ハードウェアインザループシミュレーション

ハードウェアインザループ( HIL )シミュレーションは、 HiL、HITL、HWILなどのさまざまな頭字語でも知られ、複雑なリアルタイム組み込みシステムの開発とテストで使用される手法です。HIL シミュレーションは、プラントと呼ばれるプロセスアクチュエータシステムの複雑さをテストプラットフォームに追加することで、効果的なテストプラットフォームを提供します。制御下のプラントの複雑さは、関連するすべての動的システムの数学的表現を追加することで、テストと開発に組み込まれます。これらの数学的表現は「プラントシミュレーション」と呼ばれます。テスト対象の組み込みシステムは、このプラントシミュレーションと対話します。

HIL シミュレーションには、センサーとアクチュエーターの電気的エミュレーションを含める必要があります。これらの電気的エミュレーションは、プラント シミュレーションとテスト対象の組み込みシステム間のインターフェイスとして機能します。電気的にエミュレートされた各センサーの値は、プラント シミュレーションによって制御され、テスト対象の組み込みシステムによって読み取られます (フィードバック)。同様に、テスト対象の組み込みシステムは、アクチュエーター制御信号を出力することで制御アルゴリズムを実装します。制御信号が変化すると、プラント シミュレーションの変数値も変化します。

例えば、自動車のアンチロックブレーキシステムの開発のためのHILシミュレーションプラットフォームでは、プラントシミュレーション内の次のサブシステムごとに数学的表現を持つ場合があります。^[1]

• サスペンション、ホイール、タイヤ、ロール、ピッチ、ヨーなどの車両ダイナミクス。
• ブレーキシステムの油圧コンポーネントのダイナミクス。
• 道路の特徴。

多くの場合、組み込みシステムを開発する最も効果的な方法は、組み込みシステムを実際のプラントに接続することです。他の場合には、HIL シミュレーションの方が効率的です。開発とテストの効率の指標は、通常、次の要素を含む式です。1. コスト 2. 期間 3. 安全性 4. 実現可能性

アプローチのコストは、すべてのツールと労力のコストの尺度となる必要があります。開発とテストの期間は、計画された製品の市場投入までの時間に影響します。安全係数と開発期間は通常、コストの尺度に相当します。HIL シミュレーションの使用を正当化する特定の条件は次のとおりです。

• テストの質の向上
• 厳しい開発スケジュール
• 高負荷率プラント
• 初期プロセスのヒューマンファクター開発

HIL を使用すると、テストの範囲が拡大し、テストの品質が向上します。組み込みシステムは実際のプラントに対してテストされるのが理想的ですが、ほとんどの場合、実際のプラント自体がテストの範囲に関して制限を課します。たとえば、エンジン制御ユニットを実際のプラントとしてテストすると、テスト エンジニアにとって次のような危険な状況が生じる可能性があります。

• 特定の ECU パラメータ (エンジン パラメータなど) の範囲内またはその範囲を超えたテスト
• 故障時のシステムのテストと検証

上記のテスト シナリオでは、HIL は、テスト エンジニアまたはアプリケーション エンジニアがコントローラーの機能に集中できる効率的な制御と安全な環境を提供します。

ほとんどの新しい自動車、航空宇宙、防衛プログラムに関連する厳しい開発スケジュールでは、プロトタイプが利用可能になるまで組み込みシステムのテストを待つことはできません。実際、ほとんどの新しい開発スケジュールでは、プラントの開発と並行して HIL シミュレーションを使用することが想定されています。たとえば、新しい自動車エンジンのプロトタイプが制御システムのテストに利用可能になるまでに、エンジン コントローラーのテストの 95% が HIL シミュレーションを使用して完了していることになります^{[引用が必要]}。

航空宇宙および防衛産業では、厳しい開発スケジュールが課される可能性がさらに高くなります。航空機および陸上車両の開発プログラムでは、デスクトップおよび HIL シミュレーションを使用して、設計、テスト、統合を並行して実行しています。

多くの場合、プラントは高忠実度のリアルタイム シミュレータよりも高価であるため、負荷率も高くなります。したがって、実際のプラントよりも HIL シミュレータに接続して開発およびテストする方が経済的です。ジェット エンジン メーカーにとって、HIL シミュレーションはエンジン開発の基本的な部分です。航空機ジェット エンジン用のフル オーソリティ デジタル エンジン コントローラー (FADEC) の開発は、負荷率の高いプラントの極端な例です。ジェット エンジン 1 基あたりのコストは数百万ドルに上ります。対照的に、ジェット エンジン メーカーのエンジン ライン全体をテストするように設計された HIL シミュレータは、1 基のエンジンのコストのわずか 10 分の 1 で済む場合があります。

HIL シミュレーションは、ソフトウェア人間工学、ヒューマン ファクターの研究と設計を使用して使いやすさとシステムの一貫性を確保する方法であるヒューマン ファクターの開発プロセスにおける重要なステップです。リアルタイム テクノロジーの場合、ヒューマン ファクターの開発とは、ヒューマン インターフェイスを持つコンポーネントのマンインザループ テストから使いやすさのデータを収集するタスクです。

ユーザビリティ テストの一例として、フライ バイ ワイヤ フライト コントロールの開発が挙げられます。フライ バイ ワイヤ フライト コントロールでは、フライト コントロールと航空機の操縦翼面との間の機械的な連結が不要になります。センサーは要求された飛行応答を伝え、モーターを使用してフライ バイ ワイヤ コントロールに現実的な力のフィードバックを適用します。フライ バイ ワイヤ フライト コントロールの動作は、制御アルゴリズムによって定義されます。アルゴリズム パラメータの変更は、特定のフライト コントロール入力からの飛行応答の増減につながります。同様に、アルゴリズム パラメータの変更は、特定のフライト コントロール入力に対する力のフィードバックの増減につながることもあります。「正しい」パラメータ値は主観的な尺度です。したがって、最適なパラメータ値を取得するには、多数のマンインザループ テストからの入力を取得することが重要です。

フライバイワイヤ飛行制御の開発の場合、HIL シミュレーションを使用して人的要因をシミュレートします。フライト シミュレーターには、空気力学、エンジン推力、環境条件、飛行制御ダイナミクスなどのプラント シミュレーションが含まれます。プロトタイプのフライバイワイヤ飛行制御がシミュレーターに接続され、テスト パイロットがさまざまなアルゴリズム パラメータを指定して飛行パフォーマンスを評価します。

ヒューマンファクターとユーザビリティの開発における HIL シミュレーションの代替手段は、初期の航空機プロトタイプにプロトタイプの飛行制御を配置し、飛行テスト中にユーザビリティをテストすることです。このアプローチは、上記の 4 つの条件を測定するときには失敗します。 コスト:飛行テストは極めてコストがかかるため、飛行テストで発生する開発を最小限に抑えることが目標です。 期間:飛行制御を飛行テストで開発すると、航空機開発プログラムの期間が延長されます。HIL シミュレーションを使用すると、実際の航空機が利用可能になるかなり前に飛行制御を開発できます。 安全性:飛行制御などの重要なコンポーネントの開発に飛行テストを使用すると、安全性に大きな影響があります。プロトタイプの飛行制御の設計にエラーが存在すると、 不時着につながる可能性があります。実現可能性:実際のユーザーがプラントを操作する場合、特定の重要なタイミング (ミリ秒精度のユーザーアクションのシーケンスなど) を調査できない場合があります。

自動車用途の文脈では、「ハードウェアインザループシミュレーションシステムは、システムの検証と確認のための仮想車両を提供します。」^[2]エンジン管理システムのパフォーマンスと診断機能を評価する車載運転テストは時間がかかり、高価で再現性がないことが多いため、HILシミュレータを使用すると、開発者は品質要件と市場投入までの時間制限を尊重しながら、新しいハードウェアおよびソフトウェアの自動車ソリューションを検証できます。一般的なHILシミュレータでは、専用のリアルタイムプロセッサがエンジンダイナミクスをエミュレートする数学モデルを実行します。さらに、I/Oユニットにより、車両センサーとアクチュエータ（通常は高度な非線形性を示す）を接続できます。最後に、テスト対象の電子制御ユニット（ECU）がシステムに接続され、シミュレータによって実行される一連の車両操作によって刺激されます。この時点で、HILシミュレーションはテストフェーズ中に高度な再現性も提供します。

文献では、いくつかの HIL 固有のアプリケーションが報告されており、特定の目的に応じて簡略化された HIL シミュレータが構築されています。^{[1] [3] [4]}たとえば、新しい ECU ソフトウェア リリースをテストする場合、実験はオープン ループで実行できるため、複数のエンジン ダイナミック モデルは不要になります。この戦略は、制御された入力によって励起されたときの ECU 出力の分析に制限されます。この場合、マイクロ HIL システム (MHIL) は、よりシンプルで経済的なソリューションを提供します。^[5]モデル処理の複雑さが排除されるため、フルサイズの HIL システムは、信号発生器、I/Oボード、および ECU に接続されるアクチュエータ (外部負荷) を含むコンソールで構成されるポータブル デバイスに縮小されます。

レーダーシステムの HIL シミュレーションは、レーダー妨害から発展しました。デジタル無線周波数メモリ(DRFM) システムは、通常、戦場でレーダーを混乱させるために偽のターゲットを作成するために使用されますが、これらの同じシステムを使用して、実験室でターゲットをシミュレートできます。この構成により、レーダー システムのテストと評価が可能になり、飛行試験 (航空機搭載レーダー システムの場合) やフィールド テスト (捜索または追跡レーダーの場合) の必要性が減り、レーダーが電子戦(EW) 技術に対して脆弱であるかどうかを早期に把握できます。

HILシミュレーションの技術は、最近、ロボットの複雑なコントローラの自動生成に適用されています。ロボットは、自身の実際のハードウェアを使用して感覚と作動データを抽出し、このデータを使用して、自身の形態や環境の特性などの側面を含む物理シミュレーション（自己モデル）を推測します。このコンテキストでは、Back-to-Reality ^[6]（BTR）やEstimation Exploration ^[7]（EEA）などのアルゴリズムが提案されています。

近年、電力システム向けHILは、大規模電力網の安定性、動作、耐障害性の検証に使用されています。現在の世代のリアルタイム処理プラットフォームは、大規模な電力システムをリアルタイムでモデル化する機能を備えています。これには、関連する発電機、負荷、力率改善装置、ネットワーク相互接続を備えた10,000を超えるバス​​を備えたシステムが含まれます。^[8]これらのタイプのシミュレーションプラットフォームにより、現実的なエミュレート環境で大規模な電力システムの評価とテストが可能になります。さらに、電力システム向けHILは、分散リソース、次世代SCADAシステムと電力管理ユニット、静的同期補償装置の統合の調査にも使用されています。^[9]

海洋工学では、制御システムと機械構造は通常並行して設計されます。制御システムのテストは統合後にのみ可能です。その結果、試運転中に解決しなければならないエラーが多数見つかり、人身事故、機器の損傷、遅延のリスクがあります。これらのエラーを減らすために、HILシミュレーションが広く注目を集めています。^{[10]これは、} Det Norske Veritas規則でのHILシミュレーションの採用に反映されています。^[11]

• ハードウェアインザループ シミュレーションの概要。