Les systèmes de test HIL, une technologie clé pour la validation des systèmes ADAS

​Mobilité de la prochaine génération de ZF

​ZF, l’un des plus grands équipementiers automobiles au monde, s’est engagée à appliquer la « vision zéro », qui vise à éliminer les accidents de la route mortels et les émissions polluantes. L’une des principales approches pour atteindre cet objectif consiste à rendre la conduite plus sûre, plus efficace et plus confortable.

​La stratégie future de ZF se concentre fortement sur la « mobilité de la prochaine génération », définissant des solutions de mobilité viables, électriques, intelligentes, connectées, durables, sûres, autonomes et abordables.

^{Figure 1 : Mobilité de la prochaine génération de ZF. Photo reproduite avec l’aimable autorisation du groupe ZF.}

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ZF occupe une position solide sur le marché grâce à son expertise et à son portefeuille de produits permettant aux véhicules de voir, de penser et d’agir. La maxime « Voir – Penser – Agir » résume de manière concise le fil conducteur de l’entreprise. Par exemple, ZF peut interconnecter des caméras et des systèmes de capteurs, tels que des radars ou des lidars, pour fournir une vue panoramique à 360 degrés (voir). De plus, ZF développe, produit et connecte les centres de commutation du véhicule à l’aide d’un réseau d’unités de contrôle électronique ou de plates-formes centrales de calcul hautes performances (penser). Naturellement, l’entreprise peut connecter des systèmes mécatroniques dans le système de transmission, le châssis ou le système de direction pour créer des fonctions de conduite modernes (agir). Les véhicules sont ainsi plus sûrs et plus efficaces.

Développement de systèmes de test chez ZF Mobility Solutions

​ZF Mobility Solutions (ZMS) est une filiale à 100 % du groupe ZF dont le siège social est situé à Ingolstadt, en Allemagne. Cette filiale a pour mission d’offrir une mobilité propre, efficace, confortable et abordable en développant et en mettant en œuvre des systèmes de transport autonomes.

​Le département de développement des systèmes de test de ZMS a pour objectif de développer des systèmes de test innovants et de haute qualité adaptés aux exigences spécifiques de vérification et de validation des systèmes ADAS et AD complexes.

​Il a pour mission de construire des prototypes de systèmes de test HIL pour le groupe ZF avec du matériel, des logiciels et des processus prêts à être utilisés dans des projets de développement en série.

​Défis liés à la validation de systèmes ADAS

^{Figure 2 : ZF ADAS. Photo reproduite avec l’aimable autorisation du groupe ZF.}

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Les systèmes ADAS nécessitent une validation intensive à différents stades de leur développement. Les tests doivent inclure des scénarios réels pour des fonctions complexes et largement structurées en réseau. Quel doit être le niveau de sécurité des systèmes ADAS avant qu’ils ne soient autorisés à circuler sur les routes pour être utilisés par les consommateurs ? Les tests en conditions réelles prennent beaucoup de temps, sont coûteux et n’apportent parfois qu’une valeur informative limitée, notamment en termes de reproductibilité. Bien que cela soit encore nécessaire, il est urgent de passer d’une « quantité de kilomètres parcourus » à une « qualité des kilomètres qui doit être testée sur la route » en incluant d’autres méthodologies de tests dans le processus de validation.

​Plus que jamais, une stratégie de validation bien élaborée est un pilier important de la conformité aux normes et réglementations les plus récentes telles que la norme ISO-26262 ou Automotive SPICE (ASPICE).

​Les technologies de réalité virtuelle (RV) sont l’une des principales tendances en matière de développement ; elles permettent de tester le système à des stades précoces dans des conditions réalistes. Les systèmes de test HIL pour la relecture de données en boucle ouverte et les simulations en boucle fermée sont particulièrement adaptés à la validation des fonctions ADAS sur le matériel cible et à la détermination d’indicateurs clés de performances (KPI) fonctionnels et non fonctionnels.

​Les exigences et la combinaison de différentes méthodologies de test sont essentielles pour assurer la sécurité du conducteur et des passagers et, à terme, pour que les véhicules autonomes deviennent une réalité. Les solutions NI permettent de construire des systèmes de test qui contribuent à une stratégie de test complète comprenant à la fois des tests en conditions réelles et des tests basés sur la RV.

​Exigences pour un système de test HIL de radar

​Les systèmes ADAS imposent des exigences élevées en matière de développement de systèmes de test, car ceux-ci ne sont plus seulement axés sur une puissance de calcul élevée, mais plus que jamais sur l’évolutivité, la flexibilité et les aspects liés au fonctionnement en réseau des systèmes. Le système sous test (SUT) est un capteur radar ZF destiné aux applications ADAS typiques telles que le régulateur de vitesse adaptatif, la prévention des collisions et les systèmes de sécurité pré-collision ou les fonctions de copilote. À mesure que la complexité du SUT augmente, il est inévitable de penser aux plates-formes lors du développement de nouveaux systèmes de test.  

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​Les principales caractéristiques de ces systèmes de test sont les suivantes :

• ​Modularité : Plug and play des composants de base du système HIL et des composants complémentaires.
• ​Évolutivité : De la validation d’un seul ECU ADAS à la relecture des données de capteurs AD hautes performances à 360 ° et à la simulation de réalité virtuelle en boucle fermée
• ​Fiabilité : Exploitation d’une ferme HIL en série 24h/24 et 7j/7 répondant aux exigences les plus élevées en matière de disponibilité
• ​Compatibilité : Intégration de nouveaux systèmes de test HIL dans les écosystèmes existants en ce qui concerne l’infrastructure informatique du groupe, les outils et les processus existants
• ​Une opérabilité aisée : Configurations de fermes HIL pour une large gamme de validation en série avec accès à distance, fonctionnement, maintenance et diagnostic

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​Pour la validation en boucle ouverte des ECU ADAS avec des enregistrements réels provenant de bancs d’essai et de parcs de test, la réinjection de données doit être possible avec des débits de données élevés sur des interfaces de communication complexes nécessitant un cadencement et une synchronisation très précis. Outre les données radar enregistrées, les signaux de communication du bus au repos du véhicule doivent être à nouveau traités en parallèle, tels que les signaux de vitesse du véhicule, les vitesses de lacet ou d’autres données d’état. Pour la réinjection de données radar, le système de test HIL doit fournir les interfaces appropriées et un contrôle robuste et précis de la réinjection avec un débit de données d’E/S élevé et une communication en bande latérale. La plate-forme logicielle et les interfaces du système de test HIL présentent un autre aspect essentiel : l’automatisation complète des tests HIL, le déploiement de logiciels à distance et le fonctionnement HIL dans le cadre d’opérations de test HIL 24h/24 et 7j/7.

​Approche

​Les principaux facteurs qui ont incité ZMS à choisir NI étaient les systèmes de calcul en temps réel hautes performances, ainsi que les capacités de cadencement et de synchronisation de haute précision. La plate-forme PXI était également intéressante, avec sa grande variété de cartes et de modules d’interface, tels que les systèmes de bus automobiles les plus récents et les cartes d’E/S analogiques et numériques.

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​La plate-forme logicielle ouverte de NI permet également de générer des logiciels modulaires et spécifiques aux applications dans le cadre du développement de systèmes HIL, notamment en ce qui concerne le développement de logiciels en temps réel avec LabVIEW et les aspects liés au fonctionnement du système couverts par le logiciel SystemLink™.

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​La plate-forme PXI prend en charge la modularité pour passer d’un projet ADAS à un autre sans réinventer la roue. Pour ce faire, elle définit de nouveaux paramètres pour chaque cas de test et s’appuie sur la base existante d’un système central qui peut être réutilisé pour tester de puissantes ECU pour les systèmes ADAS et AD tout en gagnant du temps. L’évolutivité est également au rendez-vous : aujourd’hui, il est possible de tester des ECU comportant cinq à dix connexions de bus et interfaces de données ; demain, les tests pourront être étendus à 30 interfaces ou plus.

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​Le développement complet du simulateur HIL comprenait la conception mécanique et électrique du banc HIL, intégrant tous les aspects de la sécurité du travail et du produit.

La configuration du système PXI était la suivante :

• ​Châssis PXIe-1082
• ​PXIe-8840 Intel i7 quadruple cœur, 8 Go de RAM, disque dur de 320 Go 
• ​Module de cadencement et de synchronisation PXI-6683
• ​2 interfaces de bus CAN-FD PXI-8512

​Composants supplémentaires du système HIL :

• ​PC de contrôle HIL 19 pouces avec système d’exploitation Ubuntu
• ​Alimentation pour 12 V CC
• ​Entrée de courant de 16 ampères
• Matériel de réinjection externe MIPI/CSI-2 et SPI

^{Figure 3 : Système de simulation HIL temps réel}

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L’architecture logicielle pour le fonctionnement en temps réel HIL et le flux de données pour la réinjection comprend :

• ​des nœuds ROS (C++) pour le traitement des données radar enregistrées
• ​des composants LabVIEW pour le fonctionnement en temps réel HIL, la communication par bus et la synchronisation
• ​des scripts et des composants logiciels supplémentaires pour permettre le contrôle et le fonctionnement à distance, et pour se connecter aux serveurs SystemLink

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​Grâce aux compétences respectives de ZMS et du groupe ZF, NI a contribué à la mise en place des processus et de la maintenance des logiciels. Cela a permis de créer une bibliothèque logicielle HIL puissante et modulaire, qui sert de base aux projets HIL et a ouvert la voie pour devenir un centre d’excellence NI en 2022.

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​Le développement logiciel chez ZMS s’est appuyé sur les processus existants de développement de logiciels agiles, basés sur Scrum, et d’intégration et de déploiement continus (CI/CD), illustrés dans la figure suivante.

^{Figure 4 : Processus de développement logiciel}

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La figure suivante donne un aperçu des flux de données et des dépendances de communication dans la configuration du système de test HIL.

^{Figure 5 : Processus de développement logiciel}

Résultats

​Le prototype du système HIL étant développé et reproduit sur plusieurs systèmes HIL exploités dans une ferme HIL, la validation du système radar a été effectuée sur un nombre important de cycles de test de logiciels radar dans le cadre d’exécutions HIL entièrement automatisées. Cela a permis une plus grande flexibilité dans les tests à la volée des nouvelles versions logicielles sur la plate-forme ECU cible, ainsi qu’une couverture élevée des tests.

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​Au cours du développement du système radar, des données équivalant à plus de 600 jours de tests au sol ont été retraitées dans la ferme HIL.

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​L’intégration des différents systèmes de test HIL en tant que ferme HIL dans le processus de développement et de validation du système est illustrée dans la figure suivante.

^{Figure 6 : Processus de développement et de validation du système}

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Les capacités de SystemLink pour le déploiement à distance du logiciel HIL temps réel, le fonctionnement du système et la maintenance ont apporté un avantage supplémentaire lors du passage du développement de prototypes HIL à une ferme HIL 24h/24 et 7j/7. Les solutions de NI permettent à ZF de gagner du temps et d’évoluer. Les programmes de test de ZF peuvent ainsi suivre leur propre calendrier d’innovation.

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​L’une des réalisations remarquables du projet de développement du radar HIL a été la certification du département Test System Development de ZMS en tant que « NI Center of Excellence ». L’équipe a excellé en matière d’ingénierie et de processus de développement de logiciels permettant de gagner du temps, de conception et d’architecture logicielles évolutives et extensibles, ainsi que de formation, de mentorat et d’apprentissage cohérents.  

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​Notre partenariat stratégique nous permettra également de mettre sur le marché des systèmes ADAS et AD sûrs et fiables.  

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Impact de l’équipe ZF :

​« Je suis entouré d’une équipe formidable, très motivée, experte dans son domaine et pleinement engagée dans nos projets et la stratégie de ZF. En collaboration avec nos partenaires stratégiques tels que NI, nous concrétisons nos idées. »  

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​Dr. Thomas Herpel, Senior Manager Test System Development, chargé de définir les conditions permettant à l’équipe de travailler au mieux et de mettre la stratégie ZF sur le marché aujourd’hui et demain

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​« Nous avons besoin de processus bien définis pour le développement LabVIEW et devons être précis sur ce que nous faisons, tout en automatisant autant que possible. Devenir un centre d’excellence nous a permis d’accélérer les tests et a eu un impact sur notre travail quotidien en nous permettant de gagner du temps, d’être plus efficaces et d’améliorer le logiciel. Je suis fier de cette excellente collaboration. »  

​Oleg Scherling, développeur de l’architecture HIL LabVIEW et personne ayant incité ZMS à devenir un centre d’excellence NI  

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​« Notre équipe, composée d’experts en radar et HIL de ZF et de notre partenaire technologique ZMS, a pu développer un radar HIL en collaboration avec NI, qui s’intègre parfaitement dans les chaînes d’outils de validation ZF hautement automatisées existantes pour accélérer davantage nos processus de test et de développement. » 
 

​Michael Vogt, Engineering Supervisor du département de validation ADAS de ZF, responsable du développement HIL dans le système ADAS de ZF

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​« En collaboration avec nos collègues de ZMS, nous avons pu développer un système HIL qui répond à nos exigences en utilisant des composants NI. Le système HIL est un pilier important de la stratégie de validation des capteurs radar. »

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​Philipp Strempel, ingénieur au département de validation ADAS de ZF et chef de projet responsable du développement radar HIL