A „hardware in the loop” járműdinamikai alkalmazása

„A szimulátor második részét a National Instruments (NI) PXI-alapú, valósidejű rendszerére építettük, amely moduláris be- és kimenetekkel rendelkezik. Ez további PXI és CompactRIO-egységekkel, például CAN, FlexRay vagy digitális és analóg I/O-modulokkal könnyedén tovább bővíthető” – Dr. Fodor Dénes tanszékvezető, Pannon Egyetem, Mérnöki Kar, Gépészmérnöki Intézet, Járműmechatronika Intézeti Tanszék.

Újrakonfigurálható HIL-szimulátor járműdinamikai elektronikus vezérlőegységek NI VeriStand és NI TestStand segítségével történő fejlesztéséhez és teszteléséhez

A feladat

Környezetszimulációs (Hardware In the Loop – HIL) keretrendszer létrehozása autóipari vezérlő egységek (Electronic Control Unit – ECU) szoftverfejlesztési és verifikációs tesztelési folyamatainak felgyorsítására.

A megoldás

PXI Express modulok, továbbá az NI szoftverei, a TestStand és a VeriStand segítségével valósidejű járműdinamikai modellt futtató rendszert hoztunk létre, amely rendelkezik a különféle autóipari kommunikációs protokollok illesztéséhez szükséges interfészekkel, továbbá egy NI R-sorozatú, újrakonfigurálható, többfunkciós be-kimeneti (RIO, Reconfigurable Input Output) modullal, ami az ECU-egység megfelelő illesztéséről gondoskodik. Az NI TestStand a tesztelési folyamatok automatizálására, az NI VeriStand pedig a valósidejű tesztalkalmazás futtatására szolgál.

Bevezetés

A biztonsági és környezeti kockázati tényezők számának fokozódása, valamint a rájuk vonatkozó biztonsági előírások egyre szigorúbb követelményei miatt a korszerű járművek vezérlőegységei (ECU)1,2 napról napra összetettebbé válnak. Az ECU-k költséghatékony tesztelése az autóipar fontos kérdése. A folyamatosan szigorodó biztonsági követelmények teljesítése érdekében új, funkció bővített, komplex algoritmusok és vezérlők kifejlesztése válik szükségessé. Kritikus jelentőségű, hogy az új módszerek valódi járművön, tesztpályán is kipróbálhatók legyenek, de ez ugyanakkor igen drága és időigényes is.
Új fejlesztésű algoritmusaink alkalmasságának igazolásához szükségünk volt egy tesztelő és szimulációs környezetre, amivel a működés különféle járműveken és ECU-vezérlőkön egyszerűen validálható. Könnyen újrakonfigurálható szoftveres és hardveres HIL-tesztelő környezetet akartunk létrehozni, amelynek kezelését az új felhasználók viszonylag gyorsan elsajátíthatják. A rendszerfunkciókat egy blokkolásgátló (ABS) vezérlő számára valósítottuk meg, szoftveres és hardveres elemek integrálásával.

1. ábra A szimulációs környezet alapfelépítése

2. ábra A szimulációs környezet fizikai megjelenése

A szimulációs környezet felépítése

A szimulációs környezet moduláris felépítésű (1. és 2. ábra), ezért könnyen újrakonfigurálható. Első eleme egy általános, nagy teljesítményű, Windows 7 operációs rendszert futtató asztali számítógép. Ezzel önállóan is képesek vagyunk új algoritmusokat tesztelni a járművek vezérlői nélkül. A rendszer központi eleme egy Tesis veDYNA 3.10.4 nevű járműdinamikai szimulációs program, amely a MathWorks, Inc. cég Simulink^® és MATLAB^® szoftverével készült. Simulink alatt valósíthatunk meg új algoritmusokat vagy funkcióbővítést hajthatunk végre egy már meglévő algoritmuson, továbbá paraméterezhetjük a különféle járműmodelleket és a manőverek végrehajtásához szükséges környezeti viszonyokat – például az útfelületi jellemzők (száraz, nedves aszfalt…) megfelelő szimulálására. A valósidejű hardveregységek felé az illesztést a veDYNA-modelleket futtató NI VeriStand-szoftver valósította meg, amely interfészt képez a modellelemek (matematikai modell és a hardvermodulok) fizikai villamos be- és kimenetei között. A rendszer számunkra legfontosabb képessége, hogy jeleket tud módosítani, és képes beavatkozni a szabályzási mechanizmusokba. Mind a modellek, mind a fizikai eszközök bemenetei számára képes módosítani, előkészíteni a jeleket, akár egyszerű matematikai algoritmusok, akár összetett, NI LabVIEW-környezetben megírt szoftvermodellek felhasználásával. Az NI TestStand- és NI VeriStand-szoftver segítségével új manővereket hozhattunk létre, könnyedén parametrizálhattuk a különféle járműmodelleket, továbbá szimulálhattuk a környezeti jellemzőket is. Ezek segítségével valósághű tesztelési műveletsorokat tudtunk lefuttatni a valódi ABS-vezérlő ECU-egységein. A szimulátor második részét egy moduláris be- és kimenetekkel rendelkező, NI PXI-alapú, valósidejű rendszerre építettük. Ez NI PXI- és CompactRIO-egységekkel (például CAN, FlexRay vagy digitális és analóg I/O-modulokkal) könnyedén tovább bővíthető. A PXI-alapú rendszer külső illesztőkkel működik, úgymint Vector MOST és TTech FlexRay, amelyek egy általános célú számítógéppel is hasz­nálhatók.A harmadik rendszerelem egy elektromos motoremulátor, amely egy elektromos jármű hajtórendszerét emulálva az elektromos motorokat vezérlő ECU-egység tesztelését is lehetővé teszi.

3. ábra Az ABS vezérlőegységének beintegrálása

4. ábra Az ABS vezérlőegység szoftverének beintegrálása a Tesis veDYNA-rendszerbe

5. ábra A kezelőfelület sebesség- és nyomásértékeket feltüntető oldala

Az elektronikus vezérlőegység (ECU) integrálásaA szimulációs rendszer létre­hozását követően az ECU rendszerbe integrálása volt a legfontosabb feladat (3. ábra). Az ECU-t egyszerű, kisebb áramkörökkel egészítettük ki a sebességérzékelők, a szelepek és a motor emulálása érdekében. Ez a vezérlőegység irányítja ugyanis a motort és a szelepeket, a valósidejű rendszer csak az egyes elemek állapotát méri. A szimulátor vezérli a sebességérzékelőket és a digitális kimenetet, a szimulált kerék sebessége alapján kapcsolgatva a feszültséget úgy, hogy az ABS-rendszer számára megfelelő frekvenciájú impulzusokat állítson elő. Úgy módosítottuk a veDYNA Simulink alatti fékrendszermodellt, hogy a beérkező szelepállapotokat is tudjuk kezelni, és önállóan, minden keréknél külön-külön, a szelepállások függvényében szabályozhassuk a fékrendszer nyomását (4. ábra).     

A fő nyomásmódosító algoritmus egyenlete:

ahol
    n a pillanatnyi szimulációs lépés száma,
    p(n) a módosított féknyomás a keréknél,
    p_target(n) a féknyomás célértéke,
    p_diff(n) a pillanatnyi féknyomás és a célérték különbsége,
    t(n) a módosítási periódus pillanatnyi ideje,
    τ az időállandó.

A MATLAB és Simulink alatt megvalósított algoritmus hat részfolyamatból áll3. A veDYNA-modell módosítása mellett egy új NI VeriStand projektet is létrehoztunk. A lefordított veDYNA-modell kompatibilis az NI VeriStanddel, ezért a be- és kimeneti jelek – a sebességjelek megfelelő illesztésével – rávezethetők a PXI be- és kimeneteire. Az NI VeriStand felhasználói kezelőfelületét úgy terveztük meg, hogy lehetővé tegye a szimulációs paraméterek megfigyelését és megváltoztatását (5. ábra).

6. ábra Sebességek (járműsebesség km/h-ban), keréksebességek (km/h-ban) és féknyomások (Pa-ban) az ABS-vezérlőegység nélkül (vészfékezés 115 km/h-ról)

7. ábra A vizsgálathoz felhasznált eszközök

Összefoglalás

NI PXI-eszközök, NI VeriStand és NI TestStand segítségével – környezetszi­mulációs (HIL) képességgel kiegészítve – valósidejű jármű­szimulátort hoztunk létre, az új elméleti kutatási eredmények egyszerű visszaellenőrzésére. Az azonnal használatba vehető NI TestStand tesztelésirányító keret­rend­szerszoftver révén le tudtuk rövidíteni a fejlesztési időt. Ez a programcsomag számos automatizált tesztelési funkcionalitást előre elkészítve tartalmaz. Ilyenek például a tesztelési szekvenciák kezelése és automatikus futtatása vagy az automatikus jegyzőkönyv-generálás. Mindezek mellett, miután a valósidejű operációs rendszer használata elvárás volt, az NI VeriStand segítségével magasfokú megbízhatóságot és nagy teljesítőképességet sikerült elérnünk. Ez annak a következménye, hogy az NI VeriStandet az NI valósidejű hardver platformjain történő futtatásra tervezték, valósidejű tesztelő alkalmazások konfigurálásához. Az ABS-vezérlőegység tesztelésére szolgáló mérőrendszer megfelelt az elvárásainknak (6. és 7. ábra). A szimuláció további finomításához a fejlesztés folytatása szükséges. A nyomásmodellt is javítani kell az ABS-motor állapotait is figyelembe véve.

Köszönetnyilvánítás

Köszönetünket fejezzük ki a Magyar Államnak és az Európai Uniónak a jelen mun­kához nyújtott, TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003 számú projekt keretén belül rendelkezésünkre bocsátott pénzügyi támogatásért, továbbá a Continental Teves veszprémi, valamint a National Instruments budapesti munkatársainak intenzív műszaki segítségéért.

Hivatkozások

1. Rieth, Dr. P. E., S. A. Drumm, and M. Harnishfeger, Electronic Stability
    Program: The Brake that Steers, Verlag Moderne Industrie, 2002, 16-26.
2. Gustafsson, F., Automotive Safety Systems: Replacing Costly Sensors with
    Software Algorithms, 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, Hungarian Journal of Industrial
    Chemistry, January 2012.

Szerzők: Dr. Fodor Dénes tanszékvezető, Enisz Krisztián doktorandusz – Pannon Egyetem, Mérnöki Kar, Gépészmérnöki Intézet, Járműmechatronika Intézeti Tanszék

A MATLAB^® és a Simulink^® a MathWorks, Inc. bejegyzett védjegye.

National Instruments Hungary Kft.

1117 Budapest
Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400
Fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

Még több National Instruments

Címkék: hardware in the loop | HIL | Pannon Egyetem | járműdinamika | PXI | TestStand | VeriStand