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基于模型的车载人机界面开发及自动化测试

挑战
        车载人机交互系统包括组合仪表、信息娱乐系统及与之相关的方向盘按键和中控面板;一个好的人机交互系统让用户在行车过程中轻松把握车辆状态信息,并满足用户各种通讯和娱乐需求;直接窗口就是组合仪表显示界面、信息娱乐系统显示界面,这两部分通常简称为车载HMI(人机交互界面, Human Machine Interface)。
        车载HMI传统的开发流程以文字、代码、人工为主要依赖手段,不仅开发周期漫长,成本高昂,并且HMI产品在人机交互体验方面得到的市场反馈并不佳:
• 整车厂通过文档、流程图和图片向供应商描述HMI的功能需求和设计需求,双方对需求的理解易产生分歧,沟通效率低下;
• 供应商仍然采用手工编程来开发HMIApp,复杂效果实现效率低;必须依赖硬件才能验证代码和设计,导致大量的代码返工工作;
• 对于HMI部件,整车厂和供应商采用纯手工测试或者机械手测试,耗费人力及时间。
传统的车载HMI开发流程
 
解决方案
        采用基于模型的HMI开发流程能够扭转整车厂与供应商之间需求沟通的弊端;引入先进的HMI建模工具能够大幅提高HMI的开发效率;最后引入自动化测试App来实现高效的HMI的自动化测试。
基于模型的HMI开发及自动化测试流程
1.建模
        在基于模型的HMI开发流程中,由HMI需求分析产出的HMI设计需求以及功能需求不再通过图片和文档来,定义;而是通过“模型”来定义; 建模阶段的两块核心开发工作:
• HMI建模:采用HMI主流建模工具Altia,开发HMI模型(虚拟原型);使用Altia将图片(PhotoShop)状态流程图(微软 Visio)直接转化为可操作的图形控件和人机界面流转; 在Altia的集成开发环境中编辑和建立可视化可操作的HMI虚拟原型,环境内运行原型从而即时测试和验证设计效果。在Altia工具中快速定义用于人机操作的HMI交互流转,如点击HOME按键之后回到主页面,收音列表的滚动及电台选择等。
Rhapspdy通过Altia API 调用界面文件
• 后台功能建模:采用IBM的系统建模工具Rhapsody对功能需求进行定义;在Rhapsody中的工作主要有两部分,一是建立功能模型接口,以实现后台模型的数据能够实时传递给人机界面显示,以及实时接收人机界面上的操作命令;二是设计后台功能逻辑,实现后台运算功能,比如从总线上接收车速信息进行解析。
功能建模环境-IBM Rational Rhapsody                                   Rhapspdy通过Altia API 调用界面模型
        基于模型的HMI开发流程具备三个核心要素:HMI模型、HMI仿真、HMI代码生成:
• 项目初期以可视化可操作的HMI模型明确设计需求,直观“看到”设计;
• 项目中期将HMI模型与相关功能模型及环境联合仿真,迭代修正设计;
• 项目后期将HMI模型一键自动生成图形代码,与目标硬件系统集成。
 
2.仿真
        人机界面向后台发送的操作指令被后台程序处理,后台根据处理的结果调用相关的功能子模块并且将后台子模块的解算结果反馈给界面显示;可见,HMI的人机界面与后台功能之间深度耦合,两者协同工作方能为用户形成良好的用户体验。
        继建模之后,将上位机的HMI模型与功能模型相互通讯,进行数字化仿真乃至半实物仿真,从而先于硬件发现设计的不合理和模型错误,并修正模型,以此迭代改进设计。
• 数字化仿真:Altia提供了与Rhpsody之间的API接口函数,快速实现图形界面与后台逻辑交互集成。比如,在模拟HMI的收音机的自动搜台功能时,需要通过Rhapsody开发的逻辑模型向界面发送搜到的电台频率,这些电台频率排列于收音机的可用列表页面,则需要使用能够向界面发送数据的Altia API。
        另外,在Altia环境中可通过图形控件对人机操作的物理部件进行模拟,以低成本呈现人机操作环境;如方向盘上的五向键、油门、空调操作面板等;图形控件的信号同样通过Altia API发送给功能模型。
 
• 半实物仿真:为了能够早期验证HMI的人机交互特性,在HMI模型基础上,引入真实的物理输入部件、车辆模型仿真机、真实总线信号、道路环境三维视景等建立人在环的车载HMI半实物仿真环境;所有外部输入信号激励的对象仍然是虚拟的HMI人机界面模型,先于硬件产品就能够对人机界面的友好性进行评估。
HMI半实物仿真环境结构
 
3.实现
        在仿真环节对HMI的设计以及功能模型都进行了迭代改进,接下来的实现环境,基于模型的开发采用自动代码生成技术将模型转换为可部署的嵌入式代码,与目标机集成,形成HMI产品。自动代码生成技术确保了在建模和仿真阶段所形成的HMI设计能够正确完整地实现为产品,剔除了人工编程带来的不确定因素。
• 图形代码生成:Altia提供针对不同种类硬件平台的代码生成器,将HMI模型生成全开源标准C代码,代码包含了图形、动画、激励、控制逻辑,以及与操作系统和硬件相关的驱动代码;这些代码经过交叉编译即可运行于嵌入式目标硬件平台;通过HMI在硬件平台上的运行效果,可以判断硬件资源大小与HMI效果支撑需求是否匹配;若效率低,则需升级硬件或在上位机继续修改HMI模型,如此迭代优化,最终取得硬件与设计的平衡。
• 功能代码生成:Rhapsody能够生成后台功能逻辑代码,且在Rhapsody中不仅可以根据模型生成代码,而且实现了模型和代码之间的动态关联。也就是说,模型的变化会实时的反映在代码上,代码的修改也会实时的同步到模型中,从而实现了模型和代码的同步。
        图形代码与功能逻辑代码与底层硬件集成,最终实现为HMI产品。
4.自动化测试
        与常规应用程序测试不同,HMI的主要构成是图形化对象;相应的测试用例是驱动程序运行的事件序列,如点击按键,菜单选择等动作,而不是代码。随着车载HMI系统复杂度的增加以及变种类型增加,传统的测试手段已不再适应。应用自动化测试App建立HMI自动化测试流程,是行之有效的解决途径。自动化测试App,替代人眼及Camera捕获图片,替代人体及机械手输入事件,并且自动化图像比对,形成测试结论。
        自动化测试AppeggPlant集成了VNC Viewer的功能,应用高精度的图像搜索算法以及文本搜索算法,定位屏幕上的对象,进而驱动和确认被测系统的HMI表现。
HMI自动化测试workshop-eggPlant
总结
        基于模型的车载HMI开发及自动化测试流程的优势:
• 无需编程实现HMI模型,作为提出需求和改进设计的载体;
• 结合后台数据开展初高级HMI仿真,优化设计;
• 自动生成包含目标平台驱动在内的图形代码,代码经优化,无需编辑和修改,编译即可运行于目标硬件平台;
• 快速将HMI部署于硬件验证效果,加速优化完善HMI设计;
• HMI自动化测试流程大幅减少测试周期和人力成本
 

 

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