exemple du système airbag

PACA
De la modélisation et la conception à la simulation de
systèmes complexes : exemple du système airbag
Xavier Boddaert*, Philippe Lalevée*, Sylvain Blayac* et Jean-Philippe Ebersohl**
*
ENSM.SE, Centre Microélectronique de Provence, {boddaert,lalevee,blayac}@emse.fr
**
Autoliv Electronics, [email protected]
Cet article présente une étude de cas d’un système airbag, proposée dans l’option « Systèmes Intelligents et
Applications » aux ingénieurs civils des mines de 3e année de l’école des mines de Saint-Étienne. Cette étude de
cas permet aux étudiants de mettre en pratique les différentes étapes de la conception d’un système complexe à
base de System on Chips (SoC) allant de la modélisation en SysML jusqu’à une maquette de simulation.
Mots-clés. Système complexe, SoC, SysML, Simulation.
1. Introduction et objectifs
L’école Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, dans son Centre Microélectronique de Provence, situé
à Gardanne, propose une option de 3e année « systèmes intelligents et applications », dans laquelle est étudiée la
conception des systèmes microélectroniques et informatiques. Celle-ci nécessite des connaissances et des
compétences multidisciplinaires, dans les domaines de l’électronique, de la microélectronique, de l’informatique,
de la physique des composants, de la chimie, de la mécanique, ainsi qu’en science de gestion. Il faut aussi que
les étudiants maitrisent les méthodologies et les outils de l’ingénierie des systèmes que l’« International Council
Of Systems Engineering » [1] (INCOSE 2008) définit comme une démarche interdisciplinaire visant à réaliser
des systèmes satisfaisant les besoins des clients et des utilisateurs. Comparée à d’autres types d’ingénierie, en
particulier informatique, elle intègre très tôt dans le cycle de développement toutes les contraintes associées aux
différentes disciplines : opérations, coûts et plannings, performance, support, test, fiabilité et manufacturabilité.
Elle nécessite que toutes les spécialités requises soient regroupées au sein d’équipes hétérogènes, considérant à
la fois les aspects industriels et techniques, dans un processus de développement structuré et cohérent.
Pour acquérir ces méthodologies et ces outils, les cours théoriques ne suffisent pas. Ceux-ci apportent aux
étudiants les connaissances nécessaires à un ingénieur généraliste, qu’il faut compléter par une confrontation à
une situation réelle de conception d’un produit microélectronique complexe mettant en œuvre des domaines
scientifiques et techniques variés, que nous présentons dans le chapitre 2. Notre choix s’est porté sur le système
airbag d’une voiture, car comme nous le verrons dans le chapitre 3, un système airbag aborde de nombreux
domaines complexes, en particulier des systèmes embarqués intelligents pour la sécurité des utilisateurs. En
conclusion de cet article, le chapitre 4 dresse un bilan technique et pédagogique de cette étude de cas.
2. Démarche pédagogique
Le but de l’étude de cas est de permettre aux étudiants d’aborder l’analyse et la conception d’un système
complexe, au travers d’une méthodologie adaptée. Notre choix s’est porté sur une démarche de conception de
systèmes complexes issue des travaux de Jean-Yves Choley [2], dont le principe est présenté dans la Figure 1, en
page suivante. De l’expression des besoins vers la fabrication du produit final, ce schéma montre quatre niveaux
d’analyse et de synthèse. Le premier, traitant de la modélisation des besoins, permet de spécifier le cahier des
charges fonctionnel du système à développer ; le second, traitant de l’analyse fonctionnelle, permet de décrire et
de spécifier le fonctionnement du système ; le troisième, traitant de la description matérielle et logicielle du
système, permet de définir l’architecture du système en composants logiques ; et le dernier, traitant de la
synthèse physique, de concrétiser les caractéristiques physiques, de l’ensemble des tests de validation et de
fiabilité, ainsi que la manufacturabilité du produit final. Cette démarche de conception, habituelle dans le monde
des logiciels, est novatrice dans le domaine de la microélectronique. Cela consiste à pouvoir modéliser à très
haut niveau un système complexe, dans un contexte de développement itératif (cycle en V, prototypage virtuel
rapide…) avant de le concevoir puis de le réaliser.
Pour passer d’un niveau de modélisation à un autre, des outils sont nécessaires. Le schéma en donne quelques
exemples adaptés au monde de la microélectronique : Rhapsody de I-Logix pour la modélisation en SysML avec
génération de code possible en SystemC (des produits comme SystemVision de Mentor Graphics [3] seraient
plus adaptés, mais ils ne font pas encore partie de l’offre CNFM), SABER de Synopsys [4], pour la simulation
(cet outil est proposé par le CNFM), et enfin, pour la simulation d’une maquette numérique, c’est l’outil
MATLAB/Simulink qui est utilisé.
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Besoins
Cahier des charges
fonctionnel
Use cases
Diagrammes bloc
Analyse
fonctionnelle
Fonctionnel
VHDL
SystemC
Structurel et
Comportemental
MATLAB &
SIMULINK
Description matérielle
et logicielle
Compilation
Génération
« Partitionnement »
Physique
Simulation
Maquette numérique
Figure 1: Niveaux d'analyse et de description (adapté de Choley 2007)
L’étude de cas donne la possibilité aux étudiants d’explorer par eux-mêmes ces différents niveaux et les
principales étapes de modélisation et de conception, en partant de l’expression des besoins pour obtenir la recette
du produit fini. L’évaluation est effectuée par la remise de documents de fin d’étape par les étudiants, décrivant
les recherches bibliographiques, les analyses ou les études techniques qu’ils ont réalisées (décrites dans le
chapitre suivant). Cette étude de cas est complétée par des cours et des conférences, qui portent sur les fonctions
génériques assurées par un système complexe et des éléments dits « transverses » comme la fiabilité, la
manufacturabilité et la « conception pour le test. » Ces formations, assurées par des industriels de la filière
microélectronique et des intégrateurs, offrent aux étudiants un état de l’art actualisé des techniques et des études
de marché pour la conception de systèmes hétérogènes.
3. Contenu et déroulement
L’étude de cas, dont le déroulement suit la démarche pédagogique vue précédemment, est découpée en cinq
phases, voir la figure ci-dessous. Hormis la première phase, pour laquelle ils disposent d’un document de
présentation, les étudiants reçoivent au début de chaque étape, un document de synthèse de l’étape précédente.
Livrables
Étudiants
Bibliographie
Cahier des charges
Phase 1
j
Phase 3
Phase 2
D1: cahier des
charges
j+15
Analyse
fonctionnelle
globale
D2: Use cases et
scénarios
j+17
Analyse
fonctionnelle bloc
détection
Simulation
accéléromètre
Phase 4
Phase 5
D3: analyse
fonctionnelle
D4: analyse
par blocs
j+21
j+25
Documents
fournis
D0: présentation de
l’étude de cas
Cahier des charges
fonctionnel
j+30
Figure 2: découpage en phases de l'étude de cas et les documents fournis et produits
(les zones hachurées correspondent aux travaux dirigés)
3.1. Phase 1 : Recherche documentaire et cahier des charges
Un système airbag est un dispositif de sécurité passive destiné à protéger le conducteur et les passagers éventuels
contre les chocs, ou les retournements du véhicule. Il est principalement composé d’un calculateur, chargé de
traiter les informations en provenance de capteurs de détection de chocs et de commander, le cas échéant, le
déploiement de retenues/protections pour les occupants, prétensionneurs de ceintures, allumeurs pyrotechniques
pour les coussins gonflables, etc. Il a également des fonctions de diagnostic, de vérification et d’affichage.
Cette recherche documentaire a pour but de définir précisément le besoin en sécurité passive et le cahier des
charges du système airbag. Les étudiants sont amenés à rechercher et étudier différents documents traitant de la
sécurité passive, d’éléments réglementaires (protection des occupants), des tests consommateurs et des
spécifications du système airbag. Pour les aider dans leur recherche, des documents de référence leur sont
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communiqués contenant des sites relatifs à la sécurité routière, aux directives européennes et des liens
commerciaux. Les étudiants effectuent cette recherche par groupe de 2 à 3 personnes. Ils rédigent une synthèse et
effectuent une présentation orale de cette recherche bibliographique, qui sont évaluées. A la fin de cette première
phase, un document type (D1) leur est remis. Il présente le système de protection qui comprend la structure du
véhicule en tant que telle, les prétensionneurs, les ceintures de sécurité, les coussins gonflables, les capteurs ainsi
que le système électronique. Il décrit les différents types de chocs normatifs, et précise les principales
spécifications du système : durée de prétension de la ceinture, temps de déploiement du coussin, effort maximum
à exercer sur le thorax…
3.2. Phase 2 : Expression des besoins et spécifications fonctionnelles
A partir du document D1, décrit ci-dessus, les
étudiants doivent rédiger le cahier des
charges fonctionnel du système, en utilisant
le langage SysML [6] et Rhapsody comme
outil de modélisation. Le document à fournir
par les étudiants doit contenir le diagramme
des cas d’utilisation du système (voir le
schéma ci-contre), les diagrammes d’activité
des principaux scénarios et les diagrammes
de spécifications fonctionnelles.
SysML est un langage de modélisation pour
l’ingénierie des systèmes [7]. Son intérêt est
de proposer des extensions à UML [8] pour
modéliser des systèmes, intégrant de
l’informatique, des systèmes embarqués par
exemple à microcontrôleurs et du matériel
(microélectronique, capteurs, mécanismes). Il
est utilisable dans des domaines très variés,
comme la conception de SoC [9,10] ou les
réseaux de capteurs sans fil [11].
Cette étape de modélisation est semblable à celle qui serait à réaliser pour un logiciel informatique. L’objectif est
de recenser les « besoins client » et de délimiter précisément le système, en recherchant les acteurs, ceux qui ont
des interactions avec lui, et les cas d’utilisation, ce à quoi il sert. Le résultat attendu est un diagramme de cas
d’utilisation, voir un exemple ci-dessus. Pour le système airbag, les acteurs sont le conducteur et le passager,
mais aussi les ceintures (prétensionnement) et la voiture (structure déformable). Le cas d’utilisation principal est
de « protéger » les occupants du véhicule, à l’aide de coussins, des ceintures, etc. Cela nécessite évidemment que
le système « détecte » les chocs ; d’autres cas sont ajoutés pour le « tester » ou l’« inhiber », en particulier celui
du passager avant pour respecter la réglementation. Ce diagramme doit être amplement documenté : définitions,
glossaire, cas, etc. La limite (le périmètre) du système est obtenue par l’exhaustivité des interactions entre les
acteurs et les cas d’utilisation. Suite à ce diagramme de cas, les scénarios correspondant au cas d’utilisation
principal seront établis à l’aide de diagrammes d’activité (ou de séquences). Ces diagrammes font intervenir le
système dans sa globalité par ses réponses aux événements déclenchés par les acteurs. Par exemple, un choc
survenant à l’avant du véhicule déclenchera des réactions « à l’intérieur » du système. En parallèle de ce
diagramme, et à chaque fois que nécessaire, les spécifications ou contraintes seront indiquées dans un
diagramme de « requirements. » Comme exemples de contrainte, on peut citer le délai de réaction suite à un
choc ou bien le temps de gonflage d’un coussin, éléments qui figurent dans le document D1. L’ensemble des
diagrammes demandés, constitue le document D2 : diagramme de cas, d’activité, et de spécifications et la
documentation associée.
3.3. Phase 3 : Analyse et conception du système par blocs fonctionnels
A partir du document D2, décrit ci-dessus, les étudiants commencent dans cette phase, l’analyse et la conception
détaillée du système, en s’intéressant au fonctionnement et non à la réalisation de ces fonctions. Ici, SysML est
un langage très utile permettant de modéliser ces fonctions, grâce à deux diagrammes spécifiques : le diagramme
« Block Definition » et le diagramme « Parametric ». Le premier décrit hiérarchiquement le système en le
décomposant en unités fonctionnelles, appelées « blocs » et décrit les relations qui existent entre eux (voir figure
page suivante). Le second décrit les contraintes sur les valeurs des paramètres du système comme la
performance, la fiabilité ou des propriétés physiques, sous forme généralement d’équations paramétriques, en
vue de leur simulation, comme par exemple, la modélisation d’un choc par une équation de type masse/ressort.
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En partant de l’étude bibliographique réalisée dans la première phase, et des diagrammes précédents, les
étudiants proposent une décomposition fonctionnelle du système, prenant en compte tous les éléments
hétérogènes qui le constituent. Les contraintes fonctionnelles sont reportées dans un diagramme de spécifications
(« requirement diagram »). En s’intéressant aux seules fonctions du système, l’étude permet d’analyser les
relations (flux, canaux, sémantique de communication) entre les blocs hétérogènes, avec leurs contraintes
spécifiques. Les diagrammes de blocs et les diagrammes de spécification constituent le document D3.
3.4. Phase 4 : Conception détaillée du bloc fonctionnel « détection »
À partir du document décrit dans la
section 3.3, ci-dessus (D3), cette 4e
phase permet aux étudiants de réaliser
une étude fonctionnelle d’un bloc
particulier, avec une contrainte de
conception, leur permettant d’effectuer
un travail « créatif » novateur.
Pour décrire la structure interne des
blocs fonctionnels en termes de
composants, ports et connecteurs,
SysML propose un diagramme
« Internal Block Definition ». Les
modélisations précédentes utilisaient
les systèmes airbag des véhicules
actuels, utilisant des accéléromètres
capacitifs pour détecter les chocs. Dans
un contexte de travail créatif, les
étudiants doivent réaliser le diagramme
de définition du bloc « détection » avec
la contrainte de ne pas utiliser
d’accéléromètre. Ils doivent chercher
une solution originale et fonctionnelle,
qu’ils justifieront à l’aide de diagrammes SysML et de leurs commentaires. Une soutenance orale de ce travail de
recherche, évoquant une réunion de projet, leur est demandée avec pour objectif de convaincre l’assistance.
Figure 3: modèle complet de capteur de choc
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3.5. Phase 5 : Simulation et étude du bloc « détection »
Cette dernière phase se concentre sur le bloc détection et a pour objectif de modéliser le capteur accéléromètre
sous Matlab/Simulink, de proposer un algorithme de prise de décision (Feu ou Non feu) et d’en étudier sa
robustesse.
Modélisation du capteur accéléromètre
Nous présentons le principe de fonctionnement du capteur capacitif et construisons de manière interactive avec
les étudiants son modèle en utilisant le logiciel Matlab/Simulink. Ce capteur a pour but de transformer une
accélération en un signal électrique. Il est constitué de deux éléments principaux : un MEMS et une partie de
traitement électronique du signal. Le MEMS est constitué de peignes interdigités en silicium. Une variation
d’accélération se traduit par une variation de capacité. Les équations utilisées sont celles d’un système
mécanique « masse ressort ». La partie traitement du signal va traduire la variation capacitive en un signal
électrique. Elle assure aussi le filtrage du signal pour en conserver la partie utile du spectre comprise entre 0 et
400 Hz. Le modèle complet du capteur est représenté sur la figure 3, page précédente.
Création d’un algorithme de prise de décision
Une fois le modèle créé et validé, nous abordons la partie « prise de décision » qui constitue le cœur même du
système airbag. En effet le système doit en permanence analyser le signal issu du capteur et déclencher si
nécessaire dans le temps imparti le gonflage des coussins. Pour ce faire, nous leur communiquons les résultats de
trois crash-tests effectués sur un même véhicule dans différentes conditions. Le capteur de référence a permis
d’enregistrer le signal réel de décélération. Les enregistrements vidéo réalisés ont, quant à eux, permis de
déterminer le temps optimal de mise à feu.
A partir des 3 courbes de décélération (A, B, C) représentées sur la figure 4 et des éléments regroupés dans le
tableau 1, le travail consiste à imaginer un algorithme de détection permettant de satisfaire aux conditions de
mise à feu demandées.
Figure 4: Courbes de décélération
Courbe A
Courbe B
Courbe C
Target
Non Feu
< 27 ms
< 67 ms
Figure 5 : Variations de vitesse
Min
Non Feu
20
59
Nom
Non Feu
22
66
Max
Non Feu
27
67
Tableau 1: Résultats attendus dans le domaine électronique capteur
Les étudiants travaillent par groupe et testent différentes solutions. A la fin de cette séance, ils présentent
oralement la solution retenue. Une solution « réaliste » simple consiste à analyser la variation de vitesse par
intégration du signal d’accélération et d’appliquer un gabarit constitué de plusieurs seuils. La mise à feu se
produit si la courbe de vitesse coupe le gabarit (figure 5).
Robustesse du système
Afin de leur faire appréhender la notion de « robustesse d’un système », nous introduisons, dans le système,
différentes variabilités : offset du signal d’entrée traduisant des imperfections du capteur, variation de la
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fréquence de coupure du filtre et du gain. Les étudiants simulent la nouvelle réponse du système et vérifie si la
décision est toujours « conforme » aux éléments du tableau 1, ci-dessus. Le cas échéant, ils doivent améliorer la
robustesse de leur algorithme.
4. Bilan technique et pédagogique
Cette étude a permis de couvrir l’ensemble des phases de conception d’un système d’airbag d’après les
spécifications réelles du domaine automobile. Elle a été réalisée en étroite collaboration avec un industriel du
secteur qui a permis de garantir le réalisme et la pertinence du sujet.
Pour les prochaines sessions, il est prévu d’intégrer l’utilisation du langage VHDL AMS pour la description de la
chaine d’acquisition de l’accéléromètre. Ceci permettra une plus grande flexibilité de description et une
meilleure intégration dans le flot standard de conception microélectronique.
A l'issue des premières sessions de formation, il est possible de dresser un premier bilan des résultats de cette
étude de cas. Les difficultés de l'approche sont de deux types:
la planification est complexe dans la mesure où l'étude est construite sur un mode progressif où les
résultats de chaque séance sont nécessaires pour aborder la séance suivante ;
sur le plan pédagogique, la difficulté majeure consiste à doser correctement la marge de manœuvre
laissée aux étudiants pour leur permettre une appropriation suffisante du sujet, élément essentiel de leur
motivation
Cependant, au delà des savoir-faire acquis sur les différents outils et logiciels utilisés, cette étude de cas permet
de faire un lien entre diverses spécialités allant de la modélisation « coté client » à la réalisation de maquettes de
simulation. Les problématiques croisées sont en général très difficiles à aborder lors de cours spécialisés car
faisant appel à une diversité trop importante de bases techniques. De plus le temps imparti lors des séminaires
interdit généralement de les aborder en profondeur. Cette étude permet ainsi de sensibiliser les futurs ingénieurs
à une approche globale et de mettre l'accent sur les compromis nécessaires en situation réelle. Un autre aspect
important est l’approche « verticale » adoptée dans cette étude de cas, allant d’une étude SysML à une maquette
de simulation, que la plupart des éditeurs adoptent actuellement, offrant ainsi aux étudiants une formation en
adéquation avec les besoins des entreprises du secteur.
5. Remerciements.
Les auteurs tiennent à remercier spécialement Irénée Pagès de l’école des Mines de Saint-Étienne, pour sa
contribution significative au montage de cette étude de cas. Ils remercient également Jean-Yves Choley de
SupMeca, pour ses apports dans la démarche méthodologique, Pascal Manet du CEA/LETI pour son aide sur
MATLAB/Simulink et Alexandre Durain, consultant, pour sa participation à la partie SysML de l’étude de cas.
6. Bibliographie.
[1] INCOSE. What is Systems Engineering? http://www.incose.org/practice/whatissystemseng.aspx.
[2] Choley, Jean-Yves. Mécatronique : une nouvelle démarche de conception des systèmes complexes.
Technologies & Formations, 2007.
[3] Teegarden, Travel. Improving Automotive EE Design with SystemVision. Mentor Graphics White Paper.
http://www.mentor.com.
[4] SABER. http://www.synopsys.com/products/mixedsignal/saber/capabilities/modeling.html
[5] SysML. Open Source Specification Project. http://www.sysml.org.
[6] Weilkiens, Tim. Systems Engineering with UML/SysML. Morgan Kaufman, 2006
[7] UML. Unified Modeling Language. http://www.uml.org.
[8] Vanderperren, Yves, et Wim Dehaene. From UML/SysML to Matlab/Simulink: Current State and Future
Perspectives. Proc. Design, Automation and Test in Europe (DATE). Munich, Germany, 2006.
[9] Lavagno, Luciano, et Wolfgang Mueller. UML : A Next-Generation Language For SoC Design. Electronic
Design, May 2006. http://electronicdesign.com/Articles/Index.cfm?AD=1&ArticleID=12552.
[10] Belloir, Nicolas, Jean-Michel Bruel, Natacha Hoang, et Congduc Pham. Utilisation de SysML pour la
modélisation des réseaux de capteurs sans fil. LMO'08. Montréal, 2008.
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