通过虚拟现实对装甲越野车辆进行仿真和测试

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。