Construcción de un sistema de prueba HIL para la simulación y pruebas de vehículo

Sanjay Mane, TATA Motors

"Utilizando hardware y software fácilmente expandible, creamos un sistema de pruebas HIL de sobremesa actualizable en el futuro."

- Sanjay Mane, TATA Motors

El Reto:

Desarrollar una plataforma HIL (hardware-in-the-loop) escalable, flexible y universal para validar la integración de múltiples unidades de control electrónico (ECU) de un vehículo híbrido.

La Solución:

Utilizar la escalabilidad de la plataforma PXI y la funcionalidad “listo para usar” del software NI VeriStand para construir un sistema de prueba que podría probar seis ECUs de vehículos interconectadas entre sí en tan sólo dos meses.

Acerca de Tata Motors

TATA Motors es la mayor compañía de automóviles de la India. Es líder en vehículos comerciales de cada segmento y está situada dentro de las primeras en vehículos de pasajeros, habiendo recibido premios en los segmentos de vehículos compactos, medianos y de servicios públicos. También es la quinta más grande del mundo en la fabricación de camiones y la cuarta mayor en el caso de autobuses.

 

Como parte del equipo de integración avanzada de TATA Motors, nuestra responsabilidad es validar la integración de los principales componentes electrónicos de un vehículo, tales como las unidades de control electrónico (ECU) y los cuadros de instrumentos. Esta responsabilidad incluye también responder y resolver los fallos en campo denunciados y proporcionar retroalimentación a los equipos humanos respectivos. En una perspectiva más amplia, el Equipo de Integración Avanzada sirve como un puente entre la fase de diseño del desarrollo del vehículo y el despliegue final del vehículo.

 

Especificaciones de la aplicación

El objetivo de nuestro proyecto era construir una configuración de prueba universal que pudiera ser fácilmente personalizada para probar cualquier ECU con el mínimo esfuerzo. El sistema también necesitaba ser escalable para satisfacer múltiples ECUs simultáneamente y lo suficientemente flexible como para interactuar con diferentes centralitas en alguna ocasión.

 

En el caso de uno de los siguientes vehículos híbridos, decidimos integrar toda la ECU y los componentes electrónicos en un entorno de laboratorio y validar la integración mediante una prueba de HIL (Hardware-In-the-Loop). Queríamos atender a todos los escenarios probables y corregir los problemas antes de montar el primer prototipo físico. Los resultados de la prueba de integración podrían ayudar significativamente en la selección del software de la ECU y en la evaluación de las opciones de múltiples proveedores con múltiples funcionalidades.

 

Cuando inicialmente conceptualizamos el diseño del vehículo, se aislaron cuatro principales componentes de la ECU y diseñamos el plan de pruebas según las necesidades. En ese momento, nos decidimos por un sistema no-NI HIL para satisfacer nuestras necesidades de prueba. Después adquirimos ese sistema. Durante el mismo período, estuvimos usando un sistema PXI de NI para realizar las pruebas HIL de una ECU particular de un vehículo diferente, y nos gustó mucho la modularidad de la tecnología PXI. Se consideraron las ventajas de la plataforma PXI y se invirtió en un sistema PXI de tiempo real de NI que se podría utilizar para nuestras futuras necesidades.

 

A medida que el diseño de los vehículos evolucionó durante los siguientes meses, el número de ECUs grandes aumentó de cuatro a seis. Estábamos escasos de canales en el sistema no-NI HIL, que había sido creado a medida para nuestro requisito inicial de cuatro ECUS. En ese momento, migramos al sistema NI PXI de tiempo real y empezamos a trabajar con el software NI VeriStand.

 

Hemos añadido un par de módulos para satisfacer nuestras necesidades de canales. Al pasar algún tiempo con NI VeriStand, hemos sido capaces de crear el software de prueba de seis ECUs en menos de dos meses.

 

 

 

Arquitectura del sistema 

Múltiples modelos de planta se ejecutaban simultáneamente dentro del motor de NI VeriStand, comunicándose con las respectivas ECUs a través de las E/S físicas de una red CAN (Controller Area Network). A su vez, las ECUs comunicaban entre sí a través de una red CAN compartida. Integramos algunos componentes físicos en la instalación, incluyendo la válvula de escape de recirculación de gases, los motores y las cargas eléctricas.

 

En la mayoría de los casos, el modelo de E/S se mapeó a las E/S del hardware. Sin embargo, ciertas señales no estándar, tales como la leva y el cigüeñal, requieren procesamiento en el propio hardware. Se utilizó el módulo NI LabVIEW FPGA y la tecnología de E/S reconfigurables (RIO) de NI para integrar la captura de datos de alta velocidad y el procesamiento de señal para estas señales en NI VeriStand, lo cual nos ofreció una enorme flexibilidad.

 

 

 

Durante la prueba, hemos simulado las condiciones del control y monitorizado la red CAN para ver las tramas de error y el diagnóstico de mensajes procedentes de diferentes ECUs. Estas tramas sirvieron como un indicador de la calidad de la integración y ayudaron a identificar los fallos potenciales. También aislamos los problemas del firmware de las ECUS. Enviamos información de estas pruebas al equipo humano de diseño y, en algunos casos, a los proveedores de los componentes.

 

 

Ventajas principales

El sistema de pruebas HIL basado en los productos de NI ayudó a hacer frente a las preocupaciones que tuvimos con nuestra configuración anterior y también mejoró la productividad de muchas maneras. Algunos de las principales ventajas son:

 

  • Escalabilidad: Necesitábamos sistemas de prueba escalables para los proyectos asignados a nuestro equipo humano y PXI nos ayudó a lograrlo. Los requisitos del número de canales del sistema podrían aumentar con el paso del tiempo, por lo que una solución hecha a la medida era un obstáculo. La capacidad de añadir fácilmente módulos a un chasis PXI hizo que el proceso de actualización fuese bastante simple, y pudimos asegurar el futuro de nuestro sistema en gran medida.
  • Flexibilidad: Queríamos crear un sistema que pudiésemos reutilizar para probar en el futuro las ECUs de otros modelos de vehículos. Nuestro sistema de prueba incluyó módulos de hardware genéricos y software adaptable para conseguir flexibilidad. Ahora podemos utilizar la misma configuración para un conjunto diferente de ECUs con sólo dos cambios: creando un nuevo proyecto de NI VeriStand con nuevos modelos de planta y recableando las conexiones físicas en el nuevo conjunto de ECUs.
  • Productividad: Hubo momentos en que no teníamos la ECU física para la prueba. En esos casos, pudimos utilizar en su lugar el modelo de simulación de ECUs y mapear el modelo de planta. La facilidad de mapeo de las E/S del hardware con las E/S del modelo y los parámetros incrementó considerablemente la productividad. Trabajé yo solo en el proyecto de NI VeriStand y fui capaz de crear el software en menos de un mes.
  • Calidad del hardware: En comparación con nuestro sistema alternativo, el hardware PXI fue superior en términos de calidad y fiabilidad. Además, la opción de programar las FPGAs nos ayudó a lograr respuestas casi perfectas del sistema.

 

 

 

¿Por qué elegir la plataforma HIL de NI?

Gracias al hardware modular de NI y el software ampliable, creamos una prueba fiable y actualizable en el futuro y un sistema de pruebas HIL adaptable. La capacidad de personalizar el sistema por nuestra cuenta nos hizo confiar en los resultados de las pruebas y el soporte continuo de NI ayudó a alcanzar nuestros objetivos más rápido.

 

 

Información del Autor:

Sanjay Mane
TATA Motors

Figura 1. Arquitectura del sistema en general
Figura 2. Sistema de interfaz de usuario
Figura 3. Configuración del sistema HIL