HILS（Hardware In the Loop Simulator あるいはSimulation）は、自動車分野における制御装置や制御機構の検証プロセスの効率化やコスト削減を目的に導入が拡大している新しい評価環境です。
今回の記事では、HILSが自動車分野にもたらす成果やメリットとともに、自動車分野・非自動車分野両面におけるHILS活用事例を解説します。
HILSの導入を検討している場合やシミュレーション環境の構築に関する課題をお持ちの際には、テクノプロ・デザイン社にお問合せ・ご相談ください。
テクノプロ・デザイン社にはHILSのシミュレーション環境構築や検証、設計の多くの実績があります。また、シミュレーション環境構築や整備だけでなく、モデルベース開発の人材に関するソリューションや、コンサルティングもご提案可能です。お客様の課題に合わせた解決策をご提示します。
HILSとは？MILS/SILSとの違いや歴史
HILSは自動車分野の検証プロセスにおいて、多く活用されている評価環境です。
ここではHILSの概要と自動車分野における歴史を解説します。
HILSとは
HILS（Hardware In the Loop Simulator またはSimulation）とは、制御装置であるECU（ECU：Electronic Control Unit）と、制御対象を模擬したHILS装置で構成された評価環境です。
HILSでは、アクチュエータ装置とセンサー装置に代わり、HILS装置をECUに接続します。制御対象の制御に対する振る舞いや状態はHILS装置に組み込んだプラントモデルで模擬します。
HILS装置はプラントモデルがシミュレーションした結果(数値データ)を、実センサー装置の代わりに信号を模擬してECUに返します(フィードバック）。ECUはフィードバックされた情報を基に新たな制御を行います。HILSはECUとHILS装置の間で制御ループを構築することが特徴です。
HILSはモデルベース開発の検証プロセスの評価手法のひとつとして用いられていますが、従来の組込み開発の検証プロセスにHILSを導入することも可能です。制御対象の実装置をHILS装置で模擬することができ、試験の自動化も可能であるため、多くのメリットを得られます。
もちろんMILSやSILSといった他のシミュレーション技術も同時に導入し、組込み開発全体をモデルベース開発へ移行することも可能です。
【関連記事】モデルベース開発については、以下の記事で詳しく解説しています。
【関連記事】以下の記事ではHILSの概要や似ているシミュレーション技術であるMILS/SILS/S-PILSとの違い、プラントモデルの種類等について詳しく解説しています。
HILSとMILS/SILSとの違い
HILSはMILS/SILSと以下のような違いがあります。
以下でわかりやすく解説します。
MILSとは：プラントモデルと制御モデルで検証
MILS（Model In the Loop Simulation）は、仕様検討や要求分析、設計などの精度を高める目的で、開発序盤にモデル化した開発対象である制御装置（コントローラー）を、制御対象モデル（プラントモデル）を用いて検証します。
設計段階で問題点などを発見できる可能性が高く、開発後半での手戻りと比べて修正や変更の手間がかかりません。
一方で、制御装置（コントローラー）と制御対象（プラント）の両方ともモデルを使用して検証するため、実機に起因するエラーを見つけることはできません。そのため後工程における検証も重要です。
SILSとは：プラントモデルと制御コードで検証
SILS（Software In the Loop Simulation）は、詳細設計や製造、実装などの開発中盤に用います。
MILSの制御モデルからソースコードに変換された制御コードと制御対象をモデル化したプラントモデルを使用し、制御モデルからソースコードへの変換による影響を検証します。
HILSの自動車分野における歴史
新しい自動車製品や技術の開発には、利便性や性能の向上だけでなく、安全性の担保が必須です。安全性を担保するために、実機の制御機能や実機の挙動を検証する、リアルタイムシミュレーションが行われています。
リアルタイムシミュレーションとは、実時間と同じになるように、コンピュータをリアルタイムに作動させて行うシミュレーションのことです。HILSは自動車の新製品や新技術開発で必須となる、リアルタイムシミュレーションとともに進歩したシミュレーション技術と言えます。
最初のリアルタイムシミュレーションが行われたのは1970年代です。その後1980年代にパソコンが誕生したのを受けて、電子制御ユニットであるECUを活用したシミュレーションが多く実施されるようになりました。
そしてHILSが誕生したのは1990年代です。日本でも1999年に日産自動車株式会社が「SENTRA CA」の開発においてMATLAB/Simulinkを用いた制御モデル記述の採用とRCPの活用を実現しています。
2000年代に入ると、現在のHILSのベースとなる自動テストシステムツールを導入したHILSシミュレーションが登場しました。HILSが自動テストを実行できることで検証効率がさらに向上します。日産自動車株式会社でも、2006年に「SKY LINE」や「GT-R」の開発において、物理モデルと制御モデルを組み合わせたシミュレーション適用を実現しています。
HILSが自動車分野の検証にもたらすメリット
HILSは主に自動車分野のECUを用いた制御システムや機構の検証プロセスで活用されている、新しい評価環境です。HILSが自動車分野の検証においてもたらす成果やメリットを解説します。
安全性を担保しつつ検証工程を効率化できる
HILSは実機完成前にプラントモデルを用いた検証ができるため、開発までの工程数の削減が実現します。例えば、実機を用いた本番環境の試験前にソフトウェアの不具合や設計ミスを発見することができるため、後戻りによる工数増加を防げるでしょう。
自動車の機能性や利便性の向上を目的に、自動車へ搭載されるECUの数も増加しています。たとえばECUが搭載されるのはエンジンやトランスミッションといった制御機構が主でしたが、近年の自動車にはミラーやスライドドアも自動運転化するためにECUが搭載されています。搭載されるECUの数が増えれば、必要な制御システムの件数が増え、検証装置の台数や試験件数が増えることになります。
検証作業を効率化させて試験工数を削減したいが、試験時の安全性を確保するために作業工数が増えてしまうというギャップが生じてしまいます。
しかしHILSなら工程数の削減が可能です。
また、HILSは負荷が大きい検証や、実機では安全性の担保が難しい高速・高温下などの検証も、安全に実施できるのがメリットです。運転中に生じる不具合や故障の検証といった、実機環境では実施が難しい検証もHILSでの環境下なら実施できます。
HILSを導入すれば、多くのECUを搭載した自動車のシミュレーションも安全性を担保しながら効率化できるでしょう。
自動車メーカーとしての競争力の向上
自動車分野はEVや自動運転、環境に配慮したエンジン機構など、市場ニーズの変化に対応した新技術が常に求められる分野です。その分開発スピードも求められます。
新技術や新製品の開発が遅れれば、市場のニーズが充足できず同業他社との競争には勝てません。
HILSを導入することで実機完成前に プラントモデルを用いた検証ができるため、 開発工数の削減につながります。
本番環境の実機を用いた試験の前にミスや漏れの発見にもつながるため、実質的な工程数の削減だけでなく、やり直し工程の削減にも効果的です。
HILSによって製品開発のスピードがアップすれば、自動車メーカーとしての競争力の向上にもつながるでしょう。
実機不要、手戻り防止によるコスト削減
HILSは実機の代わりにプラントモデルを用いて検証を行うため、実機の制作や破損による補修といった費用が発生しません。検証段階での大幅なコスト削減にも効果的な評価環境です。
早い段階でHILS環境を用いた試験を実施することで、実機を用いた本番環境の試験前にソフトウェアの不具合や設計ミスを発見可能で、不具合発覚による修正・やり直しで生じるコストの削減が実現できるでしょう。
24時間連続試験が可能
HILSは24時間体制による自動運転での検証も可能です。
また、HILSのメーカ製品については以下の記事で紹介しています。
HILSの活用事例｜自動車分野と自動車以外の分野
ここではHILSの活用例や事例を自動車分野とそれ以外の分野に分けて紹介します。
自動車分野におけるHILSの活用例
自動車分野では、さまざまな制御装置や機構の検証にHILSが導入されています。
ここでは自動車分野で導入されている、代表的なHILSの事例を解説します。
エンジンHILS
自動車分野において特に多く用いられているHILSがエンジンHILSです。
エンジンECUとHILS装置を接続し、HILS装置側は駆動部、走行環境を模擬します。
走行環境に応じてエンジンECUがプラグや吸排気バルブなどを意図通りに制御できているか確認します。
プラントモデルを高速に計算できる装置が必要です。
統合HILS
ECU単体ではなく、駆動系、Body系など要素グループに関わる複数のECUをHILS装置に接続した評価環境です。ECU間の連携動作を含めた検証を行います。
電気デバイスHILS
電気デバイスHILSは、エンジンHILSの減速回生システムのために構築されたシミュレータです。
ボディHILS
ボディHILSは、クルマのランプ、スイッチ、リレー等の動きを検証するシミュレータです。
V2X HILS
V2X HILSは、自動運転に必要な外部環境センサのシミュレータです。
EV/HEV 対応HILS
EV/HEV開発に対応したHILSシミュレーション環境です。dSPACE Japan社がHILSシミュレーション環境構築ソリューションのひとつとして提供しています。Controller、Power Stages、Electric Motor、Mechanicsの4つのEV/HEVシステムからテストされる実物とHILSによりシミュレーションされる部分を分割し、信号レベル、パワーレベル、メカニカルレベルの3つのインターフェースいずれかを選択してHILSを構築します。
HILSの自動車分野における導入事例やシミュレーション環境の構造については、以下の記事で詳しく解説しています。
自動車以外の分野におけるHILSの活用例
HILSは検証プロセスにおけるさまざまな課題を解決できる検証技術のため、自動車分野にとどまらず導入は拡大しています。自動車以外の分野におけるHILSの導入事例のひとつが、モータHILSです。
モータHILSはモータをシミュレートするHILSです。自動車分野では電気自動車の主電力をはじめ、ステアリングや車内装備などにもモータが搭載されていますが、非自動車分野でもモータを搭載した製品は数多くあります。
モータ本体やモータを駆動するインバータの動作検証のために、モータHILSが導入され、活用されています。
ほかにも産業機器や医療機器、ロボット開発等でもHILSが導入されています。
テクノプロ・デザイン社では、車載システム開発だけでなく、幅広い領域でエンジニアリング経験を活用したモデルベース開発/HILSのソリューションを提供してきました。HILSによる検証環境構築や検証だけでなく、モデルベース開発の設計にも多くの実績があります。
まとめ
HILSの概要や自動車分野にもたらすメリットや成果とともに、自動車分野・非自動車分野両面でのHILSの活用事例を解説しました。HILSはECUを搭載した制御機構や機能のニーズの高まりとともに進化した新しい検証技術です。今後は自動車分野はもちろん他分野にも、効率化と安全性の担保の両面を実現できる評価環境として拡大し続けていくことが予想されます。
また、テクノプロ・デザイン社では多角的なモデルベース開発支援サービスを提供しています。要件定義からモデリングまでのシームレスな設計をはじめ、モデルベースシステムズエンジニアリングの構築支援、モデルベース開発に関する人材育成やコンサルティング支援も可能です。お客様の課題に合わせたモデルベース開発支援をご提案いたしますので、ぜひお気軽にお問合せ・ご相談下さい。