Chapter 2 General Overview

2.1 System Description

2.1.1 The Virtual Vehicle Environment - VVE

2.1.2 The CarMaker Interface Toolbox - CIT

2.1.3 Real-Time vs. Office

2.1.4 CarMaker/Office

2.1.5 CarMaker/HIL

2.1.6 From MIL and SIL to HIL

2.2 Fields of Application

2.2.1 ECU Testing

2.2.2 Subsystem Testing

2.3 Summary

2.1.1 The Virtual Vehicle Environment - VVE

虚拟车辆是对实车的计算机模型化表示，虚拟车与其在现实世界中的对应车辆的行为是大致相似的。对于Carmaker来说，虚拟汽车是由数学模型组成的，这些模型包含运动学方程、动力学方程以及以及定义多体系统的其他数学公式。
用要研究的车辆直接相关的数据对模型进行参数化。通过这种方法，Carmaker可以使用经过验证的参数集来测试任何车辆是可能的，并通过更改车辆模型中使用的参数数据来轻松地在虚拟车辆之间切换。虚拟车辆包含真实车辆的所有部件，包括动力系统、轮胎、底盘和刹车等。通过硬件在环或软件在环，将真实的汽车控制器(如ABS、ESP、ACC等)或软件建模控制器集成到虚拟车辆中也很容易。
虚拟道路是对道路、轨道或路线进行数字化或计算机模型化，以模拟真实路线或专门为测试而生成的路线。CarMaker可以通过以下两种方式生成道路：

• 通过将单个road，如直道和弯道组合起来，形成一条更大的road。对于定义的每个road，都有一个指定的长度、宽度、角度、坡度、坡度、摩擦系数等可以指定。摩擦条纹，路肩，split mu conditions（不知道怎么翻译好），风力机，道路标记和障碍也可以配置。
• 利用采集的现有道路的数字化数据。通过这种方法，通过调查或其他方法获得的测量数据包含在数据文件中，这些数据文件在仿真时被CarMaker读取，当做道路或测试轨道。

虚拟驾驶员是计算机驾驶员，它模拟真实驾驶员的动作。一切正常情况下由真实驾驶员控制的事情，如方向盘的转动、油门的踩动、刹车和离合器、手动变速器的换挡等，都是由虚拟驾驶员控制的。有两种方法可以执行司机的行为:

• 简单控制——使用简单控制，行为可以预先指定在某个时间或距离做什么操作。例如，你可以说，在Time=N0完全踩下离合器，在Time=N1踩下一半的油门，在Distance=X踩下90%的刹车，把方向盘向左转10度。
• 使用IPGDriver，路线由一个智能计算机驾驶员控制，它试图在测试轨道上维护这个路线，并可以提前规划。司机可以修改在规定的范围内操作。例如，一个司机可能有一个快或慢的反应时间，他可能想要保持一定的速度，他可能试图尽可能快地去实现它，等等。

当虚拟车辆、虚拟道路和虚拟驾驶员一起使用时，我们用虚拟车辆环境(VVE)来指代它，虚拟车辆行驶在虚拟道路上被虚拟驾驶员“驾驶”。Figure 2.1是VVE的图形表示。

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2.1.2 The CarMaker Interface Toolbox - CIT

CarMaker系统的第二部分包括所有的用于管理VVE的工具。这些工具可以做这样的事情：启动和停止仿真，选择车辆参数数据，定义车辆机动，显示结果，以图形或动画的形式显示进度，从VVE发送和接收消息等。我们称这些工具the CarMaker Interface ToolBox (CIT). Figure 2.2 展示了 CIT 和 VVE的关系。

正如你从图中所看到的，CIT可以被看作是一系列独立的工具用于管理VVE。这些工具可分为:

• 控制和直接访问工具-控制仿真执行的操作(例如，启动、停止等)，并允许某些部分的仿真直接由用户控制(如直接变量访问，信号故障)。
• 参数化工具——用于指定将在VVE中使用的参数
• 分析和可视化工具——允许在仿真期间或仿真之后查看和分析数据(例如创建动画、绘制输出量等)。
• 文件管理工具-创建，保存和修改定义仿真的文件，设置，输出数据等。

2.1.3 Real-Time vs. Office

因为使用CarMaker检查不同的检查对象，在实现VVE时也会采用不同的方法。这两种方法是：

• Realtime–VVE实时的方法是在一台计算机上仿真，这个计算机是在一个实时操作系统上运行。实时操作系统使VVE的执行具有确定性，VVE将在时间轴上运行，这个时间轴与现实世界的时间轴相对应的。如果VVE不能满足实时仿真的标准，或者换句话说，不能满足指定的时间期限，就会出现错误或警告。
• Office-使用Office方法，VVE在普通计算机上仿真。没有办法确保确定性的行为，因为运行中的VVE可能被具有更高优先级的应用程序阻塞或延迟，或者由于其他原因(取决于实现操作系统调度的方式)。在office仿真中，VVE可能使用更快、更慢或与真实世界时间轴相等的时间轴运行。

2.1.4 CarMaker/Office

当调查的对象是车辆子系统或软件建模控制器(如2.2.1节ECU测试中所述)，并且不需要将其他硬件集成到VVE中时，应该使用office方法(如2.1.3节所述)。这种配置称为CarMaker/Office。Figure 2.3显示了CarMaker/Office配置下的CIT和VVE。在CarMaker中CIT和VVE都在主机计算机 (Windows PC, Linux PC)上运行。没有额外的硬件是必须的，因此图中没有显示。

The CIT for CarMaker/Office

CIT由许多在主机上运行的工具(应用程序和实用程序)组成。主机可以是Windows PC或Linux PC。CIT包括以下内容：

• The CarMaker GUI
  -
  这是主要的图形用户界面,用于控制VVE的行为，,选择虚拟车辆参数数据、定义或选择虚拟道路,设置虚拟驾驶员参数,定义或加载动作,打开CIT中的其他工具,和许多其他有用的操作。
• Vehicle Data Set Editor
  
  通过方便的用户界面编辑车辆的任何参数。每个单独的子模型类都可以在单独的选项卡中编辑。
• IPGControl
  
  可视化和分析工具。IPG-CONTROL可以实时查看选定的输出量，加载后仿真数据文件，并对结果进行绘图和分析。
• IPGMovie
  -
  VVE的实时三维动画。虚拟车辆在虚拟道路上执行指定的驾驶操作(由虚拟驾驶员执行)。有关IPGMovie的详细信息，请参阅IPGMovie用户指南。
• Instruments
  
  显示最重要的仪表、刻度盘和车辆行驶状态信息，如:踏板位置、方向盘角度、档位选择、点火、速度计、转速计、ESP和ABS警示灯、刹车灯等
• DVA
  
  直接变量访问允许通过用户友好的图形界面交互式地读取和修改模拟量。
• ScriptControl
  
  测试自动化工具，它允许定义、编辑和执行脚本。CIT的所有功能都可以使用ScriptControl自动控制。
• TestManager
  

测试自动化的另一个实用程序。脚本和GUI共同创建和执行测试集。
仿真时间可以控制(加速或减速)。由于消除了实时约束，仿真可以按所需的速度执行(当然，这取决于所运行的主机的性能)。
除了上述工具之外，还可以创建用C/ C++或使用Tcl/Tk编写的自定义工具。自定义工具可以使用由IPG设计的通信库(APO)与VVE通信。有关更多信息，请参阅位于安装目录下的文件夹doc中的APO文档。

The VVE for CarMaker

CarMaker/Office的VVE包括CarMaker可执行文件以及集成到VVE中的附加软件模块(如C/ C++或Simulink模型)。Figure 2.4显示了CarMaker的可执行部分。

Comunication between the CIT and the VVE(CarMaker/Office)

CIT 和VVE的通信方式有很多，包括：

• Network communication–消息使用标准的TCP/IP协议来回传递。由IPG (APO库)设计的专用库用于打开TCP和UDP套接字，方便了主机上运行的CIT和VVE之间的通信。
• 信息文件数据库模型参数文件(在CarMaker的语言中称为信息文件)在CIT和VVE之间共享。这是通过在一个目录(CarMaker工作目录)中启动CIT和VVE来实现的。通过这种方式，由CIT编写和修改的文件可以由VVE直接读取，而VVE也可以编写由CIT读取的文件。
• 数据存储——在任何给定的时间，VVE缓冲指定的数据量，并将其存储在工作内存中。当用户决定保存缓冲数据时，它将被存储到硬盘上，并可以使用CIT提供的工具或其他应用程序(如Matlab)进行分析。

2.1.5 CarMaker/HIL

当调查的对象是硬件模块或ECU时，real-time方法(如2.1.3节“real time vs. Office”所述)是必要的。在CarMaker系统中，这种配置称为CarMaker/HIL。全称CarMaker with Hardware in the loop。图2.5显示了一个常见的CarMaker/HIL配置所涉及的硬件和软件。

The CIT for CarMaker/HIL

在CarMaker/HIL为CarMaker配置CIT和CarMaker/Office是一样的，只是多了一些工具：

• FailSafeTester Dialog
  
  它控制故障安全测试仪的动作，故障安全测试仪能产生电气故障在VVE中。
• Diagnostics GUI
  
  在这里，您可以使用K-Line或can协议从ECU发送和接收信息。错误代码可以读取，十六进制命令可以发送到ECU的实现相关的事情。这是一个定制的解决方案，是为特定的ECU设计的。

The VVE for CarMaker/HIL

在Figure 2.5中的盒子中标有VVE,展示了三种硬件,实际上，可以使用更多的硬件来模拟VVE，数百个控制器和硬件模块可能集成到硬件配置中。此外，故障安全测试器是可选的，但它在ECU测试中可以发挥如此重要的作用。因此，为了便于讨论，我们称一个VVE包括一个实时计算机、一个测试台/ECU和一个故障安全测试硬件单元，标准CarMaker/HIL配置。

The Real-Time Computer

在标准的CarMaker/HIL配置中，实时计算机是VVE的核心。实时计算机的操作系统是Xenomai，它是一个功能齐全的基于Unix的实时操作系统(RTOS)。使用的硬件是：

• 主板:MEN (XENO), DSpace 1006 or Scalexio
• 处理器:Intel (Xeno), Power-PC (DSpace), AMD Opter (DSpace
• 网络:Fast Ethernet
• I/O模块:Analog I/O, Digital I/O, CAN bus, Frequency Generators, etc

CarMaker/HIL使用实时计算机运行的汽车制造商可执行文件,这是实时应用程序,包括所有虚拟车模型的数学模型和虚拟道路模型,虚拟驾驶员函数，通信程序，I / O驱动程序,和其他功能需要链接一起VVE的部分。Figure 2.6显示了在实时计算机上运行的CarMaker可执行文件的部分。从图中可以看出，CarMaker的可执行文件包含许多特性：

• 模拟道路、车辆和驾驶员。
• 网络通信(用于向CIT发送和接受CIT消息)。
• 用于与外部硬件和ECU通信的硬件I/O(如数据采集、CAN总线、信号传输)。
• 文件I/O–用于记录数据、存储结果、读取参数数据库文件等。
• 其他功能-模拟VVE所需的其他内部软件任务(例如系统特定的任务、清理等)。
  

Test Bench / ECU

在本文档的上下文中，测试台由一个或多个硬件设备和/或ECU组成，这些硬件设备和/或ECU已安装在板上，并适当地布线，以用于CarMaker/HIL系统。然后可以但不是必须将测试工作台放在一个架子上，该架可以包含VVE的所有组件，包括实时计算机、故障安全测试器或集成到VVE中的其他硬件。Figure 2.7显示安装了ESP的试验台的基本原理图。

FailSafeTester

故障安全测试仪是一种硬件设备，用于在VVE的电气环境中产生故障条件。例如，可以对从ECU运行到实时计算机的信号进行短路、切断或修改，从而允许对ECU进行性能测试，以检测真实世界中可能发生的潜在故障。这种情况可能是由于磨损、安装不当或其他一些影响所研究控制器电气环境的因素造成的。Figure 2.8展示了FailSafeTester前面。

Communication between the CIT and the VVE (CarMaker/HIL)

• 网络通信——使用标准的TCP/IP协议来回传递消息。由IPG (APO库)设计的一个特殊库用于打开TCP和UDP套接字，方便了CIT(运行在主机上)和实时计算机(VVE的核心)之间的通信。
• 信息文件数据库模型参数文件(在CarMaker的术语里称为InfoFiles)在CIT和VVE之间共享。这是通过使用NFS(网络文件系统)来实现的，它允许实时计算机将文件系统挂载到主机上。这样，由CIT编写和修改的文件可以由VVE实时计算机直接读取，而实时计算机也可以编写由CIT读取的文件。
• 数据存储—在任何给定的时间，VVE缓冲区指定数据量并将其存储在RAM中。当用户决定保存缓冲数据时，它将被存储到主机的硬盘上，并可以使用CIT提供的工具或其他应用程序(如Matlab)进行分析。
• 文件共享——以与共享InfoFile数据库相同的方式共享其他文件，例如包含实时系统配置数据的文件

2.1.6 From MIL and SIL to HIL

在典型的ECU开发生命周期中，控制器通常以软件模型开始，然后最终以硬件实现。在CarMaker体系中，这不是问题。具有软件建模控制器的Office版本与具有实际ECU的实时版本之间存在无缝连续性。您只需对VVE进行一些更改，比如使用必要的I/O配置一台实时计算机，并将实际控制器集成到系统中。一旦完成了这一步，使用office方法执行的所有测试都可以使用实时方法实现，并且在从一种方法到另一种方法的转换过程中不会浪费时间。

2.2 Fields of Application

CarMaker作为一种产品，通常有多种用途

2.2.1 ECU Testing

• 电子控制单元(ECU)测试-用于测试泵、传感器、执行器等部件。以及它们各自的控制器，并将它们添加到虚拟车辆中。通过这种方式，通常安装在真实车辆上的硬件可以在虚拟车辆中进行评估。这可以通过使用I/O卡物理连接到系统的实际ecu来实现。可以或其他一些方法。这种测试方法称为循环中的硬件(HIL)，因为从虚拟车辆的角度来看，实际的硬件已经添加到系统中。另一种ECU测试可以使用软件建模的控制器，这些控制器通过包括Simulink模型等工具添加到系统中。c代码等在虚拟车上。这个测试过程称为循环中的软件(SIL)，因为从虚拟车辆的角度来看，系统中添加了一个软件元素。

2.2.2 Subsystem Testing

• 子系统测试-旨在测试车辆子系统的性能，或子系统如何影响整个车辆。例如，可能阻尼器的特性已经在某种程度上改变了。一旦对虚拟车辆的阻尼器进行了更改，就可以运行模拟来确定更改如何影响车辆的处理。

CarMaker还可以应用于其他领域，但这两个领域涵盖了大多数应用

2.3 Summary

CarMaker系统由两部分组成：

• 虚拟汽车环境(VVE)
• 接口工具箱(CIT)
  
  VVE模拟车辆、驾驶员和道路(包括风、障碍物、交通标志等)，这些都是评估控制器或测试车辆或车辆子系统动力学所需的部件。
  CIT允许对VVE进行完全控制，包括模拟过程中的直接交互和控制、模拟前控制定义、模型参数数据库(InfoFile)编辑、自动脚本编制和批处理文件创建、配置更改和其他功能。它们管理VVE的所有方面，并且根据调查的对象，可以使用不同的方法进行模拟。
  例如，如果正在对电子控制单元进行评估，则必须采用实时方法。在其他情况下，例如子系统测试，一个Office方法可能就足够了。对于CarMaker系统，VVE和CIT的硬件和软件配置取决于调查的对象，但是在办公方式和实时方式之间进行切换是很简单的。因此，从基于软件的实现到ECU的实际硬件原型和硬件模块的开发过程很容易进行，这些硬件模块将在测试完成后安装到真正的车辆上。例如，一个控制器可以在软件中使用Matlab-Simulink建模，并与CarMaker集成，以测试各种算法的行为。然后，一旦一个真正的原型控制器变得可用，它可以很容易地集成到CarMaker/HIL环境中，这使得控制器可以像安装在真正的车辆上一样进行测试。在实际车辆存在之前，控制器的性能就可以得到快速、简单的评估和优化。测试可以根据需要持续多久。本文件的其余部分详细说明了CarMaker系统应如何使用。下一章将展示如何参数化虚拟车辆环境。

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