通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)裝甲越野車輛進(jìn)行仿真和測(cè)試

"我們選擇NI VeriStand作為實(shí)時(shí)平臺(tái)。這個(gè)解決方案基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件，幫助我們以低成本實(shí)現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。"

– Andreas Abel, ITI

The Challenge:
為裝甲多用途車輛（AMPV）的內(nèi)置系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體驗(yàn)證策略。

The Solution:
使用由NI VeriStand軟件和TraceTronic ECU-TEST自動(dòng)化軟件構(gòu)建的實(shí)時(shí)測(cè)試工具設(shè)計(jì)一系列試驗(yàn)，最終建成一個(gè)硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試臺(tái)，以便更加快速、完整地驗(yàn)證內(nèi)置系統(tǒng)。

圖1：這些裝甲車輛超過(guò)現(xiàn)行防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)良好的重量?jī)?yōu)化

Author(s):
Andreas Abel - ITI
René Müller - TraceTronic

ITI是全球領(lǐng)先的系統(tǒng)仿真軟件及工程公司之一。SimulationX標(biāo)準(zhǔn)工具用來(lái)評(píng)估技術(shù)系統(tǒng)中所有組件的相互作用，并支持Modelica語(yǔ)言。ITI與全球分公司、分銷商及伙伴共同合作，另外，它也是美國(guó)國(guó)家儀器聯(lián)盟伙伴之一。

TraceTronic提供創(chuàng)新的解決方案、服務(wù)及軟件產(chǎn)品，用于開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)。公司服務(wù)范圍包括了從電子控制單元（ECU）的軟件功能開(kāi)發(fā)和測(cè)試，到HIL系統(tǒng)的全程開(kāi)發(fā)。

開(kāi)發(fā)多用途車輛的驗(yàn)證框架
為給國(guó)防部門(mén)以及警察和安全部隊(duì)配備更加先進(jìn)的移動(dòng)、模塊化和防護(hù)技術(shù)，Kraus-Maffei Wegmann（KMW）以及其他一些公司接受挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)了新一代裝甲多用途車輛（AMPV），它們不僅具有良好的移動(dòng)性能，同時(shí)還提供最高水平的防護(hù)。它們使用裝甲鋼和復(fù)合裝甲創(chuàng)造出一種自我支持安全元件，為裝甲車輛制定了新標(biāo)準(zhǔn)。車輛超越了目前的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并且重量顯著減輕。車輛操縱簡(jiǎn)單，其內(nèi)部?jī)?yōu)化人機(jī)界面（HMI），使駕駛員和其他人員能夠?qū)Ｗ⒂谕瓿扇蝿?wù)，從而進(jìn)一步提高了防護(hù)水平。AMPV的駕駛越容易，人員和設(shè)備就越安全。我們與經(jīng)驗(yàn)豐富的軟件及硬件制造商密切合作，為車輛內(nèi)置系統(tǒng)制訂了完善的驗(yàn)證策略。

開(kāi)發(fā)組合式HIL試驗(yàn)平臺(tái)
項(xiàng)目從實(shí)現(xiàn)HIL試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)始。首先，我們分析了客戶要求和電子控制器單元（ECU）。分析結(jié)果為技術(shù)理念與試驗(yàn)平臺(tái)規(guī)格奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)有HIL仿真器的市場(chǎng)研究表明：目前尚無(wú)關(guān)于靈活性、集成度和價(jià)格方面滿足具體項(xiàng)目要求的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，因此我們基于現(xiàn)有和專用組件開(kāi)發(fā)了一個(gè)自定義系統(tǒng)。

我們選擇NI VeriStand作為實(shí)時(shí)平臺(tái)。此NI解決方案基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件，從而我們以非常合理的成本實(shí)現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。另外，我們能夠以一種靈活且高性價(jià)比的方式，根據(jù)不斷增長(zhǎng)的測(cè)試需求擴(kuò)展系統(tǒng)的計(jì)算能力

為了快速計(jì)算實(shí)時(shí)模型，我們選擇了具有兩個(gè)2.53 GHz Intel Xeon處理器的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器。兩個(gè)處理器共有8個(gè)內(nèi)核。目前實(shí)時(shí)模型所導(dǎo)致的相對(duì)較低的負(fù)載提供了足夠的擴(kuò)展能力，甚至不需要升級(jí)硬件。

I/O硬件通過(guò)PXI擴(kuò)展機(jī)箱與PC相連。這只占用了一個(gè)PCI Express插槽，PXI底板提供了足夠數(shù)目的插槽用來(lái)插入其他I/O板。試驗(yàn)平臺(tái)使用NI PXI控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信板卡以及模擬和數(shù)字I/O。對(duì)于模擬速度傳感器信號(hào)等嚴(yán)格時(shí)間要求信號(hào)，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)NI PXI-7831R現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）模塊。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開(kāi)發(fā)FPGA程序。

另外，我們還選用了一個(gè)集成有故障模擬的信號(hào)調(diào)節(jié)單元，減少了試驗(yàn)臺(tái)復(fù)雜的接線，并且不會(huì)無(wú)故降低信號(hào)質(zhì)量。為了滿足兩種板載電壓電平車輛的要求，我們?cè)谠囼?yàn)臺(tái)中集成了兩個(gè)可控制電源。顯示器顯示處理器核的當(dāng)前負(fù)載，以及實(shí)時(shí)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)模型的相關(guān)信息。

試驗(yàn)平臺(tái)硬件布局
組合式HIL試驗(yàn)臺(tái)的所有組件和接線完全集成在一個(gè)19英寸機(jī)架上。除了驗(yàn)證ECU軟件之外，我們還可以使用試驗(yàn)臺(tái)布局來(lái)測(cè)試小批量模塊系列，例如帶ECU的托架等。由于我們可以將車輛接線束直接與試驗(yàn)臺(tái)相連接，所以這也被證明可行。

實(shí)時(shí)模型
要求
隨著控制器功能越來(lái)越復(fù)雜，人們對(duì)于實(shí)時(shí)設(shè)備模型在能力和細(xì)節(jié)建模程度方面的要求也越來(lái)越高。特別地，現(xiàn)代車輛中的激勵(lì)器運(yùn)行時(shí)除了僅僅開(kāi)與關(guān)之外，還越來(lái)越受到制約。為此，我們選用ITI SimulationX。

測(cè)試系統(tǒng)的ECU與模型相互作用

在本項(xiàng)目中，我們利用SimulationX對(duì)所有與車輛控制器交互的物理元件進(jìn)行了建模，主要包括以下幾個(gè)方面：

發(fā)動(dòng)機(jī)
帶扭矩變換器的減速箱和兩級(jí)可換檔變速箱
傳動(dòng)系統(tǒng)，配備可鎖定和自解鎖差速器、四輪驅(qū)動(dòng)，在連接ABS和轉(zhuǎn)向傳感器的情況下轉(zhuǎn)彎時(shí)所用的車輪調(diào)速轉(zhuǎn)向模型
制動(dòng)和ABS系統(tǒng)
輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)
確保實(shí)時(shí)性能
與專為實(shí)時(shí)能力設(shè)計(jì)的預(yù)配置黑盒子解決方案相比，為具體任務(wù)定制或者從其他實(shí)時(shí)模型得出的物理模型一般不能執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)。它們的實(shí)時(shí)性能由建模人員在開(kāi)發(fā)模型時(shí)保證。

模型的實(shí)時(shí)能力通過(guò)兩種主要機(jī)制實(shí)現(xiàn)。一方面，采用獨(dú)一無(wú)二的、徹底符號(hào)式的預(yù)處理。在代碼生成期間，SimulationX對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型的物理和數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行自動(dòng)預(yù)處理。通過(guò)解答并代入方程式，簡(jiǎn)化在一次計(jì)算中多次出現(xiàn)的表達(dá)式，以及完全除去不影響指定接口信號(hào)的數(shù)量的計(jì)算（例如內(nèi)部結(jié)果變量），來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)。所有這些都不需要用戶參與；通過(guò)與其他代碼優(yōu)化措施配合，可獲得非常高效的實(shí)時(shí)代碼。另一方面，若干分析方法例如固有頻率和振動(dòng)模式，以及能源分布和性能分析等，在模型-性能優(yōu)化過(guò)程中為用戶提供輔助，從而滿足所有計(jì)算時(shí)間要求。

一般來(lái)說(shuō)，為此項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的SimulationX模型具有卓越的性能。例如，在一個(gè)處理器核上，即使模型實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較高的采樣速率，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)模型也只需要20%的計(jì)算能力。

傳動(dòng)系統(tǒng)模型范例
傳動(dòng)系統(tǒng)中的組件模型按照相關(guān)ECU的I/O要求，以不同的細(xì)節(jié)程度實(shí)現(xiàn)。從發(fā)動(dòng)機(jī)的角度，基于地圖的模型足以精確地描述發(fā)動(dòng)機(jī)的行為。然而，噴油系統(tǒng)執(zhí)行器要求提供從控制輸入到位置傳感器以及參數(shù)化的精確設(shè)備建模。

在本項(xiàng)目中，我們用實(shí)際噴油控制系統(tǒng)驗(yàn)證了此模型部分。對(duì)齒輪箱和扭矩變換器進(jìn)行了物理建模，其中包含離合器和制動(dòng)器模型，這些模型摩擦特性實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。這使得齒輪更換，和換檔期間的過(guò)渡行為，例如速度梯度和齒輪更換時(shí)間等建模都成為可能。這個(gè)步驟很有意義，因?yàn)閼{借不同的制動(dòng)器和離合器扭矩，齒輪箱執(zhí)行器不僅可以以開(kāi)/關(guān)方式，而且以中間步驟方式運(yùn)行。，剩余傳動(dòng)系統(tǒng)模型包括了傳動(dòng)軸的彈性，因此它可以進(jìn)行典型的傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。根據(jù)轉(zhuǎn)向角度不同，每個(gè)車輪的曲線半徑均不同，因此在轉(zhuǎn)彎期間，傳感器能夠探測(cè)到各個(gè)車輪速度。

除了控制器輸出信號(hào)之外，傳動(dòng)系統(tǒng)模型還處理制動(dòng)系統(tǒng)模型所提供的制動(dòng)扭矩，并將其運(yùn)用到車輪上。傳動(dòng)系統(tǒng)的速度傳感器輸出為各個(gè)ECU提供支持，但由于它們的信號(hào)頻率過(guò)高，很難由實(shí)時(shí)模型生成，而改由FPGA產(chǎn)生。模型只能提供通過(guò)傳感器的輪齒的脈沖頻率

所示模型在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)處理器內(nèi)核上運(yùn)行，周期為0.1 ms。因此，模型所占的處理器內(nèi)核計(jì)算資源不到20%。

試驗(yàn)自動(dòng)化
為了充分利用HIL試驗(yàn)評(píng)臺(tái)，我們需要一個(gè)靈活的的試驗(yàn)自動(dòng)化環(huán)境。由于KMW 內(nèi)部開(kāi)發(fā)需要多種回歸試驗(yàn)，出于質(zhì)量和成本原因，自動(dòng)化試驗(yàn)是必不可少的。

對(duì)于此應(yīng)用，我們使用TraceTronic ECU-TEST的試驗(yàn)自動(dòng)化環(huán)境。此工具用來(lái)指定、實(shí)施、執(zhí)行和記錄試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)在相關(guān)試驗(yàn)環(huán)境中改變不同開(kāi)發(fā)階段的信號(hào)映射，試驗(yàn)案例的可重用性節(jié)約了用戶的寶貴時(shí)間，試驗(yàn)采用可視化設(shè)計(jì)，無(wú)需編輯源代碼。

ECU-TEST中實(shí)現(xiàn)的回歸試驗(yàn)涵蓋了所需驗(yàn)證水平的整個(gè)帶寬，范圍從模擬ECU輸入和觀察CAN上的相關(guān)響應(yīng)等低水平試驗(yàn)，到故障管理和故障確認(rèn)等相互作用及復(fù)雜功能的試驗(yàn)。這有助于將試驗(yàn)工作量降至先前工作量的15%，試驗(yàn)深度明顯提升。

益處
生產(chǎn)先進(jìn)、高度保護(hù)、相對(duì)輕質(zhì)，并且具有多種新功能的多用途車輛只復(fù)雜的聯(lián)網(wǎng)ECU來(lái)生產(chǎn)。車輛制造商負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)，包含車輛、內(nèi)部開(kāi)發(fā)ECU，以及從外部供應(yīng)商處獲得的ECU。為了很好的完成任務(wù)，制造商會(huì)對(duì)所有的ECU進(jìn)行集成和聯(lián)合試驗(yàn)，確保它們能夠一開(kāi)始就正確地安裝到車輛上。

新型的HIL試驗(yàn)平臺(tái)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)硬件與軟件組件的獨(dú)特組合。因此，客戶可得到由HIL試驗(yàn)平臺(tái)、定制實(shí)時(shí)模型和高度自動(dòng)化試驗(yàn)環(huán)境所組成的定價(jià)優(yōu)化、高度可擴(kuò)展驗(yàn)證框架。此組合有助于制造商以高性價(jià)比的優(yōu)化方式，集成不同的車輛ECU。由此客戶也能夠充分利用可擴(kuò)展性和I/O靈活性的優(yōu)勢(shì)。憑借環(huán)路中的實(shí)時(shí)模型，AMPV的ECU網(wǎng)絡(luò)能夠快速驗(yàn)證，并提供優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的集成方法。在本項(xiàng)目中，與非HIL試驗(yàn)方法相比，此試驗(yàn)工作量減少了85%，同時(shí)試驗(yàn)深度明顯提升。

結(jié)果
使用NI實(shí)時(shí)硬件和NI VeriStand軟件，我們卓有成效地完成模型開(kāi)發(fā)和HIL試驗(yàn)臺(tái)集成。我們利用模型、試驗(yàn)臺(tái)軟件和硬件之間界限清晰的接口，并行執(zhí)行所有三個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)活動(dòng)。NI VeriStand的簡(jiǎn)短學(xué)習(xí)曲線幫助我們快速建立與運(yùn)行HIL試驗(yàn)系統(tǒng)?？蓴U(kuò)展環(huán)境確保我們能夠擴(kuò)展HIL試驗(yàn)系統(tǒng)，以滿足將來(lái)的需要。NI VeriStand的重新配置非常簡(jiǎn)便，這樣當(dāng)試驗(yàn)要求發(fā)生變化，例如，當(dāng)信號(hào)和模型需要重新定線以進(jìn)行調(diào)試時(shí)，可以更改配置。NI VeriStand與實(shí)時(shí)及FPGA硬件的固有集成使試驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足所需的定時(shí)要求，并能在將來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)擴(kuò)展。