Student World

K rozvoji nových systémů přispívají i moderní vývojové přístupy, jako je metoda Model-Based Design postavená na nástrojích MATLAB a Simulink firmy MathWorks.

Společnost SAIC Motor vyvinula nový hybridní pohon pro sedan Roewe 750 (obr. 1), který kombinuje přeplňovaný benzínový čtyřválec 1,8 l s elektromotorem. Vůz dosáhl 20% snížení spotřeby paliva a emisí oproti konvenční variantě se spalovacím motorem. Mozkem hybridního pohonu, zodpovědným za dosaženou efektivitu provozu, je komplexní řídicí logika umístěná v jednotce HCU (hybrid control unit), která koordinuje elektrický i spalovací motor.

Obr.1:  Hybridní sedan Roewe 750

V předchozích projektech byl vývoj řídicích jednotek automobilů svěřen dodavatelským společnostem. V případě Roewe 750 hybrid se však společnost SAIC Motor rozhodla pro vlastní návrh algoritmů HCU, které vycházely z konceptu zpracovaného konzultační firmou. Vývojový cyklus byl realizován metodou Model-Based Design v programovém prostředí MATLAB a Simulink (obr. 2).

Obr.2:  Schéma vývoje metodou Model-Based Design

Model-Based Design

Roewe 750 hybrid byl prvním hybridním vozem společnosti SAIC Motor a návrh jeho HCU patřil k prvním projektům v oblasti vývoje embedded softwaru. Vývojový pracovníci na sebe vzali nelehký úkol, který byl dříve zadáván specializovaným dodavatelům. Proto bylo nutné použít vhodný vývojový postup, který již byl v oblasti průmyslu prověřen, a který by eliminoval nedorozumění plynoucí z interpretace textové specifikace. Dalším požadavkem byla minimalizace počtu chyb vznikajících při manuálním zápisu embedded kódu a možnost testování návrhu pomocí simulací, které by nahradily testy s reálným vozem.

Právě simulace byla vnímána jako rozhodující požadavek, protože vozidlo a jeho klíčové prvky, jako baterie nebo motor, byly vyvíjeny souběžně a bylo tedy nutné počítat s případným opožděním dodávky. Cílem bylo nalézt a vyřešit co nejvíce problémů pomocí testování simulačních modelů, a nečekat na testování HCU s reálným vozem. Z těchto důvodů byla pro vývoj algoritmů HCU vybrána metoda Model-Based Design.

Středem návrhového procesu metodu Model-Based Design je matematický model systému, reprezentovaný blokovým schématem v grafickém v prostředí Simulink (obr. 3). Model je využíván od definice požadavků na finální zařízení, přes návrh dynamického systému a modelovaní algoritmů, až po jejich implementaci na cílovou platformu a testování prototypu. Model systému je během vývoje průběžně zpřesňován a jeho kvalita je testována při simulacích. Pakliže aplikace vyžaduje implementaci na software/hardware platformu, MBD nabízí automatické generování kódu přímo z modelu v Simulinku a to včetně kódu pro systémy pracující v pevné řádové čárce nebo real-time systémy. Automatické generování kódu zásadně zkracuje vývojový cyklus a odstraňuje chyby vznikající při manuálním psaní programů.

Obr. 3: Princip metody Model-Based Design

Společnost SAIC Motor zařadila metodu Model-Based Design jako standardní nástroj pro vývoj embedded softwaru a využila ji při vývoji automobilu Roewe 750 hybrid i u všech ostatních vozů s alternativním pohonem. Vývojáři tak mohli pracovat s návrhem na úrovni modelů, což je mnohem pohodlnější, než přímá editace embedded kódu.

Od koncepce k výrobku

První krok při vývoji HCU směřoval k návrhu řídicích algoritmů v nástrojích MATLAB a Simulink. Algoritmy byly sestaveny na základě systémových požadavků a prvotních Simulinkových modelů zpracovaných partnerskou konzultační společností. Modely vytvořené v Simulinku sloužily také jako spustitelná specifikace požadavků a usnadnily komunikaci s konzultačním partnerem i v rámci vlastního týmu.

Řídicí logika přepínající mezi provozními módy byla modelována v nadstavbě Stateflow. Přehledná grafická reprezentace stavů systému a přechodů mezi nimi byla provázána s dynamickými modely v Simulinku. Následovalo velké množství simulací, které pomohly vyhodnotit různé konfigurace pohonného systému a porovnat jejich vliv na spotřebu paliva a ovladatelnost vozu.

Samostatnou kapitolu přestavovala verifikace, která procházela napříč celým vývojovým procesem. Nástroj Simulink Verification and Validation zajistil soulad modelů se standardy MAAB a pomohl ustanovit jednotný styl jejich tvorby.

K prověření funkce modelů byly naprogramovány testy samostatných celků, model-in-the-loop testy i testy hardware-in-the-loop (HIL) propojující simulační modely a hotové komponenty reálného systému. Testy, které společnost SAIC Motor zavedla pro tento projekt, se staly součástí procesu systematické kontroly a jsou nadále využívány ve všech projektech vyvíjených metodou Model-Based Design.

Posledním krokem vývoje HCU bylo nasazení nástroje Embedded Coder pro generování efektivního, spolehlivého produkčního kódu přímo z verifikovaných modelů Simulinku a diagramů Stateflow. Za pomoci konzultantů společnosti MathWorks byl návrh systému přenesen z prototypového prostředí na produkční hardware. Mnoho manuálních kroků při vývoji bylo postupně automatizováno a vedlo ke zvýšení efektivity a snížení počtu chyb.

Závěr

Systém řízení hybridního pohonu dostál stanoveným požadavkům na spotřebu paliva a vůz Roewe 750 je aktuálně dostupný na trhu. Společnost SAIC Motor nyní využívá metodu Model-Based Design v dalších projektech výroby vozů využívajících alternativní pohon, včetně Roewe 550 hybrid a elektromobil.

98% produkčního kódu generováno

V případě změny strategie řízení je často potřeba aktualizovat několik modulů. U ručně psaného kódu by bylo velice obtížné dosáhnout požadovaných změn v krátkém čase. S 98% automaticky generovaného kódu je proces mnohem rychlejší, kód je efektivnější a návrh obsahuje menší množství chyb.

Od konceptu k výrobě za 18 měsíců

Vývoj trval 18 měsíců od návrhu koncepce po zařazení do výroby. Bez metody Model-Based Design by celý proces mohl trvat o 6 měsíců déle. Metoda Model-Based Design také umožnila věnovat více času kontrole kvality výrobku.

Ustanoven kompletní proces verifikace

Chyby v návrhu byly odhaleny a opraveny na úrovni modelů, v časných etapách vývojového cyklu. To pomohlo uspořit nemalé množství času i nákladů. Celý proces, zahrnující simulace, verifikaci modelů i kódu a HIL simulace je nyní používán pro všechny projekty vozů s alternativním pohonem.

Alpha

Distributor produktů společnosti MathWorks v České republice a na Slovensku:

HUMUSOFT s. r. o.

http://www.humusoft.cz

autor PR článek