问题

汽车开发中的快速原型和基于模型设计的区别 dspace 有什么作用?

回答
在汽车开发中,快速原型(Rapid Prototyping)和基于模型的设计(ModelBased Design, MBD)是两个非常重要的概念,它们之间既有联系又有区别。而 dSPACE 作为一家知名的供应商,在 MBD 的实践中扮演着关键角色。

下面我将详细解释它们之间的区别,并阐述 dSPACE 在其中起到的作用。

汽车开发中的快速原型和基于模型设计的区别

1. 快速原型 (Rapid Prototyping, RP)

核心概念: 快速原型主要关注的是物理层面的快速验证和迭代。它的目标是在短时间内制作出可工作的硬件或软件原型,用于测试和验证设计的关键功能,以及与真实世界的交互。

主要特点:

物理实体或可运行的软件: 快速原型通常是看得见摸得着的产品的一部分,例如一个 ECU(电子控制单元)的硬件 PCB(印刷电路板)加预载的软件,或者一个能够与传感器和执行器交互的软件模块。
验证具体功能: 其主要目的是验证某个特定功能或子系统的性能、行为、集成性以及与环境的交互。例如,验证一个新的制动算法在硬件上的实际表现。
侧重硬件/软件实现: RP 过程通常涉及硬件的快速制造(如 PCB 焊接、3D 打印)、嵌入式软件的编写、编译和烧录到目标硬件中。
迭代速度快: 通过快速制造和测试,可以快速发现设计中的问题,并进行修改和重新验证。这是一种“边做边学”的模式。
成本相对较高: 制作真实的硬件原型,尤其是在早期阶段,可能涉及较高的成本,例如 PCB 制造、元器件采购、人工组装等。
适用于后期验证: 虽然也用于早期验证,但 RP 更常用于设计进入相对成熟阶段后,对关键组件的集成和功能进行精确验证。

举例:

开发一款新的 ABS(防抱死刹车系统)控制算法:将算法代码编写成嵌入式软件,烧录到专用的测试 ECU 中,然后连接到测试台上模拟车辆的轮速和制动压力传感器,并观察执行器的响应。
设计一个新型的驾驶员辅助系统(ADAS)的传感器融合模块:制作一个包含所需传感器接口的硬件原型,并编写传感器数据采集和融合的软件,然后在实验室环境中接入真实的传感器进行测试。

2. 基于模型的设计 (ModelBased Design, MBD)

核心概念: 基于模型的设计是一种从系统行为模型开始的开发方法。它将整个系统的设计过程都围绕着数学模型展开,从需求定义、架构设计、算法开发到最终代码生成和验证,都基于这个统一的模型。

主要特点:

模型是核心: 系统行为、算法逻辑、物理组件的动力学特性等都用数学模型(通常是 Simulink 或其他建模工具)来表示。
早期验证和仿真: 在设计早期,就可以在模型层面进行大量的仿真测试,发现和纠正设计缺陷,而无需实际的硬件。
从模型自动生成代码: MBD 的一个关键优势是能够从模型自动生成生产级别的 C/C++ 代码,用于嵌入式系统的部署。这极大地提高了开发效率和代码质量。
贯穿整个开发周期: MBD 不仅用于算法开发,还可以用于需求管理、系统架构设计、仿真测试、代码生成、硬件集成验证等整个生命周期。
提高抽象层次: MBD 允许工程师在更高的抽象层次上思考问题,专注于系统的功能和行为,而不是过早地陷入具体的代码实现细节。
便于团队协作: 模型可以作为团队之间沟通和协作的统一语言。

举例:

设计一款新的发动机控制单元(ECU):首先在 Simulink 中建立发动机动力学模型、传感器模型、执行器模型,然后在此基础上开发发动机的燃油喷射、点火正时、进气控制等控制算法模型。
验证该算法的性能:在模型中进行各种工况下的仿真,例如加速、减速、怠速等,评估输出的稳定性和精确性。
生成代码:将验证通过的控制算法模型自动生成 C 代码,然后部署到目标 ECU 硬件上。

核心区别总结:

| 特征 | 快速原型 (Rapid Prototyping) | 基于模型的设计 (ModelBased Design) |
| : | : | : |
| 核心关注 | 物理层面的快速验证和迭代 | 从系统行为模型开始,贯穿整个开发周期的开发方法 |
| 产出物 | 可工作的硬件/软件原型 | 抽象的系统模型,以及由模型自动生成的代码和测试用例 |
| 主要手段 | 硬件制造、软件编写、编译、烧录、实际测试 | 数学建模、仿真、模型验证、自动代码生成 |
| 验证重点 | 特定功能的实际性能、集成性、与真实世界的交互 | 系统行为的正确性、性能、鲁棒性,早期发现和纠正逻辑错误 |
| 开发阶段 | 常用于中后期,对关键功能进行精确验证 | 贯穿整个生命周期,从早期需求和算法设计到后期部署和测试 |
| 成本效率 | 初期可能成本较高(硬件制作),但能快速验证物理实现的可靠性 | 早期投入建模工具和培训,但通过仿真和自动代码生成,总体效率和成本效益高 |
| 抽象层次 | 偏向于具体实现,关注代码和硬件细节 | 更高的抽象层次,关注系统行为和算法逻辑 |

dSPACE 在汽车开发中的作用

dSPACE 在汽车开发领域扮演着至关重要的角色,尤其是在基于模型的设计 (MBD) 和快速原型 (RP) 的结合实现方面。它的产品和服务为汽车工程师提供了一个完整的工具链,支持从概念到生产的整个开发过程。

dSPACE 的作用主要体现在以下几个方面:

1. 支持基于模型的设计 (MBD)

建模和仿真工具: dSPACE 提供强大的建模工具,例如Simulink/Stateflow 与其紧密集成。工程师可以使用这些工具创建各种系统的数学模型,包括动力学模型、控制算法模型、通信协议模型等。
模型验证和测试: dSPACE 提供了丰富的仿真环境和测试工具,允许工程师在模型开发阶段进行广泛的仿真测试。这包括单元测试、集成测试、HIL(硬件在环)测试等。
自动代码生成: dSPACE 的 TargetLink 是一个领先的模型到代码生成器。它可以将 Simulink/Stateflow 模型自动转换为生产级别的嵌入式 C/C++ 代码,这些代码可以直接部署到 ECU 中。这大大提高了开发效率,减少了手动编码错误。
需求管理集成: dSPACE 的工具链可以与需求管理工具集成,确保模型开发过程与系统需求保持一致,并为每个模型组件建立可追溯性。

2. 实现快速原型 (RP) 和早期验证

dSPACE 尤其擅长将 MBD 的模型快速转化为可运行的原型,实现“模型到硬件”的无缝过渡。

原型控制器 (Prototyping Controllers): dSPACE 提供一系列高性能的原型控制器(如 MicroAutoBox、SCALEXIO 等)。这些控制器集成了强大的处理器、丰富的输入/输出接口(模拟、数字、PWM、CAN、LIN、FlexRay、以太网等),可以直接运行由模型自动生成的代码。
MicroAutoBox: 是一款集成度高、易于使用的快速原型控制器,非常适合对新算法进行实时测试和验证。工程师可以直接将 Simulink 模型编译为 MicroAutoBox 可执行的代码,并在车辆上或台架上进行实验。
SCALEXIO: 是一个更强大、更灵活的硬件平台,适用于更复杂的系统,如多 ECU 集成、高频控制等。它允许用户根据具体需求配置 I/O 模块,构建高度定制化的测试环境。
硬件在环 (HardwareintheLoop, HIL) 仿真: dSPACE 是 HIL 仿真领域的领导者。HIL 系统使用真实 ECU 作为被测对象,同时用高保真的模型模拟车辆或其他环境,通过 dSPACE 的硬件平台连接 ECU 和仿真模型。这使得工程师可以在安全可控的实验室环境中,对 ECU 的控制算法进行全面的测试和验证,而无需真实的车辆。
优势: HIL 仿真实现了快速原型中“原型”的意义,但它将验证对象从被测试的 ECU 本身(如一个新设计的传感器)转移到了整个 ECU 的控制逻辑和与环境的交互。它比传统的 RP 更注重“系统”的验证。
实时调试和监控: dSPACE 的工具链提供了强大的实时调试和监控能力。在原型控制器或 HIL 系统上运行时,工程师可以实时查看和修改模型参数,监视信号,诊断问题,这对于算法的调优和验证至关重要。
自动化测试: dSPACE 支持自动化测试框架,允许工程师编写脚本来自动执行大量的测试用例,并收集和分析测试结果,从而加速了测试过程。

dSPACE 如何连接 MBD 和 RP?

dSPACE 的核心价值在于它能够将基于模型的系统开发流程无缝地连接到快速原型验证阶段。

1. MBD 阶段: 工程师使用 Simulink/Stateflow 等工具创建系统模型和控制算法模型。
2. 模型验证: 在模型级别进行大量仿真测试,确保算法逻辑的正确性。
3. 代码生成: 使用 TargetLink 将模型自动转换为生产级别的 C/C++ 代码。
4. 部署到原型硬件: 将生成的代码下载到 dSPACE 的原型控制器(如 MicroAutoBox 或 SCALEXIO),这些控制器充当实际 ECU 的原型。
5. 实时测试和迭代: 在车辆、测试台架或 HIL 系统上运行这些原型控制器,通过 dSPACE 的工具进行实时监控、调参和调试。
6. 反馈和优化: 根据测试结果,回到模型进行修改和优化,然后重新生成代码并部署,形成一个快速的开发和验证闭环。

总结来说,dSPACE 使得基于模型的设计不再仅仅停留在仿真层面,而是能够轻松地将模型转化为真实的、可工作的硬件原型,并在实际环境中进行快速迭代和验证。它极大地缩短了从概念到量产的开发周期,提高了汽车电子系统的质量和可靠性。

举一个更具体的例子:

一家汽车制造商正在开发一个新的驾驶员疲劳检测系统。

MBD 阶段: 工程师使用 Simulink 创建了基于摄像头图像分析的算法模型,用于检测驾驶员的眨眼频率、头部姿态等。他们还建立了模拟车辆行驶环境的模型。
dSPACE 的作用:
工程师使用 Simulink 和 Stateflow 开发算法,并通过 Model Advisor 等工具检查模型是否符合自动代码生成的规范。
使用 TargetLink 将算法模型自动生成 C 代码。
将 C 代码下载到 dSPACE 的 MicroAutoBox 系列原型控制器中。
将摄像头连接到 MicroAutoBox 的输入接口,同时将 MicroAutoBox 连接到车辆的 CAN 总线上,用于接收车速等信息。
在实际车辆测试中,MicroAutoBox 实时运行疲劳检测算法,并将检测结果通过 CAN 总线发送给车辆的主 ECU。
工程师使用 dSPACE 的 ControlDesk 软件实时监控 MicroAutoBox 的输入信号、算法输出(如疲劳等级),并可以实时调整模型的参数(如眨眼阈值)。
如果发现算法在特定条件下(如夜间驾驶、强光照射)表现不佳,他们可以立即回到 Simulink 模型进行修改,重新生成代码,下载到 MicroAutoBox 进行下一轮测试。

通过 dSPACE 的工具链,整个开发过程从最初的算法构思到在真实车辆上的实时验证和调优,都变得高效、可控且具有高度的可重复性。

网友意见

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大家好,我也来回答一下这个问题。第一次在知乎这么正式回答问题。

@冷哲

希望大神如果有空瞧一眼,还有没有解释不对的:)

我是在国内学的控制工程理论,学完也不知道具体是咋用的。直到出来读了机械的研究生。补上了他们本科控制的相关课程,这几门课分为理论和实践。理论就是PID控制的设计和分析。实践的部分就是教授带着我们,每人一套dSpace设备在实验室做项目(直流电机转速控制,步进电机转速控制,四位三通液压阀控制,电动车 etc.)。现在终于对这块儿有了一个比较清晰的认识。

背景介绍完毕!

以下是我的一些理解。

首先我想给出一些概念

快速原型有两个!

Rapid Prototyping(Rapid Mechanical Prototyping) : 这个是针对纯硬件领域的快速模型。比如我要新设计一款四缸发动机,那么我可以先在catia里面三维建模一些零件,然后把我的零件模型导入3D打印机(或其他技术,不赘述)打印出来一个Prototype,然后对这个原型进行静态动态分析。因为利用3D打印技术,所以大大降低了零件加工的难度,从而加快了研发进度。这也就是所谓的Rapid

Rapid Control Prototyping:这个是针对所有工业嵌入式控制系统开发而言的快速模型。

open loop control,close loop control,PID Control ,.......(请自行Google)

嵌入式控制系统 embedded control system:

比如我们汽车上的ESP系统,

1 我们有一辆车

2 我们发现车在一些路面轮胎会打滑,打滑导致危险

3 汽车工程师发现,如果可以控制发动机的输出扭矩,刹车钳适当的开闭,从而使轮胎的滑移率总是保持在一个理想的范围内,那么我们开车就安全了!

3.5 汽车工程师选择传感器(压力,转速,加速度.....)和促动器(可调节的液压阀.......)

4 Software汽车工程师设计控制算法(比如很复杂的PID control,State Space,slide model control)

5 Hardware汽车工程师根据算法的要求挑选单片机和电路元器件,然后设计并制造控制PCB板

6 汽车工程师把设计好的软件编写到第5步的PCB板上(这个板就是我们汽车领域所说的ECU)

7 汽车工程师把这个PCB板和发动机和刹车系统连起来

8 well done! 我们的车现在就不会打滑了!

9 给汽车工程师发奖金

示意图如下:


我讲这个是因为,我在查国内的资料的时候发现很多人都认为嵌入式开发就是写C代码,我觉得其实并不是!上述就是一个非常非常粗略的嵌入式系统开发的大概步骤。

总结:何为嵌入式?

粗俗的说,就是我们弄出一个ECU,然后把ECU插到我们要控制的系统里面,对系统进行控制。如果控制的不好或者开发新功能,那么拔下来调试,然后再插回去。这一整套的硬件、软件、系统的开发就是所谓的嵌入式控制系统开发。C编程仅仅只是其中的一部分。最后,由于有了嵌入式控制,我们的系统就变得智能了。(自动停车,电动车,自动驾驶,六轴机械臂·······)

在这个开发过程中使用的最多也是现在最流行的开发方法就是Rapid Control Prototyping

用的最多,也是最好,最贵的软硬件结合的设备就是 dSpace system,对于汽车开发他们公司最出名的产品就是microautobox。

我们的传统开发过程:

困难和问题

1 一定会有不合适,不合适就要返工,返工就要拖延开发时间!

2 可以看出这是一个跨学科的复杂项目,所以机械、电、计算机程序,硬件,软件综合起来使项目风险变得很高。其实说人话就是,只要一步错就要倒头重来,又要再花钱,贵啊!

3 对于control system的开发要等到二期成果出来以后!

GOOD IDEA

为了减少返工,加快研发时间,能不能在我们的硬件(mechanic and electronic)还没出现的时候就可以进行控制系统的开发?换句话说,控制系统的开发能不能和硬件(mechanic and electronic)开发同时进行?

答案是:能!



解决办法:

那么我们要干控制,就必须首先要有整个系统 (mechanic and electronic) 才行啊,怎么办?


对整个系统建模!最常用的软件当然就是我们大名鼎鼎的Matlab/Simulink,其实对于汽车还有专门的软件IPG Carmaker, 我现在用的就是这个。

上述的就是基于模型设计的Conception!其实随着基于模型的理念发展,这种研发办法已经不限于控制了。

(中文越来越弱了,如有啰嗦的部分请见谅,这么久才回答了题主不到三分之一的问题Orz....)

--------------------------------------------------------------机械切割-----------------------------------------------------------------

那么何为Rapid Control Prototyping(快速原型)?

这就不得不提到牛逼的dSpace盒子

这个就是我在前面提到的microautobox

在硬件出来之前:

对于硬件系统(mechanic and electronic)建模:

1 Matlab/Simulink可完成mechanic 和传感器,促动器的建模

2 microautobox就是electronic硬件,也相当于就是很多ECU的组合,它比汽车单个的ECU功能强大的多。你可以只当一个ECU来用,也可以当多个ECU来用。

3 这个盒子硬件部分可以接传感器,促动器。软件可以接Matlab/Simulink

4 我们在Matlab/Simulink里面设计控制算法,比C更直观容易理解

5 算法自动转码成C Code到这个盒子

6 dspace还有对应软件可以看输出端实时(realtime)响应曲线

等汽车造出来以后

7 电脑--------盒子------CAN BUS------汽车连接起来 (这就是HIL的一种,什么是Hardware In the Loop 就不细说了)

8 一个人开车,一个人坐在副驾驶座上用软件实时的调节各项参数

9 所有都合适之后,生产单个的ECU(发动机ECU,ABS的ECU,ESP的ECU......)

10 FINAL TEST

11 well done!给汽车工程师发奖金

快在哪里?rapid?

同时开发!

无需编程C Code!你知道,编程出错很多的。这也使得工程师可以专心干控制!

电控硬件已获得(microautobox)!

realtime testing !

以上就是快速原型和dSpace的非常非常粗略的介绍,请结合楼上大神们的V model一起服用!

如有不清楚的地方,欢迎留言,私信,加好友!

共同学习,共同进步!

最后,感谢你对本篇扯淡的耐心阅读:)


(如果有时间,我想再举一个详细的电动车例子给大家,以上真的都是很粗略浅显的理论介绍,望见谅!)

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