什么是HIL測試

硬件在環(huán)（HIL）仿真是一種用于測試導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)，其中測試前并不知道車輛軌跡。在這種情況下，車輛軌跡被實(shí)時饋送到GNSS模擬器。HIL可用于復(fù)雜實(shí)時系統(tǒng)的開發(fā)和測試，如衛(wèi)星控制系統(tǒng)、軍事戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、飛機(jī)飛行控制和汽車系統(tǒng)。

而HIL測試是通常是在現(xiàn)場測試之前以及在環(huán)模型（MIL）、軟件在環(huán)（SIL）或處理器在環(huán)（PIL）之后的一步。HIL測試至關(guān)重要，它涉及在操作中使用的所有硬件和軟件。在整個測試流程中：

• MiL（Model-in-the-Loop）模型在環(huán)，是在PC上基于模型的測試，輸出經(jīng)過驗(yàn)證的控制算法模型，驗(yàn)證控制算法模型是否準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了功能需求。
• SiL（Software-in-the-Loop）軟件在環(huán)，是將模型生成代碼或者手工編寫代碼編譯成PC程序，在PC上進(jìn)行的測試，輸出經(jīng)過驗(yàn)證的嵌入式代碼，在PC上驗(yàn)證代碼實(shí)現(xiàn)的功能是否與模型一致。
• PiL（Processor-in-the-Loop）處理器在環(huán)，是將代碼編譯成目標(biāo)系統(tǒng)程序，然后在PC上虛擬目標(biāo)硬件環(huán)境并進(jìn)行測試，輸出經(jīng)過驗(yàn)證的目標(biāo)程序，在目標(biāo)處理器上驗(yàn)證代碼實(shí)現(xiàn)的功能是否與模型一致。

HIL（Hardware-in-the-Loop）硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)是采用實(shí)時處理器運(yùn)行仿真模型來模擬受控對象（比如：汽車、航空飛機(jī)等設(shè)備）的運(yùn)行狀態(tài)，以此判斷電控模塊的性能。雖然這一系列的測試都有在環(huán)（in the loop）的意思，但卻不是所有被測模塊都帶有閉環(huán)。比如接收到某信號要用于車輛的車燈控制，這種情況下就不需要閉環(huán)，但如果在自動駕駛HIL測試中，想使用GNSS模擬器測試汽車運(yùn)行是否正常，就需要把自動駕駛儀的信息返回到GNSS模擬器中，再進(jìn)行下一個軌跡的模擬。

在HIL測試中，一般根據(jù)它在環(huán)的深度分為幾個層級：

• ECU級：也可以稱之為信號級，僅ECU軟硬件采用實(shí)物，閉環(huán)回路的其他組成部分均采用虛擬仿真系統(tǒng)；
• EPP級：也可以稱之為驅(qū)動級，EPP是Electrical Power Package的縮寫， ECU及執(zhí)行組件采用實(shí)物，閉環(huán)回路的其他組成部分采用虛擬仿真系統(tǒng)；
• System級：也可以稱之為機(jī)械級，系統(tǒng)組件采用實(shí)物，閉環(huán)回路其他組成部分采用虛擬仿真系統(tǒng)。

總的來說，HIL測試系統(tǒng)主要由三個基本部分組成，分別是實(shí)時處理器、I/O接口和可視化的操作界面，其中實(shí)時處理器是整個HIL測試系統(tǒng)的核心部分。實(shí)時處理器運(yùn)行場景，發(fā)送信號，被測電控模塊收到后對受控對象做出相應(yīng)的控制，以此判斷電控模塊的性能。通過I/O接口與被測的ECU連接，對被測系統(tǒng)進(jìn)行全方面的、系統(tǒng)的測試。

HIL測試系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，如安全性較高。汽車HIL中，在實(shí)車測試之前，以HIL的形式先對控制器做一個全面的功能測試。因?yàn)樵摫豢貙ο笫翘摂M的，所以HIL比實(shí)車測試更加安全高效，而且可以測試一些實(shí)車測試中不容易實(shí)現(xiàn)的極端情況。此外，HIL測試系統(tǒng)具有豐富的測試功能，以及可以實(shí)現(xiàn)測試平臺的復(fù)用性等，極大的節(jié)省了時間和經(jīng)濟(jì)成本。

基本架構(gòu)

在HIL測試中，GNSS接收器通常不作為獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行測試，而是與其他仿真器、設(shè)備和傳感器進(jìn)行集成，根據(jù)HIL架構(gòu)類比可得到測試系統(tǒng)基本架構(gòu)。

GNSS模擬器的軟件相當(dāng)于操作界面，而由于虹科Safran GNSS模擬器特殊的軟件定義架構(gòu)，它不僅僅是用于提供測試命令、可視化的界面以及性能分析及報告整理等功能的操作界面，還是創(chuàng)建測試場景、信號模擬、生成IQ文件的驅(qū)動程序，為GNSS模擬器的硬件提供IQ數(shù)據(jù)。

GNSS模擬器的硬件部分，相當(dāng)于HIL中的實(shí)時處理器，它接受IQ數(shù)據(jù)，仿真出模擬的GNSS信號。大多數(shù)能獲取位置信息的設(shè)備都內(nèi)置了GNSS接收模塊，被測的ECU模塊會像處理真實(shí)信號那樣處理GNSS模擬器發(fā)送的信號，然后作用于仿真模型。

在定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的驗(yàn)證中，有兩種類型的 HIL 架構(gòu)：開環(huán)HIL和閉環(huán)HIL。

開環(huán)HIL架構(gòu)：

GNSS模擬器模擬生成HIL中需要的信號并作用于接收機(jī)，同時接收機(jī)的信息也會以NMEA文件的形式回傳到GNSS模擬器中，即可以得到接收的信號和模擬信號的偏差。在這種架構(gòu)中，GNSS接收機(jī)（和一般傳感器）的輸出不用于控制車輛的軌跡，它是由用戶強(qiáng)加的，不一定具有確定性。

閉環(huán)HIL架構(gòu)：

包括HIL模擬器、GNSS模擬器、GNSS接收機(jī)以及控制部分：

在這種架構(gòu)中，GNSS接收機(jī)（以及一般的傳感器）的輸出用于導(dǎo)航算法，該算法更新控制車輛的執(zhí)行器，執(zhí)行器的輸出發(fā)送車輛位置到GNSS模擬器，GNSS模擬器根據(jù)位置信息進(jìn)行信號模擬并作用于GNSS接收機(jī)，形成閉環(huán)。但是要注意，在這種情況下，GNSS接收機(jī)計算的位置直接影響模擬軌跡，從而影響廣播到GNSS接收器的RF信號。

測試方案

在閉環(huán)架構(gòu)中，虹科Safran軟件定義架構(gòu)的GNSS模擬器提出了自動駕駛的HIL測試方案。自動駕駛中車輛的真實(shí)位置是隨著場景的進(jìn)展而確定并實(shí)時反饋給模擬器。

首先實(shí)時處理器部分和架構(gòu)一樣，GNSS模擬器和HIL模擬器都屬于實(shí)時處理器部分，模擬器分別把模擬器信號發(fā)送給相應(yīng)的傳感器和接收機(jī)，經(jīng)過處理計算后，再控制調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的信息又反饋給模擬器進(jìn)行計算模擬。

虹科Safran GNSS模擬器支持通過位置、速度、加速度和方向命令集成6自由度軌跡的固定延遲流，來將實(shí)際GNSS射頻信號集成到HIL系統(tǒng)中，車輛的方向及其變化以及衛(wèi)星功率水平也可以通過實(shí)時命令進(jìn)行控制。

虹科Safran Skydel支持在任何地點(diǎn)使用，可以模擬所有星座、所有頻率的所有可見衛(wèi)星，具有1000Hz的迭代率和超高的動態(tài)，隨時隨地創(chuàng)建并更新場景。高級干擾和欺騙功能允許用戶同時模擬多種威脅，自動確定每個信號之間的信號動態(tài)，節(jié)省時間成本，并能夠使用Python、C#和C++的開源客戶端庫構(gòu)建復(fù)雜、復(fù)雜和可重復(fù)的場景。

• 在一個用戶界面中實(shí)現(xiàn)所有功能
• 通過直觀的UI和自動化輕松配置
• 支持所有主要的全球星座和頻率
• 多種API（Python、C#、C++、LabVIEW）
• 高級信號定制和場景創(chuàng)建
• 實(shí)時修改變量和參數(shù)
• 無需額外硬件即可集成干擾
• IQ文件生成和回放

目前，自動駕駛HIL測試中為了還原更加真實(shí)的場景，要求GNSS模擬器和其它傳感模擬器發(fā)送到被測系統(tǒng)的信號同時到達(dá)，并且在其它模擬器分析計算好真實(shí)位置信息發(fā)送到GNSS模擬器后，需要能夠及時的進(jìn)行GNSS信號的模擬，更好的保證它的實(shí)時性。這兩個要求讓自動駕駛HIL測試面臨著兩個問題，那就是同步和時延的問題。

對于同步，需要考慮：

• 如何處理HIL測試的同步化和時鐘系統(tǒng)？
• HIL模擬器和虹科Safran Skydel GNSS模擬器能否使用一個共同的時鐘源？

對于時延：

• 從HIL模擬器的輸入（自動駕駛儀命令）和GNSS模擬器的輸出（GNSS射頻信號）如何使他們的延遲最小化，以保證模擬的實(shí)時性呢？

在下期文章中我們將繼續(xù)討論如何解決這兩個問題。