基于CarMaker的BSD系統(tǒng)加速測(cè)試研究

李衛(wèi)兵，李 娟，李東浩，孫 濤，吳賢靜

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230091）

BSD系統(tǒng)是汽車主動(dòng)安全技術(shù)之一，能夠監(jiān)測(cè)車輛行駛過(guò)程中盲區(qū)內(nèi)是否有車輛超車經(jīng)過(guò)，通過(guò)聲光報(bào)警提示駕駛員，以便有效地降低交通事故的發(fā)生。BSD系統(tǒng)通過(guò)安裝在車身尾部?jī)蓚?cè)的毫米波雷達(dá)來(lái)偵測(cè)汽車兩側(cè)的車流情況。近年來(lái)，BSD系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)外各主機(jī)廠各車型中陸續(xù)應(yīng)用，國(guó)外企業(yè)如大陸、德爾福等，國(guó)內(nèi)企業(yè)如中電38所、中航54所等也已擁有24 GHz的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品。但是由于中國(guó)道路的實(shí)際工況較為復(fù)雜（如城市快車道上仍可能有三輪車行駛的情形），BSD系統(tǒng)的邏輯、控制策略等的完善更具挑戰(zhàn)性，單純的實(shí)車道路耐久性試驗(yàn)無(wú)法針對(duì)BSD系統(tǒng)的所有應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行有效驗(yàn)證，因此對(duì)BSD系統(tǒng)的測(cè)試場(chǎng)景及測(cè)試方法的研究，是完善BSD系統(tǒng)控制算法、提高其可靠性的核心之一。

測(cè)試場(chǎng)景、駕駛員模型和測(cè)試目標(biāo)物是主動(dòng)安全系統(tǒng)場(chǎng)地測(cè)試方法的三大要素。其中，測(cè)試場(chǎng)景必須與真實(shí)交通環(huán)境中存在的危險(xiǎn)相對(duì)應(yīng)[1]。當(dāng)前，針對(duì)BSD系統(tǒng)的場(chǎng)地測(cè)試已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范 有 ISO 17387 Intelligent Transport Systems — Lane Change Decision Aid Systems（LCDAS）—Performance Requirements and Test Procedures（智能運(yùn)輸系統(tǒng)——路線改變決定和輔助系統(tǒng)（LCDAS）——性能要求和試驗(yàn)程序），SAE J3063 Active Safety Systems Terms and De fi nitions（主動(dòng)安全系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)和定義）等，國(guó)內(nèi)針對(duì)不同主機(jī)廠配置的換道輔助系統(tǒng)已開展大量的場(chǎng)地測(cè)試，GB/T 20130072-T-469《車輛運(yùn)行碰撞危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)性能要求》已列入建標(biāo)計(jì)劃中，但是從試驗(yàn)成本和效率考慮，場(chǎng)地測(cè)試中的測(cè)試場(chǎng)景相對(duì)較小，不能很好地覆蓋到上文所提到的駕駛員多樣性駕駛工況，各主機(jī)廠在BSD系統(tǒng)場(chǎng)地測(cè)試合格的基礎(chǔ)上，更多的是對(duì)實(shí)車道路下的BSD系統(tǒng)進(jìn)行整車級(jí)驗(yàn)證，這必然投入大量的成本。

本文綜合考慮法規(guī)中的BSD系統(tǒng)場(chǎng)地測(cè)試場(chǎng)景要求，以及根據(jù)某平臺(tái)化BSD系統(tǒng)在某車型實(shí)際道路下采集得到的錯(cuò)誤報(bào)警的負(fù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)篩選和分類，判別并提取影響毫米波雷達(dá)的典型特殊場(chǎng)景，將其進(jìn)行權(quán)重劃分，最后利用CarMaker軟件進(jìn)行負(fù)場(chǎng)景模型庫(kù)的搭建，設(shè)計(jì)一種等效實(shí)車路試100萬(wàn)km的自動(dòng)化加速驗(yàn)證方法，利用硬件在環(huán)（Hardware-in-the-loop，HIL）進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以完善BSD算法的開發(fā)。

1 BSD系統(tǒng)的工作原理

車載雷達(dá)屬于短程雷達(dá)（Short-range Radar，SRR），短程雷達(dá)一般工作在脈沖模式（脈沖和脈沖多普勒）或連續(xù)波模式（連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波和頻移鍵控）。由于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（Frequency Modu-lated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）具有較高的測(cè)量精度、較易實(shí)現(xiàn)小型化的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)而普遍被汽車BSD系統(tǒng)采用[2]。

BSD系統(tǒng)主要由側(cè)后后視雷達(dá)、外倒后視鏡指示燈、系統(tǒng)功能開關(guān)三部分組成，側(cè)后后視雷達(dá)安裝在車輛后保杠的兩側(cè)，通過(guò)發(fā)射毫米波和對(duì)回波進(jìn)行分析來(lái)探測(cè)本車道和相鄰車道內(nèi)的車輛信息，當(dāng)車輛出現(xiàn)在雷達(dá)的盲區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)CAN總線輸出報(bào)警信息。外倒后視鏡指示燈用于指示系統(tǒng)所處的狀態(tài)。系統(tǒng)功能開關(guān)用于雷達(dá)在啟動(dòng)和禁止之間切換。本研究中某平臺(tái)化BSD系統(tǒng)功能邏輯示意框圖，如圖1所示。

圖1 某平臺(tái)化BSD系統(tǒng)功能邏輯示意框圖

通道1和通道2分別表示車輛左側(cè)與右側(cè)后方的探測(cè)雷達(dá)，通過(guò)上述雷達(dá)對(duì)本車的駕駛員盲區(qū)，即車輛兩側(cè)車道從外倒后視鏡處向后至車輛后方10 m范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)有車輛出現(xiàn)在該區(qū)域且滿足報(bào)警條件時(shí)，將對(duì)駕駛員做出警告。

BSD系統(tǒng)的功能在路面彎道半徑不小于170 m且本車行駛速度不低于30 km/h時(shí)啟動(dòng)，速度回落至25 km/h及以下時(shí)禁止。

2 BSD系統(tǒng)性能影響要素及潛在失效工況分析

2.1 系統(tǒng)性能影響要素

由雷達(dá)目標(biāo)信息探測(cè)工作邏輯示意圖（圖1）可知， BSD系統(tǒng)集成了目標(biāo)物的雷達(dá)探測(cè)、目標(biāo)配對(duì)及報(bào)警等兩大主要功能模塊，因此，BSD系統(tǒng)最終表現(xiàn)的性能優(yōu)劣與上述兩大主要模塊的處理結(jié)果息息相關(guān)[3]。其主要影響因素可簡(jiǎn)述為：雷達(dá)探測(cè)性能（對(duì)目標(biāo)物的感知能力以及干擾源的抑制）和BSD系統(tǒng)的邏輯策略性能。具體見表1和表2。

表1 雷達(dá)性能

表2 邏輯控制策略

2.2 實(shí)車道路驗(yàn)證故障場(chǎng)景分析及典型測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)車道路驗(yàn)證故障場(chǎng)景采集及分析

道路采集試驗(yàn)，通過(guò)在試驗(yàn)車上安裝4個(gè)攝像頭，分別用來(lái)拍攝儀表、后左車輪盲區(qū)、后右車輪盲區(qū)、車輛的后方區(qū)域；在車內(nèi)安裝數(shù)據(jù)記錄單元，用以連續(xù)記錄所采集的視頻數(shù)據(jù)；利用ViCANdo對(duì)總線數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行同步記錄分析。實(shí)車道路驗(yàn)證故障場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 實(shí)車道路驗(yàn)證故障場(chǎng)景

根據(jù)某平臺(tái)車型BSD系統(tǒng)在3萬(wàn)km實(shí)車道路驗(yàn)證過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的21例故障，對(duì)其進(jìn)行分類，并分析各故障工況下的影響因素以及安全評(píng)價(jià)，見表3。

表3 故障分類

2.2.2 權(quán)重劃分及典型測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)表3中對(duì)實(shí)際故障的頻次以及安全評(píng)價(jià)分析，提出依據(jù)故障工況的重要度進(jìn)行權(quán)重劃分，以及將典型測(cè)試場(chǎng)景與權(quán)重進(jìn)行對(duì)應(yīng)分類的方法，見表4。

因此，從法規(guī)符合性、駕乘舒適性以及某平臺(tái)車型BSD系統(tǒng)的實(shí)車道路驗(yàn)證中突發(fā)的測(cè)試場(chǎng)景等角度，識(shí)別出13類典型要素，共計(jì)34個(gè)典型場(chǎng)景，并對(duì)上述各測(cè)試場(chǎng)景按表4對(duì)其權(quán)重做出以下分類，見表5。

表4 權(quán)重及定義

3 BSD系統(tǒng)加速測(cè)試設(shè)計(jì)

由表5可知，大部分典型場(chǎng)景是由某車型在經(jīng)過(guò)3萬(wàn)km實(shí)車道路驗(yàn)證中實(shí)際發(fā)生的，但僅3萬(wàn)km的實(shí)車道路驗(yàn)證，不足以考察車輛各系統(tǒng)的耐久性和穩(wěn)定性，目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠往往在車輛上市前進(jìn)行百萬(wàn)公里的道路驗(yàn)證[5]。由于BSD系統(tǒng)在實(shí)車道路驗(yàn)證時(shí)，還需充分考慮上述場(chǎng)景，所以百萬(wàn)公里實(shí)車道路驗(yàn)證將花費(fèi)巨大的成本。因此，提出一種利用CarMaker軟件建立負(fù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用HIL臺(tái)架的自動(dòng)化測(cè)試模式進(jìn)行加速測(cè)試的方法。

表5 典型測(cè)試場(chǎng)景[4]

3.1 負(fù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置

根據(jù)表4，設(shè)置BSD系統(tǒng)3萬(wàn)km的實(shí)車道路驗(yàn)證，則：

式中：A為場(chǎng)景總數(shù)；C為典型測(cè)試場(chǎng)景類別；N為測(cè)試場(chǎng)景數(shù)；W為權(quán)重；i為場(chǎng)景數(shù)。

那么，100萬(wàn)km的實(shí)車道路驗(yàn)證需運(yùn)行的測(cè)試場(chǎng)景B為：

即利用HIL臺(tái)架所運(yùn)行的測(cè)試場(chǎng)景總數(shù)為：

3.2 CarMaker中建模和仿真驗(yàn)證

CarMaker是德國(guó)IPG公司開發(fā)的一款專門為智能汽車系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和評(píng)價(jià)環(huán)境的仿真軟件[3]，具有較好的人機(jī)交互界面。CarMaker作為乘用車的智能化仿真軟件，不但包括精準(zhǔn)的車輛本體模型（發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、懸架、傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向等），還可通過(guò)GUI生成道路（IPGRoad）、交通環(huán)境（IPGTraf fi c）、駕駛員（IPGDriver）以及車輛操作（IPGManeuver）等序列。此外，該軟件還可用于車道偏離警告系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試；提供復(fù)雜的交通環(huán)境標(biāo)志以及不同類型傳感器的支持，并可設(shè)置復(fù)雜的測(cè)試腳本來(lái)進(jìn)行難以通過(guò)路試實(shí)現(xiàn)的測(cè)試工況[6-7]。

3.2.1 道路環(huán)境建模

分析真實(shí)道路的相關(guān)參數(shù)，如車道數(shù)、車道寬度、車道標(biāo)記線、彎曲半徑等。在仿真建模軟件的參數(shù)化路面界面，分別定義整條道路的寬度和摩擦因數(shù)、車輛在道路上開始的位置、整條道路的原點(diǎn)坐標(biāo)和方向，并通過(guò)定義一系列子路段、所選各子路段的幾何屬性，如直線、圓弧等，定義當(dāng)前子路段的寬度、摩擦因數(shù)等。設(shè)置完成后，生成的3D虛擬測(cè)試道路，如圖3所示。

3.2.2 傳感器建模

圖3 道路環(huán)境建模

從仿真軟件的傳感器元素庫(kù)中將毫米波雷達(dá)傳感器拖放到虛擬車輛的車身上，設(shè)置安裝在車身上的傳感器的坐標(biāo)（Position x-y-z）、傳感器監(jiān)測(cè)角相對(duì)于z-y-x軸的旋轉(zhuǎn)角度（Rotation x-y-z）、偵測(cè)角水平角度和垂直高度（Horiz-Vert Aperture）、偵測(cè)波形的長(zhǎng)度（Longitudinal Range）、雷達(dá)更新頻率和偏移量（Update Cycles Offset）等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)化建模，如圖4所示。

3.2.3 自動(dòng)化測(cè)試

利用VerSand將CarMaker與HIL的硬件設(shè)備進(jìn)行耦合，通過(guò)IO板卡模擬BSD系統(tǒng)硬件輸入/輸出，CAN板卡對(duì)BSD系統(tǒng)的總線信號(hào)進(jìn)行仿真與監(jiān)控，并將仿真軟件中的傳感器輸出信息進(jìn)行目標(biāo)注入。在CarMaker中，利用TestManager進(jìn)行測(cè)試序列的搭建，首先，通過(guò)添加車輛配置改變選擇測(cè)試車型、輪胎、拖車、負(fù)載等車輛特性參數(shù)；其次，添加TestRun，用于添加預(yù)定義的仿真工況，并設(shè)置參數(shù)的類型和名稱。最后，添加特征值，計(jì)算某些特征值評(píng)價(jià)仿真結(jié)果，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告[8]，如圖5所示。

圖4 傳感器建模

圖5 自動(dòng)化測(cè)試

由于涉及的測(cè)試場(chǎng)景較多，本文不再一一列舉，僅就典型場(chǎng)景1（法規(guī)測(cè)試工況一級(jí)報(bào)警測(cè)試）中驗(yàn)證出的問(wèn)題及其整改效果進(jìn)行舉例說(shuō)明，如圖6和圖7所示。

圖6 仿真設(shè)計(jì)的典型場(chǎng)景

圖7 整改后的驗(yàn)證效果

圖6和圖7為照明條件良好時(shí)，目標(biāo)車超本車，目標(biāo)車為水泥車時(shí)的CarMaker模型。模型中本車速度為33 km/h，BSD系統(tǒng)開啟，轉(zhuǎn)向角速度為－1.8°；目標(biāo)車與本車靠近，進(jìn)入本車盲區(qū)內(nèi)。根據(jù)表1中BSD系統(tǒng)的報(bào)警策略設(shè)計(jì)可知，此時(shí)目標(biāo)車如在本車盲區(qū)內(nèi)，本車需連續(xù)報(bào)警。根據(jù)HIL臺(tái)架驗(yàn)證的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)BSD系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警，持續(xù)一段時(shí)間后停止，后又發(fā)生報(bào)警并持續(xù)一段時(shí)間，如圖8所示。仿真驗(yàn)證時(shí)多次出現(xiàn)此類問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)BSD系統(tǒng)的報(bào)警控制策略進(jìn)行分析，做出以下整改策略：（1）優(yōu)化主車超目標(biāo)車場(chǎng)景下報(bào)警邊界條件和動(dòng)態(tài)變化范圍，提升邊緣場(chǎng)景下的報(bào)警連續(xù)性。（2）優(yōu)化主車超目標(biāo)車場(chǎng)景過(guò)程報(bào)警開始和結(jié)束準(zhǔn)則，減少誤報(bào)警現(xiàn)象。再次進(jìn)行HIL驗(yàn)證時(shí)，此類問(wèn)題得以閉環(huán)。

圖8 實(shí)車回歸測(cè)試報(bào)警不連續(xù)問(wèn)題

4 結(jié)論

提出基于CarMaker的盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加速測(cè)試方法設(shè)計(jì)，通過(guò)分析實(shí)際道路驗(yàn)證的故障場(chǎng)景庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了故障類別和權(quán)重的劃分，以及典型測(cè)試場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。通過(guò)CarMaker仿真軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)典型測(cè)試場(chǎng)景的模型建設(shè)，以及加速測(cè)試的驗(yàn)證實(shí)施，給產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)及優(yōu)化方向，從而降低整體開發(fā)成本。