ADAS系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

孫濤 丁琴琴 李衛(wèi)兵 李娟

摘要：為實(shí)現(xiàn)ADAS系統(tǒng)的仿真測(cè)試，解決傳統(tǒng)實(shí)車驗(yàn)證存在的測(cè)試成本高、周期長(zhǎng)、場(chǎng)景不可復(fù)用、無(wú)法定量分析等問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)面向SAE 2級(jí)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)級(jí)測(cè)試平臺(tái)。提出利用PreScan軟件進(jìn)行交通場(chǎng)景仿真及虛擬傳感器建模、CarSim軟件進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)建模，建立涵蓋真實(shí)底盤執(zhí)行系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)方案。基于ISO 15622中定義的典型工況進(jìn)行仿真分析，搭建ACC功能涉及的Cut-off虛擬交通場(chǎng)景;基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)及虛擬傳感器進(jìn)行參數(shù)化建模;測(cè)量HWT時(shí)間，實(shí)現(xiàn)法規(guī)要求參數(shù)的定量分析。構(gòu)建的測(cè)試平臺(tái)能夠?yàn)锳DAS系統(tǒng)提供完整的“人一車一路”仿真測(cè)試環(huán)境，為國(guó)內(nèi)進(jìn)行ADAS系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)提供一個(gè)良好的研究平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：車輛工程;測(cè)試平臺(tái);ADAS系統(tǒng);PreScan;CarSim;HWT時(shí)間

中圖分類號(hào)：TP216;TP337文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）04-0151-06

0引言

高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（advanced driver assistantsystem，ADAS），是利用安裝在車上的傳感器，在汽車行駛過(guò)程中實(shí)時(shí)感應(yīng)周圍的環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤，并結(jié)合導(dǎo)航儀地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)算與分析，從而預(yù)先讓駕駛者察覺(jué)到可能發(fā)生的危險(xiǎn)，有效增加汽車駕駛的舒適性和安全性。它涵蓋了諸如車道偏離報(bào)警系統(tǒng)（LDW）、盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（BSD）、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEB）、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）等。

ADAS具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景預(yù)計(jì)到2020年，駕駛輔助（DA）、部分自動(dòng)駕駛（PA）車輛市場(chǎng)占有率將達(dá)50%。歐洲NCAP組織已經(jīng)將LDW、AEB系統(tǒng)列入汽車安全評(píng)級(jí)加分項(xiàng)中，C-NCAP也在2018版將主動(dòng)安全列入其評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

ADAS測(cè)試包括軟件在環(huán)（sIL）、硬件在環(huán)（HIL）、車輛在環(huán)（VIL）、場(chǎng)測(cè)、路測(cè)等環(huán)節(jié)，測(cè)試內(nèi)容包括傳感器、算法、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)，測(cè)試目的包括應(yīng)用功能、性能、穩(wěn)定性和魯棒性、功能安全、形式認(rèn)證等。試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、安全無(wú)法保障，試驗(yàn)行駛環(huán)境不可預(yù)測(cè)、難以復(fù)制/重現(xiàn)、缺乏靈活性、不可自動(dòng)化測(cè)試是ADAS研發(fā)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

谷歌、特斯拉、Zoox等很多公司借助模擬仿真的方法力圖使智能汽車的行駛里程盡快達(dá)到數(shù)十億英里。荷蘭TASS開發(fā)出仿真軟件PreScan驗(yàn)證ADAS的控制策略罔;吉林大學(xué)開發(fā)出仿真軟件Panosim可以實(shí)現(xiàn)智能汽車道路場(chǎng)景、動(dòng)力學(xué)建模。劉穎等利用PreScan模擬駕駛環(huán)境及車輛控制，搭建駕駛模擬器用于驗(yàn)證ADAS系統(tǒng)的控制策略的有效性、HMI的接受度及駕駛習(xí)慣，但其駕駛模擬器的車輛動(dòng)力學(xué)模型較為簡(jiǎn)單，不能很好體現(xiàn)出車輛模型多變量、非線性的特點(diǎn)。何承坤等提出了一種系統(tǒng)的、全面的汽車自動(dòng)駕駛測(cè)評(píng)方法，但側(cè)重于對(duì)自動(dòng)駕駛安全性測(cè)評(píng)分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)ADAS的仿真測(cè)試研究還相對(duì)較少，基于此，本文提出了面向SAE2級(jí)的ADAS系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的課題。

1測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)如圖1所示，集成了實(shí)車制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，可提供完整的ADAS系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真環(huán)境。測(cè)試平臺(tái)以PXI為核心，基于動(dòng)力學(xué)軟件CarSim和場(chǎng)景軟件PreScan的聯(lián)合仿真。

平臺(tái)的構(gòu)架方案主要分為上層算法、底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)、環(huán)境設(shè)置。上層算法根據(jù)用戶自定義設(shè)計(jì)，載入不同控制邏輯，控制算法運(yùn)算的控制指令通過(guò)各接口發(fā)送至底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括制動(dòng)壓力請(qǐng)求接口、轉(zhuǎn)向角度請(qǐng)求接口、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩請(qǐng)求接口，其中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩接口，由于未實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)，因此所獲取的信號(hào)來(lái)自于CarSim模型。底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)各接口獲取指令，并精確響應(yīng)和執(zhí)行。利用場(chǎng)景仿真軟件PreScan進(jìn)行環(huán)境場(chǎng)景模擬功能，包括工況場(chǎng)景設(shè)置、車輛參數(shù)設(shè)置等，以再現(xiàn)滿足測(cè)試要求的真實(shí)環(huán)境。

2硬件系統(tǒng)搭建

硬件系統(tǒng)主要包含為兩大模塊：電源模塊和信號(hào)模塊。電源模塊主要包括直流12v、直流5v、交流220V和常用電路輔助器件，其中各模塊系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。信號(hào)模塊是以PXI為核心的信息流動(dòng)系統(tǒng)，可以完成對(duì)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、CAN3種形式信號(hào)的處理，并可以實(shí)現(xiàn)硬件接口的故障注人。

2.1電源管理模塊

機(jī)柜最上方的3U插箱是該設(shè)備的PDU單元，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的電源進(jìn)行控制、分配、保護(hù)等功能，其原理如圖2所示。

2.2實(shí)時(shí)處理器及板卡

實(shí)時(shí)系統(tǒng)基于NI的PXI技術(shù)搭建，包括機(jī)箱、實(shí)時(shí)處理器和各類10板卡。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的主要功能有：Simulink仿真模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行;與上位機(jī)試驗(yàn)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)參和監(jiān)控;通過(guò)各類10板卡，輸出控制器所需信號(hào)，并采集控制器發(fā)出的所有信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)10板卡可至少實(shí)現(xiàn)如下標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的模擬和采集：模擬信號(hào)采集和輸出、數(shù)字信號(hào)采集和輸出、PWM信號(hào)采集和輸出。

模擬總線信號(hào)，保證待測(cè)控制器正常運(yùn)行;通過(guò)硬件接口接收控制器發(fā)出的各種控制信號(hào)，通過(guò)模型運(yùn)算后由10輸出各種傳感器信號(hào)給控制器，從而與控制器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)及板卡指標(biāo)如表1所示。

2.3故障注入單元

故障注入模塊模擬常見的車載電氣故障，比如導(dǎo)線的開路、短路等情況，以測(cè)試控制器的故障診斷功能，如圖3所示。故障診斷模塊采用分布式控制模式，通過(guò)安裝在PC機(jī)上的故障注人操作終端，按照指定的故障模型控制故障注入板卡模擬出相應(yīng)的故障，故障注入模塊是車輛仿真器的重要組成部分。

3軟件接口設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)上位機(jī)軟件主要基于CarSim軟件和PreScan軟件實(shí)現(xiàn)。CarSim主要提供整車模型和動(dòng)力學(xué)模型、各種工況的設(shè)置、多種數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)等;PreScan進(jìn)行道路環(huán)境建模及傳感器建模，將識(shí)別到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給感知與決策控制運(yùn)算平臺(tái)。上位機(jī)軟件PreScan、CarSim運(yùn)行在Simulink平臺(tái)下，通過(guò)試驗(yàn)管理軟件將模型與硬件加載并一一進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件的接口通信功能。

上位機(jī)軟件運(yùn)行在Simulink平臺(tái)中，臺(tái)架硬件與模型通過(guò)試驗(yàn)管理軟件進(jìn)行連接。模型與硬件的接口設(shè)計(jì)主要包括：在Simulink環(huán)境下搭建CAN/IO模型及電源控制模型，并編譯生成DLL文件;在試驗(yàn)管理軟件中加載硬件板卡及模型生成的DLL文件，并導(dǎo)人通信數(shù)據(jù)庫(kù);將硬件資源與模型進(jìn)行映射連接。

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確傳輸，基于Simulink搭建10模型，用于HIL與模型之間的數(shù)據(jù)交互。通過(guò)在試驗(yàn)管理軟件VeriStand中加載相關(guān)硬件和模型，并將對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道連接（mapping）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸。主要包括需要用到的板卡資源加載（10板卡、CAN板卡等）、模型數(shù)據(jù)（DLL文件）的加載。通過(guò)mapping過(guò)程，連接某兩個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)信號(hào)從一個(gè)通道傳遞到另一個(gè)通道。設(shè)置的方式如圖4所示。

4場(chǎng)景仿真與驗(yàn)證

利用上位機(jī)軟件PreScan進(jìn)行道路環(huán)境建模，CarSim軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)化建模，并在PreSan中進(jìn)行虛擬傳感器參數(shù)配置，針對(duì)ISO定義的ACCCut-off工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證及分析。

4.1道路環(huán)境建模

如圖5所示，虛擬場(chǎng)景模型的設(shè)計(jì)，從道路模型開始。分析測(cè)試場(chǎng)景中道路的相關(guān)參數(shù)，如車道數(shù)、車道寬度、車道標(biāo)記線、彎曲半徑等。在仿真建模軟件中，將道路元素從元素庫(kù)拖放到編輯區(qū)，編輯道路的寬度、車道數(shù)、車道標(biāo)記線、彎曲半徑等，設(shè)置完成后，生成的道路模型。

4.2車輛動(dòng)力學(xué)建模

利用CarSim軟件進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)建模，通過(guò)獲取設(shè)計(jì)參數(shù)及臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括車輛的質(zhì)量參數(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)、傳動(dòng)系參數(shù)、制動(dòng)系參數(shù)、轉(zhuǎn)向系參數(shù)、懸架K特性、懸架c特性、輪胎特性參數(shù)等8類36個(gè)參數(shù)，在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，并作為S-function的形式發(fā)送到Simulink中，替換掉PreScan中簡(jiǎn)易的車輛動(dòng)力學(xué)模塊，車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)化建模所需的數(shù)據(jù)及來(lái)源見表2。

4.3虛擬傳感器建模

為實(shí)現(xiàn)在虛擬測(cè)試環(huán)境下對(duì)待測(cè)車輛進(jìn)行測(cè)試，還需要建立待測(cè)車輛的傳感器模型。傳感器建模為參數(shù)化建模，以TIS傳感器（通用的掃射傳感器模型，可以通過(guò)改變參數(shù)模擬雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)）建模為例，即設(shè)置其波束數(shù)量、掃描頻率、波束類型、波束范圍、波束方位角范圍、高度范圍角、系統(tǒng)最大檢測(cè)輸出等。

4.4仿真分析

在Simulink環(huán)境下，搭建測(cè)試系統(tǒng)模型，包含調(diào)用基于CarSim的車輛動(dòng)力學(xué)模型及人機(jī)交互控制模型。外部環(huán)境感知傳感器（如TIS）信息按照規(guī)定的協(xié)議數(shù)據(jù)格式打包，利用臺(tái)架的CAN板卡資源發(fā)送到待測(cè)控制器中，臺(tái)架采集待測(cè)控制器決策后的指令，并控制縱向、橫向執(zhí)行模塊，執(zhí)行控制模塊的結(jié)果反饋到仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

在虛擬環(huán)境下，使用軟件可以針對(duì)各種工況進(jìn)行定性、定量的分析評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的標(biāo)定，可以不斷的優(yōu)化系統(tǒng)的舒適性及魯棒性。以ISO15622：2002-for Adaptive Cruise Control system（ACC）中Cut-off場(chǎng)景為例，場(chǎng)景定義為：主車1跟蹤目標(biāo)車2，目標(biāo)車2變道切出本車道，超越前方較慢行駛的目標(biāo)車3;主車1能夠重新檢測(cè)到目標(biāo)車3，并穩(wěn)定跟隨，則該項(xiàng)測(cè)試通過(guò)。定義主車1的參數(shù)為：初始速度=50km/h，初始位置=8m;目標(biāo)車2：初始速度=50km/h;目標(biāo)車3：T_delay=5s，初始速度=50km/h。

在ISO中定義了車頭時(shí)距HWT dem[s]（Demanded Headway time），為主車目標(biāo)車相對(duì)距離/主車的絕對(duì)速度。本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置HWT初始時(shí)間為1.5s。a_max為ACC系統(tǒng)所能允許的最大加減速度，當(dāng)處于避撞模式下，最大加減速度較大時(shí)，可以有效地避撞，但同時(shí)會(huì)影響駕駛員的舒適性。

由圖7（a）可以看出，0～6s的過(guò)程，主車以50km/h的穩(wěn)定速度跟隨前車;當(dāng)目標(biāo)車2切出本車道后，主車重新檢測(cè)到前方低速運(yùn)行的目標(biāo)車3，在8～12s的過(guò)程中，主車開始以設(shè)定的a_max減速;12～18s的過(guò)程，主車重新以7.5km/h的穩(wěn)定車速跟隨目標(biāo)車3行駛。由圖7（b）可知，a_max=3.5m/s²時(shí)，在主車減速到穩(wěn)定跟車后，可有效保持與前方車輛4m的距離，當(dāng)。a_amx=2.5m/s²時(shí)，難以與前車保持有效的安全距離，可能產(chǎn)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。由圖7（c）可知，在減速階段及重現(xiàn)定位目標(biāo)進(jìn)行跟車階段，a_max=3.5m/s²時(shí)，車間時(shí)距HWT波動(dòng)的較小，能夠更快地趨于穩(wěn)定，并保持在設(shè)定的HWT初始值1.5s。

由以上分析可以看到，通過(guò)仿真可以對(duì)測(cè)試過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定量分析。通過(guò)分配各部分的響應(yīng)和延遲等參數(shù)特性，來(lái)評(píng)判ACC系統(tǒng)在各個(gè)過(guò)程過(guò)程（加速、減速）中的舒適性、安全性等指標(biāo)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套面向SAE 2級(jí)的ADAS系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室條件下交通場(chǎng)景的虛擬驗(yàn)證，解決了ADAS測(cè)試面臨的安全性差、可重復(fù)性差等問(wèn)題。驗(yàn)證結(jié)果表明，該測(cè)試平臺(tái)能夠有效地針對(duì)ADAS功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)施。

本文提出利用仿真軟件中的虛擬傳感器作為輸人，但忽視了真實(shí)傳感器與模型傳感器的一致性;提出的系統(tǒng)架構(gòu)方案，并未考慮實(shí)車運(yùn)行工況下的各種復(fù)雜的電磁工況。下一步，還需要在現(xiàn)在平臺(tái)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展傳感器在環(huán)硬件設(shè)備，以模擬更加真實(shí)的測(cè)試環(huán)境。