什么是HIL測(cè)試

硬件在環(huán)（HIL）仿真是一種用于測(cè)試導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)，其中測(cè)試前并不知道車(chē)輛軌跡。在這種情況下，車(chē)輛軌跡被實(shí)時(shí)饋送到GNSS模擬器。HIL可用于復(fù)雜實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)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(chē)系統(tǒng)。

而HIL測(cè)試是通常是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(gè)測(cè)試流程中：

• MiL（Model-in-the-Loop）模型在環(huán)，是在PC上基于模型的測(cè)試，輸出經(jīng)過(guò)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(xiě)代碼編譯成PC程序，在PC上進(jìn)行的測(cè)試，輸出經(jīng)過(guò)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(cè)試，輸出經(jīng)過(guò)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(cè)試系統(tǒng)是采用實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來(lái)模擬受控對(duì)象（比如：汽車(chē)、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(cè)試都有在環(huán)（in the loop）的意思，但卻不是所有被測(cè)模塊都帶有閉環(huán)。比如接收到某信號(hào)要用于車(chē)輛的車(chē)燈控制，這種情況下就不需要閉環(huán)，但如果在自動(dòng)駕駛HIL測(cè)試中，想使用GNSS模擬器測(cè)試汽車(chē)運(yùn)行是否正常，就需要把自動(dòng)駕駛儀的信息返回到GNSS模擬器中，再進(jìn)行下一個(gè)軌跡的模擬。

在HIL測(cè)試中，一般根據(jù)它在環(huán)的深度分為幾個(gè)層級(jí)：

• ECU級(jí)：也可以稱(chēng)之為信號(hào)級(jí)，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(jí)：也可以稱(chēng)之為驅(qū)動(dòng)級(jí)，EPP是Electrical Power Package的縮寫(xiě)， 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(jí)：也可以稱(chēng)之為機(jī)械級(jí)，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(lái)說(shuō)，HIL測(cè)試系統(tǒng)主要由三個(gè)基本部分組成，分別是實(shí)時(shí)處理器、I/O接口和可視化的操作界面，其中實(shí)時(shí)處理器是整個(gè)HIL測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行場(chǎng)景，發(fā)送信號(hào)，被測(cè)電控模塊收到后對(duì)受控對(duì)象做出相應(yīng)的控制，以此判斷電控模塊的性能。通過(guò)I/O接口與被測(cè)的ECU連接，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行全方面的、系統(tǒng)的測(cè)試。

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

基本架構(gòu)

在HIL測(cè)試中，GNSS接收器通常不作為獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行測(cè)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(lèi)比可得到測(cè)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(cè)試命令、可視化的界面以及性能分析及報(bào)告整理等功能的操作界面，還是創(chuàng)建測(cè)試場(chǎng)景、信號(hào)模擬、生成IQ文件的驅(qū)動(dòng)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(shí)處理器，它接受IQ數(shù)據(jù)，仿真出模擬的GNSS信號(hào)。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(cè)的ECU模塊會(huì)像處理真實(shí)信號(hào)那樣處理GNSS模擬器發(fā)送的信號(hào)，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(lèi)型的 HIL 架構(gòu)：開(kāi)環(huán)HIL和閉環(huán)HIL。

開(kāi)環(huán)HIL架構(gòu)：

GNSS模擬器模擬生成HIL中需要的信號(hào)并作用于接收機(jī)，同時(shí)接收機(jī)的信息也會(huì)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(hào)和模擬信號(hào)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(chē)輛的軌跡，它是由用戶(hù)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(chē)輛的執(zhí)行器，執(zhí)行器的輸出發(fā)送車(chē)輛位置到GNSS模擬器，GNSS模擬器根據(jù)位置信息進(jìn)行信號(hào)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(jì)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(hào)。

測(cè)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(dòng)駕駛的HIL測(cè)試方案。自動(dòng)駕駛中車(chē)輛的真實(shí)位置是隨著場(chǎng)景的進(jìn)展而確定并實(shí)時(shí)反饋給模擬器。

首先實(shí)時(shí)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(shí)處理器部分，模擬器分別把模擬器信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)的傳感器和接收機(jī)，經(jīng)過(guò)處理計(jì)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(jì)算模擬。

虹科Safran GNSS模擬器支持通過(guò)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(lái)將實(shí)際GNSS射頻信號(hào)集成到HIL系統(tǒng)中，車(chē)輛的方向及其變化以及衛(wèi)星功率水平也可以通過(guò)實(shí)時(shí)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(jiàn)衛(wèi)星，具有1000Hz的迭代率和超高的動(dòng)態(tài)，隨時(shí)隨地創(chuàng)建并更新場(chǎng)景。高級(jí)干擾和欺騙功能允許用戶(hù)同時(shí)模擬多種威脅，自動(dòng)確定每個(gè)信號(hào)之間的信號(hào)動(dòng)態(tài)，節(jié)省時(shí)間成本，并能夠使用Python、C#和C++的開(kāi)源客戶(hù)端庫(kù)構(gòu)建復(fù)雜、復(fù)雜和可重復(fù)的場(chǎng)景。

• 在一個(gè)用戶(hù)界面中實(shí)現(xiàn)所有功能
• 通過(guò)直觀的UI和自動(dòng)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(jí)信號(hào)定制和場(chǎng)景創(chuàng)建
• 實(shí)時(shí)修改變量和參數(shù)
• 無(wú)需額外硬件即可集成干擾
• IQ文件生成和回放

目前，自動(dòng)駕駛HIL測(cè)試中為了還原更加真實(shí)的場(chǎng)景，要求GNSS模擬器和其它傳感模擬器發(fā)送到被測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)同時(shí)到達(dá)，并且在其它模擬器分析計(jì)算好真實(shí)位置信息發(fā)送到GNSS模擬器后，需要能夠及時(shí)的進(jìn)行GNSS信號(hào)的模擬，更好的保證它的實(shí)時(shí)性。這兩個(gè)要求讓自動(dòng)駕駛HIL測(cè)試面臨著兩個(gè)問(wèn)題，那就是同步和時(shí)延的問(wèn)題。

對(duì)于同步，需要考慮：

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

對(duì)于時(shí)延：

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

在下期文章中我們將繼續(xù)討論如何解決這兩個(gè)問(wèn)題。