MATLAB と Simulink が未来に向けたトヨタの設計を支援

設計のスピードアップ、品質の向上、研究開発コストの削減を迫られる中、トヨタのエンジニアたちは、従来の設計手法に代わる手法が必要だと考えていました。従来手法は費用対効果も効率も低く、高価で不完全なハードウェアの試作や、途中の複数のステップで再設計や再プログラミングを必要とする設計プロセスによって、進行が妨げられていました。そこでトヨタは、従来の自動車用エレクトロニクス開発のギャップを埋め、仕様書作成者、制御設計者、プログラマーの作業を統合する実行可能な仕様書を作成する方法を検討し始めました。

トヨタは、総合的な設計ソリューションとして、MATLAB、Simulink、Simulink Coder、Stateflow などの MathWorks ツールを採用しました。

トヨタのイニシアチブと MathWorks との開発パートナーシップは、まず自動車メーカーが MATLAB を選択し、次に Simulink を選択したことから始まりました。トヨタの大畠明氏は、次のように述べています。「こうしたツールの 利用は徐々に増えています。「現在、当社が保有する MATLAB、Simulink、Stateflow のライセンスは 400 を超えており、トヨタのシミュレーション、データ処理、制御設計におけるデファクト スタンダードとなっています。トヨタでこれらのツールの用途をすべて挙げることができないほどです。」

MathWorks のツールは、トヨタの電気制御ユニット (ECU)、車両制御ソフトウェアを実行するダッシュボード下のコントローラーの開発に真価を発揮しています。厳しい排ガス規制と性能向上の要求に直面していることから、トヨタのエンジニアは、燃料噴射やトランスミッション制御など、重要なロジックの改良に集中しています。

MathWorks の設計ソリューションを使用することで、トヨタのエンジニアは、制御戦略の設計、モデル化、シミュレーション、テスト、プログラミングを単一の環境で行えるという大きなメリットが得られます。たとえば、トヨタのパワートレイン コントローラーは、直感的で自分で文書化可能な Simulink と Stateflow の環境で仕様作成を開始します。どちらも産業界で強力な MATLAB の計算、解析、可視化機能を利用しています。

制御エンジニアは、これらの実行可能な仕様書の中で直接作業し、制御方法を改良し、性能を最適化します。Simulink Coder を利用することで、制御エンジニアの意図した通りにコードを生成でき、エンジニアは C コードの作業から一歩引いた位置で作業ができます。

トヨタのエンジニアは、このコードをドイツの dSPACE 製のハードウェアおよび実装ソフトウェアと組み合わせて、テストやバーチャル プロトタイピングに使用しています。トヨタは、Simulink でモデル化した「仮想エンジン」上でプロトタイプ ECU をテストできる HIL (Hardware-in-the-Loop) シミュレーションと、実際のパワープラントを制御しながらシミュレータで ECU の全部または一部を置き換えることができる RPE (Rapid Prototyping ECU) の 2 種類のシミュレーションを活用しています。

トヨタでは、Simulink のバーチャルエンジンと HIL を使用し、ECU のハードウェアとソフトウェアのデバッグやキャリブレーションを行っています。HIL のセットアップにより、コストが削減され、性能解析が実行しやすくなり、コールドスタートやウォームアップなどの操作条件の複製が可能になりました。RPE では、トヨタのエンジニアは制御アルゴリズムのパラメーターをキャリブレーションし、制御ロジックを短時間で評価できます。開発者は MATLAB で制御ロジックを構築し、Simulink を使用して評価し、最も有望な候補を探し出します。

dSPACE 製ハードウェアを使用することで、ECU が実際の自動車電力プラントを制御するように、エンジン制御の変更部分を分離できます。これにより、エンジニアは改善または開発対象の分野に集中できるようになります。