PXI​を​活用​した​SUBARU​向け​の​車両​試験​システム、​HIL​シミュレーション​により​実​路​と​同等​の​負荷​を​生成

海口 大輔 氏, 株式会社​SUBARU

"NI​の​PXI​製品​と​LabVIEW​を​採用​した​こと​で、​HIL​システム​の​実装​作業​を​わずか​1​~​2​週間​で​完了​する​こと​が​でき​た。​また、​他社​の​ソリューション​を​採用​する​場合​と​比べ​て、​製品​の​購入​コスト​は​1/3​で​済​ん​だ。​さらに、​ソフトウェア​の​開発​コスト​を​1/6​に​抑える​こと​が​でき​た。"

- 海口 大輔 氏, 株式会社​SUBARU

課題:

自動車​を​開発​する​際​に​は、​テスト​コース​や​公道​を​使用​し​て​走行​試験​を​実施​する。​しかし、​天候​など​に​依存​し​て​路面​の​条件​が​変動​する​こと​から、​実​路​において、​再現性のある試験を安定して実施することが極めて困難だった。​また、​任意​の​路面​条件​を​意図​的​に​作り出す​こと​も​容易​では​ない​ため、​必要な試験を必要なタイミングで実施することが難しかった。

ソリューション:

ダイナモ​メータ​と​HIL​シミュレータ​を​組み合わせる​こと​により、​天候​の​影響​を​受け​ない​室内​で​の​運用​が​可能​で、​実​路​と​同等​の​負荷​条件​を​生成​できる​試験​用​システム​を​構築​した。​ダイナモ​メータ​として​は、​HORIBA​の​製品​を​使用​し、​シミュレータ​ソフトウェア​として​は​バーチャル​メ​カニ​クス​の​「CarSim」​を​採用​した。​そして、​HIL​システム​は、​PXI​製品​と​LabVIEW​を​使用​し​て​構築​した。

作成​者:

海口 大輔 氏 - 株式会社​SUBARU
​阿部 将 氏 - 株式会社​堀場​製作所
​友​安 恭介 氏 - 株式会社​バーチャル​メ​カニ​クス

 

 

背景

周知​の​とおり、​昨今​の​自動車​に​は、​実に​数​万点​に​も​上る​部品​が​使用​さ​れ​て​いる。​それらの​部品​を​組み合わせる​こと​で​構築​さ​れる​の​が、​エンジン​や​ブレーキ、​トランス​ミッション、​モータ​など​の​ユニット​で​ある。​各​ユニット​について​は、​それぞれ​を​ターゲット​と​した​専用​の​装置​を​使用​し​て​ユニット​単体​で​の​試験​が​行​われる。​例えば、​エンジン​について​は​エンジン​ベンチ​(エンジン​の​テスト​用​の​ダイナモ​メータ​システム)​を​使用​し、​トランス​ミッション​について​は​トランス​ミッション​ベンチ​を​使用​する​といった​具合​だ。​また、​ECU(電子​制御​ユニット)​について​は​専用​の​HIL(Hardware-​in-​the-​Loop)​システム​が​使​われる​こと​も​ある。

 

各​ユニット​単体​で​の​試験​が​完了​したら、​いくつか​の​ユニット​を​組み合わせ​た​状態​で​試験​が​行​われる​ことに​なる。​ただ、​昨今​では、​この​種​の​試験​の​難易度​が​段々と​高​ま​って​いる。​従来​は、​多く​の​ECU​を​協調​動作​さ​せ​なく​て​も、​いくつか​の​ユニット​を​組み合わせ​た​試験​を​実施​でき​てい​た。​しかし、​最近​の​自動車​では、​各​ECU​を​密​に​連携​さ​せ​た​協調​制御​によって​走行​が​実現​さ​れる​こと​が​多い。​特に​その​傾向​が​強い​の​が​電動​自動車​だ。​この​よう​な​理由​から、​すべて​の​ユニット​を​組み合わせ​た​完成​車​の​状態​でなければ、​試験​が​成​り​立​た​ない​という​状況​に​なり​つつ​ある。

 

 

課題 

もちろん、​完成​車​の​状態​で​の​試験​も​従来​から​行​われ​てい​た。​その​手法​は、​実際​に​道路​を​走行​し、​性能を確認するというものだった。​開発​初期​の​段階​では​テスト​コース​を​使用​し、​中盤​の​段階​に​差し​掛​か​っ​たら​公道​を​使​って​走行​試験​を​実施​する。​もちろん、​現実​の​道路​(実​路)​では​限​ら​れ​た​こと​しか​でき​ない​の​だが、​ずっと​その​手法​が​使​われ​て​きた。

 

ただし、​この​試験​手法​に​は​いくつか​の​課題​が​あっ​た。​1​つ​は、​テスト​コース​や​公道​に​は、​天候​など​の​影響​が​直接​及ぶ​という​こと​だ。​つまり、​雨​や​風、​雪​など​によって、​路面​の​条件​が​変化​し​て​しまう​ので​ある。​そのため、​同じ​試験​を​行​おう​として​いる​の​に​異なる​結果​が​出​て​しまう​という​こと​が​多々​ある。​つまり​は​再現​性​が​得​ら​れ​ない​という​こと​で​ある。​また、​任意​の​条件​を​意図​的​に​作り出す​こと​が​容易​では​ない​ため、​必要な試験を必要なタイミングで実施することも難しかった。​加​えて、​米国​や​欧州​で​試験​を​実施​しな​け​れ​ば​なら​ない​場合、​往復​に​かかる​時間​や​経費​が​どんどん​か​さん​で​しまう。​繰り返し​試験​を​行​いたい​場合​に​は​滞在​時間​が​長​く​なり、​さらに​時間​と​経費​が​かさむ​ことに​なる。​しかも、​天候​が​日々​変化​する​こと​から、​同じ​条件​の​下​で​試験​を​行う​こと​が​でき​ない。

 

この​よう​な​課題​が​存在​する​こと​から、​SUBARU​では、​実​路​で​の​試験​を、​テスト​ベンチ​を​使用​する​試験​に​置​き​換え​て、​環境​に​依存​する​要素​を​排除​した​いと​考え​てい​た。​また、​繰り返し同じ条件で網羅的に試験が行えるようにもしたかった。​たとえば​「温度​は-30℃​で​勾配​は​30%」​といった​条件​を​任意​に​作り​出​せ​れ​ば​理想​的​だ​と​考え​てい​た。

 

 

ソリューション/ 効果

堀場​製作所​(HORIBA)​は、​主力​の​事業​として、​自動車​用​の​計測​装置​を​数多く​製品​化​し​て​いる。​SUBARU​も、​従来​から​HORIBA​の​エンジン​ベンチ​や​シャー​シ​ベンチ​など​の​試験​装置​を​採用​してき​た。​SUBARU​は、​そうした試験装置をさらに発展させて、​実​路​で​生じる​の​と​同等​の​負荷​条件​を​生成​できる​テスト​ベンチ​を​開発​した​いと​考え​た。​今回​開発​を​目指​し​てい​た​システム​は​かなり​複雑​な​もの​に​なる​ため、​意思​の​疎通​や​技術​的​な​知見​の​相互​提供​を​円滑​に​行える​よう、​SUBARU​と​HORIBA​の​共同​開発​に​近い​かたち​で​プロジェクト​を​実施​した​いと​考え​た。

 

実は、​HORIBA​は、​SUBARU​が必要としているのと同等の機能を提供する試験装置をすでに開発済みだった。​そのシステムは次のようなものだった。​まず、​システム​の​中核​と​なる​の​は​HORIBA​の​駆動​系​システム​で​ある。​これ​は、​ダイナモ​メータ​と、​それ​を​制御​する​ため​の​コントローラ​で​構成​さ​れる。​コントローラ​で​制御​さ​れる​ダイナモ​メータ​により、​各​車軸​に対し​負荷​を​かける​という​もの​で​ある。​HORIBA​が​開発​した​システム​は、​この​駆動​系​システム​を​ベース​と​し、​各​車輪​に​リアルタイム​で​任意​の​負荷​を​かけ​られる​よう​に​した​もの​だ​と​表現​する​こと​が​できる。​テスト​コース​や​公道​を​走行​する​状態​を​模擬​し、​その​際​に​発生​する​の​と​同等​の​負荷​を​車両​に​印加​する​という​こと​で​ある。​これ​を​具現​化​する​ため​に、​HORIBA​が​開発​済み​の​システム​では、​バーチャル​メ​カニ​クス​が​提供​する​車両​運動​シミュレーション​ソフトウェア​「CarSim」​と、​ある​メーカー​の​HIL​システム​製品​を​使用​した。​CarSim​を​使​え​ば、​実​路​を​走行​した​ときの​負荷​を​計算​により​算出​する​こと​が​できる。​HIL​システム​は、​その​計算​結果​を​基​に、​駆動​系​システム​に対して、​どの​よう​な​負荷​を​かけ​れ​ば​よい​の​か​指令​を​発する​役割​を​果たす。​駆動​系​システム​は​リアルタイム​に​計測​値​を​フィードバック​として​HILS​システム​に​送り​出し​HILS 上の​モデル​と​駆動​系​システム​間​で​Close Loop 制御​を​構成​する。​その​結果、​この​HILS​連​成​システム​は、​車両​に​リアルタイム​で​適切​な​負荷​を​印加​する​よう​動作​する​という​仕組み​で​ある。

 

駆動​系​システム​では、​動的​に​条件​が​変化​する​試験​に​対応​する​の​は​容易​では​ない。​道路​を​車​で​走行​する​際​に​は、​スロットル​ワーク​や​ブレーキング​といった​条件​が​リアルタイム​で​変化​する。​また、​カーブ​や​勾配​によって​唐突​に​トル​ク​が​変化​する​といった​こと​が​起​こ​り​うる。​そうした​条件​に​応​じ​て​ダイナモ​メータ​側​で​負荷​を​変化​さ​せ​よう​と​思​って​も、​そのため​の​指令​を​作り出す​こと​が​難しい。​CarSim​を使用すれば、​実​路​を​走行​した​とき​と​同等​の​負荷​条件​を​作り出す​こと​が​できる。​また、​雨​や​雪、​氷​など​の​影響​を​パラメータ​の​変更​により、​環境​による​負荷​として​生成​する​こと​も​可能​だ。​そして、​それらの​負荷​条件​を​基​に、​駆動​系​システム​に対して​的確​に​指令​を​出す​こと​が​できる。​CarSim​は、​そうした​動的​な​実​負荷​の​変動​部分​を​カバー​する​役割​を​果たす。​逆に​言​え​ば、​CarSim​のようなシミュレータが存在しなければ、​実​路​で​の​走行​を​模擬​する​こと​が​可能​な​試験​装置​を​実現​する​こと​は​でき​ない。

 

HORIBA​が​開発​した​システム​では、​当然​の​こと​ながら、​駆動​系​システム​として​は​HORIBA​の​製品​を​使用​し​て​いる。​また、​CarSim​以外​の​ソフトウェア​全般​は​カスタム​で​設計​した。​そして​HIL​システム​について​は、​ある​メーカー​の​製品​を​使用​し​てい​た。​ただ、​HORIBA​として​は、​この​構成/​実装を固定的に採用してソリューションとして提供していこうと考えていたわけではなかった。​この​用途​に​向け​た​システム​では、​駆動​系​システム​以外​の​部分​は、​顧客のニーズに応じてどのメーカーの製品を採用するのか決定する方針だった。​そこで、​SUBARU​と​HORIBA​は、​既存​システム​の​基本​コンセプト​を​ベース​と​し、​SUBARU​の​ニーズ​を​盛り​込​んで​新た​な​システム​を​構築​する​ことに​した。

 

 

図​1​に​示し​た​の​が、​SUBARU​の​ニーズ​を​満たす​ため​の​システム​構成​で​ある。​駆動​系​システム​について​は、​シミュレーションの結果に応じて駆動系システムを的確に制御できるか否かということが課題だった。​路面​の​状態​に​応​じ​て​動作​の​内容​が​シミュレータ​側​から​指示​さ​れる​わけ​だが、​どの​よう​な​仕様/​制御​機構​の​ダイナモ​メータ​で​あれ​ば、​その​指示​の​とおり​に​動ける​の​か​明確​に​する​必要​が​あっ​た。​そこで、​駆動​系​システム​の​ハードウェア​や、​それ​を​制御​する​ため​の​ソフトウェア​など​について​詳細​に​検討​を​行い、​要件​を​満たせる​駆動​系​システム​製品​を​選定​した。

 

また、​シミュレータ​について​は、​既存​の​システム​と​同じく​CarSim​を​使用​した。​SUBARU​は、​設計​段階​で​使用​する​ツール​として​20​年​近く​にわたり​CarSim​を​使用​し​て​おり、​シミュレーション​に​必要​な​車両​モデル​が​すでに​蓄積​さ​れ​てい​た​からだ。​それらの​モデル​を​使用​した​シミュレーション​の​結果​は、​現実​の​車​の​性能/​動作​と​ほぼ​合致​する​よう​に​SUBARU​内​で​検証​さ​れ​て​きた。

 

残る​HIL​システム​の​部分​は、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​(NI)​の​製品​群​を​使用​し​て​構築​する​ことに​した。​具体​的​に​は、​ハードウェア​として​は​PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)​に​対応​する​製品​を​採用​し、​グラフィカル​開発​プラットフォーム​で​ある​NI LabVIEW​を​使用​し​て​プログラム​開発​を​行う​という​こと​で​ある。

 

NI​の​製品​を​選択​した​理由​は​次​の​よう​な​こと​で​ある。​まず、​LabVIEW​は、​学生​時代​から​使​われる​こと​が​少​なく​なく、​ユーザ​の​裾野​が​広い。​実際、​SUBARU​社内​に​も​LabVIEW​を​使いこなせる​メンバー​が​数多く​いる​し、​NI​製品​を​使用​し​て​さまざま​な​試験​を​行​って​きた。​ほか​の​メーカー​の​製品​だ​と、​事実​上​ブラックボックス​に​な​って​い​て、​わずか​な​変更​すら​行​え​ない​こと​が​ほとんど​だが、​NI​の​製品​で​あれ​ば、​個々​の​ニーズ​に​応​じ、​プログラム​を​自身​で​カスタマイズ​し​て​さまざま​な​改変​を​加​え​られる。​その​メリット​は​非常​に​大きい。

 

また、​この​システム​では、​多種​多様​な​プロトコル​が​使​われる。​加​えて、​アナログ​入出力​を​はじめ​と​する​多様​な​インタフェース​が​必要​に​なる。​さらには、​HIL​システム​に​ステアリング​コントローラー​や​ECU​を​新た​に​接続​する​といった​拡張​が​行​われる​可能性​も​あっ​た。​この​よう​な​多様​な​要件​に、​ハードウェア、​ソフトウェア​の​両面​で​柔軟​に​対応​できる​こと​も、​NI​製品​によって​も​たら​さ​れる​メリット​の​1​つ​で​ある。

 

以上​の​よう​な​理由​から、​HIL​システム​は​NI​の​PXI​製品を使用して構築することになった。​CarSim​を​システム​に​組み込む​うえ​で​必要​な​情報​は​バーチャル​メ​カニ​クス​が​提供​した。​そして、​ダイナモ​メータ​用​コントローラ​に関する​実装​は​HORIBA​が​担当​し、​HIL​システム​の​実装​は​SUBARU​が​担当​する​かたち​で​開発​を​進​め​た。​その​開発​期間​について​も、​NI​製品を採用したことが重要な鍵になった。​今回​の​システム​開発​では、​HIL​システム​の​実装​作業​は​わずか​1​~​2​週間​で​完了​した。​この​よう​な​超​短期​開発​を​実現​でき​た​の​は、​LabVIEW​を​使用​した​からだ。​つまり、​同​プラットフォーム​は​極めて​高い​開発​生産​性​を​提供​し​て​くれる​という​こと​で​ある。​もう​1​つ​の​理由​として​は、​SUBARU​が​LabVIEW​に​習熟​した​人材​を​何人​も​擁​し​てい​た​点​が​挙​げ​られる。​この​こと​は、​コスト​の​削減​に​も​大​きく​寄与​し​て​いる。​NI​以外​の​メーカー​を​選択​した​場合、​この​作業​を​外部​業者​に​委託​しな​け​れ​ばい​け​ない​かも​し​れ​ない。​その​場合、​実装​に​は​優​に​半年​くらい​の​時間​を​要​し​てい​た​と​考え​られる。​おそらく​HIL​システム​構築​費用​が​3​倍​くらい​に​膨​れ​上​が​って​い​た​はず​だ。​しかも、​ちょっとした​変更​を​加える​だけ​でも、​大​きく​コスト​が​か​さん​で​しまう。​また、​この​プロジェクト​では、​開発​プラットフォーム​として​LabVIEW​を​採用​した​こと​で、​ソフトウェア​の​開発​を​SUBARU​社内​で​実施​する​こと​が​でき​た。​そのため、​外部​業者​に​委託​する​場合​と​比べ​て、​ソフトウェア​の​開発​コスト​を​1/6​くらいに抑えられた。​コスト​の​総計​として​は、​ほか​の​ソリューション​を​選択​した​場合​と​比べ​て​1/4​程度​まで​削減​でき​て​いる​はず​だ。

 

開発​済み​の​システム​について​は、​すでに​実証​試験​が​完了​し​て​いる。​テスト​コース​で​取得​した​データ​と、​テスト​ベンチ​で​取得​した​データ​の​突き​合わせ​を​行い、​ほぼ​同様​の​結果​が​得​られる​こと​が​確認​でき​て​いる。

 

 

今後​の​展開

当初​の​目的​に​即​し​て、​SUBARU​は、​車両​開発​の​最終​段階​で​行う​試験​に​この​システム​を​適用​する​予定​だ。​最終​的​な​品質​確認​という​意味​で、​車両​全体​を​対象​と​し、​ユーザ​が​行う​で​あ​ろう​操作​を​実施​し​て​何​も​問題​が​生​じ​ない​こと​を​確認​する​ため​に​使​って​いく。​この​システム​を​使用​する​こと​により、​従来​の​手法​で​同等​の​試験​を​行う​場合​と​比べ​て、​50%​程度​の​工数​を​削減​できる​見込み​だ。​まずは​電動車​の​開発​に​適用​し、​その後​は​すべて​の​車種​に​利用​範囲​を​広​げ​てい​きた​い。

 

また、​このシステムを利用すれば、​実​路​では​作り​出​せ​ない​条件​を​容易​に​実現​できる。​例えば、​勾配​が​30%​の​氷​の​路面​といった​条件​を​任意​に​作れる​という​こと​だ。​もちろん、​40%​の勾配が必要になれば、​CarSim​上​で​設定​を​変更​する​だけ​で​即座​に​対応​できる。​現実​に​は​起​こ​り​得​ない​よう​な​特殊​な​条件下​で​の​試験​(いわゆる​意地悪​試験)​など​も​行える​という​こと​で​ある。​したがって、​この​システム​は、​車両​全体​の​試験​だけ​で​なく、​各​ユニット​の​開発​や、​初期​の​試作​車両​の​評価​など​に​も​有用​で​ある​はず​だ。​SUBARU​として​は、​適合​プロセス​(各​ユニット​など​の​チューニング​作業)​など​に​も​この​システム​を​活用​し​てい​きた​いと​考え​て​いる。

 

さらに、​CarSim​を​使​え​ば、​実在​する​公道​に​対応​する​負荷​を​生成​する​こと​も​できる。​その​場合​に​は、​まず​その​公道​に​赴​い​て​各所​の​勾配​や​カント​(曲線​部​における​外側​と​内側​の​高低​差)​など​を​測定​する​必要​が​ある。​その​結果​を​使用​し​て、​CarSim​用​の​モデル​を​作成​する​ことに​なる。​バーチャル​メ​カニ​クス​は、​この​一連​の​作業​も​請け​負​って​いる。​今回開発したシステムに作成済みのモデルを導入すれば、​CarSim​によって​その​公道​を​走​って​いる​状態​を​模擬​する​こと​が​できる。​自動車​の​新​製品​は、​公式​発表​を​行う​まで​は​公道​を​走行​する​こと​が​難しい。​しかし、​現実の道路条件で試験を行わなければ、​必要​な​すべて​の​データ​を​取得​する​こと​は​でき​ない。​バーチャルメカニクスのサービスを利用すれば、​その​ジレンマ​が​解消​さ​れる​ことに​なる。

 

現在、​この​システム​の​操作​は​オペレータ​が​手動​で​行​って​いる。​SUBARU​として​は、​今後、​HORIBA​製​の​テスト​オートメーション​システム​(STARS)​の​機能​を​用​い​て​自動​試験​が​行える​よう​に​した​いと​考え​て​いる。​その​場合、​当初​は​人​が​近く​で​監視​する​ことに​なる​はず​だが、​いずれ​は​それも​遠隔​監視​に​置​き​換え​たい。​試験​を​実行​する​際、​オペレータ​を​1/4​程度​まで​削減​できる​で​あ​ろう。

 

 

著者​情報:

海口 大輔 氏
株式会社​SUBARU
​Japan

​ ​構築​した​試験​装置 ​
図​1. ​ ​開発​した​システム​の​構成​図 ​