通过虚拟现实对装甲越野车辆进行仿真和测试

作者:

Andreas Abel - ITI
René Müller - TraceTronic

 

ITI是全球领先的系统仿真软件及工程公司之一。SimulationX标准工具用来评估技术系统中所有组件的相互作用，并支持Modelica语言。ITI与全球分公司、分销商及伙伴共同合作，另外，它也是美国国家仪器联盟伙伴之一。

 

TraceTronic提供创新的解决方案、服务及软件产品，用于开发和验证复杂的嵌入式系统。公司服务范围包括了从电子控制单元（ECU）的软件功能开发和测试，到HIL系统的全程开发。

 

开发多用途车辆的验证框架
 

为给国防部门以及警察和安全部队配备更加先进的移动、模块化和防护技术，Kraus-Maffei Wegmann（KMW）以及其他一些公司接受挑战，开发了新一代装甲多用途车辆（AMPV），它们不仅具有良好的移动性能，同时还提供最高水平的防护。它们使用装甲钢和复合装甲创造出一种自我支持安全元件，为装甲车辆制定了新标准。车辆超越了目前的防护标准，并且重量显著减轻。车辆操纵简单，其内部优化人机界面（HMI），使驾驶员和其他人员能够专注于完成任务，从而进一步提高了防护水平。AMPV的驾驶越容易，人员和设备就越安全。我们与经验丰富的软件及硬件制造商密切合作，为车辆内置系统制订了完善的验证策略。

 

开发组合式HIL试验平台
 

项目从实现HIL试验平台开始。首先，我们分析了客户要求和电子控制器单元（ECU）。分析结果为技术理念与试验平台规格奠定了基础。现有HIL仿真器的市场研究表明：目前尚无关于灵活性、集成度和价格方面满足具体项目要求的标准解决方案，因此我们基于现有和专用组件开发了一个自定义系统。

 

我们选择NI VeriStand作为实时平台。此NI解决方案基于行业标准硬件，从而我们以非常合理的成本实现了高性能系统。另外，我们能够以一种灵活且高性价比的方式，根据不断增长的测试需求扩展系统的计算能力

 

为了快速计算实时模型，我们选择了具有两个2.53 GHz Intel Xeon处理器的标准服务器。两个处理器共有8个内核。目前实时模型所导致的相对较低的负载提供了足够的扩展能力，甚至不需要升级硬件。

 

I/O硬件通过PXI扩展机箱与PC相连。这只占用了一个PCI Express插槽，PXI底板提供了足够数目的插槽用来插入其他I/O板。试验平台使用NI PXI控制器局域网络（CAN）通信板卡以及模拟和数字I/O。对于模拟速度传感器信号等严格时间要求信号，我们增加了一个NI PXI-7831R现场可编程门阵列（FPGA）模块。我们使用NI LabVIEW FPGA软件开发FPGA程序。

 

另外，我们还选用了一个集成有故障模拟的信号调节单元，减少了试验台复杂的接线，并且不会无故降低信号质量。为了满足两种板载电压电平车辆的要求，我们在试验台中集成了两个可控制电源。显示器显示处理器核的当前负载，以及实时系统与实时模型的相关信息。

 

试验平台硬件布局
 

组合式HIL试验台的所有组件和接线完全集成在一个19英寸机架上。除了验证ECU软件之外，我们还可以使用试验台布局来测试小批量模块系列，例如带ECU的托架等。由于我们可以将车辆接线束直接与试验台相连接，所以这也被证明可行。

 

实时模型
 

要求
 

随着控制器功能越来越复杂，人们对于实时设备模型在能力和细节建模程度方面的要求也越来越高。特别地，现代车辆中的激励器运行时除了仅仅开与关之外，还越来越受到制约。为此，我们选用ITI SimulationX。

 

测试系统的ECU与模型相互作用

 

在本项目中，我们利用SimulationX对所有与车辆控制器交互的物理元件进行了建模，主要包括以下几个方面：

 

发动机
 

带扭矩变换器的减速箱和两级可换档变速箱
 

传动系统，配备可锁定和自解锁差速器、四轮驱动，在连接ABS和转向传感器的情况下转弯时所用的车轮调速转向模型
 

制动和ABS系统
 

轮胎压力监控系统
 

确保实时性能
 

与专为实时能力设计的预配置黑盒子解决方案相比，为具体任务定制或者从其他实时模型得出的物理模型一般不能执行实时任务。它们的实时性能由建模人员在开发模型时保证。

 

模型的实时能力通过两种主要机制实现。一方面，采用独一无二的、彻底符号式的预处理。在代码生成期间，SimulationX对整个系统模型的物理和数学方程式进行自动预处理。通过解答并代入方程式，简化在一次计算中多次出现的表达式，以及完全除去不影响指定接口信号的数量的计算（例如内部结果变量），来简化系统。所有这些都不需要用户参与；通过与其他代码优化措施配合，可获得非常高效的实时代码。另一方面，若干分析方法例如固有频率和振动模式，以及能源分布和性能分析等，在模型-性能优化过程中为用户提供辅助，从而满足所有计算时间要求。

 

一般来说，为此项目开发的SimulationX模型具有卓越的性能。例如，在一个处理器核上，即使模型实现了相对较高的采样速率，整个传动系统模型也只需要20%的计算能力。

 

传动系统模型范例
 

传动系统中的组件模型按照相关ECU的I/O要求，以不同的细节程度实现。从发动机的角度，基于地图的模型足以精确地描述发动机的行为。然而，喷油系统执行器要求提供从控制输入到位置传感器以及参数化的精确设备建模。

 

在本项目中，我们用实际喷油控制系统验证了此模型部分。对齿轮箱和扭矩变换器进行了物理建模，其中包含离合器和制动器模型，这些模型摩擦特性实现参数化。这使得齿轮更换，和换档期间的过渡行为，例如速度梯度和齿轮更换时间等建模都成为可能。这个步骤很有意义，因为凭借不同的制动器和离合器扭矩，齿轮箱执行器不仅可以以开/关方式，而且以中间步骤方式运行。，剩余传动系统模型包括了传动轴的弹性，因此它可以进行典型的传动系统振动。根据转向角度不同，每个车轮的曲线半径均不同，因此在转弯期间，传感器能够探测到各个车轮速度。

 

除了控制器输出信号之外，传动系统模型还处理制动系统模型所提供的制动扭矩，并将其运用到车轮上。传动系统的速度传感器输出为各个ECU提供支持，但由于它们的信号频率过高，很难由实时模型生成，而改由FPGA产生。模型只能提供通过传感器的轮齿的脉冲频率

 

所示模型在实时系统的一个处理器内核上运行，周期为0.1 ms。因此，模型所占的处理器内核计算资源不到20%。

 

试验自动化
 

为了充分利用HIL试验评台，我们需要一个灵活的的试验自动化环境。由于KMW 内部开发需要多种回归试验，出于质量和成本原因，自动化试验是必不可少的。

 

对于此应用，我们使用TraceTronic ECU-TEST的试验自动化环境。此工具用来指定、实施、执行和记录试验结果。

 

通过在相关试验环境中改变不同开发阶段的信号映射，试验案例的可重用性节约了用户的宝贵时间，试验采用可视化设计，无需编辑源代码。

 

ECU-TEST中实现的回归试验涵盖了所需验证水平的整个带宽，范围从模拟ECU输入和观察CAN上的相关响应等低水平试验，到故障管理和故障确认等相互作用及复杂功能的试验。这有助于将试验工作量降至先前工作量的15%，试验深度明显提升。

 

益处
 

生产先进、高度保护、相对轻质，并且具有多种新功能的多用途车辆只复杂的联网ECU来生产。车辆制造商负责整个系统，包含车辆、内部开发ECU，以及从外部供应商处获得的ECU。为了很好的完成任务，制造商会对所有的ECU进行集成和联合试验，确保它们能够一开始就正确地安装到车辆上。

 

新型的HIL试验平台是国际标准硬件与软件组件的独特组合。因此，客户可得到由HIL试验平台、定制实时模型和高度自动化试验环境所组成的定价优化、高度可扩展验证框架。此组合有助于制造商以高性价比的优化方式，集成不同的车辆ECU。由此客户也能够充分利用可扩展性和I/O灵活性的优势。凭借环路中的实时模型，AMPV的ECU网络能够快速验证，并提供优化整个系统的集成方法。在本项目中，与非HIL试验方法相比，此试验工作量减少了85%，同时试验深度明显提升。

 

结果
 

使用NI实时硬件和NI VeriStand软件，我们卓有成效地完成模型开发和HIL试验台集成。我们利用模型、试验台软件和硬件之间界限清晰的接口，并行执行所有三个领域的开发活动。NI VeriStand的简短学习曲线帮助我们快速建立与运行HIL试验系统。可扩展环境确保我们能够扩展HIL试验系统，以满足将来的需要。NI VeriStand的重新配置非常简便，这样当试验要求发生变化，例如，当信号和模型需要重新定线以进行调试时，可以更改配置。NI VeriStand与实时及FPGA硬件的固有集成使试验系统能够满足所需的定时要求，并能在将来进行试验扩展。

 

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René Müller

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作者信息:
 

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