HIL/SIL simulácie

Prečo SIL/HIL pri vývoji autopilotov pre UAV

Simulačné metodiky Software-in-the-Loop (SIL) a Hardware-in-the-Loop (HIL) predstavujú jadro moderného overovania a validácie algoritmov autopilota bez rizika poškodenia reálneho dronu. Umožňujú rýchlu iteráciu návrhu, reprodukovateľnosť testov, zber metrík kvality a bezpečnú injekciu porúch, pričom škálujú od miliónov simulovaných letov v cloude až po presné real-time experimenty s fyzickým riadiacim hardvérom. Tento článok sumarizuje architektúry, modely, nástroje, metodiky testovania a praktické odporúčania na zavedenie SIL/HIL do vývoja riadiacich systémov a autopilotov UAV.

Terminológia a ciele validácie

• SIL: Spúšťanie binárne identickej alebo zdrojovo rovnakej implementácie autopilota v softvérovej simulácii s modelmi UAV, senzoriky a prostredia.
• PIL (Processor-in-the-Loop): Testovanie skompilovaného kódu na cieľovom MCU/CPU s emulovanými vstupmi; meria sa výkonnosť kompilátu a numerická ekvivalencia.
• HIL: Reálny autopilotový hardvér (FCU, IMU, GPS modul) je v slučke s real-time simulátorom fyziky a senzorov; vyžaduje deterministiku a časovú synchronizáciu.
• Cieľ validácie: Preukázať, že algoritmus spĺňa špecifikované požiadavky (sledovanie trajektórie, stabilita, bezpečnostné režimy) v reprezentatívnych scenároch a hraničných podmienkach.

Architektúra SIL: softvérové komponenty a rozhrania

Typický SIL obsahuje: (1) fyzikálny model UAV (translačná/rotačná dynamika), (2) modely senzorov (IMU, magnetometer, barometer, GNSS, vizuálne/laserové senzory), (3) modely akčných členov (motory, regulátory, servá), (4) model prostredia (vietor, turbulencia, hustota vzduchu, terén), (5) komunikačný middleware (ROS 2, uXRCE-DDS, MAVLink), (6) test runner a orákulum.

Spúšťanie môže byť offline (rýchlosť > 1× real-time pre Monte Carlo) alebo soft-real-time (časovo viazané simulácie pre latenciové štúdie). Synchronizácia modulov prebieha buď diskrétne (pevná vzorkovacia perióda) alebo s co-simulation prostredníctvom FMI/FMU.

Architektúra HIL: real-time slučka s fyzickým autopilotom

V HIL je autopilotový počítač (napr. FCU s MCU/SoC) priamo spojený so simulátorom, ktorý generuje senzorické rámce a príjma príkazy na motory/servá. Kľúčové sú:

• Deterministický real-time OS alebo RT rozšírenia (napr. RTX, PREEMPT_RT),
• Taktovanie a časová referencia (PTP, PPS, hardvérové triggre),
• Rozhrania (UART/I²C/SPI pre IMU/Baro, CAN/UAVCAN/DShot pre pohon, USB/Ethernet pre telemetriu),
• Elektrická bezpečnosť (power-in-the-loop s prúdovým limitom, ochrana pred spätným tokom, galvanické oddelenie),
• Monitorovanie (logovanie napätí/prúdov, teplôt, watchdog).

Modelovanie dynamiky UAV

Pre multikoptéry sa používajú rigid-body rovnice (Newton-Euler) so šesťstupňovou dynamikou. Kľúčové efekty:

• Prop-thrust/torque nelinearity, saturácie a motor lag,
• aerodynamické interferencie (downwash, ground effect),
• distribuované hmoty a zmena momentu zotrvačnosti (payload),
• stochastické vplyvy vetra (Dryden/Kármán spektrá) a nárazy.

Pre pevné krídlo: vztlak/odpor/moment, polárne krivky, modely klapiek, šmyk a pádové javy. Pre VTOL a coaxial: prechodové režimy, couplíng kanálov a cross-termíny.

Modely senzorov a aktuátorov

• IMU: bias drift, biely šum, random walk, teplotná závislosť, saturácie a kvantizácia.
• Magnetometer: tvrdé/mäkké železo, lokálne rušenia, náhodné výpadky.
• Barometer: 1/f šum, gradienty tlaku, rýchle prelety nad terénom.
• GNSS: multipath, výpadky, latencie, presnosť vs. režim (SBAS/RTK), výškový model.
• Vizuálna odometria/LiDAR: FOV, odlesky, degradácie textúry, rolling-shutter.
• Motory/ESC/servá: nelineárny prechod, mŕtva zóna, tepelný derating, spätná EMF.

Modelovanie prostredia a mapových zdrojov

Pre relevantnosť HIL/SIL je potrebné zahrnúť: vietor a turbulencie (časovo-priestorová korelácia), hustotu vzduchu vs. výška a teplota, 3D terén a prekážky, RF podmienky (rušenie GNSS/RC), magnetické anomálie, dažďové čiastočky a hmlu pre vizuálne senzory.

Komunikačný stack a latencie v slučke

Autopilot komunikuje cez MAVLink, DDS/RTPS, UAVCAN a proprietárne protokoly. V SIL/HIL merné veličiny zahŕňajú latenciu senzor→riadič, riadič→aktuátor, jitter, stratovosť paketov a deterministiku plánovania vlákien. Dôležitá je simulácia IEEE 802.11/4G/5G linky pre BVLOS scenáre, vrátane výpadkov, NAT a MTU fragmentácie.

Ko-simulácia a FMI/FMU

Komplexné systémy sa skladajú z FMU komponentov (senzory, dynamika, prostredie) spojených s autopilotom. Synchronizácia môže byť master riadená (časové kroky) alebo event-driven. Kľúčová je numerická stabilita na hraniciach subsystémov a zhodné konvencie rámcov/znakov (napr. ENU vs. NED).

Nástrojový ekosystém

• SIL: MATLAB/Simulink s Aerospace Blockset a Simscape, ROS 2 Gazebo/Ignition, AirSim, PyBullet, MuJoCo, jMAVSim, FlightGear (vizualizácia), vlastné C++/Python simulátory.
• HIL: Real-time sim na x86/ARM s RTX/PREEMPT_RT, komerčné RT rámce, PX4/ArduPilot HIL adaptéry, generátory senzorových rámcov (IMU/GNSS over UART/SPI), DShot/CAN emulácia.
• CI/CD: GitLab/GitHub runners pre mass-SIL, kontajnerizácia, artefakty logov, automatické reporting.

Scenáre testovania a pokrytie

Scenáre by mali reprezentovať menovitú prevádzku, hraničné podmienky a poruchy:

• Vzlet/pristátie (vrátane failsafe RTH, abort pristátia),
• Let po trajektórii, zmena referencií, orbit, survey, waypointy,
• Zásahy operátora (manuál, loiter, prepnutie módov),
• Vplyv nákladu a zmeny hmotnosti počas letu,
• Rušenie senzora (dropouty GNSS, saturácie IMU),
• Poruchy aktuátorov (strata vrtule, stuck servo, degradácia napájania),
• Komunikačné výpadky a oneskorenia (telemetria/RC),
• Extrémne počasie, vysoká nadmorská výška, teploty.

Orákulum, metriky a kritériá úspechu

Test orákulum rozhoduje, či test prešiel. Typické metriky:

• RMSE sledovania trajektórie (poloha/orientácia/rychlosť),
• Stabilita (tlmenie, presahy, usadenie),
• Energetická náročnosť a teplotné limity,
• Čas reakcie failsafe a zotavenia,
• Integritné ukazovatele GNSS/odometrie,
• Časovanie slučky (perioda, jitter, deadline miss rate),
• Pokrytie požiadaviek a kódové pokrytie (SIL s profilerom/instrumentáciou).

Validácia regulátorov a navigácie

Pre nízkoúrovňové regulátory (attitude/rate) sa hodnotí robustnosť voči zmenám parametrov (moment zotrvačnosti, thrust koeficienty) a poruchám. Pre vysokú vrstvu (trajektórie, MPC, L1, TECS) sa posudzuje prediktívna stabilita, rešpektovanie obmedzení (saturácie, nelineárne vstupy) a zvládanie nekonvexných prekážok v navigačných algoritmoch.

Parameter identification a plant-model mismatch

Rozdiel medzi simulovanou a reálnou „rastlinou” (UAV) je kľúčový zdroj chýb. Odporúča sa cyklus: experimenty s reálnym dronom s bezpečnostnými obmedzeniami → identifikácia parametrov (thrust krivky, motorové konštanty, aerodynamika) → aktualizácia modelu → re-validácia v SIL/HIL.

Injekcia porúch a bezpečnostné prípady

Injekujte poruchy deterministicky (čas, veľkosť, trvanie) aj stochasticky (distribúcie) pre senzorové a akčné vetvy. HIL dovolí testovať reakciu real-time: preťaženie CPU, stratu napájania, brown-out, saturáciu zberníc, stuck-bit v IMU, rozpad MAVLink streamu, aj latency spikes. Výstupom sú bezpečnostné prípady pre režimy RTL, Land, Hover a opakované štarty.

Latencia, jitter a plánovanie úloh

Merajte latenciu end-to-end a jitter pre každú slučku (senzor→odhad→riadenie→aktuátor). V SIL možno získať horné odhady; v HIL overíte interakciu s reálnym MCU/OS schedulerom, cache miss udalosťami a prerušením DMA. Používajte časové pečiatky, PTP synchronizáciu a scope/log sondy.

Reálny čas a deterministika v HIL

Simulátor musí generovať vzorky s presnou periódou (napr. 1 kHz pre IMU) a zvládať najhorší prípad výpočtu v rámci deadlinu. Preťaženie riešte redukciou rozlíšenia modelu, predvýpočtom lookup tabuliek, prípadne rozdelením na viacjadrové výpočty s affinity a priorítami vlákien.

Mapovanie medzi jednotkami a rámcami

Štandardizujte smerové rámce (NED vs. ENU), uholové konvencie (ZYX vs. XYZ Euler), jednotky (rad/s vs. deg/s) a definície kriviek regulátorov. Chyby v konvenciách sú častým zdrojom nestability v HIL, aj keď SIL „funguje“.

Kalibrácia a verifikácia senzorov v HIL

HIL je vhodný na overenie postupov kalibrácie: generujte kontrolované rotácie pre IMU, simulujte magnetické vzory pre magnetometer, tlakové kroky pre barometer. Validujte, či autopilot správne ukladá a používa kalibračné matice/offsety.

Integrácia s kontinuálnym nasadzovaním (CI/CD)

Automatizujte SIL kampane pri každom merge: jednotkové testy riadiacich knižníc, stovky Monte Carlo behov s variáciou parametrov, regresné porovnania logov a generovanie reportov (grafy, štatistiky, heatmapy). Nočné buildy môžu spúšťať dlhé latenciové a robustnostné scenáre.

Verifikácia požiadaviek a stopovateľnosť

Každý test mapujte na konkrétnu požiadavku (napr. „Max. bočný presah < 1 m pri 10 m/s vetre”). Udržujte traceability od požiadavky cez test skript až po log a verdikt. Umožní to audit a rýchle root-cause analýzy pri pádoch regresných testov.

Škálovanie: od desktopu po laboratórny rig

1. Rýchly SIL na vývojárskom stroji (minúty, stovky behov, bez real-time).
2. Distribuovaný SIL v cloude (tisíce behov, Monte Carlo, A/B porovnania algoritmov).
3. PIL na cieľovom procesore (časovanie kompilátu, optimalizácie).
4. HIL s fyzickým FCU, power-in-the-loop, syntetickými senzormi.

Porovnanie SIL vs. HIL

Parameter	SIL	HIL
Rýchlosť/škálovateľnosť	Veľmi vysoká (offline >1×)	Obmedzená (1× real-time)
Realita časovania	Nízka/stredná	Vysoká
Náklady	Nízke	Stredné až vysoké
Injekcia HW porúch	Obmedzená (modely)	Priama (napájanie, zbernice)
Debug komfort	Vysoký (profilery, replay)	Stredný (RT obmedzenia)

Pracovné postupy a „best practices”

• Udržujte binárnu ekvivalenciu algoritmu medzi SIL a nasadením (zdieľaná knižnica, rovnaké toolchainy a flagy).
• Deterministické RNG semienka pre reprodukovateľnosť a presné replay.
• Štruktúrované logovanie (časové pečiatky, jednotky, rámce) + automatické validátory logov.
• Baseline scenáre s referenčnými logmi na odhalenie numerických regresií.
• Parameter sweeps (thrust, hmotnosti, vietor) a Monte Carlo pre robustnosť.
• Hardvérové limity overte v HIL (CPU load, pamäť, bus bandwidth, ISR latencie).

Bezpečnostné a regulačné aspekty

SIL/HIL podporujú tvorbu bezpečnostných prípadov a dôkazov o primeranosti (napr. pre operácie nad ľuďmi, BVLOS). Formálne udržiavajte vyhlásenia o pokrytí scenárov, analýzy hazardov (FMEA/FTA) a dôkazy o reakcii na poruchy. Pri HIL pracujte s elektrickou bezpečnosťou (limitery prúdu) a ochranou laboratória.

Príklady metrík kvality na „go/no-go” rozhodnutia

• 95. percentil laterálnej chyby < 0,8 m pri 8 m/s vetre,
• Max. prepad výšky pri poruche GNSS počas 3 s < 1,5 m,
• End-to-end latencia riadiacej slučky < 5 ms, jitter < 0,5 ms,
• Mean time to recover z failsafe < 2 s,
• Žiadne deadline miss pri CPU 80 % zaťažení v HIL počas 30 min.

Diagnostika a analýza zlyhaní

Pri odchýlkach medzi SIL a HIL postupujte: (1) overte jednotky/rámce, (2) porovnajte logy signál-po-signále (IMU raw, filtrový stav, výstupy regulátora), (3) izolujte rozdiely vypnutím modulov, (4) profilujte CPU/cache a bus, (5) skontrolujte deterministiku RNG, (6) validujte verzie knižníc a kompilátora.

Rozšírené témy: viacdronové a vnímacie slučky

Pre swarming treba simulovať RF rušenie, kolízne vyhýbanie, zdieľané mapy a synchronizáciu času. Pre vizuálne slučky (VIO/SLAM) je dôležitá fotorealita, dynamické osvetlenie a domain randomization s validáciou na reálnych datasetoch.

Roadmapa zavedenia SIL/HIL v tíme

1. Definujte požiadavky a metriky (orákulum).
2. Vybudujte minimálny SIL s modelom dynamiky a IMU.
3. Zaveďte CI pre regresie a Monte Carlo.
4. Rozšírte o ďalšie senzory a scenáre.
5. Prejdite na PIL a následne HIL s RT simulátorom.
6. Zavrite slučku s reálnymi letmi a spätnou identifikáciou parametrov.

SIL/HIL nie sú iba „simulátory”, ale systematická metodika, ktorá prepája modelovanie, implementáciu, testovanie a bezpečnostné dokazovanie. Správne navrhnutý reťazec od rýchleho SIL po presný HIL skracuje time-to-flight, zvyšuje kvalitu a umožňuje doručiť autonómny autopilot s preukázateľnou robustnosťou a bezpečnosťou.