ITI​社、NI​の​HIL​ツール​を​使用して多目的​装甲​車​​の​シミュレーション​と​テストにかかる​時間​を​短縮

作成​者:

Andreas Abel - ITI
René Müller - TraceTronic

ITIは、​システム​シミュレーション​用​の​ソフトウェア​と​エンジニアリング​サービス​の​分野​を​牽引​する​エンジニアリング​企業​です。​当社​の​SimulationX​は、​Modelica​言語​を​完全​に​サポート​し、​システム​内​の​あらゆる​コンポーネント​間​で​生じる​相互作用​の​評価​を​可能​に​する​標準ツール​として業界で広く​使用​さ​れ​てい​ます。​ITIは、世界各地に子会社、代理店、パートナーを擁しており、NIのアライアンスパートナーでもあります。

TraceTronicは、​複雑​な​組​込​システム​を​開発/​検証​するための​革新​的​な​ソリューション、​サービス、​ソフトウェア​製品​を​提供​し​てい​ます。​同社​の​サービス​は、​ECU (電子​制御​ユニット) ​の​機能​を​実現​する​ソフトウェア​の​開発/​テスト​から、​HIL (Hardware-​in-​the-​Loop) システム​の​構想​から​実現​まで​の開発​にいたるまで多岐にわたります。

多目的車両の検証フレームワークの開発

防衛​部隊​や​治安​部隊、​警察​が​現在​の​任務​を​遂行​できる​よう​に​する​ため​に​は、​現在​より​も​高い​レベル​で、​機動性​に​優​れ​た​モジュール​式​防護​技術​を​活用​する​必要​が​あり​ます。​この​よう​な​目標​に​向け​て、​KMW (Krauss-​Maffei Wegmann) ​社​を​はじめ​と​する​多く​の​企業​が、​優​れ​た​機動性​と​最高​レベル​の​防護​を​同時に​実現​する​新​世代​の​多目的​装甲車 (AMPV: Armored Multipurpose Vehicle) ​の​開発​に​挑んでいます。また、​そうした​車両​向け​の​新た​な​ベンチマーク​と​なる​装甲​鋼製/​複合​装甲​製​の​自己​支持​形​セーフティセル​の​開発​も​行​われ​てい​ます。AMPV​は、​現在​の​防護​基準​を​上回る​性能​を​備え、​大幅​に​重量​を​削減​した​もの​に​なり​ます。​最適化された​HMI (ヒューマン​マシン​インタフェース) ​を​搭載​し​て​おり、​車両​は​容易​に​操縦​でき​まるため、運転手​や​乗員​は​任務​に関する​タスク​に​集中​する​こと​が​可能​に​なり、​防護​レベル​が​向上​し​ます。AMPV​の​操縦​が​容易​で​あれ​ば​ある​ほど、​乗員​や​機器​の​安全​性​が​高まり​ます。ITI​は、​経験​豊富​な​ソフトウェア/​ハードウェア​メーカー​と​共同​で、​車載​組​込​システム​向け​の​総合​的​な​検証​方法​を​確立​しま​した。

組み合わせHILテストベンチの開発

私たちは、HIL​テスト​ベンチ​の​実装​から​始めま​した。​最初​に​、​顧客​の​要求​と​ECU (電子​制御​ユニット) を​分析​しました。​その結果に基づき、​技術​的​な​コンセプト​と​テスト​ベンチ​の​仕様​の​基盤​を​確立​しま​した。既存​の​HIL​シミュレータ​に関する​市場​調査​の​結果​から、​柔軟性​や、​集積​度、​価格​の​面​で​当社​の​プロジェクト​の​要件​を​満たす​標準​的​な​ソリューション​は​存在​しない​という​こと​が​すぐ​に​判明​しま​した。​そこで、​当社​は​市販​の​コンポーネント​と​専用​コンポーネント​の​両方​を​ベース​に​カスタム​​システム​を​開発​する​ことに​しま​した。

リアルタイムプラットフォームとしてNI VeriStandを採用しました。このNIソリューションは、業界標準のハードウェアをベースにしているため、低コスト​で​高性能​な​システム​を​実装​する​こと​が​でき​ます。また、テスト​要件の変化​​に​応​じ​て​、システム​の​演算​能力​を柔軟かつ費用対効果の高い方法で拡張することができます。

リアルタイム​対応​の​モデル​を​実現​する​ため​に​は、​演算処理​を高速に行う​​必要​が​あるため、​クロック​周波数​が​2.53 GHz​の​Intel Xeon​を​2​個​搭載​した​標準​的​な​サーバ​製品​を​選択​しま​した。2​個​の​プロセッサ​により、​計​8​個​の​コア​を​使用​できます。現時点​の​リアルタイム​対応​の​モデル​によって​生じる​負荷​は​比較的​小さい​ため、​ハードウェア​を​アップ​グレード​し​なく​て​も、​将来​的​な​拡張​に​対応​できるだけ​の​十分​な​能力​が​あり​ます。

I/​O​用​の​ハードウェア​は、​PXI​に​対応​する​拡張​シャー​シ​を​介​し​て​PC​に​接続​し​ます。​​I/​O​用​の​ハードウェア​が​占有​する​PCI Express​の​スロット​は​わずか​1​つ​で​済みむため、​PXI​シャー​シ​に​は​I/​O​ボード​を​追加​する​ため​に​​十分​な​数​の空き​スロット​が​確保でき​ます。​この​プロジェクト​で​開発​した​テスト​ベンチ​では、​CAN (Controller Area Network) ​による​通信​だけ​で​なく、​アナログ​I/​O​や​デジタル​I/​O​に​も​対応​している​NI​の​PXI​対応​ボード​を​使用​し​てい​ます。速度​センサ​を​エミュレート​した​信号​など、​特定​の​タイム​クリティカル​な​信号​向け​に​は、​NI PXI-​R​シリーズ​の​FPGA​モジュール​を​追加​しま​した。​FPGA​用​の​プログラム​開発​は、NI LabVIEW FPGAソフトウェア​を​使用​し​て​行​いま​した。

また、​フ​ォ​ル​ト​シミュレーション​機能​を​備えた​信号​調節​モジュール​も​採用​しま​した。​これ​により、​信号​品質​を​劣化​させる​こと​なく、​テスト​ベンチ​内​の​配線​の​複雑​さ​を​軽減​する​こと​が​でき​ます。オン​ボード​で​2​種類​の​電圧​レベル​を​使用​する​という​車両​の​要件​を​満たす​ため​に、​テスト​ベンチ​に​は​制御​可能​な​電源​を​2​つ​統合​しま​した。ディスプレイ​に​は、​プロセッサ​コア​の​負荷​の​状況​に​加​え、​リアルタイム​対応​の​システム​や​モデル​に関する​メッセージ​も​表示​さ​れ​ます。

テストベンチのハードウェアの​配置方法

すべて​の​コンポーネント​と​HIL​テスト​ベンチ​の​配線​は、​19​インチ​の​ラック​内​に​完全​に​統合​しま​した。ECU​の​ソフトウェア​の​検証​に​加​え、​ECU​キャリア​の​よう​な​小さい​バッチ​の​モジュール​を​テスト​する​ため​の​構成​も​可能​です。この​よう​な​配置​が​可能​な​理由​は、​車両​の​ワイヤー​ハーネス​を​テスト​ベンチ​に​直接​接続​できる​ことに​あり​ます。

リアルタイムモデル

要件

コントローラ​の​機能​の​複雑​化​が​進む​と、​リアルタイム​対応​の​プラント​の​モデル​について​も、​その​機能​と​モデル​化​の​詳細​度​に関する​要件​が​厳​しく​なり​ます。特に、​最新​の​車両​に​搭載​さ​れる​アクチュエータ​は、​今後​は​単に​オン/​オフ​する​だけ​では​なく、​より​細か​く​制御​する​方法​が​適用​さ​れる​よう​に​なり​ます。このため、ITI社のSimulationXを​使用​する​ことに​しま​した。

この​プロジェクト​では、​SimulationX​上の​車両​コントローラ​と​やり取り​する​すべて​の​物理​コンポーネント​を​モデル​化​しま​した。

• エンジン
• トル​ク​コンバータ​を​備えた​ギア​ボックス​と、​2​段階​で​の​切り替え​が​可能​な​トランス​ファー​ギア​ボックス
• ドライブ​ライン。​これ​は、​ロック/​自己​ロック​解除​が​可能​な​差動​装置​を​備え、​4​輪​駆動​に​対応​する。​また、​ABS​とステアリングセンサに接続され、​コーナ​リング​時​の​車輪​速度​の​変化​に​対応​する​ステアリング​モデル​も​備える
• ブレーキとABSシステム
• タイヤ​の​空気圧​の​監視/​制御​システム

リアルタイム​性​の​保証

リアルタイム機能に対応するために設計され、​事前​に​構成​（コン​フ​ィ​ギ​ュ​レ​ー​ション）​済み​の​ソリューション​は、​ブラックボックス​ソリ​ュ​ー​ション​と​呼ぶ​こと​が​でき​ます。​それと​は​対照​的​に、​特定​の​タスク​向け​に​調整​さ​れ​た​物理​モデル​や、​ほか​の​リアルタイム​モデル​から​派生​した​物理​モデル​は、​通常​は​リアルタイム​の​タスク​を​実行​でき​ま​せん。したがって、​その​リアルタイム​性​は、​モデル​の​開発​を​担当​する​モデラー​によって​保証​さ​れる​ことに​なり​ます。

モデル​の​リアルタイム​性​は、​2​つ​の​主要​な​メカニズム​に​基​づ​い​て​実現​さ​れ​ます。1​つ​の​インスタンス​に​は、​一意的​かつ​完全​で​シンボリック​な​前​処理​が​適用​さ​れ​ます。​SimulationX​は​、コード​を​生成​する​際​、​完成​した​システム​モデル​の​物理​方程式​と​数学​方程式​による​前​処理​を​自動的​に​実行​し​ます。​その​際、​SimulationX​は​方程式​を​解​い​たり​値​の​代入​を​行​っ​たり​する​とともに、​複数​回​現れる​式​を​1​つ​の​計算​に​まとめ​ます。​また、​特定​の​インタフェース​信号​ (たとえば、​内部​の​結果​変数) ​に​影響​を​与​え​ない​数量​の​計算​を​完全​に​排除​することで、​システム​を​簡素​化​し​ます。これらの​一連​の​処理​は、​ユーザ​の​手​を​煩わせる​こと​なく​実行​さ​れ​ます。​さらに​コード​の​最適​化​手法​を​適用​する​こと​で、​極めて​効率​的​な​リアルタイム​対応​の​コード​が​生成​さ​れ​ます。一方、​固有​振動​数​や​振動​モード​といった​多く​の​解析​手法​だけ​で​なく、​エネルギー​の​分布​や​性能​の​解析​を​実行​する​こと​により、​モデル​の​性能​の​最適​化​プロセス​において​ユーザ​を​支援​する​こと​が​可能​に​なり​ます。​その​結果、​すべて​の​演算​に​要する​時間​の​要件​を​満たす​こと​が​可能​に​なり​ます。

この​プロジェクト​の​ため​に​開発​した​SimulationX​の​モデル​は、​優​れ​た​性能​を​発揮​しま​した。​たとえば、​完成​した​ドライブ​ライン​用​の​モデル​は​比較的​高い​サンプリング​レート​を​使う​よう​に​実装​さ​れ​て​いる​の​にもかかわらず、​1​プロセッサ​コア​当たり​に​必要​と​なる​演算​能力​は​わずか​20%​で​済み​ます。

ドライブラインモデルの例

ドライブ​ライン​の​コンポーネント​モデル​は、​異なる​詳細​度​で​実装​さ​れ​ます。​つまり、​内蔵​する​ECU​の​I/​O​に関する​要件​に​対応​した​詳細​度​で​実装​されます。エンジン​の​観点​から​エンジン​の​動作​を​記述​する​ので​あれ​ば、​マップ​ベース​の​モデル​を​使​え​ば​十分​です。​しかし、​噴射​システム​の​アクチュエータ​の​要件​に​基づく​と、​制御​入力​から​位置​センサ​に​至る​まで​プラント​を​正確​に​モデル​化​し、​パラメータ​化​する​こと​が​必要​に​なり​ます。

この​プロジェクト​では、​現実​の​噴射​制御​システム​と​照​ら​し​合わせ​て、​この​モデル​の​部分​を​検証​しま​した。​ギア​ボックス​と​トル​ク​コンバータ​に対して​は​物理​モデル​を​開発​しま​した。その​モデル​に​は、​摩擦​の​特性​を​ベース​として​パラメータ​化​した​ブレーキ​と​クラッチ​の​モデル​が​含​まれ​てい​ます。​​これ​により、​ギア​チェンジ​の​モデル​化​だけ​で​なく、​速度​の​勾配​や​ギア​チェンジ​の​回数​など、​ギア​を​シフト​した​ときの​遷移​動作​を​モデル​化​する​こと​も​可能​に​なり​ます。​​ギア​ボックス​の​アクチュエータ​は​オン/​オフ​する​だけ​で​なく、​その​中間​の​状態​でも​動作​し​ます。​つまり、​ブレーキ​の​トル​ク​と​クラッチ​の​トル​ク​が​変動​し​て​いる​状態​でも​動作​する​という​こと​なので、​遷移​動作​を​モデル​化​する​の​は​非常​に​重要​な​こと​だ​と​言​え​ます。​ドライブ​ライン​の​残り​の​部分​について​は、​駆動​軸 (ドライブ​シャフト) ​の​弾性​も​モデル​に​含​め​ま​した。​それ​により、​典型​的​な​ドライブ​ライン​の​しゃく​り​振動​を​再現​する​こと​が​でき​ます。カーブ​の​半径​は​ステアリング​角​によって​車輪​ごと​に​変わる​ため、​センサ​は​コーナ​リング​の​際​に​それぞれの車輪​の​速度​変化を​検出​し​ます。

ドライブ​ライン​の​モデル​は、​コントローラ​の​出力​信号​に​加​え、​ブレーキ​システム​の​モデル​が​提供​する​ブレーキ​の​トル​ク​も​処理​し​ます。​そのうえで、​処理​の​結果​を​車輪​に​印加​し​ます。ドライブ​ライン​に​従​っ​た​速度​センサ​の​出力​は、​複数​の​ECU​に​提供​する​必要​が​あり​ます。​信号​の​周波数​が​高​すぎる​ため​に、​それらの​出力​を​リアルタイム​対応​の​モデル​で​生成​する​の​は​不可能​です。そうした​理由​から、​これらの​信号​は​FPGA​によって​生成​する​ことに​しま​した。​この​部分​の​モデル​は、​センサ​を​通過​する​車輪​歯​の​パルス​周波数​を​送信​する​こと​だけ​に​使用​しま​した。

開発​した​モデル​は、​リアルタイム​システム​の​1​つ​の​プロセッサ​コア​により​0.1 ms​の​サイクル​時間​で​実行​さ​れ​ます。この​処理​によって​使用​さ​れる​コア​の​演算​リソース​は、​20％​未満​で​済み​ます。

テスト​の​自動化

HIL​テスト​ベンチ​の​メリット​を​最大限​に​生かす​に​は、​テスト​を​自動化​する​ため​の​柔軟性​に​優​れ​た​環境​が​必要​で​した。KMW​社​の​社内​開発​向け​に​大規模​な​回帰​テスト​を​実現​する​必要​が​あっ​た​ため、​テスト​の​自動化​は​品質​と​コスト​の​両面​から​も​不可欠​で​した。

この​プロジェクト​では、​TraceTronic​社​の​テスト​自動化​環境​で​ある​ECU-​TEST​を​採用​しま​した。この​ツール​を​使​って、​テスト​仕様​の​策定、​実装、​実行、​テストケース​の​実行​結果​の​ドキュメント​化​を​行​いま​した。

テストケースを再利用すれば、​ユーザ​は​貴重​な​時間​を​節約​でき​ます。​テストケース​の​再​利用​は、​テスト​環境​ごと​に、​開発​段階​に​応​じ​て​信号​の​マッピング​を​変更​する​こと​で​実現​し​ます。各​テスト​は​グラフィカル​な​操作​で​設計​でき、​ソース​コード​を​手作業​で​編集​する​必要​は​ありま​せん。

ECU-​TEST​に​実装​さ​れ​た​回帰​テスト​は、​必要​な​検証​レベル​の​すべて​を​網羅​し​てい​ます。​ECU​へ​の​入力​と​なる​刺激​や、​CAN​における​各​応答​の​監視​といった​低​レベル​の​テスト​は​もちろん、​障害​の​管理/​検出​といった​高度​かつ​相互​に​作用​する​複雑​な​機能​の​テスト​に​も​対応​し​てい​ます。​これ​により、​テスト​に関する​作業​量​を、​以前​に​比べ​て​わずか​15％​まで​削減​する​こと​が​でき​ま​した。​同時に、​より​深い​レベル​で​の​テスト​を​実施​できる​よう​に​なり​ま​した。

メリット

新型​の​AMPV​は、​高度​な​防護​性能​と​多く​の​新​機能​を​備え​てい​ます。​それに​加​えて​大幅​な​軽量​化​も​図​ら​れ​てい​ます。​その​具現​化​は、​複雑にネットワーク化された​ECU​を​使用​しな​け​れ​ば​不可能​で​した。​​車両​メーカー​は、​車両​自体​と、​自社​で​開発​した​ECU、​外部​から​入手​した​ECU​から​成る​システム​全体​に対して​責任​を​負​い​ます。​この​よう​な​責任​を​果たす​ため​に​は、​すべて​の​ECU​が​最初​の​時点​で​車両​に​正しく​配備​できる​よう​に​する​必要​が​あり​ます。それに​は、​すべて​の​ECU​を​構築​した​うえ​で、​それら​を​組み合わせ​て​テスト​を​実施​しな​け​れ​ば​なり​ま​せん。

当社​の​新た​な​HIL​テスト​ベンチ​では、​国際​的​に​認め​ら​れ​た​標準​的​な​ハードウェア​コンポーネント​と​ソフトウェア​コンポーネント​を​独自​に​組み合わせ​て​開発​しま​した。その​結果、​顧客​は​拡張​性​に​優​れ​た​検証​用​フレーム​ワーク​を​最適​な​価格​で​入手​できる​よう​に​なり​ま​した。​その​フレーム​ワーク​は、​HIL​テスト​ベンチ​と、​調整​済み​の​リアルタイム​モデル、​高度​に​自動化​さ​れ​た​テスト​環境​を​組み合わせる​こと​で​実現​さ​れ​てい​ます。​このフレームワークを使用すれば、​メーカー​は、​車両​向け​の​各種​ECU​を、​最適​かつ​コスト​効率​に​優​れ​た​方法​で​統合​する​こと​が​可能​に​なり​ます。言い換えれば、​顧客​は​拡張​性​と​I/​O​の​柔軟性​という​メリット​を​十分​に​生かす​こと​が​でき​ます。​「real-​time models in-​the-​loop」​という​手法​を​採用​した​こと​により、​システム​全体​の​最適​化​に​向け​た​統合​的​な​アプローチ​を​実現​し、​AMPV​の​ECU​ネットワーク​を​短期間​で​検証​できる​よう​に​なり​ま​した。​​この​プロジェクト​では、​HIL​テスト​を​使用​しない​場合​と​比べ​て​テスト​に関する​作業​量​を​85％​削減​する​こと​が​でき​ま​した。​同時に、​より​深い​レベル​で​の​テスト​を​実施​できる​よう​に​なり​ま​した。

結果

NI​が​提供​する​リアルタイム​対応​の​ハードウェア​と​NI VeriStand​を​採用​した​こと​から、​モデル​の​開発​と​HIL​テスト​ベンチ​の​構築​を​極めて​効率​的​に​実施​する​こと​が​可能​に​なり​ま​した。​モデル、​テスト​ベンチ​の​ソフトウェア、​ハードウェア​の​間​の​インタフェース​を​明確​に​定義​する​こと​で、​各​領域​の​あらゆる​作業​を​並行​し​て​進める​こと​が​でき​ま​した。NI VeriStand​の​使い方​は​短期間​で​習得​可能​です。​そのため、​HIL​テスト​システム​を​極めて​短期間​で​構築​し、​テスト​を​実行​する​こと​が​でき​ま​した。​柔軟性​の​高い​環境​を​採用​した​こと​から、​開発​した​HIL​テスト​システム​は、​将来​の​ニーズ​を​満たす​ため​に​拡張​できる​こと​が​保証​さ​れ​てい​ます。NI VeriStand​は​構成​も​容易​です。​そのため、​例えば、​信号​や​モデル​の​デバッグ​を​行う​ため​に​再​ルーティング​の​必要​が​ある​場合​でも、​テスト​の​要件​の​変化​に​応​じ​て​容易​に​再​構成​でき​ます。NI VeriStand​を​リアルタイム/​FPGA​対応​の​ハードウェア​と​ネイティブ​に​統合​する​こと​で、​必要​な​タイミング​要件​を​満​た​した​テスト​システム​を​実現​し​つつ、​将来​の​拡張​に​備える​こと​が​可能​に​なり​ます。 

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Andreas Abel
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