基于數(shù)字孿生的智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探索與研究

李永福，周發(fā)濤，王錦江，樊俊宏，朱浩

（重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 智能空地協(xié)同控制重慶市高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

智能網(wǎng)聯(lián)車輛作為智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向，現(xiàn)階段正處于快速發(fā)展中，其相關(guān)學(xué)科如機(jī)器人工程、自動(dòng)化等具有專業(yè)性強(qiáng)、覆蓋知識(shí)面廣、對(duì)實(shí)踐能力要求高等特點(diǎn)[1]。同時(shí)其含有的技術(shù)價(jià)值，在節(jié)能減排、駕駛安全以及交通效率等方面蘊(yùn)含巨大的潛力，對(duì)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)與轉(zhuǎn)型、發(fā)展技術(shù)優(yōu)勢(shì)意義深遠(yuǎn)。隨著高等院校在該領(lǐng)域研究的逐步深入，對(duì)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求也在逐步提高。目前受各種條件的限制，部分高校教師和學(xué)生在實(shí)踐應(yīng)用上存在資源不足和教學(xué)平臺(tái)缺乏等問(wèn)題[2]。

基于上述情況，本文應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)[3]作為虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的橋梁，結(jié)合傳感器收集到的車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，將兩個(gè)世界聯(lián)系在一起設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅解決了現(xiàn)階段高等院校在智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)教學(xué)活動(dòng)中缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的問(wèn)題，同時(shí)能夠滿足學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中的多樣性需求，開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。同時(shí)也符合現(xiàn)階段教育、社會(huì)的發(fā)展需求，有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)能力，培養(yǎng)學(xué)生后續(xù)進(jìn)入崗位工作的一些必備技能。

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容構(gòu)建

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

考慮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)常用的教學(xué)環(huán)境以及實(shí)際的智能網(wǎng)聯(lián)汽車測(cè)試環(huán)境，將多方面的元素綜合納入平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分保證學(xué)生在使用過(guò)程中的多樣性。如圖1所示，以虛擬世界PreScan 和Matlab 仿真軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)世界車輛系統(tǒng)以及外部傳感器、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)處理完成該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

圖1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

1.2 虛擬世界框架描述

（1）場(chǎng)景搭建。

在智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真軟件PreScan 中，基于基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境元素和交通參與者等預(yù)定義模型或通過(guò)Model preparation tool 接口導(dǎo)入自主設(shè)計(jì)的模型，進(jìn)行虛擬仿真場(chǎng)景的搭建，能夠充分滿足學(xué)生的可變?cè)O(shè)計(jì)要求。對(duì)于學(xué)生開(kāi)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車的虛擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)，本平臺(tái)提供了快速的場(chǎng)景搭建能力。

（2）環(huán)境感知。

環(huán)境感知模塊的任務(wù)是感知車身周圍的道路信息以及交通環(huán)境，從而為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的決策控制提供可靠的信息來(lái)源。為研究網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的智能車輛控制，本平臺(tái)主要采用了V2X 傳感器和GPS 傳感器，分別用于獲取車輛周邊信息和車輛自身信息[4,5]。

（3）算法加載。

算法加載模塊在整個(gè)仿真平臺(tái)的運(yùn)行中承擔(dān)著核心作用。PreScan 采用了標(biāo)準(zhǔn)的Matlab/Simulink 接口作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，因此算法加載將在Matlab/Simulink 中完成，學(xué)生在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，可通過(guò)Simulink 模塊、m 文件或Stateflow 編程等方式完成算法的加載，其標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化的編程方式，一方面降低了學(xué)生的上手難度，另一方面為學(xué)生提供了更多選擇，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（4）交互界面。

交互界面作為虛擬平臺(tái)與使用者進(jìn)行信息交互的介質(zhì)，主要是在Matlab/Guide 工具箱中完成?；贛atlab/Guide 工具箱開(kāi)發(fā)仿真平臺(tái)的交互界面具備開(kāi)發(fā)周期短、功能性強(qiáng)、實(shí)踐效果顯著等特點(diǎn)[6]，對(duì)學(xué)生運(yùn)用Matlab 進(jìn)行編程的能力提出了要求，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐編程能力，激發(fā)學(xué)生的界面開(kāi)發(fā)興趣。

1.3 現(xiàn)實(shí)世界框架描述

現(xiàn)實(shí)世界中以真實(shí)車輛為基礎(chǔ)，搭載主控單元、交互設(shè)備、通信模塊和無(wú)線路由以及GPS 傳感設(shè)備等。

（1）主控單元。

主控單元，本平臺(tái)采用的是基于ARM 架構(gòu)的嵌入式E9 板，基于Linux 的操作系統(tǒng)，利用多線程、多進(jìn)程技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPS 信息采集、與通信模塊之間的車輛狀態(tài)信息收發(fā)以及與人機(jī)交互平板之間的信息交互。

（2）交互設(shè)備。

本平臺(tái)采用搭載基于安卓應(yīng)用軟件的平板，實(shí)現(xiàn)車輛與駕駛?cè)藛T之間的交互，通過(guò)人機(jī)交互APP 顯示車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和實(shí)時(shí)建議行駛速度，采用數(shù)字和曲線兩種呈現(xiàn)方式，給駕駛員提供合理的行駛信息。

（3）通信模塊。

通信模塊作為整個(gè)外部設(shè)備中信息交互的核心載體，在保證通信速度快、與其他設(shè)備交互靈活、信號(hào)收發(fā)穩(wěn)定的前提下，本平臺(tái)采用漢楓HF8104 通信模塊用于實(shí)現(xiàn)4G 通信接口的提供，該模塊支持多種協(xié)議，接入其他端口便捷；同時(shí)，配合高性能路由器，能夠保證整個(gè)車內(nèi)局域網(wǎng)中所有設(shè)備的相互訪問(wèn)和通信。

（4）GPS 傳感設(shè)備。

車輛上的GPS 傳感設(shè)備主要是利用差分GPS 實(shí)現(xiàn)精確的信息獲取。通過(guò)搭載的移動(dòng)GPS 接收機(jī)，該設(shè)備一方面獲取基準(zhǔn)站傳回的GPS 信息，一方面實(shí)時(shí)接收GPS 衛(wèi)星信號(hào)的定位信息。通過(guò)基準(zhǔn)站已知的精確坐標(biāo)，計(jì)算基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，最終得到較為準(zhǔn)確的定位信息。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

在已構(gòu)建的虛擬世界平臺(tái)和現(xiàn)實(shí)世界平臺(tái)的基礎(chǔ)上，本文提供典型隊(duì)列控制算法設(shè)計(jì)和基于數(shù)字孿生的隊(duì)列控制實(shí)驗(yàn)。

2.1 車輛隊(duì)列算法設(shè)計(jì)

2.1.1 間距策略

間距策略主要可以分為恒定間距、恒定時(shí)距和非線性間距策略。為了提高車輛隊(duì)列的串穩(wěn)定性和安全性，本案例采用恒定時(shí)距策略，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中r是各相鄰車輛之間靜止時(shí)的間距，hd是車頭時(shí)距，vi（t）是t時(shí)刻第i車的速度。

2.1.2 車輛模型

車輛模型描述如下：

其中xi（t）是第i輛車的重心位置，ui（t）是控制器輸出的期望加速度。

2.1.3 車輛隊(duì)列控制器設(shè)計(jì)

本案例結(jié)合車輛間耦合作用、反饋控制和前饋控制[7]，設(shè)計(jì)車輛縱向控制器如下：

其中ai-1（t）是第i-1 輛車的實(shí)際加速度。hi（t）=xi-1（t）-xi（t）-L是i車與i-1 車之間的車輛間距。Ko，Kp，Kv，Ka是敏感系數(shù)。L是車輛車身長(zhǎng)度。V（hi（t））是代表車輛間耦合作用的非線性函數(shù)，它可以有效避免負(fù)速度和負(fù)間距的產(chǎn)生[7]。

2.1.4 控制目標(biāo)

本案例的控制目標(biāo)是使所有車輛的速度與車輛間距保持一致，形成車輛隊(duì)列行駛，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.2.1 場(chǎng)景設(shè)置

虛擬場(chǎng)景為PreScan 中構(gòu)建的3D 場(chǎng)景，如圖2所示，呈現(xiàn)了在PreScan 中重構(gòu)的重慶郵電大學(xué)南部校區(qū)的3D場(chǎng)景。

圖2 虛擬世界場(chǎng)景

現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景由測(cè)試環(huán)境以及網(wǎng)聯(lián)車輛測(cè)試系統(tǒng)組成，圖3展現(xiàn)了在重慶郵電大學(xué)南部校區(qū)由三輛車組成的網(wǎng)聯(lián)車輛測(cè)試系統(tǒng)，每輛車上搭載了通信設(shè)備、GPS 設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備等模塊。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在本案例中，虛擬世界的采樣時(shí)間間隔設(shè)置為0.05s。領(lǐng)航車輛的初始位置設(shè)定為x0（0）=14.8m，跟隨車輛的初始位置設(shè)定為x（0）=[7.4，0]Tm，領(lǐng)航車輛的期望速度如公式(5)所示：

車輛的初始速度設(shè)定為v（0）=[0，0，0]Tm/s。

2.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)果分析

2.3.1 數(shù)據(jù)交互

虛擬-現(xiàn)實(shí)世界之間的數(shù)據(jù)交互主要是通過(guò)車載4G 通信模塊完成。通過(guò)建立虛擬世界與實(shí)現(xiàn)世界之間的UDP 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的信息交互。數(shù)據(jù)交互具體流程如下：（1）實(shí)際車輛狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集，（2）車輛數(shù)據(jù)打包，（3）車輛數(shù)據(jù)發(fā)送，（4）仿真平臺(tái)接收數(shù)據(jù)與反饋。

2.3.2 隊(duì)列控制

通過(guò)在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間建立數(shù)據(jù)交互，現(xiàn)實(shí)世界采集到車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)信息后發(fā)送到虛擬世界中，虛擬世界解析接收到的數(shù)據(jù)，并在車輛隊(duì)列控制器的作用下，計(jì)算出跟隨車輛1 和2 的期望加速度，并將該期望加速度指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)仿真世界中車輛行駛的指令，同時(shí)將控制信息反饋到現(xiàn)實(shí)世界的人機(jī)交互平板APP 中，人機(jī)交互平板APP 經(jīng)數(shù)據(jù)解析后呈現(xiàn)出建議的行駛信息，駕駛員由此完成對(duì)真實(shí)車輛的操控，最終實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界中車輛的平行行駛。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4呈現(xiàn)了所有車輛的速度曲線，在t∈[0，10]s區(qū)間內(nèi)，車輛從靜止?fàn)顟B(tài)逐漸加速到4.17m/s 的期望速度，當(dāng)領(lǐng)航車輛達(dá)到期望速度后，跟隨車輛1 和2 也能在稍滯后的時(shí)間內(nèi)跟隨行駛。圖5車輛間距誤差曲線圖中，可以看出車輛在現(xiàn)實(shí)世界的相對(duì)位置變化情況，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的平臺(tái)的有效性。

圖4 車輛速度曲線

圖5 車輛間距誤差曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備測(cè)試環(huán)境可控性、開(kāi)放性、操作簡(jiǎn)易、可重復(fù)仿真、實(shí)驗(yàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。并且通過(guò)此創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以在教學(xué)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)從虛擬到現(xiàn)實(shí)、從理論到實(shí)踐的完整課程體系。由理論知識(shí)到仿真實(shí)現(xiàn)，再?gòu)姆抡鎸?shí)現(xiàn)到實(shí)車驗(yàn)證，逐漸延伸，提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)，本平臺(tái)有效地將理論與實(shí)踐相融合，促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展，有助于完善課程體系，培養(yǎng)既具有交叉學(xué)科背景又具有前沿科學(xué)知識(shí)的人才，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車學(xué)科群建設(shè)提供支撐。