基于SCANeR軟件的硬件在環(huán)仿真平臺構建

摘要：針對ADAS控制算法開發(fā)驗證測試，搭建了集NI PXI總線、SCANeR場景軟件、視頻暗箱、VeriStand試驗管理軟件為一體的ADAS控制器硬件在環(huán)仿真平臺；詳細介紹了該平臺的架構組成及信號的傳遞途徑，并開發(fā)了多種用于模擬各種試驗工況和運行環(huán)境的標準法規(guī)測試場景；最后結合該硬件在環(huán)測試平臺，對某款ADAS控制器的LDW場景進行測試驗證，結果表明，該平臺能很好地對ADAS控制算法進行功能測試，能夠縮短企業(yè)ADAS控制算法的開發(fā)周期并降低驗證成本。

關鍵詞：ADAS控制器；SCANeR場景軟件；NI PXI總線；硬件在環(huán)

中圖分類號：U467 收稿日期：2023-09-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.021

1 前言

自動駕駛汽車是一種通過電腦系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛的智能汽車，是未來無人駕駛技術實現(xiàn)商業(yè)化落地的附屬產(chǎn)品，而目前由于技術的不成熟和法律法規(guī)的限制，自動駕駛汽車大規(guī)模上路仍需時日。而先進輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driver Assistant System），簡稱ADAS，是利用安裝于汽車上的各種傳感器，在行駛過程中收集車內外的數(shù)據(jù)、辨識靜態(tài)和動態(tài)物體，進行運算和分析并反饋給駕駛者，以幫助駕駛者察覺可能發(fā)生的危險，提高安全性的主動安全技術[1]。由于其有效地增加了汽車駕駛的安全性和舒適性，在汽車產(chǎn)品市場上得到了廣泛的推廣和應用，據(jù)北京恒州博智汽車研究中心估算，預計到2023年中國ADAS市場規(guī)模將達到驚人的1 206.17億元[2]。

ADAS系統(tǒng)具備的功能包括自動緊急制動（AEB）、前向碰撞預警（FCW）、車道偏離預警（LDW）等，國內相關機構針對ADAS系統(tǒng)性能評估，出臺了一系列道路測試標準，如GB/T （國家推薦標準）、JT/T（交通行業(yè)推薦標準）、i-VISTA智能汽車指數(shù)，以及根據(jù)E-NCAP進行中國本土化的C-NCAP[3]。這些標準的陸續(xù)發(fā)布，為ADAS系統(tǒng)的開發(fā)驗證提供了必要的指導作用，但由于利用道路測試方法完成前期功能的開發(fā)及驗證需要投入大量的人力和財力成本，因此為了縮短開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本，并提高開發(fā)質量，一種基于虛實結合的半實物仿真的測試方法被提出并應用。

目前市場上ADAS控制器在環(huán)測試方案主要有兩種，一種是基于視頻暗箱的測試方案，另一種是采用視頻注入的測試方案。前者是采用相機成像原理，通過實際視角內的圖像縮放到屏幕上，然后通過設置合理的光軸距離與安裝位置，使相機視角恰好覆蓋整個屏幕，通過電腦屏幕全屏播放場景動畫，來模擬實車所采集的圖像[4]，成本較低，能滿足對系統(tǒng)精度要求不高的功能測試。后者是直接將系統(tǒng)仿真的視頻信號通過視頻注入模塊傳輸?shù)綌z像頭[5]，可以保證視頻流信號不失真的傳入攝像頭，但由于需要定制的視頻注入模塊，且需要注入板卡，成本較高。因此可針對不同的測試需求，采用不同的測試方案搭建測試平臺，由于本文研究主要針對ADAS功能算法測試，這里采用基于視頻暗箱的形式搭建硬件在環(huán)仿真測試平臺。

2 系統(tǒng)架構及組成

本文研究的硬件在環(huán)仿真平臺系統(tǒng)方案主要基于PXI總線架構，采用開放式系統(tǒng)結構和產(chǎn)品技術，以通用的、成熟的、可靠的、實時性強的仿真測試軟件為核心，按照試驗系統(tǒng)的實際物理接口，建立的半物理仿真測試平臺。系統(tǒng)原理圖如圖1所示，主要由視頻暗箱、上位機、實時系統(tǒng)、駕駛模擬器、ADAS控制器五部分組成，其中，視頻暗箱由場景模型和真實攝像頭組成，用于產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)；上位機PC主要用來完成整個測試系統(tǒng)的試驗場景開發(fā)、控制和試驗管理；實時系統(tǒng)由一臺配備I/O板卡的高性能實時仿真機及其運行的各個模型組成，主要用來運行車輛模型；駕駛模擬器主要用于產(chǎn)生踏板力及方向盤轉角輸入；ADAS控制器作為待測對象，主要是為了接收攝像頭采集的圖像信息以及動力學信息，根據(jù)內部算法計算并作出決策指令，控制車輛按照預定的邏輯運行。

3 系統(tǒng)的軟硬件平臺

本系統(tǒng)的硬件平臺主要包括電源管理模塊、程控電源、NI PXI機箱及板卡、信號調理模塊、BOB分線箱等。由于控制器在環(huán)仿真測試過程需要大量的總線信號進行實時交互，軟件訪問硬件的能力以及模型運行的實時性、精確性，都將影響系統(tǒng)的整體性能，基于此對NI實時處理器及板卡進行了選型，具體如下：實時處理器NI PXIe-8840 Quad-core RT、控制器機箱PXIe-1088、模擬量輸出板卡PXIe-6738、FPGA板卡PXI-7841R、6通道CAN通信板卡PXIe-8510，其裝配如圖2所示。

基于3D軟件設計了視頻暗箱三維模型，如圖3所示，其作用是保證圖像感知系統(tǒng)能清晰采集上位機場景軟件搭建的虛擬場景信息，在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)對感知決策系統(tǒng)的功能驗證。該視頻暗箱主要由外圍框架、視頻顯示器、凸透鏡、導軌和攝像頭固定調節(jié)支座等組成。所設計的攝像頭固定調節(jié)支座可以進行上下、左右、前后和俯仰等多自由度的細微調整，凸透鏡的位置也可以進行前后和上下位置調節(jié)，使測試之前的狀態(tài)更加穩(wěn)定可靠。同時暗箱里面的所有信號、電源等都通過暗箱提供的接口轉接出來，方便連線。

軟件平臺主要集成在上位機PC中，主要由場景開發(fā)軟件SCANeR、試驗管理軟件VeriStand、Matlab/Simulink以及與NI實時系統(tǒng)相關的驅動程序等組成。其中SCANeR是為駕駛模擬器設計的軟件工具，提供了構建真實虛擬世界所需的工具和模型，包括道路、車輛動力學、交通參與者、傳感器、駕駛模擬器驅動等，并能夠實時記錄仿真數(shù)據(jù)，采集車輛動力學參數(shù)，交通參數(shù)，環(huán)境參數(shù)，駕駛員操作參數(shù)等信息[6]，同時還可以基于腳本快速生成交通場景；Veristand是NI推出的用于快速建立硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的管理軟件，通過它可以把模型接口與板卡資源關聯(lián)，組成實時仿真系統(tǒng)[7]。這里利用VeriStand管理軟件將動力學模型快速部署到NI實時系統(tǒng)，并基于Matlab/Simulink軟件搭建的UDP通信模型及VeriStand中Custom Device模塊構建的自定義模型，實現(xiàn)NI實時系統(tǒng)與交通場景的信號交互，其中VeriStand和UDP模型如圖4和圖5所示。

軟硬件的信號交互主要以太網(wǎng)的通信方式，其中實時系統(tǒng)與上位機PC通過LAN口連接，試驗管理軟件VeriStand在PC機環(huán)境下將整車模型下載至HIL系統(tǒng)硬件實時系統(tǒng)上來模擬受控對象的運行狀態(tài)，并通過Custom Device模塊直接控制I/O接口，實現(xiàn)SCANeR場景軟件與實時系統(tǒng)以及被測控制器的信號交互，同時利用VeriStand可以完成對整個仿真測試變量的監(jiān)控、試驗數(shù)據(jù)的處理和分析等；被測控制器與實時系統(tǒng)采用CAN總線的方式通信，借助VeriStand進行DBC文件的導入和配置，通過CAN板卡與被測控制器連接，可以將車輛的狀態(tài)信息輸入給控制器，作出目標及車道線信息識別，以及控制指令反饋至上位機、實時系統(tǒng)，從而實現(xiàn)上KJoz4maROy+bPCIxTN7Kfw==位機、實時系統(tǒng)和被測控制器三者之間的信號交互。

4 在環(huán)仿真試驗

通過對E-NCAP 2020標準進行梳理，總結了3類試驗測試場景，包括車車場景C2C、車與弱勢交通參與者場景VRU、車道輔助系統(tǒng)場景LSS，并利用SCANeR場景軟件搭建包含AEB、FCW、LDW/LKA等多種驗證ADAS功能算法的測試場景，共計500個，其中LSS部分場景如圖6所示。

為驗證該硬件在環(huán)仿真測試平臺的有效性，以某款ADAS控制器為測試對象，如圖7所示，對其功能算法進行驗證。這里展示了LDW場景的測試，其中車輛左右兩側為虛線，車輛按照預設的軌跡行駛，待車輛穩(wěn)定行駛后，通過設置SCANeR中的Trigger模塊設置觸發(fā)車輛偏離車道，觀察控制器是否作出提醒指令，這里提醒指令以文字形式在上位機場景軟件中顯示。圖8是車道偏離（Lane Departure Warning，LDW）的SCANeR場景運行界面，經(jīng)驗證在車輛偏離車道時，ADAS控制器會觸發(fā)預警信號，提醒駕駛員偏離車道。

5 結語

本文針對ADAS控制算法的測試，首先搭建了一種ADAS控制器硬件在環(huán)仿真平臺，該平臺能將NI PXI總線、SCANeR場景軟件、視頻暗箱、VeriStand試驗管理軟件融為一體；然后闡述了該平臺的架構及信號傳遞途徑；最后結合該平臺對某款ADAS控制器的LDW場景進行了驗證。結果表明：該平臺能很好地測試ADAS控制算法，能夠縮短企業(yè)ADAS控制算法的開發(fā)周期，同時降低驗證成本。

參考文獻：

[1]李瑩.ADAS領域專利狀況分析[J].河南科技，2017（10）：45-47.

[2]馬桂濤.基于模型的ADAS虛擬仿真測試平臺研究[D].北京：北京交通大學，2022.

[3]何班本，程梁柱，夏鈺璋，等.高級駕駛輔助系統(tǒng)測試淺析及評價模型[J].汽車文摘，2022（2）：58-62.

[4]李石.采用攝像頭傳感器的高級駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)測試研究[J].機械工程師，2019（9）：87-89.

[5]曹桂榮.帶ADAS功能的整車電器功能硬件在環(huán)測試系統(tǒng)研究[J].內燃機與配件，2019（17）：93-98.

[6]楊爍，王雪松，王艷麗，等.基于SCANeR快速道路建模的程序化方法[J].實驗技術與管理，2021，38（1）：44-47.

[7]戎輝，張明路，張小俊.基于Veristand的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)設計[J].科學技術與工程，2016，16（8）：167-170.

作者簡介：

屈亞洲，男，1992年生，工程師，研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全及場景仿真測試。