基于NI VeriStand實時平臺的裝甲越野車輛仿真和測

我們選擇NI VeriStand作為實時平臺。這個解決方案基于行業(yè)標準硬件，幫助我們以低成本實現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。
– Andreas Abel, ITI

The Challenge:為裝甲多用途車輛（AMPV）的內置系統(tǒng)設計整體驗證策略。

The Solution:使用由NI VeriStand軟件和TraceTronic ECU-TEST自動化軟件構建的實時測試工具設計一系列試驗，最終建成一個硬件在環(huán)（HIL）測試臺，以便更加快速、完整地驗證內置系統(tǒng)。

圖1：這些裝甲車輛超過現(xiàn)行防護標準，并實現(xiàn)良好的重量優(yōu)化

Author(s):Andreas Abel - ITI René Müller - TraceTronic ITI是全球領先的系統(tǒng)仿真軟件及工程公司之一。SimulationX標準工具用來評估技術系統(tǒng)中所有組件的相互作用，并支持Modelica語言。ITI與全球分公司、分銷商及伙伴共同合作，另外，它也是美國國家儀器聯(lián)盟伙伴之一。

TraceTronic提供創(chuàng)新的解決方案、服務及軟件產品，用于開發(fā)和驗證復雜的嵌入式系統(tǒng)。公司服務范圍包括了從電子控制單元（ECU）的軟件功能開發(fā)和測試，到HIL系統(tǒng)的全程開發(fā)。

開發(fā)多用途車輛的驗證框架

為給國防部門以及警察和安全部隊配備更加先進的移動、模塊化和防護技術，Kraus-Maffei Wegmann（KMW）以及其他一些公司接受挑戰(zhàn)，開發(fā)了新一代裝甲多用途車輛（AMPV），它們不僅具有良好的移動性能，同時還提供最高水平的防護。它們使用裝甲鋼和復合裝甲創(chuàng)造出一種自我支持安全元件，為裝甲車輛制定了新標準。車輛超越了目前的防護標準，并且重量顯著減輕。車輛操縱簡單，其內部優(yōu)化人機界面（HMI），使駕駛員和其他人員能夠專注于完成任務，從而進一步提高了防護水平。AMPV的駕駛越容易，人員和設備就越安全。我們與經(jīng)驗豐富的軟件及硬件制造商密切合作，為車輛內置系統(tǒng)制訂了完善的驗證策略。

開發(fā)組合式HIL試驗平臺

項目從實現(xiàn)HIL試驗平臺開始。首先，我們分析了客戶要求和電子控制器單元（ECU）。分析結果為技術理念與試驗平臺規(guī)格奠定了基礎?，F(xiàn)有HIL仿真器的市場研究表明：目前尚無關于靈活性、集成度和價格方面滿足具體項目要求的標準解決方案，因此我們基于現(xiàn)有和專用組件開發(fā)了一個自定義系統(tǒng)。

我們選擇NI VeriStand作為實時平臺。此NI解決方案基于行業(yè)標準硬件，從而我們以非常合理的成本實現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。另外，我們能夠以一種靈活且高性價比的方式，根據(jù)不斷增長的測試需求擴展系統(tǒng)的計算能力
為了快速計算實時模型，我們選擇了具有兩個2.53 GHz Intel Xeon處理器的標準服務器。兩個處理器共有8個內核。目前實時模型所導致的相對較低的負載提供了足夠的擴展能力，甚至不需要升級硬件。

I/O硬件通過PXI擴展機箱與PC相連。這只占用了一個PCI Express插槽，PXI底板提供了足夠數(shù)目的插槽用來插入其他I/O板。試驗平臺使用NI PXI控制器局域網(wǎng)絡（CAN）通信板卡以及模擬和數(shù)字I/O。對于模擬速度傳感器信號等嚴格時間要求信號，我們增加了一個NI PXI-7831R現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）模塊。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開發(fā)FPGA程序。

另外，我們還選用了一個集成有故障模擬的信號調節(jié)單元，減少了試驗臺復雜的接線，并且不會無故降低信號質量。為了滿足兩種板載電壓電平車輛的要求，我們在試驗臺中集成了兩個可控制電源。顯示器顯示處理器核的當前負載，以及實時系統(tǒng)與實時模型的相關信息。

試驗平臺硬件布局

組合式HIL試驗臺的所有組件和接線完全集成在一個19英寸機架上。除了驗證ECU軟件之外，我們還可以使用試驗臺布局來測試小批量模塊系列，例如帶ECU的托架等。由于我們可以將車輛接線束直接與試驗臺相連接，所以這也被證明可行。

實時模型

要求

隨著控制器功能越來越復雜，人們對于實時設備模型在能力和細節(jié)建模程度方面的要求也越來越高。特別地，現(xiàn)代車輛中的激勵器運行時除了僅僅開與關之外，還越來越受到制約。為此，我們選用ITI SimulationX。

測試系統(tǒng)的ECU與模型相互作用

在本項目中，我們利用SimulationX對所有與車輛控制器交互的物理元件進行了建模，主要包括以下幾個方面：
發(fā)動機
帶扭矩變換器的減速箱和兩級可換檔變速箱
傳動系統(tǒng)，配備可鎖定和自解鎖差速器、四輪驅動，在連接ABS和轉向傳感器的情況下轉彎時所用的車輪調速轉向模型
制動和ABS系統(tǒng)
輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)

確保實時性能

與專為實時能力設計的預配置黑盒子解決方案相比，為具體任務定制或者從其他實時模型得出的物理模型一般不能執(zhí)行實時任務。它們的實時性能由建模人員在開發(fā)模型時保證。

模型的實時能力通過兩種主要機制實現(xiàn)。一方面，采用獨一無二的、徹底符號式的預處理。在代碼生成期間，SimulationX對整個系統(tǒng)模型的物理和數(shù)學方程式進行自動預處理。通過解答并代入方程式，簡化在一次計算中多次出現(xiàn)的表達式，以及完全除去不影響指定接口信號的數(shù)量的計算（例如內部結果變量），來簡化系統(tǒng)。所有這些都不需要用戶參與；通過與其他代碼優(yōu)化措施配合，可獲得非常高效的實時代碼。另一方面，若干分析方法例如固有頻率和振動模式，以及能源分布和性能分析等，在模型-性能優(yōu)化過程中為用戶提供輔助，從而滿足所有計算時間要求。

一般來說，為此項目開發(fā)的SimulationX模型具有卓越的性能。例如，在一個處理器核上，即使模型實現(xiàn)了相對較高的采樣速率，整個傳動系統(tǒng)模型也只需要20%的計算能力。

傳動系統(tǒng)模型范例

傳動系統(tǒng)中的組件模型按照相關ECU的I/O要求，以不同的細節(jié)程度實現(xiàn)。從發(fā)動機的角度，基于地圖的模型足以精確地描述發(fā)動機的行為。然而，噴油系統(tǒng)執(zhí)行器要求提供從控制輸入到位置傳感器以及參數(shù)化的精確設備建模。

在本項目中，我們用實際噴油控制系統(tǒng)驗證了此模型部分。對齒輪箱和扭矩變換器進行了物理建模，其中包含離合器和制動器模型，這些模型摩擦特性實現(xiàn)參數(shù)化。這使得齒輪更換，和換檔期間的過渡行為，例如速度梯度和齒輪更換時間等建模都成為可能。這個步驟很有意義，因為憑借不同的制動器和離合器扭矩，齒輪箱執(zhí)行器不僅可以以開/關方式，而且以中間步驟方式運行。，剩余傳動系統(tǒng)模型包括了傳動軸的彈性，因此它可以進行典型的傳動系統(tǒng)振動。根據(jù)轉向角度不同，每個車輪的曲線半徑均不同，因此在轉彎期間，傳感器能夠探測到各個車輪速度。

除了控制器輸出信號之外，傳動系統(tǒng)模型還處理制動系統(tǒng)模型所提供的制動扭矩，并將其運用到車輪上。傳動系統(tǒng)的速度傳感器輸出為各個ECU提供支持，但由于它們的信號頻率過高，很難由實時模型生成，而改由FPGA產生。模型只能提供通過傳感器的輪齒的脈沖頻率

所示模型在實時系統(tǒng)的一個處理器內核上運行，周期為0.1 ms。因此，模型所占的處理器內核計算資源不到20%。

試驗自動化

為了充分利用HIL試驗評臺，我們需要一個靈活的的試驗自動化環(huán)境。由于KMW 內部開發(fā)需要多種回歸試驗，出于質量和成本原因，自動化試驗是必不可少的。

對于此應用，我們使用TraceTronic ECU-TEST的試驗自動化環(huán)境。此工具用來指定、實施、執(zhí)行和記錄試驗結果。

通過在相關試驗環(huán)境中改變不同開發(fā)階段的信號映射，試驗案例的可重用性節(jié)約了用戶的寶貴時間，試驗采用可視化設計，無需編輯源代碼。

ECU-TEST中實現(xiàn)的回歸試驗涵蓋了所需驗證水平的整個帶寬，范圍從模擬ECU輸入和觀察CAN上的相關響應等低水平試驗，到故障管理和故障確認等相互作用及復雜功能的試驗。這有助于將試驗工作量降至先前工作量的15%，試驗深度明顯提升。

益處

生產先進、高度保護、相對輕質，并且具有多種新功能的多用途車輛只復雜的聯(lián)網(wǎng)ECU來生產。車輛制造商負責整個系統(tǒng)，包含車輛、內部開發(fā)ECU，以及從外部供應商處獲得的ECU。為了很好的完成任務，制造商會對所有的ECU進行集成和聯(lián)合試驗，確保它們能夠一開始就正確地安裝到車輛上。

新型的HIL試驗平臺是國際標準硬件與軟件組件的獨特組合。因此，客戶可得到由HIL試驗平臺、定制實時模型和高度自動化試驗環(huán)境所組成的定價優(yōu)化、高度可擴展驗證框架。此組合有助于制造商以高性價比的優(yōu)化方式，集成不同的車輛ECU。由此客戶也能夠充分利用可擴展性和I/O靈活性的優(yōu)勢。憑借環(huán)路中的實時模型，AMPV的ECU網(wǎng)絡能夠快速驗證，并提供優(yōu)化整個系統(tǒng)的集成方法。在本項目中，與非HIL試驗方法相比，此試驗工作量減少了85%，同時試驗深度明顯提升。

結果

使用NI實時硬件和NI VeriStand軟件，我們卓有成效地完成模型開發(fā)和HIL試驗臺集成。我們利用模型、試驗臺軟件和硬件之間界限清晰的接口，并行執(zhí)行所有三個領域的開發(fā)活動。NI VeriStand的簡短學習曲線幫助我們快速建立與運行HIL試驗系統(tǒng)?？蓴U展環(huán)境確保我們能夠擴展HIL試驗系統(tǒng)，以滿足將來的需要。NI VeriStand的重新配置非常簡便，這樣當試驗要求發(fā)生變化，例如，當信號和模型需要重新定線以進行調試時，可以更改配置。NI VeriStand與實時及FPGA硬件的固有集成使試驗系統(tǒng)能夠滿足所需的定時要求，并能在將來進行試驗擴展。