10 MBit’e varan bu hız, geleneksel CAN veri yolu sistemine göre yirmi kat daha

fazladır. İkinci bir Flex Ray iletişim kanalı, güvenliği her zaman mükemmellik düzeyinde

tutabilmek için yedek görevi görür. Eğer kanallardan biri işlevini yerine getiremez

duruma gelirse, diğeri kullanılabilir durumda kalır. Güvenlik tehlikesi taşımayan

sistemlerde, tek bir kanalın kullanımı ile daha yüksek bir veri aktarım hızı elde edilebilir.

Bu avantajlar, araç üzerindeki sistemlerin birbirleri ile daha hızlı ve daha güvenli iletişim

kurmasına olanak vererek, sürüş konforunu ve güvenliğini önemli ölçüde artırır.

MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ...MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ...

Documents

Transcript of MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ...MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ...