基于模型設(shè)計(jì)的ADAS-HIL測試平臺(tái)研究

王珂　王輝　周煉　江維?！⊥醴?/p>

摘 要：先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）是緩解汽車安全問題，方便人們智能出行的有效途徑。ADAS系統(tǒng)的開發(fā)涉及到復(fù)雜度很高的系統(tǒng)工程，如何開展以及建立測試評價(jià)體系等是行業(yè)內(nèi)亟需解決的問題。文章基于模型的測試開發(fā)（Model Based Design，MBD）理念，在NI實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的環(huán)境中，通過PreScan建立的仿真場景和虛擬傳感器模型以及CarSim建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型，提出了先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)測試平臺(tái)的搭建方案，并進(jìn)行了仿真測試，對解決ADAS系統(tǒng)的開發(fā)測試等相關(guān)問題具有一定的借鑒意義。關(guān)鍵詞：ADAS測試;聯(lián)合仿真;NI;硬件在環(huán)中圖分類號(hào)：U471.15 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-41-04

Abstract： Advanced driving assistance system （ADAS） is an effective way to alleviate vehicle safety problems and improve people's intelligent travel. The development of ADAS system involves the system engineering with high complexity. How to carry out and establish the test and evaluation system are the problems that need to be solved in the industry. Based on the concept of model based design （MBD）， in the environment of Ni real-time simulation system， the simulation scene and virtual sensor model established by prescan and vehicle dynamics model established by CarSim are presented in this paper. This paper puts forward the construction scheme of the hardware in the loop test platform of the advanced driving assistance system， and carries out the simulation test， which has certain reference significance to solve the development and test of the ADAS system and other related problems.Keywords：?ADAS Test; Joint simulation; NI; Hardware in the loopCLC NO.： U471.15 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-41-04

引言

國內(nèi)汽車銷售量從2018年2.8%的降幅到2019年的8.7%加速下滑，汽車市場趨于飽和，尋找汽車行業(yè)內(nèi)新的增長點(diǎn)已刻不容緩。汽車安全技術(shù)，尤其是先進(jìn)駕駛輔助功能（Ad?-vanced Driving Assistance System，ADAS）的地位正在凸顯有別于傳統(tǒng)的汽車技術(shù)，ADAS系統(tǒng)開發(fā)過程中將出現(xiàn)大量的新科技和新功能。如何進(jìn)行ADAS系統(tǒng)的測試是目前公認(rèn)的難題，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟需解決的問題[1]。只有解決上述難題，才能保證功能的開發(fā)更有效率，實(shí)現(xiàn)快速迭代。

ADAS功能的開發(fā)遵循“V”流程[2]，測試階段包括模型在環(huán)（MIL）、硬件在環(huán)（HIL）、實(shí)車路試等。相比于純計(jì)算機(jī)建模仿真，?ADAS硬件在環(huán)測試這種半實(shí)物仿真技術(shù)能實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，更接近實(shí)車測試。相比于實(shí)車測試，可以很好的規(guī)避測試中重復(fù)性驗(yàn)證、開發(fā)周期長、成本高等問題。

目前，鑒于ADAS硬件在環(huán)測試的研究相對較少，本文提出一種基于NI實(shí)時(shí)系統(tǒng)，包括場景模型、整車動(dòng)力學(xué)模型在內(nèi)的面向ADAS域控制器的HIL測試方案。

1 ADAS測試平臺(tái)原理及架構(gòu)

如圖1所示即為ADAS-HIL測試臺(tái)架方案。測試系統(tǒng)主要由上位機(jī)、I/O通道系統(tǒng)、實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、被測域控制器等組成。在ADAS硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行仿真模型，然后通過I/O接口與被測ADAS域控制器通信，利用自動(dòng)駕駛仿真軟件中的虛擬攝像頭采集視頻信號(hào)或者虛擬雷達(dá)采集障礙物信號(hào)來模擬實(shí)車行駛環(huán)境，使控制器誤以為處于實(shí)車行駛的環(huán)境中，從而達(dá)到對ADAS域控制器測試的目的[3]。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的硬件系統(tǒng)搭建

計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展為ADAS系統(tǒng)的測試提供了條件。如何有效地利用這些新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在仿真測試中實(shí)時(shí)調(diào)度和數(shù)據(jù)交換、以及通過I/O與外部硬件設(shè)備進(jìn)行信號(hào)通訊，成為關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以PXI系統(tǒng)為核心，集成了包括上位機(jī)、I/O通訊系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、被測域控制器等硬件。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要作用為：實(shí)時(shí)運(yùn)行場景仿真模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型，并向上位機(jī)傳輸仿真結(jié)果。同時(shí)，通過I/O軟硬件接口連接被測域控制器，接收ADAS控制算法發(fā)出的指令。

如圖3所示，ADAS硬件在環(huán)測試的工作過程相當(dāng)于實(shí)車上的慣性單元、傳感器等部件將收集到的不同信號(hào)通過汽車CAN總線傳遞給控制器?？刂破髟诮邮艿缴鲜鲂盘?hào)后，經(jīng)過計(jì)算處理再將不同的控制信號(hào)發(fā)送給整車模型中的受控對象（執(zhí)行系統(tǒng)），從而改變整車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)ADAS系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，測試所需要傳輸?shù)腎/O信號(hào)類別有：

（1）模擬信號(hào)：即用連續(xù)變化的物理量表示的信息，如表1中的方向盤轉(zhuǎn)角、制動(dòng)壓力等連續(xù)輸入量。

（2）數(shù)字信號(hào)：通常為一些設(shè)備或者功能的開關(guān)信號(hào)，如點(diǎn)火開關(guān)、功能開關(guān)等，用來檢測功能的狀態(tài)。

（3）CAN信號(hào)：主要為車身各個(gè)傳感器、執(zhí)行器與各個(gè)控制器間的交互信號(hào)。在硬件在環(huán)測試中即為被測控制器與受控模型間的信號(hào)傳輸。

3 模型的設(shè)計(jì)與搭建

3.1 仿真場景模型

上位機(jī)場景仿真軟件選用PreScan。PreScan是以物理模型為基礎(chǔ)，由多個(gè)模塊組成，包括基于GUI（Graphical User Interface）的場景定義模塊、傳感器設(shè)置模塊、用于執(zhí)行場景的運(yùn)行環(huán)境以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

如圖4所示，在GUI界面中搭建仿真場景。根據(jù)ADAS系統(tǒng)的功能規(guī)范及測試用例，分析相關(guān)測試場景，設(shè)置不同道路參數(shù)例如道路的曲率、長度、車道數(shù)目、車道線標(biāo)記等。最后，添加必要的環(huán)境信息，如建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施、天氣模型（如雨、雪、霧等）以及光源（如交通信號(hào)燈、太陽光、路燈等）等。通過拖拽、平移等方式添加到編輯區(qū)域。同時(shí)，也可以通過Open Street Map、Open Drive等外部地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入，快速建立起真實(shí)道路模型。

3.2 ADAS傳感器模型

為了讓控制器處于趨近真實(shí)的測試環(huán)境，還需要建立基于真實(shí)傳感器參數(shù)的虛擬模型。PreScan支持種類豐富的傳感器模型，例如單目、雙目、全景攝像頭，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等?[4]。

本文以博世公司的某款單目攝像頭為例，進(jìn)行傳感器的參數(shù)化建模。涉及到的傳感器參數(shù)例如攝像頭的像素尺寸、幀速率、FOV角以及安裝參數(shù)等，如表2所示。

在PreScan左側(cè)元素庫中選擇地面實(shí)況傳感器中的車道標(biāo)記傳感器，然后添加于車輛上便會(huì)出現(xiàn)攝像頭參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，基于上述參數(shù)和數(shù)值設(shè)置視覺感知模塊如圖5所示：

在GUI中搭建好仿真場景并進(jìn)行Build后，PreScan將生成_cs.slx文件。在Simulink中將各個(gè)模塊的輸入輸出接口連接起來，便得到如圖6所示的仿真場景模型。

3.3 車輛動(dòng)力學(xué)模型

由于PreScan軟件的優(yōu)勢在于自動(dòng)駕駛仿真場景，軟件中自帶的車輛模型數(shù)量較少，動(dòng)力學(xué)模型較簡單，而且很多車輛參數(shù)不能定制化。因此，目前較為主流的解決方案是采用第三方軟件的整車模型進(jìn)行聯(lián)合仿真測試，常用軟件有CarSim、ADAMS、veDYNA等。CarSim基于參數(shù)化建模，簡單易用，目前應(yīng)用范圍較廣。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)車輛的開發(fā)參數(shù)及臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Car?-Sim中進(jìn)行建模。整車動(dòng)力學(xué)參數(shù)的類型及獲取渠道如表3所示，一些例如空氣學(xué)、輪胎等與ADAS功能關(guān)系不大的參數(shù)選用CarSim中的默認(rèn)值即可。搭建好整車模型后，在CarSim中設(shè)置好相應(yīng)的輸入輸出信號(hào)參數(shù)。導(dǎo)入到Simulink中后，整車模型在Simulink中將以S-Function的形式調(diào)用。并用此Simulink窗口打開PreScan的_cs.slx文件，將PreScan中原有的汽車動(dòng)力學(xué)模型替換為CarSim模型。

4 實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

4.1 實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在建立好仿真場景、傳感器模型、整車模型后，開始要對整體仿真模型進(jìn)行集成、編譯。其中，PreScan場景仿真模型、CarSim整車模型運(yùn)行在基于Simulink的環(huán)境下，安裝實(shí)驗(yàn)管理軟件后在Simulink庫中調(diào)出Veristand模塊，將Simulink模型中的接口類型配置為Veristand類型，編譯完成后配置到工控機(jī)中進(jìn)行運(yùn)行，模擬實(shí)車的運(yùn)動(dòng)。

為了使NI硬件板卡、CAN信號(hào)與仿真模型進(jìn)行正常的信息通訊，需要在Simulink中基于Veristand模塊搭建I/O模型，從而充當(dāng)硬件與模型之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹懊浇椤?。通過mapping過程，連接某兩個(gè)通道（硬件I/O通道或者模型I/O通道），從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)從一個(gè)通道傳遞到另一個(gè)通道[5]。

通過在上位機(jī)軟件Veristand中開發(fā)實(shí)驗(yàn)管理的人機(jī)交互界面，便可在虛擬條件下完成針對ADAS不同功能、不同工況下的硬件在環(huán)測試。

4.2 仿真分析

在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，針對ADAS系統(tǒng)的車道偏離預(yù)警功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

設(shè)置仿真工況1，車道偏離功能觸發(fā)測試：參照國家公路標(biāo)準(zhǔn)建立單向三車道（每條車道寬度3.5m），設(shè)置虛擬車輛的參數(shù)，以70km左右的車速，初始航偏角β為1°，在中間車道的中心附近以固定的方向盤轉(zhuǎn)角（2deg）開始行駛，驗(yàn)證ADAS域控制器的控制效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示：車輛在距車道線為0.73 秒的跨道時(shí)間處開始報(bào)警，且此時(shí)的距離車道線為0.28m（實(shí)驗(yàn)車輛車寬為1820mm）。符合車道偏離。

預(yù)警的功能規(guī)范所設(shè)置的報(bào)警閾值（車輛邊緣距車道線的跨道時(shí)間為0.7s，距離為0.2m）。實(shí)驗(yàn)?zāi)芎軠?zhǔn)確的對ADAS域控制器控制功能進(jìn)行測試。

設(shè)置仿真工況2，車道偏離預(yù)警功能誤報(bào)警測試：工況1場景下，通過人機(jī)共駕系統(tǒng)（駕駛模擬器）輸入方向盤轉(zhuǎn)角信息。分別設(shè)置以較大方向盤轉(zhuǎn)角速率和以較小轉(zhuǎn)角速率偏離車道的兩次工況，驗(yàn)證控制器誤報(bào)警情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示：根據(jù)車道偏離預(yù)警的功能規(guī)范，車道偏離時(shí)的報(bào)警抑制條件為方向盤轉(zhuǎn)角速率大于12deg/s。車輛在第一次偏離車道時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角速率遠(yuǎn)大于12deg/s，系統(tǒng)不會(huì)觸發(fā)報(bào)警。車輛在第二次偏離車道時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角

速率一直維持在12deg/s以下，當(dāng)車輛靠近報(bào)警線時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，符合功能規(guī)范的要求，對ADAS域控制器完成了很好的驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文搭建了以仿真場景模型、虛擬傳感器模型、整車動(dòng)力學(xué)模型、I/O通訊模型為基礎(chǔ)，基于NI實(shí)時(shí)系統(tǒng)的ADAS硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并針對ADAS相關(guān)功能進(jìn)行了仿真測試。結(jié)果證明，該方案能很好地對ADAS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為功能的開發(fā)提供了一套值得借鑒的方案。

參考文獻(xiàn)

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