【XCP】最小構成のMBD事例 第2章 その221【仮想HILS④】

【XCP】最小構成のMBD事例 第2章 その221【仮想HILS④】事例
【XCP】最小構成のMBD事例 第2章 その221【仮想HILS④】

バックナンバーはこちら。
https://www.simulationroom999.com/blog/model-based-of-minimum-2-backnumber/

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はじめに

前回までで仮想HILS向けの改造内容を把握した状態。
以下を実施して改造したPythonコードを今回は確認する。

  • PIDのFMUをDummy_FMUModel化
  • 上記に伴いdo_step追加
    • do_stepの内部でXCPで受けた仮想ECUのPID制御器出力データをFMUのPID制御出力データのように差し替える。
  • XCP関連セットアップ処理追加
  • XCP DAQ受信部追加
  • XCP STIM送信部追加
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登場人物

博識フクロウのフクさん

指差しフクロウ

イラストACにて公開の「kino_k」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=iKciwKA9&area=1

エンジニア歴8年の太郎くん

技術者太郎

イラストACにて公開の「しのみ」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=uCKphAW2&area=1

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仮想HILS Pythonコード

フクさん
フクさん

仮想HILSのPythonコードを仕上げてきたから貼っとくよー。

from pyfmi import load_fmu, FMUModelCS2, Master
from pyfmi.tests.test_util import Dummy_FMUModelCS2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg, NavigationToolbar2Tk
import collections
import time
import sys
import tkinter
import os
from contextlib import redirect_stdout
import math
import can
import xcp_can

class MotorControl:
	def do_pid(self, current_t, step_size, new_step=True):
		self.model_sub1.values[self.model_sub1.get_variable_valueref("y")] = self._voltage
		self.model_sub1.completed_integrator_step()
		return 0

	def do_dummy(self, current_t, step_size, new_step=True):
		self.model_dummy.values[self.model_dummy.get_variable_valueref("y")] = self._y
		self.model_dummy.completed_integrator_step()
		return 0
	
	def __init__(self):
		self.root = tkinter.Tk()
		self.root.title("DC Motor Control")
		
		w = self.root.winfo_screenwidth()    #モニター横幅取得
		h = self.root.winfo_screenheight()   #モニター縦幅取得
		
		#self.root.geometry("120x100+"+str(w)+"+0")    #位置設定
		self.root.geometry(str(int(w/2))+"x"+str(int(h/2))+"+"+str(int(w/2))+"+0")    #位置設定
		
		self.model_sub1 = Dummy_FMUModelCS2( [], "PID.fmu", "", _connect_dll=False)
		self.model_sub2 = FMUModelCS2( "Motor.fmu", "", _connect_dll=True)
		self.model_dummy = Dummy_FMUModelCS2([], "Dummy.fmu", "", _connect_dll=False)
		
		self.model_dummy.values[self.model_dummy.get_variable_valueref("y")] = 0
		
		self._voltage = 0
		self._y = 0
		self._ytmp = 0
		self.y_can_tmp = 0
		
		self.model_sub1.do_step = self.do_pid
		self.model_dummy.do_step = self.do_dummy
		
		models = [self.model_sub1, self.model_sub2, self.model_dummy]
		connections = [(self.model_dummy,"y", self.model_sub1,"target" ),
			(self.model_sub1,"y",self.model_sub2,"voltage"),
			(self.model_sub2,"speed",self.model_sub1,"u")]

		self.master = Master(models, connections)
		
		self.step_size = 0.015
		queue_max = int((30*2)/self.step_size)	# 10秒分のqueueを用意
		print(queue_max)
		
		# define queues
		self.deque_voltage = collections.deque(maxlen=queue_max)
		self.deque_current = collections.deque(maxlen=queue_max)
		self.deque_speed = collections.deque(maxlen=queue_max)
		self.deque_loadTorqueStep_tau = collections.deque(maxlen=queue_max)
		self.deque_target = collections.deque(maxlen=queue_max)
		self.deque_time = collections.deque(maxlen=queue_max)
		self.deque_cpuload = collections.deque(maxlen=queue_max)

		
		# define figure
		self.fig = plt.figure()
		self.fig.set_size_inches(8.4, 4.5)
		self.ax = plt.subplot(1,1,1)
		self.ax.set_xlabel('Time')
		self.ax.set_ylabel('Value')
		#fig.show()

		# define plots
		self.ax.plot([], [], label="target[rad/s]", color='Magenta',linewidth=3)
		self.ax.plot([], [], label="voltage[V]", color='Red')
		self.ax.plot([], [], label="speed[rad/s]", color='Blue',linewidth=0.9)
		self.ax.plot([], [], label="loadTorqueStep.tau[N m]", color='Cyan')
		self.ax.plot([], [], label="current[A]", color='Green',linestyle='--',linewidth=0.8)
		self.ax.plot([], [], label="cpu_load[ms]", color='Black',linestyle='--',linewidth=1)

		self.ax.legend(bbox_to_anchor=(1, 1), borderaxespad=0, fontsize=10)
		self.ax.grid(which='both')
		
		#Figureを埋め込み
		self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, self.root)
		self.canvas.get_tk_widget().pack(side = tkinter.RIGHT)
		
		#ツールバーを表示
		toolbar=NavigationToolbar2Tk(self.canvas, self.root)
		toolbar.place(x=0, y=h/2-40)
		
		#スケール
		scale = tkinter.Scale(
			self.root,
			label = "target Speed",
			orient=tkinter.VERTICAL,    #方向
			command=self.change,         #調整時に実行
			length = 300,
			from_ = 100,
			to = 0
			)
		#scale.pack(side = tkinter.LEFT)
		scale.place(x=0, y=140)
		
		#checkbutton
		self.scalbln = tkinter.BooleanVar()
		self.scalbln.set(False)
		chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.scalbln, text="Enable Scale bar")
		chk.place(x=0, y=10)
		
		self.cpuloadbln = tkinter.BooleanVar()
		self.cpuloadbln.set(False)
		chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.cpuloadbln, text="Enable Cpu Load")
		chk.place(x=0, y=30)
		
		self.pausebln = tkinter.BooleanVar()
		self.pausebln.set(False)
		chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.pausebln, text="pause")
		chk.place(x=0, y=50)
		
		self.sinbln = tkinter.BooleanVar()
		self.sinbln.set(False)
		chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.sinbln, text="sin wave")
		chk.place(x=0, y=70)

		self.sawtoothbln = tkinter.BooleanVar()
		self.sawtoothbln.set(False)
		chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.sawtoothbln, text="Sawtooth wave")
		chk.place(x=0, y=90)

		self.canrcvbln = tkinter.BooleanVar()
		self.canrcvbln.set(True)
		chk = tkinter.Checkbutton(self.root, variable=self.canrcvbln, text="can rcv")
		chk.place(x=0, y=110)

		# define timers
		self.start_tick = time.perf_counter()
		self.opts = self.master.simulate_options()
		self.opts["step_size"] = self.step_size
		self.opts["initialize"] = 1
		self.currenttime = 0
		
		# XCP関連セットアップ
		self.xcp = xcp_can.xcp_can()
		self.xcp.setup()
		self.xcp.start_daq()
		
		# 指令値受取用バス接続
		self.bus = can.interface.Bus(bustype='vector', channel='0')
		
		self.FMU_handler()
		self.plot_handler()
		
		try:
			self.root.mainloop()
		except KeyboardInterrupt:
			xcp.stop_daq()
			xcp.close()

	#スケール用関数
	def change(self, value):
		if self.scalbln.get():
			self._ytmp = float(value)
			#self._y = float(value)
	
	# FMUシミュレーション用関数(タイマハンドラ)
	def FMU_handler(self):
		current_tick = time.perf_counter()
		delta_tick = current_tick - self.start_tick;
		self.start_tick = current_tick
		delta_simulate = delta_tick
		
		# Scale取り込み(OFFSET)
		y_tmp = 0
		if self.scalbln.get():
			y_tmp = self._ytmp
		else:
			y_tmp = 0
		
		# sin波生成
		if self.sinbln.get():
			y_tmp += math.sin(self.currenttime*1)*50+50
		
		# のこぎり波生成
		if self.sawtoothbln.get():
			A = 100
			N = 500
			y = 0.0
			omega = 1/8
			for n in range(1,N):
				y += - A / (np.pi * n) * np.sin( n * 2 * np.pi * omega * self.currenttime)
			y += A / 2.0
			y_tmp += y
		
		# CAN recv(polling)
		if self.canrcvbln.get():
			while True:
				recv_msg = self.bus.recv(timeout=0.0)
				if recv_msg != None:
					if recv_msg.arbitration_id == 0x111:
						#data = recv_msg.data[0]*0x10000 + recv_msg.data[1]*0x100 + recv_msg.data[2]
						#self.y_can_tmp = data/255.0
						self.y_can_tmp = float(int.from_bytes(recv_msg.data[0:3], byteorder='big', signed=True))/0x100
				else:
					break
			y_tmp += self.y_can_tmp
		
		self._y = y_tmp
		
		# XCP DAQ受信
		daq = self.xcp.recv_daq()
		if len(daq) > 0:
			self._voltage = float(int.from_bytes(daq['0'][0][5:7], byteorder='little', signed=True))/0x100
			
		
		with redirect_stdout(open(os.devnull, 'w')):
			res = self.master.simulate(start_time=self.currenttime, final_time=self.currenttime+delta_simulate-self.step_size/100, options=self.opts)
		self.opts["initialize"] = 0
		
		self.currenttime = self.currenttime + delta_simulate
		
		self.deque_voltage.extend(res[self.model_sub2]['voltage'])
		self.deque_current.extend(res[self.model_sub2]['current'])
		self.deque_speed.extend(res[self.model_sub2]['speed'])
		self.deque_loadTorqueStep_tau.extend(res[self.model_sub2]['loadTorqueStep.tau'])
		self.deque_target.extend(res[self.model_sub1]['target'])
		self.deque_time.extend(res[self.model_sub2]['time'])
		self.deque_cpuload.extend(np.ones(len(res[self.model_sub2]['time']))*delta_simulate*1000)
		
		# XCP STIM送信
		self.xcp.stim(int(self.deque_target[-1])*0x100, int(self.deque_speed[-1])*0x100)
		
		self.root.after(1, self.FMU_handler)
	
	# plot用関数(タイマハンドラ)
	def plot_handler(self):
		if self.pausebln.get() == False:
			self.ax.lines[0].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_target) )
			self.ax.lines[1].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_voltage) )
			self.ax.lines[2].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_speed) )
			self.ax.lines[3].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_loadTorqueStep_tau) )
			self.ax.lines[4].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_current) )
			if self.cpuloadbln.get():
				self.ax.lines[5].set_data( np.array(self.deque_time), np.array(self.deque_cpuload) )
			self.ax.relim()                  # recompute the data limits
			self.ax.autoscale_view()         # automatic axis scaling
			self.ax.set_ylim(-70,200)
			self.ax.set_xlim(self.deque_time[-1]-30,self.deque_time[-1])
			self.canvas.draw()
		
		self.root.after(200, self.plot_handler)

if __name__ == '__main__':
	app = MotorControl()
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ソースコード解説

太郎くん
太郎くん

なんとなく予想はしていたが、まぁまぁな規模になったな。

太郎くん
太郎くん

修正した内容としては前回までに話した内容がそのままって感じかな?

フクさん
フクさん

基本的にはそうだね。
まぁ「指令値受取用バス接続」の処理を先頭からFMU_handler呼び出しの直前に変えたくらいかな。

太郎くん
太郎くん

なんで変えたの?

フクさん
フクさん

最初に初期化するとXCP関連のやり取りが指令値受取用のFIFOに詰まれちゃうんだよね。
まぁ使う前にFIFOクリアとかすれば良いのだろうけど、
不必要な受信を避けるために初期化位置を変えた。
ってこところだ。

太郎くん
太郎くん

なるほど。
初期化してなければ受信もしないからFIFOクリアも不要ってことか。

フクさん
フクさん

その通り。

太郎くん
太郎くん

じゃ、次回は実際に動作させてみる。って回だね。

フクさん
フクさん

その前に一回構成を再確認しておこう。
結構ややこしい構成になってきたし。

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まとめ

フクさん
フクさん

まとめだよ。

  • ついに仮想HILSのPythonコード完成。
    • 基本的には前回までの修正内容を盛り込んだだけ。
  • 指令値取得用のCANバス初期化の位置を先頭から実処理の前に移動。
    • XCP関連のCANフレームがFIFOに詰まれてしまうため、それを避ける目的で移動。
    • 使用する前にFIFOクリアしてもOK。

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