Los sistemas de pruebas HIL como tecnología clave para la validación de ADAS

​Movilidad de la próxima generación de ZF

​ZF, uno de los proveedores de automoción más grandes del mundo, apuesta por la "visión cero", que tiene como objetivo eliminar los accidentes de tráfico mortales y las emisiones contaminantes. Un de los principales enfoques para alcanzar este objetivo es hacer que la conducción sea más segura, más eficiente y más cómoda.

​La estrategia futura de ZF se enfoca fuertemente en dar forma a la "movilidad de la próxima generación", describiendo soluciones de movilidad viables que son eléctricas, inteligentes, conectadas, sostenibles, seguras, autónomas y asequibles.

^{Figura 1: Movilidad de la próxima generación de ZF Foto cortesía del ZF Group.}

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ZF tiene una posición sólida en el mercado con su experiencia y portafolio de productos que permite que los vehículos vean, piensen y actúen. La máxima "Ver - Pensar - Actuar" resume de manera concisa el tema principal de la compañía. Por ejemplo, ZF puede interconectar sistemas de cámaras y sensores, como radar o lidar, para proporcionar una vista panorámica de 360 grados (ver). Además, ZF desarrolla, produce y conecta los centros de conmutación del vehículo, utilizando una red de unidades de control electrónico o plataformas de cómputo centrales de alto rendimiento (Think). Y, naturalmente, la compañía puede conectar sistemas mecatrónicos en el drive, el chasis o el sistema de dirección para crear funciones de conducción modernas (Act). Esto hace que los vehículos no solo sean más seguros, sino que también mejora su eficiencia.

Desarrollo del sistema de pruebas en ZF Mobility Solutions

​ZF Mobility Solutions (ZMS) es una subsidiaria al 100% de ZF Group con sede en Ingolstadt, Alemania. La misión de esta parte de la compañía es proporcionar movilidad limpia, eficiente, cómoda y asequible mediante el desarrollo y la implementación de sistemas de transporte autónomos.

​La visión del departamento de desarrollo de sistemas de pruebas de ZMS es desarrollar sistemas de pruebas innovadores y de alta calidad de acuerdo a las complejas demandas específicas de verificación y validación de ADAS y AD.

​La misión es construir prototipos para sistemas de pruebas basados en HIL para ZF Group con hardware, software y procesos listos para usar en proyectos de desarrollo en serie.

​Desafíos de validación de ADAS

^{Figura 2: ZF ADAS. Foto cortesía del ZF Group.}

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ADAS requiere una validación intensiva en varias etapas de desarrollo. Las pruebas deben incluir escenarios del mundo real para funciones complejas y que están muy interconectadas. ¿Qué tan seguro debe ser ADAS antes de que se permita en la carretera para el uso del consumidor? Las pruebas de automóviles reales requieren mucho tiempo, son costosas y, a veces, solo brindan un valor informativo limitado, especialmente en términos de reproducibilidad de las pruebas. Si bien sigue siendo necesario, existe una necesidad urgente por cambiar de "una cantidad de millas conducidas" a "la calidad de las millas que deben probarse en la carretera" incluyendo otras metodologías de pruebas en el proceso de validación.

​Más que nunca, una estrategia de validación bien elaborada es un pilar importante para cumplir con las normas y regulaciones de última generación, como la norma ISO-26262 o Automotive SPICE (ASPICE).

​El uso de tecnologías de realidad virtual (VR) en el desarrollo es una de las principales tendencias; permite probar el sistema en etapas iniciales en condiciones realistas. Los sistemas de pruebas basados en HIL para la reproducción de datos de ciclo abierto y las simulaciones de ciclo cerrado son particularmente adecuados para la validación de las funciones de ADAS en el hardware de destino y la determinación de indicadores clave de rendimiento (KPI) funcionales y no funcionales.

​Los requisitos y la combinación de diferentes metodologías de pruebas son esenciales para brindar seguridad al conductor y al pasajero, para que los vehículos autónomos se conviertan en una realidad. Las soluciones de NI permiten que los sistemas de pruebas se construyan para contribuir con una estrategia de pruebas integral que consiste en pruebas tanto del mundo real como basadas en la realidad virtual.

​Requisitos para el sistema de pruebas HIL de radar

​ADAS impone una gran exigencia en el desarrollo de sistemas de pruebas, ya que el enfoque y la necesidad de estos sistemas ya no solo es alta potencia de cómputo, sino más que nunca en la escalabilidad, la flexibilidad y los aspectos de la operación de un sistema altamente interconectado.. El sistema bajo prueba (SUT) es un sensor de radar calificado para automóviles de ZF para aplicaciones típicas de ADAS, como control de crucero adaptativo, prevención de colisiones y sistemas de seguridad previos a la colisión o funciones de copiloto. A medida que aumenta la complejidad del SUT, es inevitable pensar en plataformas al desarrollar nuevos sistemas de pruebas.  

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​Los aspectos clave de tales sistemas de pruebas son:

• ​Modularidad: Plug and play de componentes básicos del sistema HIL y componentes complementarios
• ​Escalabilidad: Desde la validación de una sola ECU de ADAS hasta la reproducción de datos del sensor AD de 360° de alto rendimiento y la simulación de realidad virtual de ciclo cerrado
• ​Fiabilidad: Operación de granja HIL en serie 24/7 que cumple con los requisitos de disponibilidad más altos
• ​Compatibilidad: Integración de nuevos sistemas de pruebas HIL en ecosistemas existentes con respecto a la infraestructura de TI del grupo, herramientas y procesos existentes
• ​Fácil funcionamiento: Configuraciones de granja HIL para una amplia variedad de validaciones en serie con acceso remoto, operación y mantenimiento y diagnóstico

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​Para la validación de ciclo abierto de las ECUs de ADAS con grabaciones reales de los campos de pruebas y las flotas de pruebas, la reinyección de datos debe habilitarse con altas velocidades de datos a través de complejas interfaces de comunicación con una demanda de temporización y sincronización altamente precisas. Además de los datos de radar registrados, las señales de comunicación del bus de descanso del vehículo deben procesarse nuevamente en paralelo, como las señales de velocidad del vehículo, las velocidades u otros datos de estado. Para la reinyección de datos de radar, el sistema de pruebas HIL debe proporcionar las interfaces adecuadas y un control robusto y preciso de la reinyección con alta velocidad de datos de E/S y comunicación de banda lateral. Otro aspecto clave de la plataforma de software y las interfaces del sistema de pruebas HIL es el requisito de automatización completa de las pruebas HIL, la implementación remota del software y la operación HIL en las operaciones de la granja de pruebas HIL 24/7.

​Enfoque

​Los principales factores que hicieron que ZMS eligiera a NI fueron los sistemas de cómputo en tiempo real de alto rendimiento junto con capacidades de sincronización y temporización de alta precisión. La plataforma PXI también era atractiva, con su amplia variedad de tarjetas y módulos de interfaz, como un sistema de bus automotriz actualizado y tarjetas de E/S analógicas y digitales.

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​La plataforma de software abierta de NI también permite generar software modular y específico de la aplicación en el desarrollo de sistemas HIL, especialmente con respecto al desarrollo de software en tiempo real con LabVIEW y los aspectos de operación del sistema cubiertos por el software SystemLink™.

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​La plataforma PXI soporta la modularidad para cambiar el trabajo de un proyecto ADAS a otro sin reinventar la rueda. Esto se logra configurando nuevos parámetros para cada caso de prueba y confiando en la base existente de un sistema central que se puede reutilizar para probar ECUs potentes para sistemas ADAS y AD ahorrando tiempo. Y también aporta escalabilidad, ya que hoy en día se pueden probar ECUs con cinco a diez conexiones de bus e interfaces de datos; las pruebas del mañana se pueden escalar hasta 30 interfaces o más.

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​El desarrollo completo del simulador HIL incluyó el diseño mecánico y eléctrico del equipo HIL, incorporando todos los aspectos del trabajo y la seguridad del producto.

La configuración del sistema PXI fue la siguiente:

• ​Chasis PXIe-1082
• ​PXIe-8840 Intel i7 de quad core, 8 GB de RAM, disco duro de 320 GB 
• ​Módulo de temporización y sincronización PXI-6683
• ​2 interfaces de bus PXI-8512 CAN-FD

​Componentes adicionales del sistema HIL:

• ​PC de control HIL de 19 pulgadas con sistema operativo Ubuntu
• ​Fuente de alimentación para 12 V DC
• ​Entrada de energía de 16 amperios
• Dispositivo de reinyección MIPI/CSI-2 y SPI externo

^{Figura 3: Sistema de simulación HIL en tiempo real}

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La arquitectura del software para la operación HIL en tiempo real y la transferencia de datos para reinyección consta de:

• ​Nodos ROS (C++) para procesamiento de datos de radar registrados
• ​Componentes de LabVIEW para operación HIL en tiempo real, comunicación de bus y sincronización
• ​Scripts y componentes de software adicionales para permitir el control y la operación remotos, y para conectarse a los servidores SystemLink

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​Gracias a las respectivas habilidades de ZMS y dentro de ZF Group, NI contribuyó en el establecimiento de procesos y mantenimiento del software. Esto ayudó a construir una biblioteca de software HIL potente y modular, que sirve como base para futuros proyectos de HIL y creó un camino para convertirse en un Centro de Excelencia de NI en 2022.

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​El desarrollo de software en ZMS se basó en los procesos existentes para el desarrollo de software ágil basado en Scrum y para la integración continua y la implementación continua (CI/CD), que se muestra en la siguiente figura.

^{Figura 4: Proceso de desarrollo de software}

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La siguiente figura proporciona una descripción general de los flujos de datos y las dependencias de comunicación en la configuración del sistema de pruebas HIL.

^{Figura 5: Proceso de desarrollo de software}

Resultados

​Con el prototipo del sistema HIL siendo se desarrolló y replicó en varios sistemas HIL operados en una granja HIL, la validación del sistema de radar se realizó en un número significativo de ciclos de prueba de software de radar en ejecuciones HIL completamente automatizadas. Esto condujo a una mayor flexibilidad en las pruebas sobre la marcha de las nuevas versiones del software en la plataforma de la ECU de destino, así como una alta cobertura de prueba.

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​Durante el desarrollo del sistema de radar, se re-procesaron en la granja HIL los datos equivalentes a más de 600 días de operaciones de prueba en tierra.

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​en la siguiente figura se muestra la integración de los diversos sistemas de pruebas HIL como una granja HIL en el proceso de desarrollo y validación del sistema.

^{​Figura 6: Proceso de validación y desarrollo del sistema}

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Las capacidades de SystemLink para la implementación remota del software HIL en tiempo real, la operación y el mantenimiento del sistema brindaron un beneficio adicional al pasar del desarrollo de prototipos HIL a una granja HIL 24/7. Las soluciones de NI ayudan a ZF a ahorrar tiempo y escalar. Esto significa que los programas de pruebas de ZF pueden seguir el ritmo de su propio calendario de innovación.

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​Uno de los logros notables del proyecto de desarrollo del radar HIL fue la certificación del departamento de desarrollo del sistema de pruebas en ZMS como un "Centro de Excelencia de NI". El equipo estaba demostrando excelencia en ingeniería y procesos de desarrollo de software que ahorran tiempo, diseño y arquitectura de software escalables y extensibles, así como capacitación, tutoría y aprendizaje consistentes.  

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​Nuestra colaboración estratégica también nos permitirá llevar al mercado sistemas ADAS y AD seguros y confiables.  

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Impacto del equipo ZF:

​"Estoy rodeado de un gran equipo, muy motivado, expertos en su campo y totalmente comprometidos con nuestros proyectos y la estrategia de ZF. Junto con nuestros partners estratégicos como NI, hacemos realidad nuestras ideas con éxito."  

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​Dr. Thomas Herpel, gerente sénior del sistema de pruebas, responsable de establecer las condiciones para que el equipo pueda hacer su mejor trabajo y llevar la estrategia de ZF al mercado hoy y mañana.

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​"Necesitamos procesos bien definidos para el desarrollo de LabVIEW y debemos ser precisos sobre lo que estamos haciendo, mientras automatizamos tanto como sea posible. Convertirnos en un centro de excelencia nos permitió acelerar las pruebas e impactó nuestro trabajo diario al permitirnos ahorrar tiempo, ser más eficientes y mejorar el software. Estoy orgulloso de la gran colaboración. "  

​Oleg Scherling, desarrollador de arquitectura de HIL LabVIEW y motivador de ZMS para convertirse en el Centro de Excelencia de NI  

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​"Nuestro equipo, formado por expertos en radar y HIL de ZF y nuestro socio tecnológico ZMS, pudieron desarrollar un HIL de radar junto con NI, que encaja perfectamente en las cadenas de herramientas de validación de ZF altamente automatizadas para acelerar aún más nuestros procesos de pruebas y desarrollo". 
 

​Michael Vogt, supervisor de ingeniería para el departamento de validación de ADAS de ZF, responsable del desarrollo de HIL en ZF ADAS

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​"Junto con nuestros colegas de ZMS, pudimos desarrollar con éxito un sistema HIL que cumple con nuestros requisitos utilizando componentes de NI. El sistema HIL sirve como un pilar importante en la estrategia de validación de los sensores de radar ".

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​Philipp Strempel, ingeniero en el departamento de validación de ADAS de ZF y jefe de proyecto responsable del desarrollo de radar HIL