MATLAB und Simulink unterstützen Toyota beim Design für die Zukunft

Unter dem zunehmenden Druck, das Design zu beschleunigen, die Qualität zu erhöhen und die F&E-Kosten zu senken, wussten die Ingenieure bei Toyota, dass sie eine Alternative zu den klassischen Entwicklungsmethoden brauchten. Diese Methoden waren weder kosteneffektiv noch effizient, da sie durch teure oder unvollständige Hardware-Prototypen und einen Entwicklungsprozess erschwert wurden, der in mehreren Schritten diverse Überarbeitungen und Neuprogrammierungen erforderte. Toyota war auf der Suche nach einer Möglichkeit, die Lücken in der klassischen Automobilelektronik-Entwicklung zu schließen und ausführbare Spezifikationen zu erstellen, um die Arbeit von Spezifikationsautoren, Regelungsentwicklern und Programmierern zu konsolidieren.

Toyota entschied sich für MathWorks Tools wie MATLAB, Simulink, Simulink Coder und Stateflow als Gesamtlösung für den Entwicklungsprozess.

Die Initiative von Toyota – und die Entwicklungspartnerschaft mit MathWorks – wurde in die Wege geleitet, als sich der Automobilhersteller zunächst auf MATLAB und dann auf Simulink festlegte. „Unser Einsatz [dieser Tools] hat schrittweise zugenommen“, erklärt Toyota-Sprecher Akira Ohata. „Wir haben inzwischen mehr als 400 Lizenzen für MATLAB, Simulink und Stateflow, und sie sind bei Toyota zum De-facto-Standard für die Simulation, Datenverarbeitung und Entwicklung von Regelungen geworden. Es wäre unmöglich, alle Anwendungen für diese Tools bei Toyota aufzuzählen.“

Die Tools von MathWorks haben bei der Entwicklung der elektrischen Regelungseinheiten (ECUs) von Toyota, den Controllern unter dem Armaturenbrett, auf denen die Software für die Fahrzeuge läuft, einen echten Mehrwert geschaffen. Angesichts der strengen Abgasnormen und der Forderung nach mehr Leistung konzentrieren sich die Toyota-Ingenieure auf die Verbesserung so wichtiger Funktionen wie Kraftstoffeinspritzung und Getrieberegelung.

Die Konstruktionslösungen von MathWorks bieten den Toyota-Ingenieuren den großen Vorteil, dass sie in einer einzigen Umgebung Regelungsstrategien entwickeln, modellieren, simulieren, testen und programmieren können. So beginnen beispielsweise die Spezifikationen für die Controller des Toyota-Antriebsstrangs jetzt in der intuitiven und selbstdokumentierenden Umgebung von Simulink und Stateflow, die beide auf den leistungsstarken Berechnungs-, Analyse- und Visualisierungsfunktionen von MATLAB basieren.

Die Regelungsingenieure arbeiten direkt mit diesen ausführbaren Spezifikationen, indem sie die Regelungsstrategien und die Leistung entsprechend optimieren. Ihre Arbeit ist somit nur noch einen Schritt von C Code über Simulink Coder entfernt, sodass die Software nach den Vorstellungen des Ingenieurs programmiert werden kann.

Die Toyota-Ingenieure nutzen den Code in Verbindung mit Hardware und Implementierungssoftware von dSPACE (Deutschland) für Tests und virtuelles Prototyping. Toyota wendet zwei Arten der Simulation an: die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL), die das Testen eines ECU-Prototyps an einem in Simulink modellierten „virtuellen Motor“ ermöglicht, und die Rapid-Prototyping-ECU-Simulation (RPE), die es dem Simulator erlaubt, das Regelungssystem ganz oder teilweise zu ersetzen und dabei ein reales Auto-Triebwerk zu steuern.

Toyota nutzt HIL mit dem virtuellen Simulink-Motor zum Debuggen von ECU-Hardware und -Software sowie zur Kalibrierung. Das HIL-Setup reduziert die Kosten, erleichtert die Leistungsanalyse und ermöglicht sogar die Duplizierung von Betriebsbedingungen wie Kaltstart und Aufwärmen. In RPE können die Toyota-Ingenieure die Parameter von Regelungsalgorithmen kalibrieren und die Regelungslogik schnell bewerten. Die Entwickler erstellen die Regelungslogik in MATLAB und evaluieren sie mit Simulink, um die erfolgversprechendsten Kandidaten zu ermitteln.

Durch den Einsatz von dSPACE-Hardware können die ausgetauschten Teile der Motorregelung entkoppelt werden, während das ECU ein reales Auto-Triebwerk steuert. Auf diese Weise können sich die Ingenieure auf die noch zu verbessernden oder zu entwickelnden Bereiche konzentrieren.