HIL实时仿真系列 – 上海同星智能科技有限公司

TSMasterHIL实时仿真系列5-ECU HIL仿真的具体实施

zhang, yaping — Tue, 27 Sep 2022 08:43:53 +0000

本文介绍TSMaster 从零打造车辆控制器HIL实时仿真系列第五章节，继续介绍控制器实时HIL的实现。

一、HIL硬件在环

ABS算法仿真和车辆模型的运行，它们的功能并不是简简单单地绘制曲线，搜集运行数据，而是有着更深层次的目的，那就是与外部世界联动，将输入和输出数据完完全全暴露在真实世界中，达到HIL的真正目的—硬件在环。

与外部世界交互这个过程可以说十分简单，只需要为此专门设计一个dbc文件，加载到TSMaster中，再将系统变量中的内容映射到总线上即可。

在此我准备了一个简单的dbc文件，它包含四个轮速，还有四个轮缸压力信号。我们将其拖入tsmaster中。

再打开RBS，让剩余总线仿真接管这些信号的发送。

随后我们打开硬件通道选择器，将CAN通道选择为同星的一款总线工具—TC1005作为演示，TC1005的通道1和通道2互相连接在了一起，确保发出的报文可以被正确应答。

我们启动RBS，打开Trace窗口，就可以看到我们需要的信号都在总线上以预定的频率发送着，当然这些信号由于没有更新，初始值都是0，下一步就是做信号绑定，将系统变量中的值传给这些信号。

首先停止仿真，回到我们的算法小程序，添加预发送函数，接管轮速和压力报文的发送过程，这意味着每当报文即将被发出，系统都会调用这些预发送函数，我们只需要简单地在这些函数内更新我们所需的信号即可。

我们试着赋一下值。最后我们在图形窗口中，添加需要观测的CAN信号，包括速度信号和压力信号等等。

至此，我们完成了所有所需的信号的预发送函数，是时候启动整个仿真过程了，还是同样的流程，连接TSMaster的应用程序，点击自动化模块的启动按钮。可以看到车辆正在运行过程中。

随着程序的运行，我们可以实时观测到总线上活跃的轮速和压力信号，这些信号就最终与真实世界发生了交互。

二、实现车辆控制器的HIL仿真

有了前面的基础，可以说此时我们真正踏入了HIL实时仿真的大门。使用这一整套流程，以不变应万变，实现各式各样的车辆控制器的HIL仿真。

举个简单的例子，倘若我们需要对所开发的ibooster进行HIL仿真，ibooster是真实的ECU。我们就需要导入这个ibooster的所有网络的dbc文件，用我们的RBS将它所需的信号全部仿真出来。

而要仿真信号，最简单的方法则是，在RBS仿真界面上，选中我们所需的ibooster节点，点击右键，一键自动生成HIL配置，这步操作可以自动激活ibooster依赖的其他节点和报文。

其次，来到小程序中，通过预发送函数，构造此节点所需的各类总线信号。

再接下来就是一些硬件的信号，比如遇到踏板信号，可以通过电缸自动化接口或是定制的 API实现。

同时，如果遇到IO或通断信号，则通过我们的IO板卡和继电器板卡API实现；

如果是遇到轮速等特殊传感器信号，则通过我们的轮速模拟板卡API实现；

如果遇到电源电压的控制，可以使用可编程电源配合API 的方式实现；

最后，我们可以打开自动化模块，编写一系列用例，来对我们的产品进行各种可能的测试。

当然，这一切背后还有个重要的前提，那就是软件之外的一切准备工作，也就是ECU机械和液压负载必须提前准备完毕。

只要上述内容都就绪，那么便可以设计并最终执行无人值守的全自动化参数遍历和测试，在测试结束后，再通过预先配置的信息，实现测试报告的一键自动生成。

最后的实现内容，由于细节过于繁杂，实现方式各异。我们有理由相信，基于TSMaster的这一整套仿真架构，小伙伴们也可以发挥自己的聪明才智，设计出各式各样的HIL实时仿真系统。

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TSMasterHIL实时仿真系列4-打通ECU算法与整车模型之间的桥梁

zhang, yaping — Tue, 27 Sep 2022 08:20:58 +0000

本文主要介绍如何基于TSMaster打通ECU算法与整车模型之间的桥梁。

一、SDK融入TSMaster运行环境

由于此视频采用了CarSim controller自带的CarSim engine客户端，需要对代码库做一些配置，也就是需要引用CarSim controller开发包的相关sdk文件。我们打开ABS算法小程序的代码库。

向上进入common文件夹，这个文件夹可存放多个小程序公共的头文件和代码文件，我们将SDK文件拖入此文件夹中。

接着转到全局定义中，第一行代码，引用一个C++头文件 #include “CarSimAPIUtilities.hpp”。

随后点击编译，可以看到，SDK也融入了TSMaster的运行环境中。

二、SDK控制动力学模型

接下来我们就可以通过调用SDK来轻松控制动力学模型了。

我们可以使用CarSim engine自带的这 47 个API函数来操作CarSim，当然也可以选用基于CarSim engine开发的SDK来实现，相比起来SDK的函数更加简洁，它将整个 CarSim的控制分为三个阶段：初始化、运行、和结束运行。

初始化函数名为 callback_setup，放在程序启动事件中。

运行函数名为 callback_start_carsim，放在step函数中，并且让它只执行一次；这需要再申请一个全局变量 vToStart，来实现单次操作。

结束运行函数名为 callback_teardown，放在程序停止事件中；写完后我们编译程序，运行程序。

三、车辆加速仿真试验

接下来我们尝试加速车辆，并在车速高于80kph时，紧急制动，要完成这个操作，只需要在我们的ABS小程序中，再自定义两个API函数即可，我们将这两个函数分别命名为acc和brake。

在acc中，我们操纵油门，此时需要到CarSim controller中拷贝输入变量名，throttle，cs->IMP_THROTTLE_ENGINE = 0.6;

在brake中，我们模拟驾驶员以150 bar的压力踩下制动踏板进行紧急制动，这就需要设置主缸压力为15MPa，我们设置一个全局变量 vPMC 来接收这个主缸压力，同时，还需要到全局定义中声明这个 vPMC。

为了对比有无ABS的制动效果，我们首先尝试没有ABS算法的情况，那么这个压力将直接作用在四个轮缸上，这里还需声明一个变量 vHasABS，默认为假。

接着来到step函数中，通过 vHasABS 来区分算法的执行与否，若没有执行算法，则直接赋值轮缸压力。

完成逻辑之后，我们需要观测轮速和压力，这些变量都来自于整车模型，如何观测呢？我们可以使用小程序的变量将其表达出来。

转到变量组上，点击右键添加变量表，依次输入车速，行驶距离，油门，各个轮速和各个压力值。点击确定后，一系列变量变申明好了，与全局定义不同的是，这些变量是系统变量，可以被其他小程序，或是被graphics或者面板等等窗口获取并自动绘制曲线。

我们回到step函数，需要依次对这些系统变量进行赋值，赋值使用set操作

v.set(cs->VX);

station.set(cs->STATION);

throttle.set(cs->IMP_THROTTLE_ENGINE);

vFL.set(cs->VX_L1);

vFR.set(cs->VX_R1);

vRL.set(cs->VX_L2);

vRR.set(cs->VX_R2);

pFL.set(cs->IMP_PBK_L1);

pFR.set(cs->IMP_PBK_R1);

pRL.set(cs->IMP_PBK_L2);

pRR.set(cs->IMP_PBK_R2);

随后运行程序，打开系统变量表，就可以看到我们为这个小程序添加的一系列监控变量。

我们打开graphics，将图形分为三栏，上栏显示速度，中栏显示压力，下栏显示油门和行驶距离等信息，随后添加各个系统变量进行观测。

再转到自动化模块中，将我们现有的逻辑做一些修改，也就是启动后等待车辆加速到80公里每小时，再进行制动，只有制动到车速为0时，才停止仿真。

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TSMasterHIL实时仿真系列3-脱离RT的车辆模型的实时仿真

zhang, yaping — Tue, 27 Sep 2022 07:43:27 +0000

本文介绍TSMaster HIL实时仿真系列第三章节。在了解如何自动生成ECU的嵌入式代码，并且集成到于TSMaster的实时运行环境中的基础上，来分享ECU算法如何进行数据层面的交互。

一、脱离RT的实时仿真

不论我们的ABS算法是处在TSMaster的小程序中，还是处在真实的ECU硬件中，它的运行必然都需要输入外部环境给它提供的轮速等信号，它的输出也必然要施加到外部的环境中，这里的外部环境就是指整车以及其他的控制器。很明显，我们需要一个整车模型来参与仿真的过程，通常意义上，这个整车模型就是CarSim的RT版本。

基于第一章节的实时性探讨，我们同样可以使用非RT版本的CarSim，而仅仅通过实时调用CarSim相关的API函数，将整车模型搬到个人电脑上来运行。

二、Carsim Controller

在这个例子中用到了我们专门为CarSim打造的CarSim Controller，它相当于CarSim的RT版本，具有在个人电脑上高精度的仿真车辆模型的能力。

我们首先通过CarSim Controller打开CarSim的自动化实例，选定CarSim中需要运行的车辆模型配置，在此我们同样使用的是对开路面，可以看到左侧是高附右侧是低附的洒水瓷砖。

我们再切换回CarSim Controller中，点击运行按钮，就可以实时的看到仿真的运行过程了。

当前我们看到车辆正在缓慢的前进，这是由于车辆处于怠速状态的缘故。我们切换到输入接口表中在这里可以浏览CarSim的流量接口变量，这相当于Simulink中的CarSim’s function inputs。我们过滤一下已经分配的接口变量，就可以看到我们预先配置的油门以及自动等输入。我们可以通过界面也可以通过API来实时控制这个车辆模型。

如果我们想要停止给油门，并且给左前轮施加自动压力，例如15兆帕的自动压力，切换到视频中可以看到左前轮抱死，而其他车轮还在正常的滚动，以上便是车辆动力学的手动控制功能。

三、TSMaster对模型的自动控制

我们当然可以通过TSMaster对车辆模型施加可重现的自动控制，这就需要TSMaster加载一个CarSim Controller的客户端，CarSim engine小程序库。

我们点开小程序库，可以看到CarSim engine的小程序库有一系列自动控制的API函数，他们负责完成CarSim车辆各类参数的自动修改、动力学模型实时控制等等一些列无人值守的自动化命令。从而实现仅仅使用个人电脑就可以执行CarSim RT等实时仿真的功能。而基于个人电脑直接运行HIL的好处是显而易见的，各类参数的配置和部署都在本地，对比传统HIL的部署可以说是瞬间完成。

而基于TSMaster的软件平台，我们就可以轻易的干预ECU算法中的任意变量。需要说明的是CarSim Controller仅仅是将一个动力学软件CarSim做到实时控制的千万种方法中的一种。基于此原理，同样可以实现Carmaker等等其他动力学软件的实时控制。

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TSMasterHIL实时仿真系列2-ECU代码生成与小程序集成

zhang, yaping — Tue, 27 Sep 2022 06:13:27 +0000

本章节介绍TSMaster从零打造车辆控制器HIL实时仿真系列第二章节。示例是我们亲手设计实时仿真也就是HIL的环节，为了让示例通俗易懂，我们选取了CARSIM自带的ABS控制器作为仿真的对象。

一、Simulink模型

1、我们打开CARSIM，然后选择Simulink模型，对开路面Multi-port SLX，这个示例使用的是一辆不带ABS系统的小轿车，它是前驱的配置。

2、我们来看procedure，也就是驾驶员控制的部分，初始的速度是65公里每小时，自动压力是15兆帕，在0.3秒内完成也就是我们常说的150bar，档位控制是在合理的范围内自动切换，而转向部分则交给驾驶员模型进行闭环控制。

3、路面部分为对开路面，从3米开始，一侧的系数是0.2，另外一侧是0.5，回到主页，点击Send to Simulink，等待Simulink启动完毕，Simulink模型则是今天的重点。

二、ABS控制算法

1、我们可以将这个控制算法生成嵌入式代码，下载到带ABS功能的ECU中运行，可以看到这个算法模型包含了一个CARSIM的S function作为车辆模型的接口，还有一个简化版本的基于漂移率的轮缸压力控制策略以及后轴低选策略，还有制动性模型中的制动力分配等等。

2、我们运行下这个模型，可以看到，这个轮速与车速的图形窗口中绘制了在对开路面上的ABS自动循环，而这个轮缸压力窗口中，则是四个车轮的轮缸压力控制曲线，这是一个简易版本的控制算法。制动力分配，也就是前轴压力比上后轴压力是1比0.4，很容易判断出，制动结束后，压力上升到15兆帕的两个车轮为前轮压力，而压力上升到6兆帕的是后轮压力。

三、RT的低成本替代方案

大家可能注意到在Simulink环境中，运行的时间是10秒，然而点击运行后实际上只用了很短的时间就跑完了整个仿真，说明此仿真的过程并不是实时的。Simulink所起的作用仅仅是按照每个step来执行算法，收集每个step产出的数据并将其绘制在图形窗口里而已。

如果我们想在ABS制动过程中像整车总线上面实时发送ABS激活的flag或者是轮缸压力值，这些都是无法做到的。而在拥有的CarSim RT版本的环境中，该模型可以被编译为dll，下载到实时系统中运行，从而实现模型算法与真实世界的交互，这个解决方案是目前被广泛采纳的仿真模式。各大主机厂和零部件厂所依赖的HIL仿真也是基于此方案展开。然而此方案存在两个问题：一是成本高，不但需要车辆动力学软件本身的license，还需要RT的license；二是部署的过程很浪费时间，在CarSim中修改参数之后需要重新部署，自动和程度不高。

而在本例中，我们通过TSMaster来模拟ABS算法，让ABS算法在TSMaster的实时环境中运行，运行过程中可以通过CAN接口或者是连接在个人电脑上的IO接口等等，与外部的世界进行交互，再通过自研的实时引擎接管CarSim的仿真过程实现车辆模型在电脑上的实时运行，如此我们便得到了RT的低成本替代方案——软件HIL。

四、ECU嵌入式代码&小程序

下面我们从零一步步基于TSMaster来搭建ABS算法的实时仿真环境。第一步是要通过Simulink将ABS的算法自动生成嵌入式代码，将它作为一个小程序运行在TSMaster的实时环境中。

1、我们首先将这个模型另存，然后需要修改路径，让代码的生成放置在这个新的路径中。

2、随后我们需要在模型上做一些修改让其可以生成嵌入式代码。首先就需要删除示波器等等一系列无用的控件，再删除CarSim的s function，将s function的接口转化为in 和 out。

3、为了正确的生成嵌入式代码，还需要在代码生成上做一番修改，打开配置，首先是stop time，设置为inf，然后是salvar，再次使用的是定步长，step我们使用了业界通用的5毫秒。

4、接下来来到代码生成的环节，Target file自然是ert，我们还需要转到interface，在这里将continuous time勾上，因为轮缸压力模型中间用到的是传递函数，是连续状态，随后按Ctrl+B生成代码，很快代码就生成完毕了。

5、那么在这份代码中，我们需要将ABS.c.h以及一些列的其他的头文件复制粘贴到TSMaster的小程序的文件夹中间参与编译过程。

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TSMasterHIL实时仿真系列1-实时仿真原理

zhang, yaping — Mon, 26 Sep 2022 08:46:53 +0000

实时仿真在汽车零部件的开发和测试中占据着重要地位，通常情况下，要实现实时仿真和硬件在环测试，免不了要和NI、Veristand、Dspace等等这些大牌的软件或者硬件产品打交道，这些产品的成本高昂，也有一定的准入门槛，并不利于大面积推广。而TSMaster的出现则打破了这样一个局面。

首先，解释一下实时仿真中的实时性，它不要求仿真速度要有多快，而是对仿真计算任务的返回结果的时刻提出了确定性的要求。比如ECU中的一个任务，它的执行周期是5毫秒，实时性对它的最基本要求便是这个任务必须在当前的5毫秒内执行完毕，而不能推迟到下一个5毫秒周期，这仅仅只是最基本的要求。因为ECU的处理器的计算资源有限，其中有众多不同周期的任务，都需要在指定时间内完成，这就是为何需要使用实时系统来执行仿真任务，实时系统完全模拟了ECU控制器的运行环境。

1、TSMaster的软实时能力

以需要仿真的1毫秒任务为例，此任务1秒内将运行1000次，以TSMaster的能力，可以将此任务的运行频率精确控制在1000赫兹，甚至更高。比如我们将这个报文的周期改为1毫秒，那么我们可以看到这帧报文的频率就变成了1000帧每秒。

在频率正确的情况下，下一步要做的就是通过数学的方法统计每次任务的时间点的命中情况。例如，在一个任务将要执行的1毫秒时刻的正负20%的时间范围内得以运行完毕，则认为此任务的这一次运行成功命中。整个仿真过程结束后，我们就可以得到一个命中率，比如97%，这意味着平均每100次的任务运行只有3次因为时机的不确定性带来了误差，那么我们完全可以将命中率的大小作为一个评价实时仿真结果与预期结果的相似度的依据。命中率越高，仿真效果越好，这个算法就是TSMaster软件的HIL的基础。

2、TSMaster定时功能-参与仿真测试

我们可以打开TSMaster的系统信息窗口，转到诊断信息这一栏，有一个软件性能测试工具，它可以评估TSMaster内置的定时器的性能，默认是8毫秒的定时周期，容忍误差是10%。这意味着定时的偏差极限是0.8毫秒，也就是定时时刻在7.2毫秒到8.8毫秒之内都是可以接受的。

我们可以直接点击“性能评估”按钮，就可以看到实测结果了。中间是实测结果的平均值，左侧是周期的最小平均值，右侧是周期的最大平均值，还附带了一个误差比例为1.%几。

接下来，我们打开任务管理器，可以看到这是我们TSMaster的进程，在5%这样低的误差比例下，TSMaster CPU占用率也是相当低的，这足以说明TSMaster软件本身的优越性能。这意味着使用大多数情况下，使用TSMaster的定时功能就可以直接参与实时仿真，无需再做更多的布置。

3、同星硬件的实时性

我们以一个简单的报文收发的示例来验证一下TSMaster的实时性，首先创建一个全新的工程，我们选择总线测量模板，在这个工程中我们选择TC1005硬件作为我们的软件世界与真实世界的沟通桥梁。

打开通道选择器，选择两个TC1005的通道，在此之前这两个通道已经通过CAN线互相连接在一起。这就意味着我们在其中一个通道上发送数据，另一个通道就可以接收到。

接着我们启动仿真，打开发送窗口发送一条报文，选择5毫秒的周期，也就是1秒发送200帧，可以看到TRACE窗口上面帧率是200，然后切换到图形窗口，添加帧率统计的系统变量，可以看到帧率也是在200上下，变化幅度很小。

当然这只是软件层面上的帧率统计。接下来我们看看现实世界是否相同。需要使用示波器来观察报文统计帧的频率和误差，在这里我们已经准备好了PicoScope。在此之前这个示波器的通道1已经链接到CAN总线上，且测量的是差分信号，也就是表笔，接CAN高地接CAN低。

我们将尺度缩放到5毫秒1格，可以看到持续变化的波形，接着我们设置一个简单触发，触发点放在第一个格子上，我们可以看到在每一个格子的虚线处都有一帧报文，这就意味着我们此时的软件在尽量的保证报文出现在每一个5毫秒的一个间隔上。

接着我们测量频率，测量频率需要保证的是有足够的采样范围，我们换到10毫秒1格，那么可以看到基本上一个格子中间有两帧报文，在总体情况下保证了200帧每秒的一个频率范围。那么我们在这个时候增加测量，可以看到这个时候的频率是200赫兹，和我们软件上的帧率是完全相符的。这也就验证了TSMaster软件的一个实时性。基于这样的实时性，我们就可以通过操纵总线数据发送的方法来执行实时仿真，甚至是HIL仿真。

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