Autor: Daniel Fonte, especialista en aplicaciones HIL, jefe de ingeniería de aplicaciones en Speedgoat
Las pruebas continuas y automatizadas de los controladores permiten plazos de entrega cortos y una alta calidad
Las soluciones de Speedgoat permiten a los clientes verificar y validar continuamente sus diseños a lo largo de un flujo de trabajo completo basado en modelos: Speedgoat
De un vistazo
- Las unidades de control electrónico (ECU) o también llamadas centralitas reciben entradas de sensores, accionan actuadores, supervisan señales y se conectan con otros sistemas embebidos
- Las pruebas de hardware en bucle (HIL-Hardware-In-Loop) permiten a los ingenieros probar las ECUs, el software y el hardware con entradas y condiciones del mundo real
- Las pruebas HIL facilitan el proceso y reducen los costes, evitando prototipos costosos y proporcionando pruebas automatizadas las 24 horas del día, los 7 días de la semana
Las unidades de control electrónico (ECUs) son sistemas embebidos vitales en los vehículos; como tales, afectan a numerosas funciones de un automóvil y, por lo tanto, deben someterse a pruebas rigurosas. En cualquier flujo de trabajo de pruebas, las pruebas de hardware en bucle (HIL) son imprescindibles, ya que permiten a los ingenieros probar las ECU en condiciones reales utilizando modelos de planta en tiempo real (a menudo denominados gemelos digitales en un contexto HIL) en lugar de hardware físico. Para que las pruebas HIL tengan éxito, las empresas necesitan una plataforma flexible e integrada que permita crear los gemelos digitales mediante simulación hasta llegar a pruebas continuas y automatizadas. Las pruebas HIL aceleran el desarrollo, aumentan la seguridad y son rentables cuando se implementan correctamente.
Como sistemas embebidos en tiempo real, las ECU ejecutan algoritmos de control bajo estrictas restricciones de tiempo, adquiriendo datos de sensores y produciendo comandos de actuadores con latencia determinista. Este comportamiento es fundamental para un funcionamiento estable en aplicaciones dinámicas, como los sistemas de transmisión o el control del chasis, donde las fluctuaciones de tiempo o el incumplimiento de los plazos pueden afectar directamente al rendimiento y la seguridad.
Pruebas de unidades de control electrónico (ECU)
La ECU suele ser un componente crítico para la seguridad, y su robustez funcional óptima solo puede lograrse mediante pruebas rigurosas en un proceso iterativo. De este modo, se minimiza el riesgo de posibles fallos de funcionamiento.
Las pruebas garantizan un funcionamiento seguro en todas las condiciones, incluidas las extremas. Mediante pruebas continuas, los errores pueden detectarse en una fase temprana del proceso de desarrollo, cuando aún son fáciles de detectar. Estas pruebas evitan retrasos y reducen los costes.
En el contexto de los coches de carreras de alto rendimiento, los plazos de entrega cortos y la agilidad son fundamentales para actualizar las funciones del controlador. McLaren Applied, por ejemplo, que proporcionará a todos los equipos de F1 la ECU principal a partir de 2026, realiza pruebas y desarrollos con Speedgoat.
«McLaren Applied se enorgullece de haber sido seleccionada para suministrar la nueva ECU estándar (SECU) a la FIA Fórmula 1 en las temporadas 2026, 2027, 2028, 2029 y 2030. Los sistemas de prueba de Speedgoat nos permiten probar de forma rigurosa, continua y eficiente todos los sistemas involucrados, tanto durante la fase de desarrollo de los productos como para la prueba continua de los desarrollos de software a lo largo de la vida útil de los productos”, según Max Smith, director de programas de McLaren Applied.
Además, las ECU son componentes embebidos en un complejo sistema de actuadores y otras ECUs, y las pruebas garantizan que interactúen a la perfección. Aseguran el funcionamiento conjunto y ayudan a detectar y resolver problemas de comunicación comunes. En esencia, las pruebas permiten cumplir las normas de calidad, garantizan la satisfacción del cliente y pueden evitar iteraciones en las últimas fases del proceso.
El proceso de desarrollo suele incluir múltiples etapas de prueba. Los conceptos de control iniciales se evalúan mediante el modelo en bucle (MIL), el comportamiento del software se prueba mediante el software en bucle (SIL) y las pruebas HIL permiten a los ingenieros ejecutar el hardware y el software reales de la ECU frente a entradas y condiciones simuladas del mundo real.
En este contexto, HIL admite tanto la verificación basada en requisitos como la validación a nivel de sistema, incluido el comportamiento en casos extremos y condiciones de fallo.
Retos de las pruebas de ECU
Las pruebas de ECU son una tarea compleja. Dado que una ECU puede manejar muchas funciones de control, es necesario realizar pruebas exhaustivas de todo el sistema para garantizar que se validen todas las funciones y sus dependencias. Las pruebas a nivel de sistema de las ECU pueden ser complicadas porque intervienen diferentes proveedores. Pueden producirse problemas de comunicación y comportamientos inesperados del sistema. Otro reto es la seguridad. Las pruebas, que incluyen todos los escenarios operativos y las condiciones de fallo, deben realizarse sin poner en peligro a las personas ni dañar el hardware.
Por otro lado, los plazos de entrega cortos y la agilidad son fundamentales para la innovación y la rápida distribución de las actualizaciones. Los equipos deben ser capaces de sacar el máximo rendimiento durante las pruebas y seguir cumpliendo con las normas y estándares. Esto último suele requerir la trazabilidad de los resultados de las pruebas.
Speedgoat se especializa en sistemas de última generación en tiempo real para pruebas en tiempo real utilizando Simulink® y Simulink® Real-Time™, el sistema operativo en tiempo real de MathWorks® – Speedgoat
Pruebas de hardware en bucle (HIL)
Las pruebas HIL son una parte fundamental del flujo de trabajo de pruebas para validar los sistemas de control y las ECU, durante las cuales el dispositivo sometido a prueba (la ECU) se conecta al sistema de pruebas HIL a través de conectividad de E/S real y protocolos de comunicación.
Una configuración de pruebas HIL consta de tres componentes principales:
- El dispositivo sometido a prueba (ECU) y componentes adicionales como controladores de dominio, sensores y actuadores.
- Un sistema de pruebas HIL con un procesador determinista en tiempo real que ejecuta los componentes emulados de la planta e incluye conectividad de E/S y protocolos para emular señales para la comunicación con la ECU y para adquirir datos.
- Una estación de trabajo que ejecuta un software de aplicación que admite la ejecución de las pruebas HIL y permite la automatización de las pruebas.
Por qué son necesarias las pruebas HIL
Imaginemos que está probando un controlador de accionamiento eléctrico y lo conecta a la planta física, como un inversor de potencia y un motor eléctrico. Una vez que el sistema se activa, se vuelve peligroso. Probar el controlador con una configuración HIL virtual garantiza la seguridad y minimiza el riesgo de dañar el equipo. Los casos extremos y los escenarios de fallo se pueden practicar de forma segura y repetida, incluida la inyección sistemática de fallos para evaluar el comportamiento de diagnóstico, las estrategias de respaldo y los mecanismos de seguridad que serían poco prácticos o inseguros de probar en hardware físico. Las pruebas HIL facilitan el proceso y reducen los costes, ya que se pueden evitar los costosos prototipos y el tiempo dedicado a la pista de pruebas. Los ingenieros también dependen menos de los plazos de entrega del hardware. Las pruebas pueden automatizarse, ejecutarse las 24 horas del día, los 7 días de la semana, y activarse continuamente con cada actualización del diseño de control. Cuando las pruebas se perciben como fáciles y los resultados están disponibles rápidamente, los ingenieros son más innovadores. Obtienen información instantánea sobre sus diseños y no tienen que esperar a que sus nuevos algoritmos se ejecuten en la ECU y se prueben.
Tendencias y retos de HIL
Establecer una configuración HIL es complejo y las empresas pueden enfrentarse a retos. En primer lugar, algunas no tienen los conocimientos necesarios para configurar un sistema de pruebas HIL. Tareas aparentemente sencillas, como la implementación de protocolos de comunicación, interfaces de señales y mapeos de E/S, pueden suponer importantes obstáculos. Además, la conexión con software y hardware de terceros puede requerir a veces un esfuerzo de integración considerable. Las empresas pueden pasar por alto la necesidad de E/S adicionales o tener problemas para obtener asistencia, o los modelos no funcionan en tiempo real. Están ocupados configurando las pruebas y pierden mucho tiempo. Además, la complejidad del sistema aumenta y los requisitos de eficiencia energética y seguridad se vuelven más estrictos, lo que exige trazabilidad y certificación.
Dado que la competencia es dura y la tecnología avanza, puede resultar difícil mantener el ritmo. Las empresas deben gestionar muchas variantes de software y configuraciones HIL. A medida que evolucionan las arquitecturas de vehículos definidas por software, el software de la ECU se actualiza continuamente a lo largo del ciclo de vida del producto. Como resultado, las pruebas de regresión, integración y conformidad se convierten en actividades continuas (o continuadas) en lugar de fases de desarrollo discretas.
Speedgoat
Una plataforma integrada para pruebas HIL
Una plataforma HIL eficaz se construye normalmente en torno a una estrecha integración entre los entornos de diseño de control y el hardware de pruebas en tiempo real. El uso de una cadena de herramientas única y coherente para el desarrollo de controles y las pruebas HIL permite a los ingenieros trabajar en un solo entorno, minimizando la fricción entre el diseño y la validación. Cuando el software y el hardware se diseñan conjuntamente para este fin, se reducen los problemas comunes de interoperabilidad, las actualizaciones de los modelos se pueden implementar rápidamente y los ingenieros pueden pasar sin problemas de la simulación en su ordenador de sobremesa a la ejecución en tiempo real. En la práctica, para lograr este nivel de integración se suelen utilizar plataformas que combinan MATLAB® y Simulink® con sistemas de pruebas en tiempo real, como los de Speedgoat.
La escalabilidad es otra capacidad esencial. Una plataforma HIL robusta debe ser capaz de crecer al ritmo de la complejidad creciente de los modelos, la ampliación de los requisitos de E/S o la evolución de las arquitecturas de los sistemas. Las interfaces entre el modelo y el hardware deben poder configurarse con el mínimo esfuerzo, y las herramientas incorporadas deben permitir una gestión y automatización eficientes de las pruebas. Características como el control basado en paneles, la creación de scripts y la orquestación a nivel de aplicación permiten realizar pruebas continuas y sin supervisión, y facilitan la integración en los flujos de trabajo de CI.
La compatibilidad con estándares abiertos, como ASAM XIL, permite a los equipos incorporar herramientas de automatización de pruebas de terceros, mientras que la compatibilidad con redes de automoción comunes (por ejemplo, CAN y Automotive Ethernet) y flujos de trabajo alineados con normas de seguridad funcional como ISO 26262 (ASIL A-D) garantiza la aplicabilidad en entornos de desarrollo regulados.
Por último, el acceso a soluciones con servicio completo puede ser una ventaja significativa, especialmente para configuraciones HIL complejas. Los sistemas que implican un elevado número de canales, acondicionamiento de señales personalizado o hardware especializado se benefician del soporte de ingeniería, que reduce el riesgo de integración y acelera la puesta en marcha. Este enfoque ayuda a los equipos a evitar costosas repeticiones y problemas en fases avanzadas, lo que les permite centrarse en la validación y el desarrollo en lugar de en los retos de infraestructura.
Conclusión
Las pruebas HIL permiten a los ingenieros verificar y validar las ECUs en condiciones realistas, repetibles y seguras antes de la integración física del sistema. Cuando se integra en un flujo de trabajo unificado basado en modelos, HIL permite la integración continua, las pruebas de regresión automatizadas y ciclos de iteración más rápidos, factores clave para el desarrollo de vehículos modernos impulsados por software.
