“關(guān)于硬件在環(huán)HIL測(cè)試的簡(jiǎn)單介紹，供大家批評(píng)。”

01 是什么

硬件在環(huán)hardware-in-the-loop，簡(jiǎn)稱(chēng)HIL，大家可能經(jīng)常聽(tīng)到，那這到底是什么呢？可以說(shuō)是一種對(duì)控制器進(jìn)行測(cè)試的手段，而其名字已經(jīng)揭示了含義。名字中的“hardware”硬件，即是這個(gè)測(cè)試手段的被測(cè)對(duì)象，一般是控制器實(shí)物，比如整車(chē)控制器VCU、電池管理系統(tǒng)BMS、ADAS控制器或者是自動(dòng)駕駛的計(jì)算平臺(tái)；“in-the-loop”在環(huán)，強(qiáng)調(diào)了被測(cè)控制器要在一個(gè)閉合的回路里，這個(gè)回路即是控制器接收被控對(duì)象的狀態(tài)并發(fā)出控制指令，然后得到被控對(duì)象反饋并再次發(fā)出控制指令的過(guò)程。形成了這個(gè)測(cè)試閉環(huán)，就可通過(guò)設(shè)置被測(cè)對(duì)象不同的狀態(tài)，來(lái)測(cè)試控制器能否對(duì)不同的工況進(jìn)行正確處理，其功能是否都能夠正常工作。

那么如何形成這個(gè)測(cè)試閉環(huán)呢？我們從真實(shí)控制器和真實(shí)被控對(duì)象的情況說(shuō)起。比如真實(shí)的自動(dòng)駕駛控制器控制真實(shí)車(chē)輛時(shí)，控制器發(fā)送控制指令（如加速、減速、轉(zhuǎn)向等）給車(chē)輛上的執(zhí)行器，車(chē)輛根據(jù)控制指令做出相應(yīng)的動(dòng)作，然后車(chē)輛上安裝的傳感器檢測(cè)狀態(tài)信息（如車(chē)速、橫擺角、障礙物信息等），并反饋給控制器，控制器繼續(xù)根據(jù)新的狀態(tài)信息計(jì)算并發(fā)出控制指令，周而復(fù)始。

進(jìn)行HIL測(cè)試時(shí)，使用HIL設(shè)備替代真實(shí)被控對(duì)象，接收所有控制指令，并模擬所有狀態(tài)信息返回給真實(shí)控制器，使控制器以為自己在控制真實(shí)對(duì)象，從而形成測(cè)試閉環(huán)。

這要求HIL設(shè)備一方面能夠按照真實(shí)被控對(duì)象和控制器接口的線(xiàn)路形式和協(xié)議收發(fā)信息，另一方面能夠?qū)刂浦噶钭龀稣_響應(yīng)并發(fā)出正確的狀態(tài)值。從而，HIL設(shè)備一般由這樣幾部分構(gòu)成：

（1）被控對(duì)象仿真模型：用來(lái)精確的模擬被控對(duì)象，發(fā)出正確狀態(tài)信息，比如車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、電池模型、交通場(chǎng)景模型和傳感器模型等。

（2）實(shí)時(shí)處理器：由于接入了控制器實(shí)物，由HIL設(shè)備模擬的虛擬被控對(duì)象也要能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行，這樣才能準(zhǔn)確模擬真實(shí)對(duì)象。從而需要一個(gè)高性能的實(shí)時(shí)處理器來(lái)運(yùn)行仿真模型以及處理I/O通信、數(shù)據(jù)記錄等各項(xiàng)HIL測(cè)試中的任務(wù)。

（3）I/O接口：用來(lái)模擬控制器和被控對(duì)象間的交互，按照真實(shí)的線(xiàn)路形式（如硬線(xiàn)、CAN總線(xiàn)、以太網(wǎng)等）和協(xié)議收發(fā)信息，按照與真實(shí)對(duì)象一樣的形式通過(guò)線(xiàn)路與控制器相連，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。

（4）操作界面：有時(shí)也被稱(chēng)為上位機(jī)軟件、試驗(yàn)管理軟件，其與實(shí)時(shí)處理器通信，提供可視化操作和觀測(cè)界面，進(jìn)行設(shè)備硬件、軟件和測(cè)試任務(wù)的管理。

為了使用的便利性，HIL設(shè)備的各個(gè)部分有時(shí)會(huì)集成到一個(gè)機(jī)柜中。

02 為什么

說(shuō)了這么多，為什么需要進(jìn)行HIL測(cè)試呢？或者說(shuō)HIL測(cè)試有什么好處呢？簡(jiǎn)單列舉如下幾種：

（1）節(jié)省成本

不管是開(kāi)放道路還是封閉試驗(yàn)場(chǎng)的實(shí)車(chē)測(cè)試都需要大量的費(fèi)用，比如樣車(chē)制造費(fèi)用比量產(chǎn)車(chē)輛要高很多、試驗(yàn)場(chǎng)地昂貴的租賃費(fèi)用和緊張的測(cè)試時(shí)間、實(shí)車(chē)測(cè)試設(shè)備費(fèi)用常常較高、實(shí)車(chē)測(cè)試需要不同專(zhuān)業(yè)的測(cè)試人員等等。雖然HIL測(cè)試不能替代全部的實(shí)車(chē)測(cè)試，但使用HIL測(cè)試可以在實(shí)驗(yàn)室完成一大部分的測(cè)試，從而節(jié)省大筆支出。

（2）減少危險(xiǎn)

汽車(chē)是一個(gè)非常復(fù)雜的移動(dòng)機(jī)電液耦合裝置，其機(jī)械和控制器部分都可能包含潛在的問(wèn)題。在開(kāi)發(fā)階段貿(mào)然的進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，特別是危險(xiǎn)工況的實(shí)車(chē)測(cè)試，可能因?yàn)闈撛趩?wèn)題的發(fā)生而造成危險(xiǎn)，甚至是人員傷亡。在控制器安裝到車(chē)輛上進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試前，進(jìn)行常用的或者全部功能的HIL測(cè)試，有助于發(fā)現(xiàn)并解決很多潛在問(wèn)題。這在一款新控制器的開(kāi)發(fā)階段或者代碼更新后尤其有效。

（3）同步開(kāi)發(fā)

一款全新汽車(chē)的開(kāi)發(fā)可能要經(jīng)歷兩三年的時(shí)間，而控制器和被控的整車(chē)或者零部件可能處于同步開(kāi)發(fā)的狀態(tài)；也可能通用性的控制器遠(yuǎn)早于整車(chē)的開(kāi)發(fā)，比如控制器供應(yīng)商提前完成控制器開(kāi)發(fā)，再根據(jù)整車(chē)適配性修改。兩種情況都會(huì)造成控制器開(kāi)發(fā)時(shí)，并沒(méi)有被控對(duì)象進(jìn)行匹配測(cè)試。而HIL測(cè)試中通過(guò)仿真設(shè)備模擬被控對(duì)象信號(hào)，可以在開(kāi)發(fā)早期實(shí)現(xiàn)控制器的功能測(cè)試，從而節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高測(cè)試效率。

（4）故障注入

控制器需要能夠妥善處理故障情況，比如信號(hào)丟失、線(xiàn)路短路等等。這些故障情況在實(shí)車(chē)上難以設(shè)置和復(fù)現(xiàn)，而且具有一定的危險(xiǎn)性。通過(guò)HIL測(cè)試可方便的對(duì)多種故障的組合和取值進(jìn)行遍歷測(cè)試，大大提高測(cè)試效率。

03 怎么做

說(shuō)了這么多，如果要進(jìn)行HIL測(cè)試該怎么做呢？可以分為HIL工具開(kāi)發(fā)、HIL系統(tǒng)集成、測(cè)試場(chǎng)景開(kāi)發(fā)和HIL測(cè)試執(zhí)行四個(gè)步驟。

（1）HIL工具開(kāi)發(fā)

HIL工具涉及到軟件工具和硬件工具。對(duì)于自動(dòng)駕駛測(cè)試來(lái)說(shuō)，軟件工具包括場(chǎng)景和傳感器仿真軟件、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件、測(cè)試管理軟件等不同功能的軟件；硬件工具有實(shí)時(shí)仿真機(jī)、IO接口板卡和傳感器模擬器等。這些工具可以根據(jù)具體的需求情況和開(kāi)發(fā)能力，在市場(chǎng)上選擇適合的現(xiàn)有工具或者自行開(kāi)發(fā)。

（2）HIL集成

HIL系統(tǒng)集成包含兩個(gè)方面的工作：①根據(jù)測(cè)試需要選擇合適的測(cè)試工具并將其集成為完整的HIL測(cè)試環(huán)境；②將被測(cè)算法與HIL測(cè)試環(huán)境集成，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測(cè)試。

第一方面工作的難點(diǎn)在于：①市場(chǎng)上的測(cè)試工具種類(lèi)較多，哪個(gè)能滿(mǎn)足測(cè)試需求？②這些測(cè)試工具多是由不同公司開(kāi)發(fā)的，在將其集成到一起時(shí)，相互之間的數(shù)據(jù)接口需要定制化開(kāi)發(fā)。

第二方面工作的難點(diǎn)在于：①現(xiàn)成的工具與被測(cè)算法的數(shù)據(jù)接口也不一致，在定制化開(kāi)發(fā)通信接口的過(guò)程中，既需要?jiǎng)?chuàng)造性的思考，也需要步步為營(yíng)的調(diào)試。②如何能夠保證仿真環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的相似度，比如傳感器的信號(hào)是否與真實(shí)情況一致、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的響應(yīng)是否與真實(shí)車(chē)輛一致？

（3）測(cè)試場(chǎng)景開(kāi)發(fā)

測(cè)試場(chǎng)景開(kāi)發(fā)工作的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：如何保證仿真測(cè)試的場(chǎng)景覆蓋度？或者說(shuō)算法在仿真環(huán)境進(jìn)行了1000萬(wàn)個(gè)場(chǎng)景、1000萬(wàn)公里的測(cè)試后，我們可以有多大信心在真實(shí)世界的同樣場(chǎng)景下進(jìn)行自動(dòng)駕駛？

這需要針對(duì)自動(dòng)駕駛算法的設(shè)計(jì)運(yùn)行域進(jìn)行詳細(xì)而系統(tǒng)的測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)。充分考慮道路、周?chē)?chē)輛的位置和運(yùn)動(dòng)、傳感器感知局限和自車(chē)狀態(tài)等等不同方面的影響。

（4）HIL測(cè)試執(zhí)行

HIL測(cè)試執(zhí)行包含兩個(gè)方面的工作：①對(duì)測(cè)試場(chǎng)景庫(kù)的維護(hù)和針對(duì)不同算法選擇合適的測(cè)試場(chǎng)景并進(jìn)行測(cè)試；②在測(cè)試完成后，整理并提供清晰的測(cè)試報(bào)告，并提供測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為算法團(tuán)隊(duì)的改進(jìn)提供有效支撐。

HIL測(cè)試一般是自動(dòng)化測(cè)試，配置好測(cè)試用例后進(jìn)行無(wú)人值守的自動(dòng)化運(yùn)行和評(píng)估，這有利于提供測(cè)試效率、正確性和一致性。