Usar LabVIEW, NI VeriStand e INERTIA para crear DYNACAR, un dinamómetro basado en modelos con simulación completa de vehículos

Autor(es):

Miguel Allende Marcos - Tecnalia Research & Innovation
Iñaki Iglesias - Tecnalia Research & Innovation
Adrian Martin - Tecnalia Research & Innovation
Alberto Peña - Tecnalia Research & Innovation

Tecnalia, uno de los grupos privados más grandes en investigación, desarrollo e innovación de Europa, quería desarrollar una herramienta para las siguientes tareas:

1. Fácil transición entre las etapas de diseño y rápida generación de prototipos de control del desarrollo de software integrado
2. Pruebas de estrategia de control avanzado para el tren de potencia de un vehículo

Partimos de la idea de generar un "vehículo virtual" integrado en un sistema en tiempo real que pudiera calcular con precisión las variables del mundo real presentes en un vehículo cuando se conduce (Figura 1).

Decidimos dividir el modelo del vehículo en subsistemas como tren de transmisión, tren de potencia, ruedas, chasis y frenos. Esta distribución tiene varias ventajas importantes. Nos ayuda a asignar el desarrollo de cada subsistema del modelo a la persona que tiene el mayor conocimiento del subsistema del vehículo, y podemos actualizar el modelo en etapas a medida que se completan nuevos subsistemas. Con este enfoque modular, podemos reemplazar fácilmente componentes simulados con componentes reales a medida que estén disponibles, y el usuario puede intercambiar subsistemas que creamos con subsistemas que se desarrollaron en otros entornos.

Nuestro software de pruebas requería las siguientes capacidades:

• Integrar varios modelos de subsistemas para generar un modelo de sistema compatible en tiempo real
• Escribir modelos de subsistemas en varios lenguajes de programación
• Intercambiar modelos en el sistema fácilmente
• Reemplazar los modelos de subsistemas con componentes reales a medida que estén disponibles
• Realizar registro de datos y generación de reportes.

Elegimos NI VeriStand para nuestro software de pruebas porque cumple con todos estos requisitos. En lugar de crear una arquitectura de pruebas desde cero, usamos NI VeriStand para configurar nuestro sistema de pruebas, lo que redujo significativamente nuestro tiempo de desarrollo. También nos ayudó a enfocarnos en probar y mejorar el modelo. La Figura 2 muestra un esquema de la implementación del sistema con los conceptos explicados anteriormente.

Ejemplo de la aplicación

El objetivo del proyecto era actualizar un banco de pruebas existente, que incluía un tren de potencia completo que constaba de una tracción eléctrica conectada a dos ruedas a través de un diferencial y dos ejes de transmisión. Usamos el software Dynacar para crear simulaciones en tiempo real de "vehicle-in-the-loop" y "human-in-the-loop". Estas simulaciones someten los componentes mecánicos del vehículo a tensiones y velocidades equivalentes a las experimentadas por el automóvil real y nos ayudaron a probar con precisión nuestro software integrado en el laboratorio, lo que reduce el tiempo necesario para las pruebas en campo.

La Figura 3 muestra un esquema de los componentes básicos de la instalación del proyecto. EM3 representa la tracción del sistema y EM1 y EM2 son los motores que emulan la fuerza resistente (contacto entre rueda y asfalto) que la tracción debe superar en base de los parámetros ambientales y de conducción.

La siguiente tabla muestra los requisitos para este sistema de pruebas:

Usamos NI VeriStand para nuestra plataforma de pruebas debido a su soporte nativo para ejecución multinúcleo. Por ejemplo, con NI VeriStand podemos usar tres núcleos para la ejecución del modelo, lo que asegura un tiempo de 1 ms, mientras que el cuarto núcleo se usa para las demás funciones, como la administración de alarmas y la generación de estímulos. Separar este procesamiento de datos garantizó el rendimiento del sistema en tiempo real.

Comunicación y pruebas

Implementamos toda la comunicación con los tres drives a través de CAN. Elegimos el módulo NI PXI-8512/2 como nuestro dispositivo de E/S para los mensajes de CAN. Este módulo utiliza el protocolo NI-XNET, que incluye una API intuitiva que se puede ampliar para mensajes personalizados.

Nuestro sistema de pruebas se puede utilizar para realizar pruebas manuales y también puede automatizar pruebas en tiempo real. Para realizar pruebas manuales, el operador conduce el automóvil en un entorno virtual para probar la respuesta del sistema en una variedad de escenarios de acuerdo a los hábitos de conducción del operador. Cuando el sistema realiza pruebas automatizadas, el modelo navega a través de un controlador virtual que sigue un patrón predefinido de conducción. Ambos tipos de pruebas permiten a los ingenieros probar puntos de operación específicos que serían difíciles o imposibles de reproducir durante las pruebas en campo.

Configurar parámetros

Desarrollamos una interfaz gráfica de usuario (GUI) con LabVIEW (Figura 4). Usamos la GUI para configurar los parámetros del modelo en base a las necesidades de la prueba. El modelo incluye hasta 150 parámetros configurables para que usted pueda emular una variedad de vehículos y preparar escenarios de conducción y ciclos de conducción automáticos.

Conclusión

Tecnalia eligió LabVIEW y NI VeriStand como entorno de desarrollo para el modelo de vehículo y para su implementación en el sistema de pruebas final. Este entorno ofrece una fácil programación e interacción con hardware, así como soporte nativo para varios protocolos disponibles en el mercado. NI VeriStand tiene una interfaz de usuario editable en tiempo de ejecución que brinda a los usuarios la capacidad de agregar controles, indicadores, gráficas y registros en tiempo real, sin necesidad de detener la ejecución del motor en el controlador PXI. Combinar Dynacar con las herramientas de NI nos ayudó a crear un sistema de vanguardia para desarrollar y validar los componentes y controladores de un vehículo.

Dynacar fue reconocida como la Innovación CAE 2011 por Automotive Testing Technology International (Figura 5).

Información del autor:

Miguel Allende Marcos
Tecnalia Research & Innovation
España
miguel.allende@tecnalia.com