1© 2014 The MathWorks, Inc.

Simulink®のバーチャル環境を現実の世界へ

～ そのSimulinkモデルで実機動かせます! ～

MathWorks Japan

アプリケーションエンジニアリング部シニアアプリケーションエンジニア村上直也

2

Simulinkでシミュレーションしてますか？

Simulinkは時間とイベントのシミュレーション環境

Simulinkはグラフィカルなモデリング環境

Simulinkはモデルベースデザインを実現するための環境

3

シミュレーションでのテストからリアルタイムテストへ

Simulinkモデルを実時間（タイミングやサンプル時間）で実機テストを行いたいと思ったことはありませんか？

制御モデル

仮想環境

制御対象モデル

シミュレーション

実機

実環境

専用ハードウェア

リアルタイムテストC

4

リアルタイムテストをどう実現するのか？

Simulinkのオプション製品を導入することで実現できます。– Real-Time Windows Target™とSimulink Real-Time™などが代表

的なオプションとなります。

専用ハードウェアSimulink

モニタリング

モデルの書き込み

e.g. Simulink Real-Time

実機

リアルタイムテスト

5

本日お伝えする内容

Simulinkのオプション製品である以下の２つについてご紹介

Real-Time Windows Target

⇒ホストPC(Simulinkが動作するPC)のみで実現可能な

手軽で安価なソリューション

Simulink Real-Time

⇒専用ハードウェアによる

ハイパフォーマンスなソリューション

6

マスワークスが提案するリアルタイムソリューション

Low High

Lo

wH

igh

実使

用：

~10 M

Hz

実使

用：

~1

0 K

Hz

実使

用：

~1

00 H

z

実使

用：

~1

0 H

z

エクスターナルモード

ノーマルモード

with FPGA

ホストPCのみで、リアルタイムテストを行う

専用ハードウェア上でリアルタイムテストを行う

7

必要ハードウェアReal-Time Windows Target vs Simulink Real-Time

Real-Time

Windows Target

Simulink Real-

Time

ホストPC ✔ ✔

ターゲットマシン ✔

I/Oモジュール ✔ ✔

テストハードウェア ✔ ✔

特徴 ホストPCのみで、リアルタイムテストを行うため

安価で手軽なリアルタイムテスト

ソリューション

専用ハードウェア上(ターゲットマシン)で、リアルタイムテストを行うためハイパフォーマンスなリアルタイムテスト

ソリューション

8

リアルタイムテストソリューションReal-Time Windows Target

Low High

Lo

wH

igh

実使

用：

~10 M

Hz

実使

用：

~1

0 K

Hz

実使

用：

~1

00 H

z

実使

用：

~1

0 H

z

エクスターナルモード

ノーマルモード

with FPGA

9

Real-Time Windows Target

特徴

実行中のSimulinkで信号可視化が可能

様々なI/Oモジュールをサポート

Analog I/O, Digital I/O

Counters, Encoders

Frequency output

Real-Time

Windows Target

実行中のSimulinkから実行のコントロールやパラメータ調整が可能

複数のコミュニケーションプロトコルに対応

UDP, Serial, CAN

Simulinkで作成したモデルを同一PC上でリアルタイム実行

10

Real-Time Windows Target

構成

・MATLAB

・Simulink（Stateflow)

・Real-Time Windows Target

・Simulink Coder（エクスターナルモード時のみ）

※Real-Time Windows Targetが対応しているI/Oモジュール

信号入出力

http://www.mathworks.co.jp/products/rtwt/supported/index.html

テストハードウェア

Windows PC

＋ 対応I/Oモジュール※

11

Real-Time Windows Target

ノーマルモード

MATLAB

Simulink

I/O Driver

Real-Time Kernel

Normalモードで実行

（非リアルタイム）

（リアルタイム）Windows Kernel Mode

Windows User Mode

Simulinkモデルとソルバーは非リアルタイムで実行

I/Oドライバのみリアルタイムで実行

協調シミュレーションで同期

コード生成は必要ありません

12

Real-Time Windows Target

エクスターナルモード

MATLAB

Simulink

Windows Kernel Mode

Windows User Mode

I/O Driver

Real-Time Kernel

Simulink

EXE

Exte

rnal

モー

ドで

実行

Simulink Coderでビルド

（非リアルタイム）

（リアルタイム）

コード生成を行います

I/Oドライバ・モデル・ソルバすべてをリアルタイムで実行

13

モデル実行のリアルタイム化

10sのシミュレーションを一瞬で終わらせてしまう。

通常のシミュレーション

14

モデル実行のリアルタイム化リアルタイム化したシミュレーション

ウェイトかける事で10sのシミュレーションを10sかけて実行

⇒リアルタイム化

リアルタイム化

15

カメラの向きをボールに合わせる

Real-Time Windows Target

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）

16

Real-Time Windows Target

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）

Arduino

+ DCギヤモータ

画像画像取得

角度指令

USBカメラカラーボール

カメラ回転

画像処理＋角度指令値計算（Simulink上でモデルを実行）

モータ角度制御（マイコン上でモデル生成コードを実行）

USBSerial

over USBホストPC

17

シリアル送信（目標角度）

擬似実時間設定ブロックウェイトをかけて10秒のシミュレーションに10秒かけます

シリアル受信（測定角度）

ホストPC

シリアル通信を介して擬似的な実時間制御実験が可能

Real-Time Windows Target

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）

18

Real-Time Windows Target

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）

19

Real-Time Windows Target

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）

ホストPC画面

20

Real-Time Windows Target

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）ホストPC画面 Stateflow

21

Engaging Students in Hands-On Control

System Design at the University of Arizona

ChallengeProvide students with hands-on control system design

experience while keeping down costs

Solution Introduce a low-cost, portable laboratory module

based on MATLAB, Simulink, and an aeropendulum

Results Equipment costs lowered

Technical concepts better illustrated

Sampling time reduced

Transferable control design skills acquired

“These experiences do not require

expensive lab equipment. In fact,

we have found that MATLAB,

Simulink, and a simple low-cost

device are all that is needed.”

Dr. Eniko T. Enikov

University of Arizona

Link to article

Dr. Enikov and students experimenting with the

aeropendulum in the lab.

Dr. Enikov and students experimenting with the aeropendulum in the lab.

Real-Time Windows Target：ユーザー事例

22

Undergraduate Engineers Develop

Hydraulic Servo Control Systems Using

Model-Based Design with Simulink

ChallengeTeach control theory and Model-Based Design to

mechanical engineering majors

SolutionConnect theory with practice by using Model-Based

Design to rapidly implement a real-time controller

prototype

Results Control systems designed, tested, modified, and

retested in a single three-hour lab session

Students prepared to build real-time implementations

of any type of control

Relevance of theory demonstrated by showing

controller designs working on actual hardware

“Lab experience in which students

design control systems, observe their

real-time implementations, make

modifications, and re-test—all in a

single three-hour lab session—would

not be possible without the rapid

prototyping capabilities of Simulink

and Real-Time Windows Target.”

Dr. Charles Birdsong

California Polytechnic State University

San Luis Obispo

Link to article

Students working with the hydraulic servo

control apparatus.

Real-Time Windows Target：ユーザー事例

23

Real-Time Windows Target

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14b)

Thunderbolt™ Interfaceをサポート– インテル®が主体となって開発した高速汎用データ伝送技術

– コンピュータに周辺機器を接続するためのシリアルバス規格の1つ

で、技術的にはPCI ExpressとDisplay Portを基盤としている。

PCI Expressカードを内臓可能Sonnet Echo Express SE II

24

手軽で可搬性の高いリアルタイムテスト環境を実現できます

PCI Express board内臓可能• Data Acquisition• CAN

ターゲットハードウェア

Sonnet Echo

Express SE II

Real-Time Windows Target

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14b)

25

Real-Time Windows Target

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14b)Product

NameBus Type Functionality

First

Available In

AI AO DI DO Comments

National

Instruments

PCIe-6251PCI

Express

Data

Acquisition

R2006b 16 2 48 48Encoder Ch=2, Counter Ch=2,

Frequency Ch=2

PCIe-6259PCI

ExpressR2006b 32 4 48 48

Encoder Ch=2, Counter Ch=2,

Frequency Ch=2

PCIe-6320PCI

ExpressR2013b 16 0 24 24

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6321PCI

ExpressR2013b 16 2 24 24

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6323PCI

ExpressR2013b 32 4 48 48

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6341PCI

ExpressR2013b 16 2 24 24

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6343PCI

ExpressR2013b 32 4 48 48

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6351PCI

ExpressR2013b 16 2 24 24

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6353PCI

ExpressR2013b 32 4 48 48

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6361PCI

ExpressR2013b 16 2 24 24

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

PCIe-6363PCI

ExpressR2013b 32 4 48 48

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

Humusoft MF634PCI

ExpressR2013b 8 8 8 8

Encoder Ch=4, Counter Ch=4,

Frequency Ch=4

VectorCANboardXL

PCIe

PCI

ExpressCAN R2009a 0 0 0 0 CAN Ch=2

26

リアルタイムテストソリューションSimulink Real-Time

Low C High

Lo

wH

igh

実使

用：

~10 M

Hz

実使

用：

~1

0 K

Hz

実使

用：

~1

00 H

z

実使

用：

~1

0 H

z

エクスターナルモード

ノーマルモード

with FPGA

27

Simulink Real-Time

特徴

Simulinkで作成したモデルを専用ハードウェアで

高速リアルタイム実行

ホストPCのSimulinkおよびターゲットディスプレイ

で信号の可視化が可能

様々なI/Oモジュールをサポート

Analog I/O, Digital I/O

Counters, Encoders

Frequency outputAudio/Speech I/O

Configurable FPGA

Simulink

Real-TimeホストPC上のSimulink

および※専用GUIから実行のコントロールやパラメータ調整が可能

複数のコミュニケーションプロトコルに対応UDP, Serial, CAN, SAE J939, real-time

UDP, raw Ethernet, SPI, I2C, SSI,

EtherCAT, USB WebCam, CameraLink,

ARINC 429, MIL-STD-1553, FlexRay

※Simulink Real-Time Explore

28

Simulink Real-Time

構成

• MATLAB• Simulink• MATLAB Coder• Simulink Coder• Simulink Real-Time

※Simulink Real-Timeが対応しているI/Oボードhttp://www.mathworks.co.jp/products/simulink-real-time/supported/hardware-drivers.html

• Simulink Real-Timeリアルタイムカーネル

• リアルタイムアプリケーション

ホストPC

ターゲットマシン

テストハードウェア

対応IOボード※（PCI, ISA, etc..)

外部機器とのIOアクセス

リアルタイム

29

ターゲットマシン

専用リアルタイムOSはIntel x86系PCで動作

この専用ハードウェアとして弊社がお勧めしているのがSpeedgoat社のハードウェアとなります

Speedgoat社のハードウェアをご利用の場合、必要なI/Oモジュール込みで導入いただくことが可能

現在FPGAを利用したリアルタイムテスト環境を必要とする場合はSpeedgoat社のハードウェアが必須

30

リアルタイムテストソリューションSimulink Real-Time

Low C High

Lo

wH

igh

実使

用：

~10 M

Hz

実使

用：

~1

0 K

Hz

実使

用：

~1

00 H

z

実使

用：

~1

0 H

z

エクスターナルモード

ノーマルモード

with FPGA

31

Code generation

実機

Simulink Real-Time

Rapid Controller Prototyping

• 評価対象は制御モデル

• ターゲットマシンに制御モデルを実装

• 実機と接続

ホストPC ターゲットマシン テストハードウェア

制御モデルを作成 制御モデルを実行

32

制御器, ECU, センサー/アクチュエーター, コントロールシステム

実機モデルを作成

Simulink Real-Time

Hardware-in-the-loop

• 評価対象は実制御装置

• ターゲットマシンに実機モデルを実装

• 実制御装置と接続

実機モデルを実行

ホストPC ターゲットマシン テストハードウェア

33

Simulink Real-Time

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14a)

Simulink Real-Time Exploreの使い勝手が向上しました

利用可能なインスツルメンツ

34

Simulink Real-Time

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14a)

Simulink Real-Time Explore

35

Simulink Real-Time

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14a)

ターゲットディスプレイへの表示が最適化されましたHeader line

Scopes

Numerical

scopeActivity Log

ホストPC

ターゲットマシン

36

Simulink Real-Time

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14a)

ターゲットディスプレー

37

Simulink Real-Time

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14b)

ターゲットディスプレーに使用しているWebカメラの映像を表示できるようになりました

38

Simulink Real-Time

ここ最近でこんなに使いやすくなりました(14a)

Embedded Optionが標準となりました。

1ライセンスで複数ハードへの展開が可能

ホストＰＣからの制御スタンドアロン実行どちらも可能

制御対象検査対象/テスト対象など

汎用ＰＣ産業用PCSpeedgoatなど

生産設備の検査ライン製品の長時間耐久テスト製品の品質検証 …etc.

39

Xerox Reduces Development Time

Using MathWorks Tools

ChallengeTo verify design ideas for printer path control, while

streamlining the development process

SolutionUse MathWorks tools to model plants and controllers,

automatically generate code, and run the code in real

time on target hardware

Results Controls development time reduced by 80%

Workflow streamlined with integrated tools

Tests conducted independently of hardware

development schedule

“The main advantage in using

MathWorks tools for Model-Based

Design is that the approach is easy

to understand, the models are self

documenting, and the tools are

completely integrated, which

speeds up development.”

Dr. Martin Krucinski

Xerox

Complex printer path technology.

Link to user story

39

Simulink Real-Time:ユーザー事例

40

Simulink Real-Time

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）

DCギヤモータ

画像画像取得

角度指令

USBカメラ

カメラ回転

画像処理＋角度指令値計算（リアルタイムOS上でモデルを実行）

USB Analog I/O

ホストPC

ターゲットマシン

41

Simulink Real-Time

DEMO:自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）

42

キーポイント（2つのデモを通じて）

自動追跡カメラ（ビジュアルサーボ制御）の２つのDemoを行いました。

Real-Time Windows Target

シリアル通信

制御周期 20ms(50Hz)

Simulink Real-Time

アナログインターフェース

制御周期 1ms(1KHz)

制御周期からも分かるようにSimulink Real-Timeの方が高い追従性を示していた

43

マスワークスのリアルタイムソリューションで想定されるアプリケーション

すでに制御が関わるあらゆる領域において適用されていますが、今後特に今回紹介したDemoのような

画像処理⇒実機の制御

といったアプリケーションでの利用が盛んになっていくので

はないかと考えています。

例えば、

- ADAS系（運転支援システム）

- 様々な監視システム

- 製造ラインの自動化

などの開発での制御の検証やプロトタイピング

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まとめ

マスワークスの以下の２製品により、Simulinkのバーチャル環境を現実の世界へ持ち込むことが可能です

Real-Time Windows Target

⇒ホストPC(Simulinkが動作するPC)のみで実現可能な

手軽で安価なソリューション

Simulink Real-Time

⇒専用ハードウェアによる

ハイパフォーマンスなソリューション

皆さんが作成したそのSimulinkモデルで実機を動かしましょう。

45

リアルタイムテストを効率よく進めていく上で、まず弊社のトレーニングを受講していただくことが成功への近道となります。

本日、弊社トレーニングコースを紹介させていただくブースを用意させていただいていますのでぜひともお立ち寄りください。(各種トレーニングテキストを閲覧いただけます)

リアルタイムテストを効率よく進めるために・・・

受講者の声：- 講習の内容は座学と実習がちょうどよいバランスで楽しみながら学ぶことができました。- Simulinkの使い方が基礎から説明されていて、とても良かったです。はじめてSimulinkに触れる人には、おすすめできる内容だと思いました。- 今回の講義を通して、はじめてMATLABとSimulinkについて触れる機会となりましたが、大変分かりやすい説明と講義資料により、着実に理解しながら進めることができました。

http://www.mathworks.co.jp/services/training/courses/トレーニングコース一覧

詳しくはコチラをご覧ください

46

関連トレーニングコースMATLAB 関連

基礎 期間MATLAB 基礎 3日

応用 期間MATLAB によるデータ処理と可視化 1日MATLAB のプログラミング手法 2日MATLAB の最適化手法 1日MATLAB と Simulink による制御設計 2日Simulink 関連

コース名 期間MATLAB/Simulink によるモデルベース開発 2日

基礎 期間Simulink 基礎 2日

応用 期間SimPowerSystems による電力系統の物理モデリング 1日Simulink への外部コードの取り込み 1日Simscape によるマルチドメインシステムの物理モデリング 1日SimMechanics による力学系の物理モデリング 1日

専門 期間Simulink モデルの検証と妥当性確認 1日Simulink モデルの管理 2日Stateflow 関連

基礎 期間Stateflow 基礎 2日コード生成関連

基礎 期間リアルタイム コードの生成およびテストの基礎 1日

専門 期間Embedded Coder による量産向けコード生成 3日Polyspace 関連

専門 期間Polyspace によるコード検証 2日

47

ご清聴ありがとうございました

© 2014 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered

trademarks of The MathWorks, Inc. See www.mathworks.com/trademarks

for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be

trademarks or registered trademarks of their respective holders.

48

49

Real-Time Windows Target

ノーマルモード

MATLAB

Simulink

I/O Driver

Real-Time Kernel

Normalモードで実行

• IOドライバのみ、Windows

カーネルモードプロセス（リアルタイム）で実行します。

• サンプル時間は“～500Hz”程度までです。

• Windowsの（非リアルタイム）の下では、Simulinkモデルとソルバーが実行されます。

• IOドライバと、Simulinkは、“協調シミュレーション”で実行され、 Real-Time Windows

Targetブロック内のパラメータに応じてそれらのデータを同期します。

• コード生成は必要ありません。

（非リアルタイム）

（リアルタイム）Windows Kernel Mode

Windows User Mode

50

Real-Time Windows Target

エクスターナルモード• IOドライバ+モデル すべてを

Windowsカーネルモードプロセス上で実行（リアルタイム）

• サンプル時間は“～5kHz”程度までです。

• Simulinkは、Windowsの（非リアルタイム）の下で正常に実行されます

• Simulinkは、エクスターナルモードを経由してReal-Time

Windows Targetを実行します。モデル+ソルバーは、生成されたコード（のSimulink

Coderを使用して）です。MATLAB

Simulink

Windows Kernel Mode

Windows User Mode

I/O Driver

Real-Time Kernel

Simulink

EXE

Exte

rnal

モー

ドで

実行

Simulink Coderでビルド

（非リアルタイム）

（リアルタイム）

51

A School Lab ... before MF644

How do you connect your plants / experiments to your computers?PC Plug-in Boards• PC with plug-in board is an integral part of the experiment– Difficult to upgrade PC hardware– Difficult to upgrade software• Oldest MATLAB versions to be found at

a university are usually installed on such lab PCs

– Leads often to out-of-model solutions

that don’t conform to school IT strategy

PCMCIA / Express Cards• Allow use of notebooks in a lab ...... but usually bring many issues– Several fragile connectors in every setup• Not suitable for EDU lab traffic

– “Where is the card?”• Someone left it in his/her laptop

– Board drivers installation• Depends on the slot, etc.

– Less and less common

52

A School Lab Equipped with MF644

Most flexible solution for Data Acquisition/Control labs

Experiments can be connected to many computers

– Reliable, robust and elegant connection

– Hot-plug detection

– Standard PCI Express drivers

– BYOD approach possible

– Performance / Latency identical to PCI Express Plug-

in boards

• MF644 allocation

– Small standalone Data Acquisition system

can be shared among experiments easily

53

54

リアルタイムテスト環境構築オプション製品xPC Targetとは

Simulink,Stateflowに最適化された専用リアルタイムマイクロカーネル

（米国Ontime社製RT-Target32ベース）

低消費メモリ 16kByte （ＯＳのみの場合）

Interrupt latency（割り込み応答時間） ～5μsec

→ サンプリング 最速でおよそ100kHz (10μsec)

Ｔａｒｇｅｔ ＰＣは専用のリアルタイム OSで起動します。

Intel x86系PC で動作し、PCのタイマー割り込みを使って実時間実行を可能にします。

t

Interrupt

SampleTime

55

PowerPoint Resources

Corporate PowerPoint Template Resource PageThis page provides resources, tips, and best practices for updating existing presentations as well as how to get started if you are creating a new presentation.

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GuidelinesThese guidelines explain how to keep your presentation visually up-to-date, when to use the confidential and nonconfidential templates, how to design visually compelling slides, and other best practices.

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56

Existing PresentationsCRE - Customer event Resource Exchange

The CRE contains customer-facing content, including release and

product-related presentations, as well as event content (e.g.,

seminars, webinars, master classes).

User Story SlidesSearchable presentation of more than 190 current user story summary slides

Questions concerning presentation design? Contact Chris Roth, x4467.

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57

Using the Corporate Template

Avoid manually formatting whenever possible. Instead, use built-in styles,

templates, layouts, and colors.

When creating new presentations, select the slide layout that best suits

your needs from the built-in theme, then add content.

When creating custom shapes, text boxes, and other elements, start from

scratch rather than reformatting template shapes.

When applying the new template to existing presentations, review your

presentation carefully and manually adjust any formatting issues that have

occurred. For additional help, contact Creative Services.

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58

Apply the built-in theme palette to add color to

presentations. Should you require additional colors,

please select them from the sample palette above.

(Use the Format Painter to copy the color, then select

the new object to apply the color.)

Sample Additional Colors

R: 255

G: 204

B: 0

R: 153

G: 50

B: 0

R: 93

G: 70

B: 95

R: 27

G: 48

B: 73

R: 171

G: 200

B: 209

R: 23

G: 140

B: 100

R: 77

G: 78

B: 68

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59

60

ホストPC

ターゲットマシン