CarMaker进阶第一课-CarMaker原理概述
本节课将介绍如何基于CarMaker用于Simulink联合仿真开发算法与验证用到的模块。
CarMaker入门课程传送门：
【CarMaker入门第六课-CarMaker用于Simulink联合仿真进行算法开发方法】
【CarMaker入门第五课-CarMaker for Simulink模块】
【CarMaker入门第四课-CarMaker与Simulink联合仿真】
CarSim入门课程传送门【CarSim仿真快速入门(十三)—驾驶员模型(2)】
CarSim从入门到精通视频传送门【CarSim从入门到精通视频】
本节在开始使用CarMaker进行仿真之前，小明师兄和大家一起先学习一下CarMaker的一般结构、虚拟车辆环境（VVE）和CarMaker接口工具箱（CIT）的含义。
本节仅供参考，描述了CarMaker提供的全部可能性。
根据购买的产品（CarMaker/Office或CarMaker/HIL），可以用CarMaker/Office进行办公仿真，也可以用CarMaker/HIL在HIL试验台上进行实时仿真。
1.1.1 虚拟车辆环境--VVE
虚拟车辆是实际车辆的计算机模型表示，其行为与现实世界中的同类车辆一致。CarMaker虚拟车辆由数学模型组成，这些模型包含运动方程、运动学等，以及定义多体系统的其他数学公式。
然后用与待研究车辆直接相关的数据对模型进行参数化。通过这种方法，可以使用CarMaker测试任何具有有效参数集的车辆，并通过改变车辆模型中使用的参数数据来轻松切换虚拟车辆。虚拟车辆包含了真实车辆的所有部件，包括动力系统、轮胎、底盘、刹车等。也可以很方便地将真实的汽车控制器(如ABS、ESP、ACC......)或软件建模的控制器通过硬件或软件的在环(HIL/MIL)集成到虚拟车辆中。
虚拟道路是一个数字化或计算机模型化的道路、赛道或路线，它模拟真实的路线或专门为测试生成的路线。使用CarMaker，道路可以通过两种方式生成。
- 通过组合单个路段，如直道和弯道，以形成一个更大的道路。对于每个定义的路段，都有特定的长度、宽度、角度、坡度、间距、摩擦系数等可以指定。还可以配置摩擦条、路肩、分亩条件、风机、路标和障碍物等。
- 通过使用已经收集的现有道路的数字化数据。采用这种方法，将通过调查或其他方法采集到的测量数据包含在数据文件中，由CarMaker读取，并在仿真过程中作为道路或测试轨迹使用。
虚拟驾驶员是一个计算机驾驶员，它可以仿真真实驾驶员的动作。通常由真实驾驶员控制的一切动作，如转动方向盘，踩油门、刹车和离合器，手动变速器车辆的换挡等，都由虚拟驾驶员控制。可以采取两种方式来完成驾驶员的动作。
- 简单控制--用简单控制的方法，通过事先指定在一定时间或距离上会发生什么，来执行动作。例如，可以说在Time=N0时完全踩下离合器，在Time=N1时半踩油门，在Distance=X时踩下百分之九十的刹车，并将方向盘向左转十度。
- IPGDriver--有了IPGDriver，轨迹由智能电脑驾驶员控制，它试图在测试轨迹上保持一条路线，还可以提前规划。驾驶员可以被修改为在指定的范围内操作。例如，驾驶员的反应时间可能快，也可能慢，他可能希望保持一定的速度，他可能是想尽可能地快，等等。
当虚拟车辆、虚拟道路和虚拟驾驶员三者合在一起时，可以将其称为虚拟车辆环境（VVE），因为虚拟车辆在虚拟道路上 "行驶"，并由虚拟驾驶员 "驾驶"。图1.1是VVE的图形表示。
1.1.2 CarMaker界面工具箱--CIT。
CarMaker系统的第二部分包括所有用于管理VVE的工具。这些工具将做的事情包括：启动和停止仿真，选择车辆参数数据，定义车辆操纵，显示结果，以图形或仿真方式显示进度，从VVE发送和接收消息等。我们可以把这些工具称为造车界面工具箱（CIT）。图1.2显示了CIT与VVE的关系。
从图中可以看出，CIT可以看作是一些单独的工具，用来管理VVE。这些工具可分类为
- 控制和直接访问工具--控制仿真执行的动作（如启动、停止等），也允许用户直接控制仿真的某些部分（如直接变量访问、信号故障）。
- 参数化工具--用于指定VVE中要使用的参数。
- 分析和可视化工具--允许在仿真过程中或仿真结束后查看和分析数据（如创建动画、绘制输出量等）。
图 1.2 CIT 和VVE关系图
- 文件管理工具--创建、保存和修改定义仿真、设置、输出数据等的文件。
CarMaker中的一切都可以从虚拟车辆环境(VVE)和CarMaker界面工具箱(CIT)的角度来看。然而，这只是一个概念模型，其目的是为了将背后的理念清晰地呈现给用户。在下一节中，我们将讨论CarMaker系统在硬件和软件上的实现。
小明师兄强烈推荐车辆动力学书籍：
1.1.3 实时版与电脑版的比较
由于使用CarMaker时不同的用户研究的对象不同，所以在实现VVE时也采取了不同的方法。这两种方法是
- 实时--采用实时方法，VVE是在运行实时操作系统的计算机上进行仿真的。实时操作系统使得VVE的执行是确定性的，VVE将在与现实世界的时间轴相对应的时间线上运行。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。
- 电脑版--采用电脑版的方法，VVE在普通计算机上进行仿真。没有办法确保确定性的行为，因为运行中的VVE可能会被优先级较高的应用程序阻挡或以其他方式延迟，或者根据操作系统调度的实现方式，因其他原因而延迟。对于办公室方法的仿真，VVE运行的时间线可能会更快、更慢或与现实世界的时间线相等。
1.1.4 CarMaker/Office
当调查对象是车辆子系统或软件模型控制器（如1.2.1节 "ECU测试 "所述），且不需要将额外的硬件集成到VVE中时，应使用办公室方法（如1.1.3节所述）。
这种配置称为CarMaker/Office。图1.3显示了Car- Maker/Office的CIT和VVE。
在CarMaker中，CIT和VVE都运行在主机上1（WindowsPC，Linux PC）。不需要额外的硬件，因此图中没有显示。
图 1.3 Carmaker办公室版
CarMaker/Office的CIT
CIT由一些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。
CarMaker GUI
这是主要的图形用户界面，用于控制VVE的动作，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，定义或加载操纵，打开属于CIT的其他工具，以及其他一些有用的操作。
图 1.4 CarMaker GUI界面
车辆数据集编辑器
用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一个单独的标签中进行编辑。
CIT和VVE不一定要在同一台主机上运行。例如，如果两台联网的计算机安装了CarMaker，就可以在一台机器上运行VVE，在另一台机器上运行CIT（两者在同一个网络映射/挂载目录下启动）。两者之间的通信将通过TCP和UDP套接字进行，并采用文件I/O。
IPGControl
可视化和分析工具。IPGControl可用于实时查看选定的输出量，加载仿真后的数据文件，并绘制和分析结果。
图 1.6 CarMaker IPGControl
IPGMovie
VVE的实时3D动画。虚拟车辆在虚拟道路上执行指定的驾驶动作（由虚拟驾驶员形成）。
有关IPGMovie的详细信息，请关注公众号，小明师兄后期和大家一起学习。
图 1.7 CarMaker IPGMovie
仪表
显示最重要的仪表、表盘和车辆行驶状况信息，如：踏板位置、方向盘角度、档位选择、点火、车速表、转速表、ESP和ABS报警灯、刹车灯等。
图 1.8 CarMaker 仪表显示
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仿真变量。
图 1.9 CarMaker DVA界面
脚本控制
测试自动化工具，允许定义、编辑和执行脚本。CIT的所有功能都可以通过ScriptControl自动控制。
测试管理器
另一个用于测试自动化的工具。基于脚本和GUI的混合创建和执行测试系列，也允许在高性能集群（HPC）模式下运行。
仿真时间是可以控制的（可以加快或减慢）。由于实时限制已被消除，所以仿真的执行速度可快可慢（当然这取决于运行在主机上的性能）。
除了上述工具外，还可以创建用C/C++或使用Tcl/Tk编程的自定义工具。自定义工具可以使用IPG设计的通信库（APO）与VVE进行通信。
VVE for CarMaker
CarMaker/Office的VVE由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）组成。下图显示了CarMaker可执行文件的各个部分。
图 1.11 CarMaker可执行文件的组成部分
CIT和VVE之间的通信(CarMaker/Office)
CIT和VVE通过多种方式进行通信，包括：
- 网络通信 - 使用标准TCP/IP协议来回传递信息。
- 网络通信 -- -- 使用标准的TCP/IP协议来回传递信息。IPG设计的一个特殊库（APO库）用于打开TCP和UDP套接字，方便CIT和主机上运行的VVE之间的通信。
- InfoFile数据库模型参数文件（在CarMaker语言中称为InfoFiles），在CIT和VVE之间共享。这是通过在一个目录（CarMaker工作目录）中同时启动CIT和VVE来实现的。这样，CIT写入和修改的文件可以被VVE直接读取，另外VVE也可以写入可以被CIT读取的文件。同步是以通常的方式进行的。
- 数据存储 - 在任何给定的时间，VVE 缓冲指定的数据量，并将其存储在工作存储器中。当用户决定保存缓冲数据时，它将被存储到硬盘上，并可使用CIT中提供的工具或其他应用程序（如Matlab）进行分析。
1.1.5 CarMaker/HIL
当研究开发对象是硬件模块或ECU时，需要采用实时方式（如上面1.1.3节 "实时与办公室版"中所述）。在CarMaker系统中，这种配置称为CarMaker/HIL。其中写出了完整的内容。CarMaker with Hardware in the loop. 图1.12是通常的CarMaker/HIL配置中所涉及的硬件和软件。
图 1.12 CarMaker/HIL
CarMaker/HIL的CIT
在CarMaker/HIL配置中，CarMaker的CIT与CarMaker/Office的CIT相同，但增加了一些工具。
FailSafeTester 对话框
它控制FailSafeTester的动作，可以在VVE中产生电气故障。
诊断对话框
在这里，可以使用K-Line或CAN协议从ECU发送和接收信息。可以读取错误代码，并向ECU发送十六进制命令，以实现依赖性的东西。这是为特定的电子控制单元设计的定制解决方案。
图 1.14 诊断对话框
VVE for CarMaker/HIL
在图1.12中标有VVE的方框中，显示了三块硬件。实际上，用于仿真VVE的硬件可以更多，硬件配置中可能集成了数百个控制器和硬件模块。另外，Fail-SafeTester是可选的，但它在ECU测试中可以发挥如此重要的作用。因此，为确保将把包括一台实时计算机、一个测试台/ECU和一个FailSafeTester硬件单元的VVE称为标准CarMaker/HIL配置。
实时计算机
在标准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，它是一个基于Unix的全功能实时操作系统（RTOS）。使用的硬件是
- 主板：MEN（XENO）、DSpace 1006或Scalexio。
- 处理器：英特尔（Xeon）、Power-PC（dSpace）、AMDOpter（dSpace）。英特尔(Xeon)、Power-PC(dSpace)、AMD Opter(dSpace)
- 网络。快速以太网
- I/O模块。模拟I/O、数字I/O、CAN总线、频率发生器等。
CarMaker/HIL使用实时计算机运行CarMaker可执行程序，该程序是实时应用程序，包括虚拟车辆模型和虚拟道路模型的所有数学模型、虚拟驾驶员功能、通信例程、I/O驱动程序以及将VVE所有部分连接在一起所需的其他功能。图1.16显示了CarMaker可执行程序在实时计算机上运行的部分。从图中可以看出，CarMaker可执行文件包括一些功能。
- 对道路、车辆和驾驶员进行仿真。
- 网络通信（用于在CIT之间传输消息）。
- 硬件I/O（如数据采集、CAN总线、信号传输），用于与外部硬件和ECU通信。
- 文件I/O--用于记录数据、存储结果、读取参数数据库文件等。
- 附加功能 – 仿真VVE所需的其他内部软件任务（如系统特定任务、清理等）。
测试台/ECU
在本文件中，测试台由一个或多个硬件设备和/或ECU组成，这些设备已安装在电路板上，并进行了适当的布线，以便在CarMaker/HIL系统中使用。然后，可以（但不是必须）将测试台放在一个架，可以包含VVE的所有组件，包括实时计算机、FailSafeTester或其他集成到VVE中的硬件。图1.16是安装了ESP的测试台的基本示意图。
失败安全测试器
FailSafeTester是一个硬件设备，用于在VVE的电气环境中产生故障条件。例如，从ECU运行到实时计算机的信号可能会被短路、切断或以其他方式修改，使ECU能够对现实世界中可能发生的潜在故障进行性能测试。这种情况可能是由磨损、安装不当或其他一些影响所研究的控制器的电气环境的事情引起的。下图显示了FailSafeTester的正面。
CIT和VVE之间的通信(CarMaker/HIL)
CIT和VVE通过多种方式进行通信，包括：- 网络通信 - 使用标准TCP/IP协议来回传递信息。
- 网络通信 -- -- 使用标准的TCP/IP协议来回传递信息。由IPG设计的特殊库（APO库）用于打开TCP和UDP套接字，方便CIT（运行在主机上）和实时计算机（VVE的中心部件）之间的通信。
- InfoFile数据库模型参数文件（CarMaker白话叫InfoFiles），在CIT和VVE之间共享。这是通过使用NFS(网络文件系统)，让实时计算机挂载主机上的文件系统来实现的。这样一来，CIT写入和修改的文件可以直接被VVE的实时计算机读取，另外，实时计算机也可以写入可以被CIT读取的文件。同步是以通常的方式进行的。
- 数据存储--在任何给定的时间，VVE都会缓冲指定的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，并可使用CIT中提供的工具或其他应用程序（如Matlab）进行分析。
- 文件共享--附加文件，如包含实时系统配置数据的文件，以共享InfoFile数据库的方式共享。
1.1.6 从 MIL 和 SIL 到 HIL
在典型的ECU开发生命周期中，通常情况下，一个控制器在最终用硬件实现之前都是以软件模型开始的。在CarMaker Sys- tem中，这不是一个问题。在具有软件模型控制器的Office版本和具有实际ECU的实时版本之间有一个无缝的连续性。只需对VVE进行一些修改，如配置一个带有必要I/O的实时计算机，并在系统中集成真正的控制器。一旦这样做了，所有用办公室方法进行的测试都可以用实时方法来实现，而且在从一个过渡到另一个的过程中不会浪费时间。