AUTONOMOUS DRIVING RADAR REQUIREMENTS - prospect … · AUTONOMOUS DRIVING RADAR REQUIREMENTS...
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AUTONOMOUS DRIVING RADAR REQUIREMENTS
PRESENTER:
Dr.-Ing. Martin KunertRobert Bosch GmbHAdvanced Engineering Sensor SystemsLeonberg / GermanyE-Mail: [email protected]
Highly Automated Driving (HAD) introduction
Key Performance Indicators for HADCoverage azimuth, elevation; Resolution and accuracy
Safety concepts for HADReliability and redundancy
AUTONOMOUS DRIVING RADAR REQUIREMENTS
Introduction
Chassis Systems Control | CC/ENA2 | 01.07.2016
© Robert Bosch GmbH 2016. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.3
How does the autonomous car of the future looks like?
Source: internet
Introduction
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Let‘s have a look back in history …..
Source: GM Motorama Exhibition 1956 – Videoclip “Your key to greater value”
Introduction
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The General Motor requirements for HAD in 1956
Radio communication Driver HMI A human supervisor Dedicated lanes
Navigation maps Auto Pilot system Synchronized Big DataManual mode with a
steering wheel
And what of them do we needed today ?
Source: General Motors Motorama Video
Introduction
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Todays prerequisites for automated driving – high level overview
Source: Robert Bosch GmbH| V. Denner
Introduction
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Transportation in the far future, only science fiction or … ?
Source:
The fifth element
(Fantasy film 1997)
Introduction
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Transportation in the mid future, a more realistic picture?
Source:
MIT Senseable city lab
Slot-based intersections
Introduction
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Transportation in the mid future, a more realistic picture?
Source:
MIT Senseable city lab
Slot-based intersections
diverging diamond intersection
Introduction
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Automotive mobility in the next two decades, a realistic forecast
Source: Thatcham Research – the future of autonomous driving
Introduction
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First cost indications and market forecast for HAD
2600
1920
2300
3220
1700
2400
2800
4500
4000
6600
5000
2500
3500
4000
10000
0 5000 10000 15000
BMW
MB
Audi
GM
Ford
Lexus
Volvo
AD Package
ADAS Package
Price ($)
Source: Frost & Sullivan analysis
HAD: Highly Automated Driving AD: Automated Driving ADAS: Advanced Driver Assistance System
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The paradigm change in business models caused by HAD
Source: Morgan Stanley (2015) / www.driverless-future.com
Introduction
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The shift in transport modality caused by HAD
Source: ERTRAC website
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The long transition time to fully deployed HAD in traffic
Source: EPOSS website
Autonomous vehicle sales, fleet and travel projections
Introduction
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The necessary HAD performance for a sucessful market entry
Source: UMTRI_AD_Benefit_estimation_zero.pdf
Better than Case 3 is needed for a success story of HAD
AUTONOMOUS DRIVING RADAR REQUIREMENTS
Highly Automated Driving (HAD) introduction
Key Performance Indicators for HADCoverage azimuth, elevation; Resolution and accuracy
Safety concepts for HADReliability and redundancy
Key Performance Indicators for HAD
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The functional & application portfolio for HAD
Many ADAS features are already on the road or in the pipeline !
What sensors and
technologies are needed
to realize the current and
future HAD demands?
Source: PreVent EU funding project
Key Performance Indicators for HAD
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Including the existing ADAS features also in HAD development
Downward compatibility is an absolute must (no feature loss is allowed)
Source: Robert Bosch GmbH
Key Performance Indicators for HAD
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The necessary sensor technology portfolio
Adaptive Cruise Control
Blind Spot
Detection
Lane Change
Assist
Park Mate
Lane
Departure
Warning
Traffic Sign
Recognition
High Beam
Assist
Full Speed Range ACC
Collision Warning
Lane Keeping
Night Vision
Collision Mitigation
Emergency Braking
Homezone Assist
Driver
Attention
Back-up Aid
What sensors are needed for HAD?
UltrasonicRadarLIDARNight VisionCamera C2X GPS & Map
Source: Robert Bosch GmbH
Key Performance Indicators for HAD
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Development steps towards automated driving - driver responsibility
Source: Robert Bosch GmbH
Key Performance Indicators for HAD
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Development steps towards automated driving – data fusion
Key Performance Indicators for HAD
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The operational radar frequency bandwidth requirements
The best performance in the allocated vehicular radar frequency bands is at 79 GHz !
Legend:
V: Speed separation
R: Range separation
j: Angle separation
j
V
R
j
24 GHzNarrow-Band
V
R
24 / 26 GHzUWB (5 GHz BW)
V
R
j
77 GHz(1 GHz BW)
V
R
j
79 GHz(4 GHz BW)
Evolution of Sensor Performance(Note: the smaller the cube volume, the better the performance)
Source: Functional Requirements of Future Automotive Radar Systems, R. Rasshofer, EURAD 2007
Key Performance Indicators for HAD
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360 degree observation zone around the car
Full awareness and perception everywhere around the car is needed !
Source: Robert Bosch GmbH
Key Performance Indicators for HAD
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The environmental robustness requirements
For HAD level 4 and 5 100% availability is needed !
Source: Radar4FAD – German funding project
Key Performance Indicators for HAD
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Angular separation and resolution requirements
At least 1° in azimuth and ~5° in elevation is needed !
Source: Robert Bosch GmbH (CC/ENA2)
Key Performance Indicators for HAD
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Velocity resolution requirements
High Doppler speed resolution for target classification is needed !
Source: Robert Bosch GmbH (CC/ENA2)
Key Performance Indicators for HAD
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Multi-target detection and tracking capbility
The usage of a high resolution radar requires many tracking points per target !Source: Robert Bosch GmbH (CC/ENA2)
AUTONOMOUS DRIVING RADAR REQUIREMENTS
Highly Automated Driving (HAD) introduction
Key Performance Indicators for HADCoverage azimuth, elevation; Resolution and accuracy
Safety concepts for HADReliability and redundancy
Safety concepts for HAD
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Perception and safety requirements for the 5 automation levels
Higher automation levels need higher ASIL grades !
Automation
Level
Functional
Description
Driver
Interaction
Perception
Redundancy
Dependability Safety
Level
Level 0 no automation high none fail-silent QM
Level 1 driver
assistance
medium-high complementary fail-silent ASIL A or B
Level 2 partial
automation
medium combining fail-safe ASIL B
Level 3 conditional
automation
moderate partial overlap fail-safe ASIL C
Level 4 high
automation
seldom large overlap fail-operational
(single error)
ASIL C or D
Level 5 full
automation
none full overlap fail operational
(multi-error)
ASIL D
ASIL: Automotive safety Integrity Level QM: Quality Management
Source: Robert Bosch GmbH (CC/ENA2)
Safety concepts for HAD
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The Automotive Safety Integrity Level
“Item”: Vehicle function e.g. ACC (adaptive cruise control)
Malfunction: Unintended braking initiated by ACC due to an E/E architecture failure
Risk classification based on
Severity of the potential harm of involved persons
Exposure probability of the risk to appear while driving
Controllability of the hazardous situation
ASIL classification of the function
Derivation of appropriate safety goals with according ASIL to prevent the malfunction
E/E: Electric/Electronic
Source: ISO 26262 documentation
Safety concepts for HAD
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ISO 26262 International standard
Adaptation of IEC 61508 to comply with the specific needs of E/E systems in road vehicles
Applies to all activities during the safety lifecycle of safety-related systems comprised of electrical, electronic, and software components
The scope is limited to passenger cars with max. gross weight of 3.500 kg
The ISO 26262 V-Cycle
ISO 26262 addresses the complete product safety lifecycle:
The standard consists of 10 parts
Each part is dedicated to a certain aspect of the production process in the V-lcycle
Part 1: Vocabulary
Part 2: Management of functional safety
Part 3: Concept phase
Part 4: Product development: system level
Part 5: Product development: hardware level
Part 6: Product development: software level
Part 7: Production and operation
Part 8: Supporting processes
Part 9: ASIL-oriented and safety-oriented analyses
Part 10: Guidelines on ISO 26262 (informative)
Safety concepts for HAD
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The ASIL process and the different FIT-levels
The safety goal: Determine the max. FIT occurrence on vehicle function level according to
ASIL safety risk classification
safety concept/architecture/design
with requirements to achieve safety
goal by using corresponding ASIL
Analysis of safety concept by
FMEA
FMEDA
FTA
DRBFM
….
for random HW
failures only
1 FIT = 1 Failure in Time = 10-9 failures / hour
QM no safety relevance
ASIL A: 1.001 – 10.000 FIT low risk classification
ASIL B: 101 - 1000 FIT
ASIL C: 11 - 100 FIT
ASIL D: <10 FIT high risk classification
QM: Quality Management FMEA: Failure Mode and Effects Analysis FMEDA: Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis FTA: Fault Tree Analysis DRBFM: Design Review Based on Failure Mode
Safety concepts for HAD
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ASIL level decomposition and sensor redundancy concepts
In case b) the unique ASIL C sensor can be replaced with an ASIL B and ASIL A sensor
Different safety concepts are possible to achieve a required ASIL
Independent, redundant elements, e.g. for a sensor function, can reduce the ASIL of the individually involved sensor ASIL decomposition
Safety concepts for HAD
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The limit of ISO 26262 scope and impact on radar sensors
Failure rate: λ = λE/E + λE
FITE = FITM + FITI
FITE: Environmental influence failures
FITI: Critical interference failures
FITM: Critical misinterpretation failures
ISO 26262:
Functional safety due to detection and/ or
mitigation of failures in the E/E-architecture,
the influence of the environment is out of
scope.
failure rate λ for HW failures of E/E
Further Radar sensor failure impacts:
Functional safety depends both on the E/E-
architecture and the capability to detect
failures caused by environmental influences
(e.g. sensor detection performance).
Extension of the failure rate λ needed ?
FIT: Failure in Time
Safe-state and uncritical failures don’t have any impact or influence on FIT or λSource: MOSARIM EU-project
Safety concepts for HAD
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The additional failure domains for perception sensors
Failures regarding detection performance of
automotive perception sensors
Wrong data/information
w.r.t. environment situation
Interference or Disturbance(environment or other systems)
Misinterpretation
of road situation
Failure leading
directly to
violation of
safety goal
Failure de-
tected, failure
handled or
system disabled
Failure not
detected,
system still
enabled
Failure detected,
countermeasure
applied or
system disabled
Failure leading
directly to
violation of
safety goal
Failure not
detected, system
still enabled
critical,
relevant for
FITM rate
critical,
relevant for
FITM rate
critical,
relevant for
FITI rate
critical,
relevant for
FITI rate
uncritical,
not FITI -
relevant
uncritical,
not FITM -
relevant
„safe state“,
not FITM -
relevant
„safe state“,
not FITI -
relevant
Interference DomainInterpretation Domain
The handling of FITM and FITI contributions is still an open issue !
Source: MOSARIM EU-project
Safety concepts for HAD – Interpretation
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Compensating the weakness of orthogonal sensor technologies
Video sensor:
high lateral accuracy
Radar sensor:
high longitudinal accuracy
video
camera
radar
sensor
Significant improvements on sensor-intrinsic shortcomings have to be done before an effective
and robust sensor data fusion is possible !
Radar sensors have to improve lateral resolution performance while
video sensors have to increase longitudinal distance estimation and object speeds !
Safety concepts for HAD – Interpretation
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Compensating the weakness of orthogonal sensor technologies
downpoors
fog and smog
heavy snow
dazzling by sun or headlights
sensor blockage by dirt, ice or mud
road spray or towing water
Environmental robustness is crucial for all-time operation and is best fulfilled by radar sensors
!
Safety concepts for HAD – Interpretation
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The redundancy concepts and challenges
Sensor technology A
Sensor technology B
Complementary sensor data fusion Redundant sensor data fusion
Redundancy only, when both technologies have the same performance and working zone !
Safety concepts for HAD – Interpretation
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Monitoring wrong interpretation and false alarms
Example Pedestrian Protection System:
The trade-off dilemma between efficiency and unjustified system response !
Safety concepts for HAD – Interference
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The traffic dependent radar interference situations
interferred vehicle interferring vehicle neutral vehicleSource: MOSARIM EU-project
Safety concepts for HAD– Interference
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The radar interference mitigation techniques and countermeasures
The mitigation margin differs from domain to domain and is typically
between 15 dB and infinity (i.e. total radar interference suppression)
Source: MOSARIM EU-project
Source: MOSARIM EU-project
Polarization Time Frequency Coding Space Strategic
key words
- linear,
circular,
elliptical
- co/cross
polarization
key words
- duty cycle
- receiver time
- random time
key words
- sub-bands
- random
frequency
hopping
key words
- code length
- reception
ordering
- orthogonality
key words
- azimuth,
elevation
- FOV, range
- scanning
key words
- detection
- avoid, omit,
repair
-communicate
f
t
f
t
f
t
f
t
Safety concepts for HAD– Interference
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The ASIL impact on max. allowed I/N limit
A further I/N apportionment between mutual and incumbent frequency users is needed !
Driver assistantfunction portfolio
Lower requirements(Collision warning,
Blind Spot Monitoring.Lane change assistance)
Higher requirements(Adaptive cruise control,
Collision mitigation,VRU protection)
exact relation still open
exact relation still open
Max. allowed I/Nmutual: xx dB mutual: yy dBincumbent: xx – zx dB incumbent: yy – zy dB
QM ASIL A ASIL B ASIL C ASIL DASIL level
Safety concepts for HAD
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Final conclusions and discussion points
Highly automated driving needs redundant and robust perception concepts
The ISO 26262 is only dedicated to E/E failures
Non-E/E failures shall use the same methodology (is still an open item)
Wrong interpretation of the traffic scenario, mutual and incumbent
interference or harsh environmental shortcomings are sporadic hazards
and difficult to handle and classify as critical errors (e.g. FIT rating)
Discussion points:
What kind of redundancy is needed for perception systems?
How to cope with non E/E failures?
HAD impact on market and business models
How to bridge the long transition time of simultaneous drivers and HAD?
The pros and cons of different HAD roll-out scenarios
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !