汽车HiL测试：利用TS-GNSS模拟器掌握硬件性能的仿真艺术

news2024/11/26 17:17:56

一、汽车HiL测试的概念

硬件在环（Hardware-in-the-Loop，简称HiL）仿真测试，是模型基于设计（Model-Based Design，简称MBD）验证流程中的一个关键环节。该步骤至关重要，因为它整合了实际操作中将使用的全部硬件与软件资源。HiL测试通常位于现场试验之前，是模型在环（Model-in-the-Loop，简称MiL）、软件在环（Software-in-the-Loop，简称SiL）或处理器在环（Processor-in-the-Loop，简称PiL）测试之后的最终阶段。HiL仿真不仅能够针对单个被测设备（Device Under Test，简称DUT）进行精确测试，而且还能对由多个被测设备构成的复杂系统进行全面的测试与验证。

在整个测试流程中：

MiL（Model-in-the-Loop）模型在环：在PC上基于模型的测试，它的输出是经过验证的控制算法模型，其作用是验证控制算法模型是否准确地实现了功能需求。
SiL（Software-in-the-Loop）软件在环：将模型生成代码或者手工编写代码，编译成PC程序，在PC上的测试。它的输出是经过验证的嵌入式代码，其作用是在PC上验证代码实现的功能是否与模型一致。
PiL（Processor-in-the-Loop）处理器在环：将代码编译成目标系统程序，然后在PC上虚拟目标硬件环境，并进行测试。它的输出是经过验证的目标程序，其作用是在目标处理器上验证代码实现的功能是否与模型一致。

而HiL（Hardware-in-the-Loop）硬件在环仿真测试系统是采用实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象（比如：汽车、飞机等设备）的运行状态，以此判断电控模块的性能。虽然这一系列的测试都有在环（in the loop）的意思，但是却不是全部的被测模块都带有闭环的。比如接收到某信号要用于车辆的车灯控制，这种情况下我们就不需要闭环，但是如果在自动驾驶的HiL测试中，想使用GNSS模拟器测试汽车运行是否正常，就需要把自动驾驶仪的信息返回到GNSS模拟器中形成闭环，再进行下一个轨迹的模拟。

在HiL测试中，一般根据它在环的深度分为几个层级：

ECU级：也可以称之为信号级，仅仅ECU软硬件采用实物，闭环回路的其他组成部分均采用虚拟仿真系统；
EPP级：也可以称之为驱动级，EPP是Electrical Power Package的缩写， ECU及执行机构采用实物，闭环回路的其他组成部分采用虚拟仿真系统；
System级：也可以称之为机械级，系统组件采用实物，闭环回路其他组成部分采用虚拟仿真系统；

总的来说，HiL测试系统主要由三个基本部分组成，分别是实时处理器、I/O接口和可视化的操作界面，其中实时处理器是整个HiL测试系统的核心部分。实时处理器运行场景，发送信号，被测电控模块收到后对受控对象做出相应的控制，以此判断电控模块的性能。通过I/O接口与被测的设备/模块连接，对被测系统进行全方面的、系统的测试，如下图：

二、HiL测试的意义

HiL仿真测试可以使得工程师了解硬件在现实世界中的性能，而无需将其带到户外测试：

提高测试效率：用更短的时间内完成现实中可能需要驾驶数万公里才能完成的测试内容
提供丰富的测试功能并实现测试平台的复用性，实现可复制可复用的测试流程
规避车辆上路测试的法律法规与申请流程
测试天气、环境等不同需求下的边缘与极端情况
极大的节省了时间和经济成本
仿真场景下安全性较高

三、GNSS仿真在HiL测试中的作用

在闭环体系结构中，仿真系统的延迟是一个关键参数。理想情况下，任何轨迹修改都应立即反映在GNSS接收器的RF输入上。

GNSS是汽车HiL测试的重要组成部分，为了准确安全地实现车辆定位与导航，现在的车辆都会使用多个传感器以及复合定位导航技术，因此需要进行传感器融合测试确保结果安全可靠。

GNSS 系统在传感器融合中发挥着至关重要的作用，GNSS 是一辆车上唯一可以提供绝对位置与绝对时间的传感器，且不受光照、地理位置、天气状况的影响。

GNSS接收机不是作为一个独立的设备进行测试，而是与其他模拟器、设备和传感器集成，存在两种类型的HiL架构。

开环结构：在这种结构中，GNSS接收器（和一般的传感器）的输出不用于控制车辆的轨迹。因此，它是由用户强加的，不一定是确定性的，因为它可以实时更新。这可能是飞行模拟器的情况，其中轨迹是由用户现场驾驶并发送给GNSS模拟器的。
闭环结构：在这种结构中，GNSS接收器（和一般的传感器）的输出被用于导航算法，该算法更新控制车辆的执行器。执行器的输出被用来更新发送到GNSS模拟器的车辆位置。在这种情况下，GNSS接收器计算出的位置对模拟轨迹有直接影响，因此对广播给GNSS接收器的射频信号也有影响。