Forschung

Project CR3 - A Real-Time Computer Network for Automobiles and Process and Factory Automation

In this project, a novel network called CR3 is developed as a revival of ring-based topologies. It was shown that rings are useful for real-time data transfers in vehicles for reasons of price, speed, cable lengths, weight and time-determinism. It was further shown that it is possible to implement highly-complex features and OSI layers solemnly in hardware without software or CPU. CR3 operates at speeds of 3.125, 5.0 or 6.25 Gb/s and has a node-to-node latency in the nanosecond range. CR3 is at least 33 times faster than the fastest existing in-car network. It is comparable to Infiniband but outperforms it with respect to send services and isochronous and hard real-time transfers. Up to 16 nodes per ring and up to 256 rings can be coupled by self-developed routers, resulting in arbitrary ring topologies. Application areas for CR3 are in real-time communication-systems inside of land, air, and space vehicles and in process and factory automation. Up to now, layers 1 and 2 or CR3 were synthesized in a final version for a Virtex5 FGPA, and boards for 5 CR3 nodes and routers were developed and operational. For details see here.


Projekt TUCar - Eine Testplattform für Kommunikation und Steuergeräte im Auto

TUCar ist eine fahrende Testplattform zur Erprobung neuer Konzepte für Kommunikation und für Steuergeräte. TUCar soll für ein Auto der Zukunft die folgenden zwei Zielsetzungen erkunden und testen:

  • Eine verbesserte Datenübertragung zwischen allen Elektronikkomponenten
  • Eine Rezentralisierung der Steuergeräte (ECUs)

Für diese Punkte wurden die beiden Teilprojekte CarRing II bzw. ConPar definiert. Beim Teilprojekt CarRing II erfolgt die Intra-Auto-Kommunikation über ein EchtzeitRechnernetz anstelle von Feldbussen. Beim Teilprojekt ConPar wird eine Rezentralisierung der Steuergeräte durch Echtzeit-Emulation derselben in einem zuverlässigen Echtzeit-Parallelrechner durchgeführt. TUCar wird zusammen mit dem Institut für Prozess- und Produktionsleittechnik der TU Clausthal entwickelt. Dieses Institut hat den mechanischen Teil des Projekts übernommen. Das Institut für Elektrische Energietechnik und das Institut für Elektrische Informationstechnik der Universität unterstützen das Projekt logistisch. TUCar wurde bzw. wird von der Volkswagen AG, der IAV GmbH und der Lenze GmbH gefördert. Eine Kooperation gibt es ferner mit DHB Componentes Automotivos in Brasilien. Näheres siehe: hier

Project TUCar - A Test Platform for Communication and Control in Cars

TUCar is a moving test platform for evaluating new concepts in communication and control of electronic controller units (ECUs). The mission of TUCar ist the testing of the following two goals for a future car:

  • Improved data transmission between all electronic components
  • Re-centralization of ECUs

Therefore, the two sub-projects CarRing II and ConPar have been defined. CarRing II allows for intra-car communication by means of a realtime computer network instead of field busses. ConPar bundles ECUs in one unit via emulating them in a reliable realtime parallel computer. The Institutes for Electrical Information Technology and Electrical Energy Technology of the university are supportive to the project which is funded by Volkswagen AG, IAV GmbH and Lenze GmbH. A cooperation exists also with DHB Componentes Automotivos in Brasil. For details see: here

 

Projekt ConPar - Ein Parallelrechner zur Echtzeit-Emulation von Steuergeräten in Automobilen

ConPar ist ein Parallelrechner zur Emulation von Steuergeräten in Automobilen (ECUs). Seine Aufgabe ist es, kommerzielle ECUs in Echtzeit nachzuahmen und deren Software ohne Programmänderungen auszuführen. Aus der Sicht des Rechnerarchitekten muss ConPar Messwerte von Sensoren einlesen, multiple Tasks in Echtzeit verarbeiten und Ausgangssignale erzeugen. Typische Anwendungsgebiete von ConPar sind charakterisiert durch harte und weiche Echtzeitanforderungen bei gleichzeitig hoher Rechenleistung, die - trotz beschränkten Finanzbudgets - in weiten Grenzen von 2-256 Prozessoren skalierbar sein soll. Das ConPar-Verbindungsnetzwerk zur Interprozessor-Kommunikation basiert auf CarRing II. Die Anwendungen von ConPar liegen in der Re-Zentralisierung von ECUs, deren Zahl mittlerweile 100 erreicht hat, was im Auto  viel Platz- und Energie verbraucht und wegen der damit verbundenen Komplexität hohe Kosten und Probleme bei der Systemintegration verursacht. Ein ConPar-Rechner kann im Maximalausbau bis zu 256 ECUs ersetzen. Näheres siehe: hier

 

Project Conpar - A Parallel Computer for the Real-Time Emulation of Electronic Controller Units in Cars

ConPar is a parallel computer for the emulation of electronic controller units in cars (ECUs). Its task is to emulate commercial ECUs in real time and to execute their software without modification. From the view of a computer architect, ConPar has to read-in measurement data from sensors, process multiple tasks in real time, and generate output values. Typical application areas of ConPar are characterized by hard and soft real-time requirements, combined with high computing power. The latter should be easily scalable from 2-256 processors even with low financial budget. ConPar’s interconnection network for interprocessor communication is based upon CarRing II. The application of ConPar is the re-centralization of ECUs, whose number has already reached 100. This large amount leads in the car to high consumption of space and energy and results in high costs and problems during system integration. ConPar may replace up to 256 ECUs in its maximum configuration by one single unit. For details see: here

 

Projekt Rover - Ein autonom fahrendes Modellfahrzeug

Im Projekt Modell-Rover, das in enger Kooperation mit der Fa. IAV GmbH in Gifhorn entwickelt und gebaut wird, stehen die Aufgabengebiete „Kommunikation im Automobil“, sowie „autonomes Fahren“ und „zentrale Steuerung von Lenkung, Antrieb und Sensorik“ im Vordergrund. Der Rover ist ein sich selbst steuerndes Fahrzeug, das in seiner mechanischen Konstruktion auf einem Stahlrahmen und einer Plastikkarosserie beruht. Es ist im Maßstab 1:5 (ca. 80x20x10 cm3) realisiert und spiegelt im Design einen Sportwagen wider. Der Rover enthält einen 32 Bit-Mikrocontroller von Atmel (AVR 32) als zentrales Steuergerät, sowie eine Elektroservolenkung, einen Elektroantrieb, einen Hallsensor als Weggeber und 6 Ultraschallsensoren. Es fährt programmgesteuert auf einer Bahnkurve, die in unserem Fall eine flach liegenden Acht implementiert. Detektieren die Ultraschallsensoren ein Hindernis auf dieser Bahn, wird die Geschwindigkeit reduziert und der Rover versucht, das Hindernis zu umfahren und danach wieder auf seine Bahnkurve zurückzukehren. Näheres siehe: hier.

 

Project Rover - An Autonomously Driving Model Car

In project model rover, which is developed and built in close cooperation with IAV GmbH at Gifhorn, are the paramount tasks „communication in automobile“, as well as „autonomous driving“ and „central control of steering, motor and sensors“. The rover is a self-steering car which is based in its mechanical construction on a steel chassis and a plastic autobody. The Rover is made in the scale of 1:5 (app. 80x20x10 cm3) and reflects in its design a race car. It contains a 32 Bit microcontroller from Atmel (AVR 32) als central ECU, as well as an electro servo steering, an electro drive, a hall sensor as position encoder, and 6 super sonic sensors. It drives on a programmable trajectory which has, in our case, the shape of a flat laying 8. When the super sonic sensors detect an obstacle standing in the rover's curve, it reduces speed and tries to circumvent the hindrance, in order to return to its programmed trajectory afterwards. For details see: here.

 

Projekt SimPaaS - Eine Cloud-basierte Software-Infrastruktur für skalierbare Simulation

Das Ziel von SimPaaS ist es, Anwendern aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften ein Rahmenwerk für skalierbare Simulationen zur Verfügung zu stellen. Das Rahmenwerk beruht auf Cloud-Technologie und wird u.a. durch die Anforderung einer beliebigen Zahl virtueller Maschinen von kleinen bis zu großen Simulationsläufen und -anwendungen skalierbar (Simulation-as-a-Service, SimaaS). Das Projekt umfasst folgende Teilziele:

  1. Entwicklung von Konzepten, Methoden und Werkzeugen für das Modellieren und Implementieren von skalierbaren Simulationsanwendungen in der Cloud
  2. Entwicklung von Verfahren zur optimierten Ressourcennutzung für skalierbare Simulationsanwendungen in der Cloud.
  3. Konzeption und Implementierung von simulationsspezifischen Monitoring-Werkzeugen und eines interaktiven Ausführungsmanagements.
  4. Entwicklung von Mechanismen zur Gewährleistung von Zuverlässigkeit für langlaufende Simulationsanwendungen.
  5. Evaluation der Projektergebnisse mittels Fallstudien aus den aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften.
  6. Aufsetzen und Betreiben einer Prototyp-Cloud sowie Transfer der Projektergebnisse in eine kommerzielle Cloud-Umgebung (z.B. als Dienst eines Rechenzentrums).

SimPaaS ist ein Projekt des Simulationswissenschaftlichen Zentrums Clausthal-Göttingen (SWZ) und wird gemeinsam mit Prof. Grabowski, Uni Göttingen, sowie in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für wissenschaftliche Datenverarbeitung mbH Göttingen durchgeführt.

 

 

Project SimPaaS - A Cloud-based Software Infrastructure for Scalable Simulation

The goal of SimPaaS is to provide for users from natural sciences and engineering disciplines a framework for scalable simulations. The framework is based on cloud technology and is scalable from small to big simulation runs and applications by requesting an arbitrary number of virtual machines (Simulation-as-a-Service, SimaaS). The project has the following sub goals:

  1. Development of concepts, methods and tools for the modelling and the implementation of scalable simulation applications in the cloud.
  2. Development of methods for an optimized resource utilization for scalable simulation applications in the cloud.
  3. Concept and implementation of simulation-specific monitoring tools and of an interactive execution environment.
  4. Development of mechanisms to guarantee reliability also in case of long-running simulation applications.
  5. Evaluation of project results by means of case studies from natural sciences and engineering disciplines.
  6. Set-up and operation of a prototype cloud as well as transfer of project results into a commercial cloud environment, e.g. als a service in a computing center.

SimPaaS is a project of the joint Scientific Simulation Center Clausthal-Göttingen and will be conducted together with Prof. Grabowski from Göttingen University and in cooperation with the Gesellschaft für wissenschaftliche Datenverarbeitung mbH Göttingen.

 

 

Projekt „RT Cloud“: Cloud zur skalierbaren Echtzeitanalyse von großen Datenmengen

Cloud Computing ist aufgrund seiner guten Skalierbarkeit auch bei steigenden Ressourcen-Anforderungen, der zentralen Administrierung aller Rechner inkl. einer Benutzerverwaltung mit Single-Sign-On und den frei konfigurierbaren Rechen- und Speicherressourcen, die virtuelle Maschinen bieten, zu einem attraktiven Hilfsmittel für viele Anwender geworden. Leider sind derzeitige Clouds nicht in der Lage, Garantien bzgl. der Ausführungszeit von Benutzerprogrammen abzugeben, womit Echtzeitdatenverarbeitung ausgeschlossen ist. Ziel des Projekts „RT Cloud“ ist es, auf Basis von Open Stack „Real-Time-as-a-Service“ bereitzustellen. Die Einsatzgebiete für RT Cloud liegen bei der Analyse großer Sensor-Datenmengen in Echtzeit, bei Industrie 4.0, der Energiewende, sowie bei Steuerungen und Regelungen. Um dies auf der Plattform-Ebene einer Cloud zu erreichen, sind folgende Aufgaben zu lösen: 1.) Auswahl geeigneter Hardware-gestützter Beschleuniger für Rechnen und Kommunikation sowie passender Host- und Guest-Betriebssysteme, 2.) Entwicklung und Implementierung von skalierbaren Echtzeit-Scheduling-Algorithmen für Open Stack, 3.) Entwicklung und Implementierung von skalierbaren Softwareinfrastrukturen zur Datenvorverarbeitung auf Basis von „Storm“, sowie 4.) die Speicherung großer Datenmengen in Echtzeit mit Hilfe von „Map/Reduce“-Verfahren. Anhand eines Prototyps soll der Weg in einen produktiven Betrieb gewiesen werden.

Project „RT Cloud“: Scalable Analysis of Big Data in Real Time by Cloud Computing

Cloud Computing has evolved for many users to an attractive computing paradigm because of its good scalability also in the view of increasing resource requests, its central administration of servers, together with single-sign-on for user authorization and authentification, and its arbitrary configurability for compute and storage inherent to virtual machines. However, existing clouds do not give any guarantees for the execution time needed for an application, which excludes real-time processing. The goal of project “RT Cloud“ is to provide for “Real-Time-as-a-Service“ on basis of Open Stack. Application areas are the analysis of big sensor data, the German “Industrie 4.0“ and “Energiewende“ projects, as well as for feed forward and feed back control systems. In order to achieve this on the platform layer of a cloud, the following tasks have to be solved: 1.) Careful selection of hardware-assisted accelerators for computation and communication and of suited host and guest OS, 2.) Development and implementation of scalable real-time scheduling-algorithms for Open Stack, 3.) Development and implementation of a scalable software infrastructure for data preprocessing on basis of “Storm“, and 4.) the storing of big data in real time by means of Map/Reduce methods. A working prototype has to pave the way to a Cloud for productive usage.

 

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