Hardware-in-the-loop Labor

Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiL-Simulation) stellt eine effiziente Methode dar, Systemteile von elektronischen und mechatronischen eingebetteten Fahrzeugsystemen (z.B. automotive Steuergeräte in einem E/E-Netzwerk) schon in der frühen Entwicklungsphase funktional zu testen und abzusichern. Dabei wird die technische Umgebung (z.B. das Fahrzeug) soweit erforderlich simuliert und die zu testende Hardware mit Eingabedaten gespeist. Beim automotiven HiL-Test kommen klassischerweise die (Rest-)Bus-, Sensor- und Fahrzeug-/Fahrdynamiksimulation zum Einsatz. Im HiL-Labor des CARISSMA Forschungszentrums werden neue Methoden für den Test von komplexen umfeldsensorbasierten Sicherheitssystemen erforscht. Der Fokus liegt auf der Erhöhung der Testtiefe und der Testraumabdeckung für einen effizienten und durchgängigen Testprozess von automatisierten Fahrfunktionen und integralen Sicherheitssystemen. Dabei werden neue Testmethoden wie zum Beispiel aus dem Bereich modellbasiertes Testen, Mixed-Reality und simulationsbasierte Sensorstimulation entwickelt und analysiert. Bei der letztgenannten Methode werden simulierte Daten für reale Umwelt- und Umfeldsensoren über Zielsimulatoren sensorgerecht bereitgestellt.

Im HiL-Labor werden Testmethoden für umweltsensorbasierten Fahrfunktionen erforscht. Das Ziel ist die Verlagerung eines Teils des Testprozesses in eine Laborumgebung, um die Kosten und den Zeitaufwand der Tests zu reduzieren. Darüber hinaus können auch sicherheitskritische Testfälle stärker berücksichtig werden, als z.B. im realen Fahrversuch.
Ein konkretes Ziel ist die Verbesserung von Radarzielsimulatoren, um unterscheidbare Ziele wie LKWs, PKWs, Fußgänger, etc. für Radarsensoren darzustellen. Weiterhin ist der Aufbau einer Kamerasimulation mit einer direkten Bildübertragung an ein zu testendes Steuergerät geplant. Außerdem wird eine Methode zur Benchmarkanalyse von Sensoren und Datenfusionsalgorithmen entwickelt. Weiterhin ist der Aufbau einer verteilten Versuchsumgebung mit anderen Laboren geplant, wobei verschiedene Simulationsteilnehmer über LAN miteinander verbunden werden. Der Realitätsgrad des Versuchs wird dabei von der reinen Simulation bis zum realen Fahrzeug variiert.

Ausstattung

NI PXI-System (NI PXIe-1085)
16 Analoge Eingänge
16 Analoge Ausgänge
8 Relais Ausgänge
Wheelspeed Generator 4 Kanäle
6 CAN-Schnittstellen
4 Flexray –Schnittstellen
2 LIN-Schnittstellen
8 PSI5 Kanäle
16 PWM-Input Kanäle
16 PWM-Output Kanäle
1 Gb/s Ethernet
Freiprogrammierbarer FPGA
Frequenzgenerator
Oszilloskop
Widerstandssimulator 8 Kanäle
8 Spannungsmesskanäle (-75 – 75V)
8 Strommesskanäle (0 – 50A)
GPS-Simulator (NI USRP RIO)

2 NVIDIA Drive PX2
1 dSPACE MicroAutoBox II

4 Desktop-PC Arbeitsplätze mit Ubuntu
1 Laptop-Arbeitsplatz mit Windows 7
1 HiL-Systemarbeitsplatz mit Windows 7

Lötstation
Netzstecker
Integriertes Multimeter
Integriertes Labornetzteil
Oszilloskop

55“ Bildschirm für Präsentationen
Besprechungstisch mit 6 Sitzplätze

Anwendungsbeispiele

Das HiL-System verfügt über alle gängigen Busschnittstellen, die aktuell im Automotiv-Bereich eingesetzt werden (CAN, LIN, FlexRay), womit umfangreiche Restbus-Simulationen erstellt werden können. Durch das offene NI PXI-System, lassen sich auch zukünftig neue Standards, wie BroadR-Reach Ethernet, in das System integrieren.

Die Echtzeitumgebung VeriStand (National Instruments) erlaubt – im Sinne eines MiL und SiL
Tests – die Einbindung von Softwarekomponenten aus verschiedenen Quellen (MATLAB, Simulink-Modelle, C-Code, LabVIEW, etc.) wobei diese beliebig untereinander verknüpft werden können oder direkt mit den Ein- und Ausgängen des HiL-Systems verbunden sind.

Der Test von fahrsituationsabhängigen Funktionen kann mit Hilfe einer Fahrsimulation realisiert werden. Die Fahrsimulation im CARISSMA-HiL wird zum einem über die Software CarMaker (IPG Automotive GmbH) und zum anderen über VTD (VIRES Simulationstechnologie GmbH) realisiert. Die Fahrsimulation erzeugt sämtliche Ego-Fahrzeugdaten, die für die Ansteuerung des zu testenden Teilsystems notwendig sind. Sie stellt die Daten für die Restbussimulation bereit, die über CAN, LIN, FlexRay und zukünftig über Automotive-Ethernet an ein Steuergerät gesendet werden. Außerdem können die Daten auch zur Speisung von Modellen und Softwarebausteinen auf dem Echtzeitrechner des HiL-Systems verwendet werden. Im Sinne eines Closed-Loop-Kreislaufes kann umgekehrt der Output des zu testenden Teilsystems, der Modelle oder Softwarebausteine, über das HiL-System in die Fahrsimulation zurückgespielt werden und dort Simulationsparameter verändern. Sämtliche angebundenen Komponenten (z.B. die Fahrsimulation, Steuergeräte, Softwarebausteine, Sensoren etc.) werden mit der Software Veristand (National Instruments) vernetzt und ggf. konfiguriert.

Das HiL-System des CARISSMA verfügt über einen freiprogrammierbaren FPGA, der unter anderem das Nachbilden proprietärer Schnittstellen von Steuergeräten ermöglicht. Darüber hinaus ist der FPGA vielseitig einsetzbar, um wenig genutzte Sensorsignale zu erzeugen oder vorhandene Schnittstellen zu erweitern, ohne eine dedizierte Karte bereitstellen zu müssen.

Im CARISSMA HiL-System ist ein GPS-Simulator (NI USRP RIO) integriert. Mit diesem kann die Funktion „Standortbestimmung“ mit simulierten GPS-Signalen getestet werden, wie sie zum Beispiel in Navigationssystemen oder anderen positionsabhängigen Assistenz- und Sicherheitsfunktionen benötigt wird. Der GPS-Simulator erzeugt die Signale von bis zu 12 Satelliten, wobei der Leistungspegel jedes simulierten Satelliten vom Benutzer festgelegt werden kann. Darüber hinaus lassen sich eigene Bewegungsprofile für die Satelliten erzeugen. Typische Signalstörungen der GPS-Satelliten, die zu Positionsungenauigkeiten im terrestrischen Empfänger führen, können ebenfalls simuliert werden.