ビークル​ダイ​ナミ​クス​を​ベース​に​した​ECU​の​開発/​テスト​向け​の​再​構成​可能​な​HIL​シミュレータ、​NI VeriStand​と​NI TestStand​も​活用

"シミュレータ​の​2​つ​目​の​コンポーネント​は、​NI PXI​リアルタイム​システム​を​ベース​として​構成​しま​した。​NI PXI​に、​CAN、​FlexRay、​デジタル​I/​O、​アナログ​I/​O​など​に​対応​する​CompactRIO​モジュール​を​組み合わせる​こと​で​システム​を​拡張​する​こと​が​でき​ます。" ​

- Dr. Dénes Fodor, University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering

課題:

PXI Express​ハードウェア​と​NI TestStand、​NI VeriStand​の​両​ソフトウェア​を​使用​し​て、​車両​の​運動​力学​モデル​を​リアルタイム​で​実行​できる​計測​機能​付き​の​システム​を​開発​する。​その​システム​では、​自動車​用​の​さまざま​な​通信​プロトコル​と​の​インタフェース​を​設ける​とともに、​ECU​に​容易​に​適応​できる​よう​に​する​ため​に​NI R​シリーズ​マルチ​ファンクション​RIO(再​構成​可能​I/​O)​モジュール​を​使用​する。​NI TestStand​は​処理​の​自動化​に、​NI VeriStand​は​リアルタイム​テスト​アプリケーション​の​実行​に​使用​する。 ​

ソリューション:

PXI Express​ハードウェア​と​NI TestStand、​NI VeriStand​の​両​ソフトウェア​を​使用​し​て、​車両​の​運動​力学​モデル​を​リアルタイム​で​実行​できる​計測​機能​付き​の​システム​を​開発​する。​その​システム​では、​自 動​車​用​の​さまざま​な​通信​プロトコル​と​の​インタフェース​を​設ける​とともに、​ECU​に​容易​に​適応​できる​よう​に​する​ため​に​NI R​シリーズ​マルチ​ファンクション​RIO(再​構成​可能​I/​O)​モジュール​を​使用​する。​NI TestStand​は​処理​の​自動化​に、​NI VeriStand​は​リアルタイム​テスト​アプリケーション​の​実行​に​使用​する。 ​

作成​者:

Dr. Dénes Fodor - University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering
​Krisztián Enisz - University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering, Automotive System Engineering Department

 

最近​の​自動車​では、​安全​性​や​環境​に対する​配慮​が​より​重視​さ​れる​よう​に​な​って​きた​こと​から、​ECU(電子​制御​ユニット)​が​ます​ます​複雑​化​する​傾向​に​あり​ます​1、​2。​この​こと​から、​自動車​業界​では​ECU の​テスト​の​コスト​効率​を​高める​こと​が​1 つ​の​課題​に​な​って​い​ます。​安全​性​に関する​厳しい​要件​を​満たす​ため​に​は、​新しい​ECU​と​新しい​アルゴリズム​を​開発​しな​け​れ​ば​なり​ま​せん。​そうした​新しい​技術​について、​実際​の​自動車​を​使​って​テスト​コース​で​テスト​を​実施​する​の​は​非常​に​重要​な​こと​ですが、​その​方法​だけ​に​頼​って​い​た​の​では​膨大​な​費用​と​時間​が​かかる​こと​も​事実​です。

 

概念​実証​を​行う​に​は、​多種​多様​な​車両​と​ECU 向け​の​新た​な​アルゴリズム​を​開発​し​て​検証​する​ため​の​シミュレーション/ テスト​環境​が​必要​で​した。​私​たち​は、​新規​の​ユーザ​でも​比較的​短期間​の​トレーニング​を​行う​だけ​で​容易​に​ソフトウェア/ ハードウェア​を​再​構成​する​こと​が​できる​ECU 向け​の​HIL(Hardware-​in-​the-​Loop)​テスト​環境​を​構築​した​いと​考え​てい​ま​した。​ここ​では、​ABS(アンチ​ロック​ブレーキ​システム)​用​ECU 向け​に​ハードウェア​と​ソフトウェア​を​組み合わせ​て​実現​した​システム​の​例​を​紹介​し​ます。

 

シミュレーション​環境​の​アーキテクチャ

開発​した​シミュレータ​は​モジュール​式​で​ある​ため、​容易​に​再​構成​する​こと​が​でき​ます​(図​1、​図​2)。​1 つ​目​の​コンポーネント​は​Windows 7 を​搭載​した​標準​的​な​PC です。​この​PC​は、​実際​の​自動車​用​ECU を​使用​する​こと​なく​新しい​アルゴリズム​の​テスト​を​実施​できる​スタンドアロン​の​システム​として​使用​する​こと​が​でき​ます。​システム​の​中核​を​なす​の​は、​車両​の​運動​力学​に​特​化​した​シミュレーション​ソフトウェア​で​ある​veDYNA 3.10.4(TESIS DYNAware 社​製)​です。​この​ソフトウェア​は、​MathWorks 社​の​MATLAB® と​Simulink® を​ベース​にし​てい​ます。​新た​な​手順​を​作成​した​り、​多様​な​車両​モデル​や​道路​面​など​の​環境​の​特徴​を​パラメータ​化​した​り​する​新しい​アルゴリズム​は​Simulink によって​実装​でき​ます。

 

リアルタイム​動作​に​対応​する​ハードウェア​と​の​インタフェース​に​は、 NI VeriStandを​使用​しま​した。​NI VeriStand​は​veDYNE​の​モデル​と​連動​し、​モデル​と​ハードウェア​I/​O を​接続​し​ます。​NI VeriStand の​最も​重要​な​機能​の​1​つ​は、​信号​の​変更​と​上書き​です。​簡単​な​演算​アルゴリズム​や​NI LabVIEWによる​複雑​な​ソフトウェア​モデル​を​使用​し​て​信号​の​変更​を​行い、​モデル​や​デバイス​へ​の​入力​に​備える​こと​が​でき​ます。NI TestStand と​NI VeriStand​は、​新た​な​手順​を​作成​した​り、​多様​な​車両​モデル​を​パラメータ​化​した​り、​実際​の​ABS 用​ECU 上​で​実際​の​テスト​シーケンス​を​実行​する​際​の​環境​特性​の​シミュレーション​に​役​立ち​ます。

 

シミュレータ​の​2​つ​目​の​コンポーネント​は、​モジュール​型​の​I/​O​を​NI PXIリアルタイム​システム​を​ベース​として​構成​しま​した。​NI PXI​に、​CAN、​FlexRay、​デジタル​I/​O、​アナログ​I/​O など​に​対応​するCompactRIOモジュール​を​組み合わせる​こと​で​システム​を​拡張​する​こと​が​でき​ます。​PXI ベース​の​システム​は、​Vector 社​の​MOST や​TTTech Automotive 社​の​FlexRay など、​標準​的​な​PC​で​使用​できる​外部​の​インタフェース​に​接続​でき​ます。

 

3​つ​目​の​コンポーネント​は、​電気​自動車​の​駆動​システム​を​模擬​する​電気​モータ​エミュレータ​です。​これ​により、​電気​モータ​の​制御​に​使用​する​ECU の​テスト​を​実行​でき​ます。

 

ECU の​統合

シミュレーション​システム​を​開発​した​後​の​重要​な​ステップ​は​ECU を​統合​する​こと​で​した​(図​3)。



​まず、​車輪​の​速度​を​計測​する​センサ、​バルブ、​モータ​を​エミュレート​する​ため​に、​小規模​の​電子​回路​を​加​えて​ECU を​拡張​しま​した。​ECU​が​モータ​と​バルブ​を​制御​し、​リアルタイム​システム​は​コンポーネント​の​状態​の​計測​のみ​を​行い​ます。​シミュレータ​は​車輪​の​速度​を​計測​する​センサ​と​デジタル​出力​を​制御​し、​車輪​の​速度​に​応​じ​て​電圧​の​オン/ オフ​を​切り替え​て、​ABS​用​の​適切​な​周波数​パルス​を​生成​し​ます。​私​たち​は、​ブレーキ​の​システム​に​対応​する​Simulink/​veDYNA ベース​の​モデル​を​変更​し、​入力​さ​れる​バルブ​の​状態​を​処理​し​て、​各​車輪​の​バルブ​の​位置​に​応​じ​て​ブレーキ​圧​を​独立​し​て​変更​できる​よう​に​しま​した​(図​4)。

 

圧力​の​変換​アルゴリズム​は、​以下​の​よう​な​式​で​表​さ​れ​ます。

 

 

式​中​の​各項、​変数​の​意味​は、​それぞれ​以下​の​とおり​です。

            n=​現在​の​シミュレーション​ステップ

            p(n)=​車輪​に対して​変更​さ​れ​た​ブレーキ圧

            ptarget(n)=​目標​の​ブレーキ圧

            pdiff(n)=​現在​の​ブレーキ​圧​と​目標​の​ブレーキ​圧​の差

            t(n)=​変更​期間​における​現在​の​時刻

            =​時​定数

 

 

この​アルゴリズム​は​MATLAB と​Simulink に​実装​さ​れ​て​おり、​6 つ​の​サブ​アルゴリズム​を​備え​てい​ます​3。​今回​は、​veDYNA の​モデル​を​変更​する​だけ​で​なく、​NI VeriStand の​プロジェクト​も​新た​に​作成​しま​した。​コンパイル​した​veDYNA の​モデル​は​NI VeriStand でも​使用​できる​ため、​I/​O の​信号​は、​車輪​の​速度​に​対応​する​信号​を​変換​する​こと​によって​PXI ベース​の​システム​の​I/​O に​接続​でき​ます。​シミュレーション​用​の​パラメータ​の​監視/ 変更​用​に、​NI VeriStand 向け​の​ユーザ​インタフェース​も​設計​しま​した​(図​5)。

 

まとめ

リアルタイム​に​対応​した​車両​シミュレータ​の​開発​にあたって​は、​NI PXI、​NI VeriStand、​NI TestStand を​使用​しま​した。​その​シミュレータ​に​は、​理論​的​な​研究​の​結果​を​容易​に​検証​する​ため​の​HIL​シミュレーション​が​組み​込​まれ​てい​ます。​NI TestStand に​は、​シーケンス​の​実行​や​レポート​の​作成​など​を​行う​ため​の​コンポーネント​が​あらかじめ​用意​さ​れ​てい​ます。​そのため、​即座​に​実行​し​て​実際​に​利用​する​こと​が​可能​です。​この​よう​な​テスト​管理​ソフトウェア​を​使用​する​こと​よって、​開発​期間​の​短縮​を​図る​こと​が​でき​ま​した。​また、​この​事例​では、​リアルタイム​OS を​使用​する​こと​が​要件​の​1 つ​で​した。​NI VeriStand は、​リアルタイム​テスト​アプリケーション​の​構築​に​使用​する​NI の​リアルタイム​ハードウェア​上​で​動作​する​よう​に​設計​さ​れ​てい​ます。​そのため、​高い​信頼​性​と​性能​を​得る​こと​が​でき​ま​した。

 

ABS 用​ECU を​ベース​として、​期待​どおり​の​テスト​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ま​した​(図​6、​図​7)。​今後​は、​引き続き​開発​を​進​め、​シミュレーション​について​改良​を​施す​こと​が​必要​に​なり​ます。​また、​ABS 用​モータ​の​状態​を​考慮​し​て​圧力​の​モデル​を​改善​する​必要​も​あり​ます。

 

謝辞

ハンガリー​政府​と​EU( 欧州​連合) による​TAMOP-4.2.1/​B-09/1/​KONV-2010-0003 プロジェクト​の​下​で​の​財政​支援、​ならびに​Continental Teves Veszprem 社​と​NI(ブダペスト)​から​の​技術​サポート​に対して​深​く​感謝​し​ます。

 

参考​資料

1 Rieth, Dr. P. E., S. A. Drumm, and M. Harnishfeger,Electronic Stability Program: The Brake that Steers(電子​安定性​プログラム:​ステアリング​する​ブレーキ), Verlag Moderne Industrie, 2002, 16-26.

 

2 Gustafsson, F., Automotive Safety Systems: Replacing Costly Sensors with Software Algorithms(自動車​の​安全​システム:​高価​な​センサ​を​ソフトウェア​アルゴリズム​に​置き換える), 2009, IEEE Signal Processing Magazine, Volume 26, Issue 4, July 2009.

 

3 Fodor, D., K. Enisz, and P. Toth, Vehicle-​Dynamics-​Based Real ABS ECU Testing on a Real-​Time HIL Simulator(リアルタイム​HIL シミュレータ​による、​ビークル​ダイ​ナミ​クス​を​ベース​と​した​実際​の​ABS 用​ECU の​テスト), Hungarian Journal of Industrial Chemistry, January 2012.

 

MATLAB® と Simulink® は​MathWorks​社​の​登録​商標​です。

 

著者​情報:

Dr. Dénes Fodor
University of Pannonia, Faculty of Engineering, Institute of Mechanical Engineering
​Egyetem u. 10.
​Veszprém 8200
​Hungary
fodor@almos.uni-​pannon.hu

図​1. ​ ​HIL​シミュレーション​環境​の​内部​構成 ​
図​2. ​ ​シミュレーション​環境​の​外観 ​
図​3. ​ ​ABS​用​ECU​と​ハードウェア​の​統合 ​
図​4. ​ ​ABS​用​ECU​の​ソフトウェア​を​veDYNA​に​統合 ​
図​6. ​ ​ABS​用​ECU​が​ない​場合​の​車両​の​速度​〔km/​h〕、​車輪​の​速度​〔km/​h〕、​ブレーキ​圧​〔Pa〕​(115 km/​h​から​急​ブレーキ​を​かけ​た​場合) ​
図​7. ​ ​ABS​用​ECU​が​ある​場合​の​車両​の​速度​〔km/​h〕、​車輪​の​速度​〔km/​h〕、​ブレーキ​圧​〔Pa〕​(115 km/​h​から​急​ブレーキ​を​かけ​た​場合) ​
図​5. ​ ​速度​と​圧力​を​表示​し​て​いる​ユーザ​インタフェース ​