La possibilità di inserire componenti e sistemi in un loop di test e simulazione è determinante nello sviluppo di nuovi veicoli dalle funzionalità sempre più avanzate.
La simulazione software è una tecnologia estremamente importante nella progettazione e nello sviluppo delle automobili perché consente di emulare e quindi prevedere il comportamento dei componenti, sistemi e persino dell’intero autoveicolo, grazie a un modello virtuale individuale o ad un insieme di modelli virtuali assemblati a formare l’intero veicolo. La possibilità di simulare un particolare, un componente o una macchina accorcia i tempi di sviluppo e facilita il successivo testing finalizzato al collaudo, alla validazione e alla produzione; senza contare che consente agli ingegneri di testare in sicurezza tutto l’hardware in un laboratorio e mettersi al riparo dai rischi derivanti da errori di progettazione che nell’ambiente reale potrebbero costare un incidente. Per capire ciò è sufficiente immaginare cosa succede se un sistema di sterzo By-Wire fallisce l’esecuzione di un comando o il firmware della relativa unità elettronica di gestione “va in crash”: se ciò accade su un’auto che circola in strada può verificarsi un incidente anche fatale, mentre se la cosa si verifica in un ambiente di simulazione, tutto finisce con un blocco del sistema e il riscontro del relativo problema da parte dei tecnici, che tutt’al più saranno chiamati a un’operazione di debug più o meno impegnativa.
Inoltre, la simulazione accelera i test perché non c’è bisogno di percorrere materialmente centinaia di migliaia di km per verificare affidabilità e robustezza dei componenti, in quanto da software è possibile virtualizzare anche quello. E soprattutto abbassa i costi di sviluppo perché le analisi e e prove non richiedono la costruzione di un prototipo fisico.
In questo contesto, da qualche anno si sta facendo strada una modalità di simulazione e test chiamata HIL (Hardware In the Loop) basata sull’introduzione di uno o più componenti hardware reali nel sistema hardware/software di simulazione; ciò permette di evitare di implementare un “gemello digitale” del componente o del sistema da testare e simulare e soprattutto permette di vedere realmente come il componente o sistema fisico reagisce, evitando le limitazioni e i costi di implementazione del modello software. Insomma, l’Hardware In The Loop permette agli sviluppatori di inserire nell’anello di test e simulazione l’elemento reale e vedere come si comporta in tutti gli scenari che è possibile simulare, con la certezza che quello rilevato sarà il comportamento una volta installato a bordo del veicolo di destinazione. L’unica condizione è che il componente o sistema sia gestito o interfacciato elettronicamente, meglio se con link e I/O standard.
In campo automotive è possibile operare l’HIL con molti componenti e soprattutto sistemi di bordo vitali come il servosterzo, l’impianto frenante, ma anche apparati destinati all’ADAS.
In questo contesto opera un’azienda italiana -Meccanica 42- che sviluppa ed ha esposto all’ultima edizione di Automotive Testing Expo alla Fiera di Stoccarda (cui tornerà dal 20 al 22 di questo mese) sistemi di test e simulazione con la possibilità di introdurre in una piattaforma virtuale degli elementi del tutto simili a quelli in uso nelle moderne automobili. In particolare, ha creato un ambiente e una Stazione di simulazione nella quale è possibile integrare l’hardware, fornendo ai progettisti la possibilità di interagire con sistemi altrimenti inaccessibili e consentendo di sviluppare ogni concetto funzionale su veicoli reali, sia civili, sia nell’ambito del Motorsport.
Ma non solo: similmente a quanto avviene in altre piattaforme adottate dalle case automobilistiche (per esempio quelle di Ansible Motion e Vektor Informatik) con la Stazione di simulazione è possibile introdurre un conducente umano nell’anello di simulazione, implementando quello che si chiama tecnicamente DIL (Driver In The Loop) in modo da far interagire e vedere come si comporta una persona alla guida di un veicolo emulato dal software e da una serie di sensori e attuatori, con gli stessi vantaggi benefici dell’Hardware In the Loop.
La stazione di simulazione
Si tratta di una piattaforma che connette i dispositivi del veicolo a un ambiente di simulazione virtuale, combinandoli e integrandoli, per implementare sistemi cui è possibile aggiungere o togliere hardware. Questo “banco di prova” consente di accelerare i processi di sviluppo simulando percorrenze fino a 1 milione di km all’anno, che nella pratica costerebbero enormi sforzi e risulterebbero praticamente irrealizzabili.
I moduli (banchi di prova) inseribili nel loop della stazione di simulazione sono:
- un sistema di sterzo By-Wire (EPSiL) il cui hardware è componibile con una steering column ed un robot sterzante utilizzati insieme o distintamente;
- un sistema frenante (BrakeiL) il cui hardware è componibile con un pedale freno sensorizzato e un attuatore con dispositivi di frenatura utilizzati insieme o distintamente;
- un simulatore della rotazione delle quattro ruote (WSE);
- una telecamera per ADAS (CamiL).
A questa configurazione base possono essere aggiunti altri moduli secondo le esigenze di progetto e la configurazione desiderata del veicolo in fase di sviluppo. La stazione prevede anche un posto guida (cockpit) dove si trovano i comandi base di un’automobile reale, ossia volante, pedale del freno ecc. (Figura 1).
Lo sterzo virtuale
Il modulo o “banco” di sterzo EPSiL (Electric Power Steering in the Loop) è un sottosistema composto da una colonna di sterzo con volante contenente sensori di angolo e coppia di sterzata che trasmettono alla stazione di simulazione le intenzioni del conducente, nonché da un attuatore motorizzato che sviluppa resistenza alla manovra del conducente in rapporto allo sforzo rilevato durante l’attuazione della sterzata; quest’ultima può essere effettuata meccanicamente con una vera scatola guida a cremagliera, oppure tramite un elettroattuatore che agisce su una scatola guida e sui tiranti di sterzo.
La comunicazione con la Stazione di simulazione avviene tramite Ethercat, CAN, Flexray, questi ultimi due molto utilizzati in automotive.
La colonna di sterzo può essere introdotta in un loop di simulazione totalmente virtuale che interagisce con il conducente eseguendone le azioni e simulandone gli effetti tramite il computer; ma è anche possibile abbinarla allo specifico modulo attuatore motorizzato (SR, ossia Steering Robot) che attua, con la mediazione del computer, le azioni corrispondenti e che ritrasmette il ritorno di forza al computer stesso affinché lo restituisca al conducente mediante l’attuatore di feedback aptico posto sulla colonna di sterzo, che ricrea la sensazione che il conducente percepisce della strada tramite il volante.
L’hardware EPSiL consente il test in tempo reale di sistemi di sterzo completi rispettando la cinematica del veicolo e mentre il conducente, attraverso il volante, interagisce con il modello virtuale del veicolo.
Il test correlato è adatto per sviluppare, mettere a punto e validare le funzioni di sterzo relativamente a dinamica del veicolo, coppia di assistenza alla sterzata, ritorno di forza dello sterzo, integrazione in ADAS e guida autonoma, oltre che alla compliance FuSa/SOTIF.
FuSa è l’area di un sistema o apparato hardware/software che garantisce l’assenza di difetti intrinseci o possa attivare automaticamente protezioni in risposta a guasti prevedibili per evitare rischi inaccettabili e prevedibili di lesioni o danni alla salute delle persone. SOTIF riguarda invece accorgimenti atti ad evitare rischi non prevedibili dovuti a comportamenti potenzialmente pericolosi correlati a insufficienze o carenze funzionali.
Lo Steering Robot è un attuatore di sterzo a trasmissione diretta, vale a dire motore elettrico pilotato dalla EPSiL tramite hardware dedicato, che può essere utilizzato in combinazione con un’unità TA (Torque Actuator) per azionare materialmente la cremagliera dello sterzo e ricevere un feedback di sterzo reale tramite lo strumento Virtual Column.
Lo Steering Robot fa ciò che farebbero le mani del conducente e può essere utilizzato anche individualmente come attuatore; in tal caso fornisce le coppie di sterzo stimate da modelli di veicoli virtuali in esecuzione nel computer e riceve gli input da modelli di simulazione della colonna di sterzo. La Figura 2 propone l’EPSiL con lo Steering Robot applicato al volante in sostituzione del conducente.
Infine, l’SR può anche essere utilizzato per studiare le funzioni di sterzo nell’ADAS e nella guida autonoma; in quest’ultimo contesto il software di simulazione di una certa configurazione di guida autonoma (AD) eseguito nel computer provvede a impartire all’attuatore di sterzo (ossia il Torque Actuator) i comandi per eseguire una determinata sterzata e verificarne la reazione.
Simulazione del sistema frenante
Il modulo BrakeiL implementa un modello di sistema frenante ed è sostanzialmente un banco di test per sistemi frenanti completi comprendenti, in base alla configurazione del veicolo in simulazione, il pedale del freno sensorizzato, il servofreno (pneumatico, elettrico, elettromeccanico) il cilindro maestro della frenatura idraulica, il modulo ESC (controllo elettronico della stabilità o ESP che dir si voglia) e via di seguito.
Nella forma “minima” il BrakeiL consiste almeno in un pedale del freno sensorizzato con un sensore di corsa e dotato di un attuatore di feedback che ostacola la pressione in proporzione allo sforzo frenante virtualmente esercitato sui dispositivi di frenatura (Figura 3). Il sensore costituisce l’input del sistema, che può essere utilizzato per far interagire il conducente con il software di simulazione in un ambiente totalmente virtuale, ma anche con un impianto frenante fisico attraverso la mediazione del computer. Nel primo caso il feedback proviene dal modello software, mentre nel secondo, pur essendo mediato da software, nasce nell’impianto frenante fisico.Quest’ultimo blocco costituisce la seconda parte del BrakeiL e contiene dei freni a disco reali con pinze idrauliche, freni a tamburo e un’elettropompa (Figura 4) che genera la pressione di frenatura sulla base dei segnali che il simulatore elabora dopo aver ricevuto la richiesta di frenata attraverso il pedale del freno sensorizzato; al pedale restituisce, sempre attraverso il software di simulazione, un feedback sulla forza frenante corrispondente alla pressione idraulica, ovvero se è poca ostacola solo leggermente la pigiata, mentre quando è molta sviluppa notevole resistenza sul pedale.
La pressione idraulica di frenatura viene generata direttamente da un cilindro maestro elettroattuato e tutte le funzioni del sistema frenante (ABS, ESC, ecc.) sono eseguite fisicamente dai dispositivi in prova (DUT) che ricevono i segnali di velocità grezzi da un dispositivo emulatore del sensore di velocità delle ruote M42 (WSE) e la comunicazione con il veicolo virtuale avviene tramite il protocollo EtherCAT.
Il modulo HIL BrakeiL consente di sviluppare, mettere a punto e validare le funzioni di frenata relativamente alla cinematica del veicolo, all’integrazione in ABS/ESC, alle funzioni ADAS/AD, FUSA/SOTIF e al ritorno di forza verso il conducente.
Nella modalità con conducente il pedale del freno e i dispositivi di frenatura sono interfacciati dal computer attraverso il software di simulazione, nello stesso luogo; è tuttavia prevista una modalità remota, per svolgere il test in cui vengono eseguite fisicamente le azioni richiesta dal conducente anche se quest’ultimo si trova in un luogo differente da quello in cui è collocato il blocco contenente i dispositivi di frenatura.
Quanto al WSE, è un circuito elettronico interfacciato tramite LAN EtherCAT (100 Mbps) o CAN-Bus (data-rate fino a 1 Mbps) che simula i segnali dei sensori dell’ABS per quattro ruote indipendentemente; è proposto nella Figura 5 dalla quale si vedono i sei connettori, quattro per le uscite di simulazione della velocità, uno per la connessione dati e l’altro per l’alimentazione.
L’elettronica del modulo può essere programmata affinché i segnali siano generati in base a parametri impostabili dall’esterno come il raggio della ruota, il numero di denti della ruota fonica virtuale, i bit di dati contenuti in ciascuna stringa del protocollo di comunicazione; inoltre supporta l’AK protocol, che è un protocollo di comunicazione master-slave (basato su RS232 o Ethernet) utilizzato nel testing automotive per la comunicazione tra il banco di prova e gli analizzatori.
Camera in the loop
Il modulo CamiL può essere integrato con EPSiL e BrakiL per testare l’interazione con il veicolo in ottica ADAS. Il CamiL mostra alla telecamera anteriore uno scenario virtuale attraverso un sistema di lenti e monitor e ad esso possono essere abbinati, nel modello di simulazione, sensori virtuali che completano il set di dispositivi di rilevamento per eseguire tutte le funzionalità ADAS formali.
Questo modulo consente l’esecuzione di test in tempo reale di qualsiasi funzione di guida assistita associata a una telecamera, come ad esempio Lane Keeping, AEB, ACC, ecc. o semplicemente la riproduzione accurata del campo visivo della telecamera, allo scopo di calibrare la telecamera dell’ADAS del veicolo in simulazione.
Il protocollo di comunicazione con il veicolo virtuale è in real-time e i link disponibili sono CAN e Flexray.
