Nền tảng mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL), viết tắt là HIL, đề cập đến một hệ thống mô phỏng vòng kín trong đó “phần cứng” đại diện cho thiết bị đang được thử nghiệm, chẳng hạn như bộ điều khiển phương tiện (VCU), bộ điều khiển động cơ (MCU), bộ điều khiển thân xe mô-đun (BCM) và các thành phần phần. “ Vòng Lặp” đề cập ở đây là một vòng lặp khép kín, hoàn chỉnh trong đó bộ điều khiển nhận trạng thái của đối tượng được điều khiển, đưa ra lệnh và sau đó gửi lại các lệnh này dựa trên phản hồi từ đối tượng được điều khiển. Với vòng lặp như vậy, có thể mô phỏng và kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển trong các trạng thái và điều kiện khác nhau của đối tượng được điều khiển, đánh giá chức năng cũng như độ tin cậy và khả năng tương thích của nó với các yêu cầu liên quan.

Khái niệm

Hardware-in-the-Loop (HIL)- Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp là công nghệ đang phát triển nhanh chóng và thường được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô. Ứng dụng của nó từ công cụ nguyên mẫu điều khiển đến các mô hình hệ thống, mô phỏng và các mô hình tổng hợp. Các thành phần lý thuyết và thực hành của khóa học được thiết kế theo cách mà các chức năng của một ứng dụng ô tô được xây dựng, bằng cách tiếp cận thiết kế dựa trên mô hình, trong đó mô phỏng HIL đóng vai trò quan trọng. Trong hầu hết các tình huống thực tế, thiết kế phần mềm nhúng phải bắt đầu sớm (cũng như được thử nghiệm) trước khi các nguyên mẫu và hệ thống vật lý được sản xuất. Sử dụng các quy trình thiết kế truyền thống, việc phát hiện các lỗi thiết kế và những yêu cầu phát sinh trong quá trình thiết kế có thể dẫn đến những trì hoãn tốn kém. Thiết kế dựa trên mô hình(Model-based definition-MBD) giúp giải quyết những vấn đề này ngay từ giai đoạn thiết kế, đồng thời giảm thiểu đáng kể công việc phải chỉnh sửa lại trong các giai đoạn sau của vòng đời sản phẩm [1][7]. Có nhiều biến thể của quy trình thiết kế dựa trên , và các hoạt động MBD được tích hợp trong quy trình sẽ phụ thuộc vào bản chất của hệ thống đang được thiết kế, phần cứng mà hệ thống đang điều khiển và môi trường mà hệ thống hoạt động. Hình 1 là một quy trình MBD, bao gồm cả các hoạt động kiểm tra thời gian thực chính và nguyên mẫu điều khiển nhanh (RCP) cũng như mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL).

Khóa học bao gồm một nền tảng cho cơ sở mô phỏng engine-in-the-loop (EIL) tiên tiến, nhấn mạnh việc sử dụng mô phỏng HIL cho đánh giá thử nghiệm cấp hệ thống của các ứng dụng truyền động. Các ứng dụng truyền động được chia thành nhiều mô-đun con và mỗi mô-đun được xác minh cho các giai đoạn khác nhau của MBD, bao gồm Model-in-the-loop (MIL), Software-in-the-loop (SIL), và Processor-in-the-loop (PIL) và cuối cùng là các kỹ thuật mô phỏng Hardware-in-the-loop (HIL). Công cụ hỗ trợ được sử dụng cho việc triển khai này là MATLAB/SIMULINK từ MATHWORKS. Thông qua phương pháp này, sinh viên đã có thể đạt được các kĩ năng cần thiết cho ngành công nghiệp ô tô, cả về mặt kỹ thuật lẫn chuyên môn[2][5]. Các sinh viên đã sẵn sàng cho ngành công nghiệp, và hầu hết các doanh nghiệp đã tuyển dụng họ qua các buổi tuyển dụng tại trường và đưa đưa họ vào làm việc. Việc tuyển dụng trong ngành công nghiệp ô tô cũng tăng lên, điều này đã tạo ra sự quan tâm ở sinh viên tham gia vào các cuộc thi khác nhau và nhiều sinh viên cũng đã chọn hệ thống nhúng ô tô làm lĩnh vực học cao hơn của họ. Mô phỏng HIL được tích hợp trong khóa học điện tử ô tô đã góp phần trang bị kiến thức cho sinh viên sẵn sàng cho ngành công nghiệp này.

Mục đích

Mục đích tổng thể của các công cụ kiểm tra HIL là xác minh và xác thực rằng các mẫu ô tô đã hoạt động như mong muốn. Từ góc độ tổ chức, quy trình này giúp tăng tốc phát triển sản phẩm và giảm thiểu các chi phí tiềm ẩn do lỗi hoặc hư hỏng phần cứng.

Việc kiểm tra này mang lại lợi ích cho toàn bộ quy trình phát triển vòng đời sản phẩm vì nó tìm ra bất kỳ vấn đề nào với hoạt động của một thiết bị và cho phép các kỹ sư giải quyết chúng. Dù liên quan đến thiết kế hay chức năng, họ có thể thực hiện các thay đổi sớm để giảm thiểu càng nhiều rủi ro càng tốt. Từ đó , các phương tiện được phát triển với  các nguy cơ xảy ra lỗi và sự an toàn được giảm thiểu.

HIL và SIL

Phân biệt mô phỏng kiểm tra phần cứng trong vòng lặp (Hil) và  phần mềm trong vòng lặp (SIL) có thể cung cấp thêm thông tin về HIL là gì và nó hoạt động như thế nào. Sự khác biệt chính giữa mỗi phương pháp kiểm tra là phần cứng và phần mềm của xe sẽ được kiểm tra riêng biệt.

Ngoài ra, sẽ có những quy trình  được thực hiện trước. Trong quy trình phát triển vòng đời sản phẩm, phần mềm thường được thử nghiệm trước phần cứng vì mã hóa và hiệu chỉnh trong phần mềm phải hoạt động đúng cách. Đồng thời, các bàn thử nghiệm sẽ cho phép cả thiết bị phần cứng và phần mềm được tích hợp, điều này là cần thiết.

Ví dụ, sẽ có những trường hợp mà các kỹ sư sử dụng bàn thử nghiệm EV để kiểm tra sự tương tác giữa hệ thống quản lý pin(BMS) và Bộ điều khiển xe(VCU). Vì vậy, có những giai đoạn khác nhau mà phần cứng và phần mềm có thể được thử nghiệm cùng nhau, nhưng sự khác biệt lớn nhất là thử nghiệm HIL liên quan chính đến việc mô phỏng và thử nghiệm phần cứng.

Quá trình

Khi đề cập về kiểm thử HIL và cách mà quy trình hoạt động, một câu hỏi ngay lập tức có thể nảy ra trong đầu: in-the-loop có nghĩa là gì? Khía cạnh in-the-loop của quy trình kiểm tra này phản ánh cách phần cứng được mô phỏng. Bằng cách sử dụng một hệ thống thử nghiệm (một hộp số cố định hoặc trạm làm việc đầy đủ thiết bị)phần cứng có thể được thử nghiệm trong môi trường được kiểm soát.

Có nhiều hệ thống thử nghiệm khác nhau để sử dụng, tùy thuộc vào việc mục tiêu là thử nghiệm các thành phần gì, hệ thống con, hay chính các phương tiện. Các bàn thử nghiệm HIL thường chứa các thiết bị của xe liên quan có thể được đưa vào mô phỏng.

Thực hiện kiểm tra HIL theo  tiêu chuẩn an toàn g ISO 26262—từ Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO)—là một phương pháp mà nhiều kỹ sư và nhà phát triển sản phẩm quen thuộc. Phương pháp này tích hợp kiểm tra HIL vào quy trình phát triển vòng đời sản phẩm tổng thể.

Bước đầu tiên là thiết lập an toàn chức năng cho cách mà phần cứng và phần mềm nên hoạt động. Sau đó, bước tiếp theo là thiết kế và phát triển từng phần dựa trên các yêu cầu đã được thiết lập trước đó. Tiếp theo, các kỹ sư thực hiện kiểm tra HIL bằng cách đặt phần cứng vào vòng kín của hệ thống thử nghiệm.

HILs được tự động hóa đến mức có thể kiểm tra nhiều kịch bản đồng thời, thực hiện hàng trăm bài kiểm tra trong một khoảng thời gian ngắn. Cuối các bài kiểm tra, HIL cung cấp một báo cáo kiểm tra đầy đủ dữ liệu mà các kỹ sư có thể sử dụng để xác định xem các thành phần của xe có hoạt động phù hợp với các yêu hay không.

Kết luận

Sự phát triển của giao thông hiện đại đã thiết lập nhiều cột mốc khác nhau trong sự phát triển phần mềm và công nghệ. Phương tiện đòi hỏi hệ thống an toàn được chú  và sẽ trở nên quan trọng hơn khi độ phức tạp của các hệ thống này phát triển. Bằng cách sử dụng các quy trình như kiểm tra HIL, các kỹ sư có thể kiểm tra chức năng của các thành phần trong các môi trường mô phỏng và giải quyết bất kỳ vấn đề nào phát sinh. Bằng cách giải quyết những vấn đề này, có thể đảm bảo rằng các phương tiện hoạt động tốt dựa trên các yêu cầu an toàn, và giảm thiểu nguy cơ xảy ra các sự cố liên quan đến an toàn trên các con đường mà con người sử dụng hàng ngày.

‍