SIL-HIL-OTA

はじめに

先進運転支援システム（ADAS)／自動運転システムの開発では、早期の検証が重要です。モデルベース開発（MBD）は、MATLAB/Simulinkを用いて開発成果物や環境をグラフィカルに記述し、開発期間短縮と品質確保に役立ちます。特にレーダーセンサを含むMBDの検証系では、シミュレーションの使い分けが課題です。レーダーの電磁波はマクスウェル方程式で支配され、リアルタイムシミュレーションが困難です。反射や干渉などの効果も考慮する必要があります。

従来のSIL（Software-in-the-Loop）/HIL（Hardware-in-the-Loop）シミュレーションに加え、実物のレーダーを用いたOTA（Over-the-Air）テストや、車両全体を含むVIL（Vehicle-in-the-Loop）シミュレーションが提案されています。しかし、どのテスト手法をどの状況で使うべきかの検討は多くありません。本稿では、ADAS／自動運転システムの妥当性確認におけるシミュレーションの使い分け、特にOTAおよびVILテストの有効性について検討します。

ADAS・自動運転のための周辺認知センサ

近年、多くの車両にADASが搭載されています。ADASは認知、判断、操作の3つの機能で構成され、カメラやレーダーなどのセンサを用いて周辺環境を認識します。たとえば、自動車線維持（ALKS）や定速走行・車間距離制御（ACC）機能は、カメラとレーダーで実現されます。

自動運転レベル1および2の車両には、フロントカメラ、フロントレーダー、コーナーレーダー、超音波センサなどが搭載され、レベル3以上ではさらに多くのセンサが使用されます。特にミリ波レーダーは、対象物の位置や速度を検知する重要なデバイスです。

自動車分野では、24GHz帯と77GHz帯のミリ波レーダーが広く使用されています。システムの複雑化に伴い、早期の妥当性確認が開発期間の短縮と品質確保に重要です。カメラ、LiDAR、レーダーセンサの妥当性確認が開発の大きな課題となります。

シミュレーションによる検証では、レーダーECUに注入する信号の種類により、検証内容が異なります。各フェーズの技術要件を確認しながら、効率的な検証方法を検討することが重要です。

SIL／HILシミュレーション

MBDを用いた車載ECUの検証手法として、SILおよびHILシミュレーションの概要と特徴について述べます。

SILシミュレーション：

コントローラとプラントの両方がシミュレータ上で再現される
実時間の制約がなく、リアルタイムよりも早く動作可能
精巧なモデルを用いて緻密なシミュレーションが可能
特別なハードウェアが不要で、一般的なPCやクラウド上で実行可能
リアルタイム性が保証されないため、実際のECUとの接続には不都合が生じる可能性がある

HILシミュレーション：

実ECU（コントローラ）とHILシミュレータで動作するプラントモデルを接続
実車に搭載されているかのような環境を再現
実車検証のコストや条件設定の難しさを解消
リアルタイムでの計算が必要で、専用ハードウェアが用意される
ゲーム用描画エンジンやGPUを活用し、カメラ映像やレーダー反射波を再現

これらのシミュレーション手法を用いることで、車載ECUの検証を効率的に行うことができます。

OTA／VILシミュレーション

レーダーなどの外界検知センサを含む妥当性検証系では、従来のSIL/HILシミュレーションに加え、OTAシミュレーションやVILシミュレーションが実用されています。

OTAシミュレーション：

カメラやレーダーなどのセンサを現実に近い条件でテスト
実際の物理信号をセンサECUに入力し、直接スティミュレート
フロントエンドから出力信号まで全ての処理ステージをテスト可能
DUT（テスト対象デバイス）をアプリケーション内で使用する場合と同様に使用でき、デバイスの変更不要
ガラスやバンパーなどの影響も含めてテスト可能
リアルタイム性が求められ、複数センサの情報をフュージョンする必要がある場合にも対応

VILシミュレーション：

OTAシミュレーションより現実に近い環境で統合的なテストが可能
市販車両のセンサにOTAでシミュレーションを行い、台上でADAS機能を実現
テストコースや先行車両の準備不要で、危険なシナリオも安全にテスト可能
自動車生産ラインでの検査やセンサ交換後のADAS機能テストにも適用可能
ドイツや韓国にて、定期点検整備（日本での車検に相当）時のADAS機能テストに利用するために実証実験が進行中

これらのシミュレーション手法により、ADASや自動運転システムの妥当性確認が効率的に行えます。

シミュレーション方式の比較検討

SIL、HIL、OTA、VILの各シミュレーション手法を比較し、レーダーセンサを用いたシステムの妥当性確認に適したシーンを検討します。

比較項目：

シミュレーションの現実との近さ
他のテスト方式との統合のしやすさ
テスト条件の再現性
拡張性
テストシステムのセットアップ時間
シミュレーションされる自動車の1日あたりの走行距離
シミュレーションのリアルタイム性
テストに使用されるシステム・デバイスが実物か仮想的なものか
自動車の周辺の物標がシミュレーションか実物か
センサ信号の生成方法

適用シーン：

SILシミュレーション：開発初期段階で、実センサが未完成の状態で使用。センサモデルを用いて早期にシステム検証を開始し、センサ要件の洗い出しにも活用。
HILシミュレーション：実センサを用いたアルゴリズムの妥当性確認に有効。センサの各段階での信号生成と注入を行い、リアルタイムに複雑な信号をシミュレート。

たとえば、フロントエンド直後のセンサ生データの生成には、反射波やノイズなどをリアルタイムにシミュレートするため、GPUを用いた高速演算が必要です。HILシミュレータを使用して、各段階に応じた電気信号やデータの注入を行います。

これにより、各シミュレーション手法の特徴を活かし、効率的にレーダーセンサを用いたシステムの妥当性確認が可能となります。