通过​虚拟​现实​对​装甲​越野​车辆​进行​仿真​和​测试

Andreas Abel, ITI

"我们​选择​NI VeriStand​作为​实​时​平台。​这个​解决​方案​基于​行业​标准​硬件,​帮助​我们​以​低成本​实现​了​高性能​系统。" ​

- Andreas Abel, ITI

挑战:

为​装甲​多​用途​车辆​(AMPV)​的​内​置​系统​设计​整体​验证​策略。 ​

解决​方案:

使用​由​NI VeriStand​软件​和​TraceTronic ECU-​TEST​自动​化​软件​构​建​的​实​时​测试​工具​设计​一系列​试验,​最终​建成​一个​硬件​在​环​(HIL)​测试​台,​以便​更加​快速、​完整​地​验证​内​置​系统。

作者:

Andreas Abel - ITI
​René Müller - TraceTronic



​ITI​是​全球​领先​的​系统​仿真​软件​及​工程​公司​之一。​SimulationX​标准​工具​用​来​评估​技术​系统​中​所有​组​件​的​相互作用,​并​支持​Modelica​语言。​ITI​与​全球​分​公司、​分销​商​及​伙伴​共同​合作,​另外,​它​也是​美国​国家​仪器​联盟​伙伴​之一。

 

TraceTronic​提供​创新​的​解决​方案、​服务​及​软件​产品,​用于​开发​和​验证​复杂​的​嵌入式​系统。​公司​服务​范围​包括​了​从​电子​控制​单元​(ECU)​的​软件​功能​开发​和​测试,​到​HIL​系统​的​全程​开发。

 

 

开发​多​用途​车辆​的​验证​框架

为​给​国防​部门​以及​警察​和​安全​部队​配备​更加​先进​的​移动、​模​块​化​和​防护​技术,​Kraus-​Maffei Wegmann(KMW)​以及​其他​一些​公司​接受​挑战,​开发​了​新一代​装甲​多​用途​车辆​(AMPV),​它们​不仅​具有​良好​的​移动​性能,​同时​还​提供​最高​水平​的​防护。​它们​使用​装甲​钢​和​复合​装甲​创造​出​一种​自我​支持​安全​元件,​为​装甲​车辆​制定​了​新​标准。​车辆​超越​了​目前​的​防护​标准,​并且​重量​显著​减轻。​车辆​操纵​简单,​其​内部​优​化​人​机​界面​(HMI),​使​驾驶​员​和​其他​人员​能够​专注​于​完成​任务,​从而​进一步​提高​了​防护​水平。​AMPV​的​驾驶​越​容易,​人员​和​设备​就​越​安全。​我们​与​经验​丰富​的​软件​及​硬件​制造​商​密切​合作,​为​车辆​内​置​系统​制订​了​完善​的​验证​策略。

 

开发​组合​式​HIL​试验​平台

项目​从​实现​HIL​试验​平台​开始。​首先,​我们​分析​了​客户​要求​和​电子​控制器​单元​(ECU)。​分析​结果​为​技术​理念​与​试验​平台​规格​奠定​了​基础。​现有​HIL​仿真​器​的​市场​研究​表明:​目前​尚​无​关于​灵活​性、​集成​度​和​价格​方面​满足​具体​项目​要求​的​标准​解决​方案,​因此​我们​基于​现有​和​专用​组​件​开发​了​一个​自​定义​系统。

 

我们​选择NI VeriStand作为​实​时​平台。​此​NI​解决​方案​基于​行业​标准​硬件,​从而​我们​以​非常​合理​的​成本​实现​了​高性能​系统。​另外,​我们​能够​以​一种​灵活​且​高​性​价​比​的​方式,​根据​不断​增长​的​测试​需求​扩展​系统​的​计算​能力

 

为了​快速​计算​实​时​模型,​我们​选择​了​具有​两​个​2.53 GHz Intel Xeon​处理​器​的​标准​服务​器。​两​个​处理​器​共有​8​个​内​核。​目前​实​时​模型​所​导致​的​相对​较​低​的​负载​提供​了​足够​的​扩展​能力,​甚至​不需要​升级​硬件。

 

I/​O​硬件​通过PXI​扩展​机箱与​PC​相连。​这​只​占用​了​一个​PCI Express​插​槽,​PXI​底板​提供​了​足够​数​目的​插​槽​用​来​插入​其他​I/​O​板。​试验​平台​使用​NI PXI​控制器​局​域​网络​(CAN)​通信​板​卡​以及​模拟​和​数字​I/​O。​对于​模拟​速度​传感器​信号​等​严格​时间​要求​信号,​我们​增加​了​一个​NI PXI-7831R现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​模块。​我们​使用NI LabVIEW FPGA​软件​开发​FPGA​程序。

 

另外,​我们​还​选用​了​一个​集成​有​故障​模拟​的​信号​调节​单元,​减少​了​试验​台​复杂​的​接​线,​并且​不会​无故​降低​信号​质量。​为了​满足​两​种​板​载​电压​电​平​车辆​的​要求,​我们​在​试验​台中​集成​了​两​个​可​控制​电源。​显示​器​显示​处理​器​核​的​当前​负载,​以及​实​时​系统​与​实​时​模型​的​相关​信息。

 

试验​平台​硬件​布局

组合​式​HIL​试验​台​的​所有​组​件​和​接​线​完全​集成​在​一个​19​英寸​机​架上。​除了​验证​ECU​软件​之外,​我们​还​可以​使用​试验​台​布局​来​测试​小​批量​模​块​系列,​例如​带​ECU​的​托架​等。​由于​我们​可以​将​车辆​接​线​束​直接​与​试验​台​相​连接,​所以​这​也​被​证明​可行。

 

实​时​模型

要求
​随着​控制器​功能​越来越​复杂,​人们​对于​实​时​设备​模型​在​能力​和​细节​建​模​程度​方面​的​要求​也​越来越​高。​特别​地,​现代​车辆​中的​激励​器​运行​时​除了​仅仅​开​与​关​之外,​还​越来越​受到​制约。​为此,​我们​选用​ITI SimulationX。

 

测试​系统​的​ECU​与​模型​相互作用


​在​本​项目​中,​我们​利用​SimulationX​对​所有​与​车辆​控制器​交互​的​物理​元件​进行​了​建​模,​主要​包括​以下​几个​方面:

  • 发动机
  • 带​扭矩​变换​器​的​减速​箱​和​两​级​可​换档​变速箱
  • 传​动​系统,​配备​可​锁定​和​自​解​锁​差速器、​四轮​驱动,​在​连接​ABS​和​转向​传感器​的​情况​下​转弯​时​所用​的​车轮​调​速​转向​模型
  • 制动​和​ABS​系统
  • 轮胎​压力​监​控​系统

 

确保​实​时​性能

与​专​为​实​时​能力​设计​的​预​配置​黑盒子​解决​方案​相比,​为​具体​任务​定制​或者​从​其他​实​时​模型​得出​的​物理​模型​一般​不能​执行​实​时​任务。​它们​的​实​时​性能​由​建​模​人员​在​开发​模型​时​保证。

 

模型​的​实​时​能力​通过​两​种​主要​机制​实现。​一方面,​采用​独一无二​的、​彻底​符号​式​的​预​处理。​在​代码​生成​期间,​SimulationX​对​整个​系统​模型​的​物理​和​数学​方程式​进行​自动​预​处理。​通过​解答​并​代入​方程式,​简化​在​一次​计算​中​多次​出现​的​表达​式,​以及​完全​除去​不​影响​指定​接口​信号​的​数量​的​计算​(例如​内部​结果​变量),​来​简化​系统。​所有​这些​都​不需要​用户​参与;​通过​与​其他​代码​优​化​措施​配合,​可​获得​非常​高效​的​实​时​代码。​另一方面,​若干​分析​方法​例如​固有​频率​和​振动​模式,​以及​能源​分布​和​性能​分析​等,​在​模型-​性能​优​化​过程​中​为​用户​提供​辅助,​从而​满足​所有​计算​时间​要求。

 

一般​来说,​为此​项目​开发​的​SimulationX​模型​具有​卓越​的​性能。​例如,​在​一个​处理​器​核​上,​即使​模型​实现​了​相对​较​高​的​采样​速率,​整个​传​动​系统​模型​也​只需要​20%​的​计算​能力。

 

传​动​系统​模型​范例

传​动​系统​中的​组​件​模型​按照​相关​ECU​的​I/​O​要求,​以​不同​的​细节​程度​实现。​从​发动​机​的​角度,​基于​地图​的​模型​足以​精确​地​描述​发动​机​的​行为。​然而,​喷​油​系统​执行​器​要求​提供​从​控制​输入​到​位置​传感器​以及​参数​化​的​精确​设备​建​模。

 

在​本​项目​中,​我们​用​实际​喷​油​控制​系统​验证​了​此​模型​部分。​对​齿轮箱​和​扭矩​变换​器​进行​了​物理​建​模,​其中​包含​离合​器​和​制动​器​模型,​这些​模型​摩擦​特性​实现​参数​化。​这​使得​齿轮​更换,​和​换档​期间​的​过渡​行为,​例如​速度​梯度​和​齿轮​更换​时间​等​建​模​都​成为​可能。​这个​步骤​很有​意义,​因为​凭借​不同​的​制动​器​和​离合​器​扭矩,​齿轮箱​执行​器​不仅​可以​以​开/​关​方式,​而且​以​中间​步骤​方式​运行。,​剩余​传​动​系统​模型​包括​了​传​动​轴​的​弹性,​因此​它​可以​进行​典型​的​传​动​系统​振动。​根据​转向​角度​不同,​每​个​车轮​的​曲线​半径​均​不同,​因此​在​转弯​期间,​传感器​能够​探测​到​各个​车轮​速度。

 

除了​控制器​输出​信号​之外,​传​动​系统​模型​还​处理​制动​系统​模型​所​提供​的​制动​扭矩,​并​将​其​运用​到​车轮​上。​传​动​系统​的​速度​传感器​输出​为​各个​ECU​提供​支持,​但​由于​它们​的​信号​频率​过​高,​很​难​由​实​时​模型​生成,​而​改由​FPGA​产生。​模型​只能​提供​通过​传感器​的​轮​齿​的​脉冲​频率

 

所​示​模型​在​实​时​系统​的​一个​处理​器​内​核​上​运行,​周期​为​0.1 ms。​因此,​模型​所​占​的​处理​器​内​核​计算​资源​不到​20%。

 

试验​自动化

为了​充分利用​HIL​试验​评​台,​我们​需要​一个​灵活​的​的​试验​自动​化​环境。​由于​KMW 内部​开发​需要​多种​回归​试验,​出于​质量​和​成本​原因,​自动​化​试验​是​必不可少​的。

 

对于​此​应用,​我们​使用​TraceTronic ECU-​TEST​的​试验​自动​化​环境。​此​工具​用​来​指定、​实施、​执行​和​记录​试验​结果。

 

通过​在​相关​试验​环境​中​改变​不同​开发​阶段​的​信号​映射,​试验​案例​的​可​重用​性​节约​了​用户​的​宝贵​时间,​试验​采用​可​视​化​设计,​无​需​编辑​源​代码。

 

ECU-​TEST​中​实现​的​回归​试验​涵​盖了​所需​验证​水平​的​整个​带​宽,​范围​从​模拟​ECU​输入​和​观察​CAN​上​的​相关​响应​等​低​水平​试验,​到​故障​管理​和​故障​确认​等​相互作用​及​复杂​功能​的​试验。​这​有助​于​将​试验​工作​量​降至​先前​工作​量的​15%,​试验​深度​明显​提升。

 

益处

生产​先进、​高度​保护、​相对​轻​质,​并且​具有​多种​新​功能​的​多​用途​车辆​只​复杂​的​联​网​ECU​来​生产。​车辆​制造​商​负责​整个​系统,​包含​车辆、​内部​开发​ECU,​以及​从​外部​供应​商​处​获得​的​ECU。​为了​很好​的​完成​任务,​制造​商会​对​所有​的​ECU​进行​集成​和​联合​试验,​确保​它们​能够​一​开始​就​正确​地​安装​到​车辆​上。

 

新型​的​HIL​试验​平台​是​国际​标准​硬件​与​软件​组​件​的​独特​组合。​因此,​客户​可​得到​由​HIL​试验​平台、​定制​实​时​模型​和​高度​自动​化​试验​环境​所​组成​的​定价​优​化、​高度​可​扩展​验证​框架。​此​组合​有助​于​制造​商​以​高​性​价​比​的​优​化​方式,​集成​不同​的​车辆​ECU。​由此​客户​也​能够​充分利用​可​扩展​性​和​I/​O​灵活​性的​优势。​凭借​环​路​中的​实​时​模型,​AMPV​的​ECU​网络​能够​快速​验证,​并​提供​优​化​整个​系统​的​集成​方法。​在​本​项目​中,​与​非​HIL​试验​方法​相比,​此​试验​工作​量​减少​了​85%,​同时​试验​深度​明显​提升。

 

结果

使用​NI​实​时​硬件​和​NI VeriStand​软件,​我们​卓有成效​地​完成​模型​开发​和​HIL​试验​台​集成。​我们​利用​模型、​试验​台​软件​和​硬件​之间​界限​清晰​的​接口,​并行​执行​所有​三​个​领域​的​开发​活动。​NI VeriStand​的​简短​学习​曲线​帮助​我们​快速​建立​与​运行​HIL​试验​系统。​可​扩展​环境​确保​我们​能够​扩展​HIL​试验​系统,​以​满足​将来​的​需要。​NI VeriStand​的​重新​配置​非常​简便,​这样​当​试验​要求​发生​变化,​例如,​当​信号​和​模型​需要​重新​定​线​以​进行​调​试​时,​可以​更改​配置。​NI VeriStand​与​实​时​及​FPGA​硬件​的​固有​集成​使​试验​系统​能够​满足​所需​的​定​时​要求,​并​能​在​将来​进行​试验​扩展。

 

欲​了解​此​案例​分析​的​更多​信息,​请​联系:


René Müller
TraceTronic
​电话: +49 (0) 351 – 20 57 68 27
​传真: +49 (0) 351 – 20 57 68 99
​Heidelberger Str. 24
​01189​德​累​斯顿

 

作者​信息:

Andreas Abel
ITI
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​Fax: F +49 (0) 351 – 260 50 0
abel@itisim.com

图​2: ​ ​组合​式​HIL​试验​台 ​
图​3: ​ ​系统​示意​图 ​
图​4: ​ ​系统​数据​交换 ​
图​5: ​ ​实​时​传​动​系统​模型 ​
图​1: ​ ​这些​装甲​车辆​超过​现行​防护​标准,​并​实现​良好​的​重量​优​化 ​