Qu'est-ce que le test Hardware-in-the-Loop ?

Le test Hardware-in-Loop (HIL ) est une technique utilisée par les ingénieurs pour tester et valider les logiciels des systèmes intégrés. La simulation HIL fonctionne en connectant électroniquement une unité de commande qui exécute le logiciel à une simulation précise des capteurs et actionneurs contrôlés par un système intégré.

Le système simulé peut se composer de modèles virtuels et physiques représentant des systèmes réels. Les ingénieurs utilisent des systèmes de test HIL pour tester le fonctionnement de leur logiciel en temps réel dans un environnement contrôlé. Cette opération a lieu avant de déployer leur solution dans des véhicules, des machines, des appareils ou des systèmes réels. Au fur et à mesure que les produits et logiciels qu'ils utilisent deviennent plus complexes et impliqués dans des applications critiques pour la sécurité, les tests HIL ont pris de l'importance. 

Les composants clés d'un système de simulation Hardware-in-Loop sont soit une partie de l'appareil de commande, de l'usine de simulation, ou du matériel simulé (parfois appelé jumeau numérique). Lorsqu'ils sont combinés, ces composants créent une simulation en boucle fermée et en temps réel du système de commande.

Logiciel de commande

Le logiciel en cours de test est le composant principal de l'unité de commande dans la configuration du test. Il se compose du code réel chargé sur le matériel et constitue la partie logicielle de l'appareil de commande.

Unité de commande électronique (UCE)

L'unité de commande électronique est l'appareil qui exécute le logiciel et fournit des entrées et des sorties (E/S) à l'installation qu'elle commande. L'un des principaux avantages du test HIL est qu'il vérifie le logiciel sur le matériel électronique réel sur lequel il sera exécuté lorsqu'il sera déployé.

Système de simulation HIL

Dans le produit final, l'unité de commande est connectée directement aux capteurs et aux appareils. Pour un environnement de test HIL, des appareils et logiciels HIL spécialisés d'entreprises telles que National instruments (NI) ou dSPACE connectent les composants qui simulent l'installation réelle à une UCE. Également appelé système de test HIL, il fournit des outils de gestion des tests, de configuration des E/S et d'automatisation. Il peut s'agir d'une seule ou de plusieurs unités.

Composants virtuels

Les testeurs utilisent des représentations mathématiques de certains sous-systèmes auxquels ils n'ont pas accès ou des systèmes qu'ils ne peuvent pas simuler aussi rapidement ou aussi facilement que le matériel réel. Chaque composant virtuel peut recevoir des commandes et des entrées de données, puis produire les mêmes sorties électriques, numériques ou analogiques, que le système réel. Ces simulations virtuelles peuvent être aussi simples qu'une équation et aussi complexes qu'une simulation multiphysique d'un système d'antenne monté sur un satellite en orbite.

Composants physiques

De nombreuses configurations de test système utilisent du matériel réel qui peut être le produit final, un prototype ou une représentation physique d'un sous-système. Cependant, les systèmes simulés peuvent également contenir des composants physiques connectés à des composants virtuels. C'est le cas plus particulièrement pour les systèmes dans lesquels les capteurs sont représentés avec une version virtuelle dans la boucle matérielle. 

De nombreux systèmes de commande complexes, en particulier les systèmes critiques pour la sécurité, utilisent une technique similaire à celle de la simulation HIL appelée test Software-in-the-loop (SIL). Le matériel physique est utilisé pour les E/S dans HIL. En revanche, dans un système SIL, la configuration utilise un outil logiciel pour émuler le comportement du microprocesseur de l'UCE ou du réseau prédiffusé programmable sur site (FPGA) et le réseau de connexions électriques utilisées pour les E/S.

La simulation SIL est généralement effectuée au début du processus de développement du produit avant que l'UCE physique ne soit disponible. Les équipes de développement logiciel utilisent la simulation SIL pour valider les algorithmes, la logique et le comportement global du logiciel avant de l'intégrer au matériel réel. La simulation SIL permet de réaliser des tests à faible coût sans matériel physique ni espace physique.

Pourtant, même lorsque les équipes utilisent des tests SIL approfondis, les tests HIL restent nécessaires car le logiciel doit être validé sur l'UCE avec des signaux réels, y compris la latence et le bruit. En effet, dans de nombreux cas d'utilisation, le logiciel n'est pas capable de simuler le comportement de l'UCE. Les tests HIL garantissent que le matériel et le logiciel fonctionnent ensemble pour les tests de sécurité et qu'ils sont conformes aux normes industrielles courantes dans les applications aérospatiales, médicales et automobiles. 

Les tests Hardware-in-the-Loop offrent des avantages significatifs en termes de calendrier, de coût, de sécurité et de performance. Dans certains secteurs, ils sont même requis pour la certification. L'impact de ces avantages dépend de l'exactitude des simulations utilisées, du coût de la création de ces simulations matérielles ou logicielles, de la potentielle automatisation des étapes chronophages, ainsi que de la rigueur et de l'efficacité du plan de test.

Voici quelques-uns des avantages les plus significatifs de la simulation HIL :

Gain de temps

La fonction HIL peut apporter des améliorations au calendrier de développement d'un produit de plusieurs façons. L'avantage des tests HIL est qu'ils sont beaucoup plus rapides et qu'ils peuvent avoir lieu 24 heures sur 24 avec plusieurs bancs d'essai fonctionnant en parallèle. Un autre gain de temps en matière de développement est de pouvoir introduire des tests HIL plus tôt dans le processus de développement. Les équipes peuvent identifier les problèmes dès le début, limitant ainsi l'impact sur le calendrier de production. L'automatisation rendue possible par la fonction HIL réduit également le temps nécessaire à la réalisation des tests. Et surtout, la fonction HIL peut réduire considérablement le délai de mise sur le marché d'un produit.

Le nombre de prototypes physiques complets étant généralement limité, seuls quelques tests peuvent être effectués en même temps. Avec les tests HIL, les ingénieurs peuvent exécuter davantage de tests en parallèle pour raccourcir considérablement le cycle de développement.

Réduction des coûts

L'impact positif de la fonction HIL sur le calendrier de développement d'un produit contribue également à réduire les coûts. En outre, la nature hautement évolutive de cette technique de test rend la réalisation de plusieurs tests beaucoup plus rentable. En plus de cela, l'utilisation de la fonction HIL peut réduire, voire supprimer le coût de création du matériel physique et des logiciels nécessaires à la conception finale de l'usine. L'automatisation dans le cadre de plusieurs scénarios de test réduit également le temps de travail et d'utilisation des cellules de test, ou le temps pendant lequel les configurations matérielles sont en service.

Des tests cohérents et reproductibles

Le développement d'algorithmes de commande robustes est plus facile lorsque les ingénieurs peuvent tester leurs idées de manière cohérente et reproductible. L'environnement non contrôlé et imprévisible des tests en conditions réelles peut entraîner une variabilité trop importante.

Augmentation du taux de réussite lors du test final du produit

Peu de chose dans un programme de développement sont aussi coûteuses et préjudiciables pour un calendrier de production que l'échec d'une certification finale ou d'un test de performance. Si un processus de test inclut à la fois des tests SIL et HIL, la plupart des modes de défaillance peuvent être découverts et corrigés en amont du processus.

Validation de la sécurité dans un environnement de test sûr

De nombreux systèmes commandés par des logiciels de systèmes intégrés nécessitent des tests de validation de sécurité. Toutefois, nombreux sont ceux à ne pas pouvoir être testés dans un environnement sûr. Par exemple, le test d'un système avancé d'aide à la conduite (ADAS) nécessite d'utiliser un véhicule dans des situations dangereuses pour vérifier le comportement de l'ADAS. Non seulement cette opération est coûteuse, mais elle est également dangereuse pour le conducteur et peut provoquer l'endommagement du véhicule. Les tests HIL avec composants virtuels et l'automatisation des tests éliminent ce danger pour les testeurs, valident la sécurité du système et réduisent les coûts. 

Tout produit qui utilise un logiciel de systèmes intégrés pour la commande de l'appareil peut bénéficier de tests HIL dans le cadre du processus de conception du contrôleur. Cependant, certains secteurs en tireront plus d'avantages que d'autres. Car les avantages énumérés ci-dessus sont plus importants dans leurs processus de production. Voici six secteurs majeurs dans lesquels les tests hardware-in-the-loop sont répandus :

1. Automobile

L'industrie automobile est celle qui utilise le plus la simulation HIL, en particulier avec la tendance croissante vers la conception de véhicules définis par logiciel (SDVs). Les problèmes de coût et de sécurité liés aux tests de véhicules en conditions réelles, sans oublier le long délai avant la mise à disposition d'un prototype, font de la simulation HIL un élément important de la conception de véhicules automobiles.

Par exemple, la simulation HIL peut servir à tester la caméra utilisée dans un système ADAS. Les systèmes ANSYS AVxcelerate Sensors et NI-RDMA peuvent produire le signal brut de la caméra d'une voiture virtuelle, le convertir en signal que la fonction de traitement intégrée de la caméra verra, puis transmettre la sortie de ce sous-système à lUCE.

2. Aérospatiale

Les trois principaux défis liés au développement de systèmes de commande pour les applications aérospatiales sont le respect rigoureux des spécifications, le coût de création du matériel, ainsi que la difficulté et le coût des tests de modules aéronautiques sur le terrain. Chacun de ces défis fait de la simulation HIL la méthode de test préférée, souvent requise pour la certification. L'introduction de systèmes autonomes dans l'aérospatiale ne fait que renforcer le recours à la simulation HIL.

3. Propulsion et production d'énergie

Les centrales électriques qui génèrent de l'énergie pour les systèmes électriques ou la propulsion mécanique bénéficient de l'utilisation de contrôleurs de système intégrés. Dans ces applications, les UCE utilisent des capteurs qui détectent les conditions de fonctionnement. Ils envoient ainsi des commandes pour optimiser l'efficacité, la fiabilité et la production d'énergie. Cela peut être aussi simple que l'électronique de puissance pour la production d'énergie, ou aussi complexe que la surveillance et la réduction de la pollution dans une centrale électrique au gaz naturel.

4. Machines industrielles et robotique

Un nombre croissant de fabricants de machines industrielles et d'installations de fabrication qui utilisent des équipements industriels, y compris la robotique, utilisent la simulation HIL pour optimiser l'efficacité des machines ou le processus de fabrication avant de construire une nouvelle ligne de production.

5. Dispositifs médicaux et diagnostic médical

L'utilisation accrue des appareils intelligents, la certification de sécurité rigoureuse et les défis de tests en conditions réelles dans le secteur médical poussent également les équipes de développement à utiliser de plus en plus les tests HIL. Les logiciels intégrés peuvent être vérifiés dans des systèmes sensibles à la sécurité tels que les stimulateurs cardiaques ou les appareils d'administration d'insuline en utilisant la simulation HIL au début du processus de conception et lors de la phase de vérification et de validation.

6. Systèmes de gestion de batteries

Lorsque les tests HIL sont appliqués aux systèmes de gestion de la batterie (BMS), ils peuvent accélérer le développement de la batterie dans les applications automobiles, aérospatiales et de production d'énergie. La validation en boucle fermée du BMS dans un environnement HIL garantit le fonctionnement sans erreur de toutes les fonctions de sécurité et de performance. Un modèle au niveau du système de batterie développé par le biais de simulations d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) peut être intégré aux systèmes HIL pour représenter la batterie physique. Il peut également se connecter aux systèmes de batterie physiques pour valider les performances du système BMS dans différentes conditions telles qu'une surtension, une surintensité, un avertissement de surchauffe, l'équilibrage des cellules dans les batteries, une réponse à un court-circuit et d'autres événements critiques que le système BMS est conçu pour gérer.

La simulation numérique, en particulier les types d'outils présents dans le logiciel multiphysique Ansys, joue un rôle important dans la plupart des projets de simulation HIL. Lorsqu'une simple équation ou recherche de données empiriques n'apporte pas le niveau de fidélité ou la portée nécessaire, ou qu'une simulation physique n'est ni réalisable ni rentable, la simulation numérique est la solution.

L'avantage de la simulation numérique est qu'elle est très précise. En outre, les ingénieurs peuvent déjà avoir des modèles de matériel et l'équipe peut capturer l'impact du système de commande sur ce module du système.

Voici quelques façons d'utiliser des composants virtuels dans une étude HIL :

Systèmes avancés d'assistance à la conduite et véhicules autonomes (AV)

La modélisation de véhicules dans de nombreuses situations de conduite, associée aux signaux des capteurs qui imitent avec précision les capteurs réels, est essentielle aux tests HIL lors du développement de solutions ADAS/AV. C'est pourquoi une suite complète d'outils de modélisation numérique, comme les solutions Ansys AVxcelerate, est utilisée par les ingénieurs de l'industrie automobile pour modéliser les entrées dans les logiciels de systèmes intégrés.

Voici deux exemples parlants : le logiciel Ansys AVxcelerate Sensors pour la modélisation de la saisie LiDAR et de la caméra et le logiciel Ansys AVxcelerate Headlamp pour montrer aux ingénieurs à quoi ressemblent réellement les changements apportés aux phares pour les conducteurs, les autres véhicules et les piétons.

Intégration

Quelle que soit la manière dont les modèles de simulation numériques génèrent des résultats à partir des entrées fournies, ils doivent être transmis au système HIL. Pour ce faire, il suffit d'utiliser une fonctionnalité de script comme PyAnsys pour connecter des logiciels via le langage Python. Un outil d'ingénierie des systèmes basés sur des modèles (MBSE), tel que le logiciel Ansys ModelCenter ou la plate-forme Ansys Thermal Desktop (AEDT), fournit une vue précise du comportement au niveau du système en temps réel.

Modélisation de composants mécaniques

Les solveurs numériques représentant le comportement structurel, thermique et dynamique des composants constituent un ajout courant aux composants numériques dans une simulation HIL. Un outil à usage général tel que le logiciel Ansys Mechanical ou des solutions spécifiques telles que le logiciel Ansys Motion pour la dynamique multi-corps peut être utilisé à cet effet. En outre, les ingénieurs peuvent utiliser un outil tel que le logiciel Ansys optiSLang pour générer des modèles d'ordre réduit (ROM) insérables dans un modèle de système MBSE.

Modélisation de composants électromagnétiques

Les capteurs et actionneurs électromagnétiques jouent un rôle important dans de nombreux systèmes pilotés par des logiciels de systèmes intégrés. Les outils de modélisation électromagnétique rapides et précis tels que les logiciels Ansys Maxwell et Ansys HFSS sont souvent intégrés en tant que composants numériques dans l'usine.

Contactez un représentant Ansys dès aujourd'hui pour découvrir comment nos solutions logicielles leaders sur le marché peuvent vous aider.

Ressources connexes