Automatisierte Tests von Fahrwerksregelsystemen

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1 Automatisierte Tests von Fahrwerksregelsystemen Automatic Testing of Vehicle Controllers Dipl.-Ing. Volker Weilacher, Dipl.-Ing. Dr. Felix Pfister, B.S. Joseph Juricic, Dipl.-Ing. Claus Halder IPG Automotive GmbH, Karlsruhe, Germany, Zusammenfassung Qualitätssicherung ist für die gesamte Automobilindustrie ein herausragendes Thema, speziell im Hinblick auf den stetigen Komplexitätsanstieg der Elektronik im Automobil. Bekannte Methoden müssen verbessert und neue Wege beschritten werden, um den Herausforderungen einer Null-Fehler-Toleranz zu begegnen. Besondere Bedeutung kommt hier dem automatisierten Testen und Validieren von Software und Steuergeräten zu. Das im Vortrag vorgestellte System für In-the-Loop Testing erfüllt folgende Kriterien bezüglich Durchgängigkeit, Anpassbarkeit und Effizienz: Durchgängigkeit: Die komplette Bandbreite an Testszenarien, vom Kabelbruch über Diagnosetests bis hin zur automatisierten Auswertung der "Vehicle-Performance" (VDA- Ausweichtest, Nürburgring) erfolgt ohne "Toolwechsel". Durchgängigkeit ist auch bezüglich der verschiedenen Phasen im Entwicklungsprozess garantiert: Die MIL/SIL- Tests (CarMaker for Simulink) der frühen Entwicklungsphasen erfolgen sogar im gleichen Projektverzeichnis wie die HIL-Freigabetests (CarMaker/HIL) kurz vor Serienanlauf oder die Regressionstests in der laufenden Serienfertigung. Anpassbarkeit: "Customizable" sind nicht nur Inhalt und Abfolge der einzelnen Testsequenzen, sondern etwa auch die dazugehörige graphische Bedienoberfläche und der automatisch generierte Testbericht. Effizienz: Sie bedeutet in der Praxis der industriellen Testautomatisierung insbesondere zweierlei: Das Werkzeug (Prüfstand / Automatisierungstool) muss erstens intuitiv zu bedienen und zweitens nahezu 100% ausfallsicher sein. Die Verfügbarkeit des Gesamtsystems ist bei "In-the-Loop" Prüfständen der vielleicht entscheidende Erfolgsfaktor. Der Vortrag orientiert sich am Beispiel der Serienabnahme von Fahrdynamiksteuergeräten, das bei OEM-Anwendern zu einer nachweisbaren Effizienzsteigerung der entsprechenden Tests von 2 Monaten (reale Fahrversuche) über 2 Wochen (interaktive Prüfstandstests) bis hin zu derzeit 2 Tagen (durchgängige Automatisierung) führte (Bild 1).

2 Abstract Testing is the main validation activity used by automotive industry, and there is an urgent need to improve its effectiveness with respect to resources (people, time, money). In view of the increasing number and complexity of automotive controllers, automated testing will be continually increasing in importance. The present paper demonstrates how "In-the-Loop" teststands like the CarMaker family by IPG can be used for automatically performing controller conformance and acceptance tests. The paper emphasizes the importance of an efficient, general and reusable real-time test executive that offers a wide spectrum of possible tests, ranging from electic fault-insertion tests (open circuits, shortcuts) to vehicle performance tests, including functional, diagnostics, load and stress tests. The test-automation tool also provides a flexible framework for automatic report generation. The automatization tool is already in use in the automotive industry, resulting in tremendous time-savings. For example, the corresponding OEM-conformance tests of vehicle dynamics controllers could be reduced from 2 months (field testing) to 2 weeks using HIL technology, and finally to 2 days using a fully automated teststand with automatic report generation. Bild 1: Zeiteffizienz durch vollständig automatisiertes Testen 1. Motivation Elektrik, Elektronik und Mechatronik sind heute der Innovationsmotor Nummer eins der Automobilindustrie. Bis zu 35% der Herstellungskosten eines Automobils entfallen

3 inzwischen auf diese drei Bereiche, mit steigender Tendenz. Ebenfalls steigend ist allerdings auch der Anteil der Automobilelektronik an Pannen und Rückrufaktionen. Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der Fahrzeugelektronik werden daher in Zukunft mehr denn je in den Fokus der Automobilhersteller treten. Qualitätssicherung hat viele Facetten. Eine davon heißt "Testen": Komplexe Systeme verlangen nach Testsystemen, die diese Komplexität beherrschbar machen. "In-the-Loop-Testing" von Steuergeräten ist ein Beispiel dafür, wie die Automobilindustrie dieser Herausforderung begegnet; vgl [1]. Manuelles Testen wird in Zukunft wegen der beeindruckenden Wachstumsraten von elektronischen Systemen und Funktionen im Kraftfahrzeug zeitlich nicht mehr realisierbar sein. Gefragt sind daher automatisierte Tests, die - bis hin zum automatisiert erstellten Testdokument - zeiteffizient und möglichst vollständig (full coverage testing) die Zuverlässigkeit des Prüflings dokumentieren. Im Vortrag wird eine Produktfamilie vorgestellt, die dem Anwender die komplette Prüfkompetenz vom einfachen Kabelbruch bis hin zum komplexen "Controller Performance Test" bietet; vgl. [2]. Die Methode hat sich in den vergangenen Jahren im industriellen Einsatz bewährt und führt bei konsequent betriebener Testautomatisierung schon heute nach Aussage von OEM- Anwendern zu Performancesteigerungen um den Faktor Bild 2: Systemarchitektur einer Prüfumgebung für Fahrdynamiksteuergeräte

4 Bild 3: Wirtschaftlichkeitsanalyse: Break-Even typischerweise nach MW 2. Anwendung des automatisierten Testens im Entwicklungsprozess 2.1. Vorteile im Vergleich zum manuellen Testen Durch Anwendung des automatisierten Testens ergeben sich im Vergleich zu klassischen Vorgehensweisen (Test im Feld und/oder manuelles Testen) folgende technische und wirtschaftliche Vorteile: Effizienz-/Produktivitätssteigerung: - Reduktion der Prüfzeit beim Durchführen der einzelnen Abnahmetests - Wiederverwendbarkeit der Testware zum Durchführen von Regressionstests (automatisiertes Absichern von Hard-/Softwareständen) - Portierbarkeit der erstellten Testware auf andere UUT (Units under Test) - "Lights-out-Testing": Effizientes Testen über Nacht oder am Wochenende Qualitätsgewinn: - Weitgehende Reproduzierbarkeit bei Hardware-in-the-Loop Tests - Erhöhung der Prüftiefe/breite (full coverage testing) - Skalierbarkeit der Prüfabläufe - Standardisierung / Strukturierung: Automatisches Testen zwingt zu strukturiertem Vorgehen. - Automatisierte (fehlerfreie) Dokumentenerstellung (automatic reporting) Test-Know-How Sicherung: von den Köpfen der Experten in die Testware Kreativeres Arbeiten

5 Diesen Vorteilen stehen folgende Nachteile gegenüber: Die Erstellung von automatisierten Tests ist eine Investition! Der Break-Even liegt je nach Testtiefe typischerweise im Bereich von ca MW (Bild 3). Testautomatisierung ersetzt nicht das gesamte manuelle Testen, genauso wie die HIL- Simulation niemals den gesamten Fahrversuch ersetzt/ersetzen wird! Bild 4: Steuergerätetest im virtuellen ISO-Fahrspurwechsel 2.2. Faktoren einer erfolgreichen Testautomatisierung Folgende Faktoren sind der Schlüssel einer erfolgreich implementierten Testautomatisierung im Entwicklungsprozess: Mächtigkeit der Werkzeuge (Testsystem, Umgebung, Schnittstellen,...) - Coverage: Das Tool deckt die geforderten Abnahmetests möglichst vollständig ab. - Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit des Testsystems: nicht das Testsystem soll getestet werden, sondern der Prüfling! Das Testsystem ist "nur" Mittel zum Zweck. - Effizienz bei der Implementierung: Hierzu gehören z.b. einfache Erlernbarkeit der Testbeschreibungssprache, intuitive graphische Benutzerführung und leistungsfähige Werkzeuge zur Durchführung und Bewertung von Testergebnissen. - Portierbarkeit: Die Testware und die Testlogiken sollten (möglichst) unabhängig vom Testobjekt (Steuergerät) sein. Kompetentes und erfahrenes Team (Test-Designer, Test-Entwickler, Testingenieur). Idealerweise verfügt das Team über eine lange Testpraxis mit unterschiedlichen Steuergeräten und damit über ein gut abgesichertes Wissen.

6 Klare Ziele: Was wird automatisiert getestet und was wird auch weiterhin manuell getestet? Festlegung einer klaren Teststrategie und der zur Umsetzung notwendigen Testverfahren: - Identifikation der Testkonfiguration (z.b. Ausbaustufe des HIL-Simulators) - Identifikation der Testlogiken (Testablauf, Auswerteablauf)) - Parametrierung der Testdaten (z.b. Festlegen von Grenzwerten im Fahrversuch) Strukturiertes Vorgehen und Wiederverwendbarkeit: - Schrittweises Aufbauen einer "Automatisierungskompetenz". Nicht sofort den ganzen Abnahmetest automatisieren wollen. - Generierung möglichst vieler Testfälle aus möglichst wenigen Testlogiken - Versionierung und Archivierung der Testware und der Testergebnisse Zukunftssicherheit der verwendeten Tools: Platformunabhängigkeit, Portierbarkeit, Tcl: "Industry standard in the automated testing industry" Sowohl im kommerziellen Closed Source aber - und vor allem - im Open Source Bereich bietet sich eine Vielzahl von Alternativen zur Prüfstandsautomation an (Tcl, Perl, Python, Java-Script, VisualBasic) Das von IPG zur Testautomatisierung entwickelte Werkzeug basiert auf der Open Source Skriptsprache Tcl. Tcl ist die ideale - und vermutlich weltweit auch die am weitesten verbreitete - Skriptsprache (+ Interpreter) zum Testen von Hard- und/oder Software. Tcl steht für "Tool Command Language". Heute wird Tcl vielfach als "the best scripting language for mission critical testing environments" oder auch als "industry standard in the automated test industry" bezeichnet; vgl. z.b. [5]. Tcl ist einfach zu erlernen, logisch klar strukturiert und sehr leistungsfähig. Es enthält alle wesentlichen Eigenschaften einer sogenannten Kommandosprache, bietet darüberhinaus aber elegante Möglichkeiten, Folgen von Kommandos zu Prozeduren zusammenzufassen, Variable einzuführen, Kontrollstrukturen (Fallunterscheidungen, Schleifen usw.) zu programmieren und vieles andere mehr. Mit der Tk genannten Erweiterung bieten sich dem Anwender sehr leistungsfähige Funktionen zur Gestaltung graphischer Bedienoberflächen. Das eigentlich Revolutionäre an Tcl ist die Möglichkeit, in großem Umfang auf vordefinierte Funktionalität (Software oder Hardware) zurückzugreifen, die aus anderen Programmen oder Anwendungen stammt oder in Form von Tcl-Erweiterungen vorliegt ( Glue-Language ). So ist es beispielsweise denkbar im Rahmen eines Testszenarios über das World-Wide-Web auf beliebige Datenbanken zuzugreifen.

7 Zusammen mit den von IPG gelieferten Add-On Tools steht mit Tcl somit ohne komplizierte und teure Umwege ein extrem leistungsfähiges Automatisierungswerkzeug zur Verfügung. 3. Die Realität komplett im Griff: Towards Full Coverage Testing Die automatisierte Durchführung, Bewertung, Dokumentation und Archivierung von Abnahmetests (Bild 2) in der Serienentwicklung stellt erhebliche Anforderungen an die Prüfumgebung. Bild 5: Kompakter automatisierter Prüfstandsaufbau mit allen Hardwarekomponenten Erfüllt werden diese Anforderungen durch die Simulations- und Testsysteme der CarMaker Produktfamilie. Sie erlauben eine ökonomische und zuverlässige In-the-Loop Integration beliebiger Steuergeräte beziehungsweise den Aufbau kompletter Laborautos; vgl [3]. Bedingt durch die Gesamtarchitektur und die zur Verfügung stehende Entwicklungsumgebung (Matlab/Simulink, Tcl/Tk, C, C++) erfolgt diese Steuergeräteintegration sehr zeiteffizient (1-3 Monate), was bei seriennahen Projekten von entscheidender Bedeutung sein kann. Entscheidend ist darüberhinaus, daß ein sehr breites Feld von Abnahmetests abgedeckt wird. Diese Tests werden automatisiert in nahezu beliebig komplexen Ablaufstrukturen durchgeführt. Das Leistungsspektrum kann wie folgt abgesteckt werden:

8 Netzwerkfunktionen und Sensorfunktionen: Unterdrücken oder Verzögern einzelner CAN- Nachrichten, Modifikation des Inhalts, CAN-Stress, Vernetzungstests, Drift von Sensorsignalen (z.b. in kritischen Fahrsituationen) Spannungsversorgungsfehler: Durch Integration einer programmierbaren Spannungsversorgung (oder mehrerer Spannungsversorgungen im Falle redundanter 12V/42V Applikationen) werden folgende Betriebszustände automatisiert ansteuerbar: - Über-/Unterspannung - Spannungsschwankungen - Strombegrenzung Diagnosetests (CAN, K-Line): Abbildung der kompletten Diag-on-CAN (bzw. Diag-on- K-Line ) Funktionalität, bis hin zum automatisierten flashen neuer Applikationsparametersätze. Stimulus/Response Tests: Playback z.b. zuvor aufgezeichneter Fahrversuche. Dauerlauftests (load and stress testing) Bild 6: FailSafeTester: Ein mächtiges Werkzeug zur Automatisierung beliebiger elektrischer Tests, insbesondere Leitungsfehlertests Elektrische Tests: Die Integration des FailSafeTesters (Bild 6) ermöglicht insbesondere für automatisierte Leitungsfehlertests bislang unbekannte Prüftiefen [4]: - Kabelbruch: simultan bis zu über 120 Kabelbrüche - Kurzschlüsse (auch simultane Mehrfachkurzschlüsse) zwischen beliebigen Signalen (nicht nur Masse und/oder 12V) - Leitungstausch. Inversion zweier (oder mehrerer) Kabel - Korrodierte Kontakte: beliebige (1Ohm 2MOhm) serielle Widerstände

9 - Nebenschlüsse: beliebige (1Ohm 2MOhm) parallele Widerstände - Wackelkontakte (HighSpeedSwitches) - Hochstromleitungsfehler für reale Lasten DirectVariableAccess (DVA): Einspeisen bzw. Überschreiben von beliebigen Variablen und/oder Parametern während der Simulation Test der Steuer- und Reglerperformance (im normalen Fahrbetrieb, im Grenzbereich, bei defekten mechanischen Komponenten (z.b. "platter Reifen")) Plausibility Testing: Automatische Plausibilsierung der Inputdaten (z.b. Fahrzeug-, Antriebsstrang-, Hydraulikdatensätze) Fahrverhaltensbeurteilung: Automatisierte Quantifizierung des Fahrverhaltens durch objektive Kenngrößen ("Performance Indices") Test der Steuer- und Reglerfunktion im FailSafe-Betrieb (z.b. Bremsen in der Kurve bei ausgefallener ESP-Funktionalität) Reporterzeugung: Erzeugung von html-berichten mit Koppelung zum Intranet-Web- Server. Erzeugung von pdf und rtf Dokumenten (Möglichkeit zur Weiterverarbeitung in üblichen Officepaketen). Beim Design des Gesamtsystems wurde darüberhinaus Wert auf einen platz- und kostensparenden sowie leisen Hardware-Aufbau gelegt (Bild 5). Der beschriebene Leistungsumfang wird im Rahmen des Vortrags anhand konkreter Beispiele online vorgeführt. Ausgewählte Fahrmanöver (Bild 4) stellen dabei einen sehr hohen Anspruch an die Modellierungsqualität des Fahrzeugmodells. Ein Prüfbericht wird automatisch generiert. Bild 7: Durch Automatisierung sinkt die Prüfzeit bei gleichzeitiger Zunahme der Testtiefe

10 4. Fazit Aus der anspruchsvollen elektronischen Ausstattung heutiger Fahrzeuge ergeben sich stets wachsende Anforderungen an die Qualitätssicherung. Eine Schlüsselrolle zur wirtschaftlichen und technischen Beherrschung der zunehmenden Komplexität kommt hierbei dem automatisierten Testen zu. Im Rahmen des Vortrags wurde ein In-the-Loop Testsystem vorgeführt, das aufgrund seiner Durchgängigkeit, Anpassbarkeit und Effizienz für die Herausforderungen der Zukunft gewappnet ist. Die Testautomatisierung hat sich in den vergangenen Jahren im industriellen Einsatz (automatisierte Abnahmetests von Steuergeräten) bewährt und führt dort nach Aussage der Anwender zu Performancesteigerungen um den Faktor 10 oder mehr: Was vor wenigen Jahren noch 2 Monate dauerte, reduzierte sich durch interaktiven Einsatz von CarMaker/HIL auf 2 Wochen und durch die in den letzten Jahren konsequent erfolgte Testautomatisierung auf nunmehr 2 Tage. Dieses Ergebnis konnte unter Einbringung der Kernkompetenz von IPG, jedoch nur in sehr engem partnerschaftlichem Trilog zwischen den Steuergerätezulieferern und den Automobilherstellern erreicht werden. Dies ist die ideale Ausgangsbasis dafür, auch in Zukunft im richtigen Methodenmix von Inthe-Loop Simulation und Fahrversuch die Anlaufphasen zu verkürzen und die hochgesteckten Qualitätsziele zu erfüllen. 5. Literaturangaben [1] Holzmann, H; Hahn, K.-M.: Einsatz von HiL-Simulation im Entwicklungsprozess von modernen Fahrwerksregelsystemen am Beispiel Integrated Chassis Control (ICC). VDI- Berichte AUTOREG 2004, Steuerung und Regelung von Fahrzeugen und Motoren. [2] Pfister, F.: Reale Komponenten in einer virtuellen Welt. Auto&Elektronik, Ausgabe 1/1999, März 1999, S [3] Weilacher, V.: Fahren auf virtuellen Straßen Hardware in the Loop-Simulation. Auto&Elektronik, Ausgabe 3/2000, Oktober 2000, S [4] Weilacher, V.; Hickel, G.: Automatische Fehlergenerierung. ATZ/MTZ/AEP-Sonderheft Automotive Electronics, Ausgabe 1/2003, März 2003, S [5]

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