Vehículo Virtual Embebido en el Sistema en Tiempo Real con Visualizador Gráfico de Escenarios de Conducción Avanzado e Interfaz de Parametrización DYNACAR

Miguel Allende Marcos, Tecnalia Research & Innovation

"Tecnalia ha seleccionado NI LabVIEW+Veristand como entorno de desarrollo tanto para el modelo del vehículo como para la implantación en el cliente final, debido a su facilidad de programación e integración con el hardware y sus posibilidades de comunicación con los diferentes protocolos existentes en el mercado"

- Miguel Allende Marcos, Tecnalia Research & Innovation

El Reto:

Desarrollar un modelo dinámico modular (parametrizable) de la dinámica longitudinal y lateral de un vehículo capaz de ejecutarse en tiempo real para ensayos en bancadas dinamométricas o prototipado rápido de sistemas de control vehiculares que disminuya el tiempo de test e incremente la eficiencia en las etapas de desarrollo del producto.

La Solución:

Utilizar NI LabVIEW como entorno de desarrollo para el modelado del vehículo debido a su rapidez de programación y capacidades, así como NI Veristand + Inertia como software integrador de modelos, generador de estímulos e informes. Adicionalmente National Instruments dispone de hardware donde embeber los programas realizados a la vez que una completísima gama de tarjetas de comunicación para interactuar con otros sistemas y cubrir así las demandas del proyecto.

Autor(es):

Miguel Allende Marcos - Tecnalia Research & Innovation
Iñaki Iglesias - Tecnalia Research & Innovation
Adrian Martin - Tecnalia Research & Innovation
Alberto Peña - Tecnalia Research & Innovation

 

Introducción:

Tecnalia tiene una amplia experiencia en el sector de la automoción y se propuso desarrollar una herramienta que permitiese:

  1. Mayor agilidad, eficiencia e integración entre las fases de diseño y prototipado rápido mediante técnicas de simulación: Software, hardware e incluso Human in the loop, HuIL.
  2. Explorar estrategias de control avanzadas para el sistema de propulsión, control y eficiencia de los vehículos.

 

 

Se partió de la idea de generar un “coche virtual” embebido en un sistema de tiempo real que calculase de la forma más fiable posible todos los valores fuerzas, pares, velocidades… que se dan en un coche real durante la conducción. (Figura 1)

 

Para su implementación se decidió dividir el coche en los subsistemas más importantes que lo forman, entre los que podemos citar por ejemplo: drivetrain, powertrain, ruedas, chasis, frenos, sistema de almacenamiento de energía…

 

Esta distribución tiene varias ventajas muy importantes que repercuten en la usabilidad del producto. Una de ellas es que se puede asignar el trabajo de modelización de cada bloque a la persona con más conocimientos en ese subsistema. Otra es que según se va avanzando en la investigación se puede ir actualizando el modelo “por partes” y así seguir evolucionándolo. Además en el caso de tener físicamente alguna de las partes modelizadas y que por lo tanto, no es necesaria su simulación, es muy sencillo desconectarla del modelo global. Por último destacar que así se permite también que el cliente final pueda cambiar los submodelos del modelo principal por los suyos propios.

 

Todo esto derivó en la necesidad de un software de integración con los siguientes requerimientos:

  • Capacidad de integrar los diferentes submodelos para generar el modelo final (DYNACAR) y que generase el código final para descargarlo en el sistema de tiempo real.
  • Que los submodelos pudiesen estar escritos en lenguajes de programación que no necesariamente fuesen NI LabVIEW.
  • Facilidad de intercambio de modelos y de uso del sistema.
  • Capacidad de “conectar/desconectar” los submodelos dependiendo de los componentes físicos de los que dispongamos.
  • Posibilidad de generación de informes, registros.

 

Estas necesidades fueron satisfechas por el software NI Veristand. Gracias a él se han disminuido los tiempos de programación y customización de la herramienta para cada cliente, con lo que se han podido dedicar los esfuerzos al testeo y mejora del modelo. En la figura 2 se puede ver un esquema resumido de cómo se ha implementado el sistema donde se recogen las ideas explicadas anteriormente.

 

Ejemplo de aplicación:

El objetivo del proyecto era actualizar una bancada existente, compuesta por un powertrain completo (motor eléctrico para la tracción unido a las dos ruedas mediante un diferencial y dos ejes de transmisión), con el software DYNACAR que permitiría hacer simulaciones en tiempo real de “Vehicle in the loop” y “Human in the loop”, permitiendo así someter los componentes mecánicos fabricados a valores de esfuerzos y velocidades equivalentes a los que se dan en el coche real y conseguir así ensayos con resultados más fiables sin necesidad de montarlos en un coche con el consiguiente ahorro de tiempo y dinero.

 

En la figura 3 se observa un esquema del proyecto donde se pueden los componentes básicos de la instalación.

  • El EM3 es el motor tractor del sistema.
  • El EM1 y el EM2 son los motores que emulan la fuerza resistente (contacto entre rueda y asfalto) que tiene que vencer el motor tractor en función de los parámetros de conducción y del entorno.

 

Según el esquema de control en la PXI-8110 debería estar instalado un sistema capaz de:

  • Ejecutar el software del modelo del coche (DYNACAR). Tiempo: 1 ms
  • Controlar los tres motores vía comunicación CAN. Tiempo: 5 ms
  • Controlar los tres motores vía comunicación CAN. Tiempo: 5 ms
  • Realizar el control de la lógica auxiliar. Tiempo: 100 ms
  • Gestionar las alarmas. Tiempo: 1 ms las críticas
  • Generar estímulos para los ensayos autónomos. Tiempo: 10 ms
  • Generar informes. Tiempo: Sin requerimiento.

 

Todas estas funciones se realizaron con NI Veristand, pero fueron probadas individualmente para que la integración global diese los requerimientos en tiempo requeridos por parte de la instalación. Este fue uno de los mayores retos a la hora de completar el proyecto, pero se resolvió repartiendo la ejecución entre los recursos disponibles. Así podemos decir que el modelo se ejecuta en 3 de los 4 procesadores, asegurando el tiempo de 1 ms y el otro procesador libre se usa para las demás funciones. De esta forma nos evitamos también interferir en el funcionamiento del modelo principal.

 

Comunicación:

La comunicación con los tres motores vía CANBUS se realizó con la tarjeta PXI-8512/2 que soporta X-NET. Este protocolo ya viene programado por parte de National Instruments, con el consiguiente ahorro de tiempo en el proyecto, y solo hay que generar la tabla de mensajes y los datos a intercambiar por cada uno de ellos.

 

Ensayos:

El sistema tiene la capacidad de realizar un ensayo manual o autónomo.

 

En el primero de ellos el operario puede conducir el coche sobre un escenario virtual previamente cargado y así probar los sistemas bajo dinámicas aleatorias o definidas por él según su forma de conducción. Es una forma de hacer pruebas sobre puntos de operación concretos difícilmente reproducibles bajos las condiciones de conducción autónoma.

 

En el segundo se hace evolucionar el modelo a través de un conductor virtual que sigue un ciclo de velocidad-tiempo y gradiente-tiempo.

 

Parametrización:

Adicionalmente al proyecto se suministró un interface gráfico para el usuario (GUI) (ver figura 4) realizado íntegramente en LabVIEW 2011 para poder configurar el modelo en función de las necesidades del test a realizar. Incluye hasta 150 parámetros modificables de forma que se puede emular desde un vehículo de clase “A” hasta un autobús. También se pueden preparar los escenarios de conducción y los ciclos de conducción autónoma.

 

Conclusión:

Tecnalia ha seleccionado NI LabVIEW+Veristand como entorno de desarrollo de DYNACAR tanto para el modelo del vehículo como para la implantación en el cliente final, debido a su facilidad de programación e integración con el hardware y sus posibilidades de comunicación con los diferentes protocolos existentes en el mercado. Además al usar NI Veristand el usuario puede añadir controles, indicadores, gráficas, registros en tiempo real sin necesidad de detener la ejecución del programa en el controlador PXI. La combinación de DYNACAR con las herramientas de NI dan lugar a un sistema “estado del arte” para el desarrollo y validación de componentes y controles de un vehículo.

 

DYNACAR ha sido premiado por la prestigiosa revista Automotive Testing Technology International, a la Innovación en 2011. Figura 5.

 

Autores:

Miguel Allende (miguel.allende@tecnalia.com),
Iñaki iglesias (inaki.iglesias@tecnalia.com), 
Adrian Martin (adrian.martin@tecnalia.com), 
Alberto Peña (alberto.pena@tecnalia.com),

Tecnalia Research & Innovation

 

Información del Autor:

Miguel Allende Marcos
Tecnalia Research & Innovation
Spain
miguel.allende@tecnalia.com

Figure 1: Dynacar technology features a highly configurable animation environment that provides engineers with visualization and human in the loop capabilities.
Figura 1. Esquema de implementación de Dynacar con Veristand
Figura 3. GUI de configuración