基于V2X 和自動駕駛HIL 聯(lián)調的仿真系統(tǒng)開發(fā)

摘要：隨著智能網聯(lián)汽車的快速發(fā)展，車用無線通信（V2X）技術在智能交通領域發(fā)揮著越來越重要的作用，因此行業(yè)內對V2X 和自動駕駛相關的硬件在環(huán)（HIL）融合測試需求也越來越高。由于V2X HIL 系統(tǒng)與自動駕駛HIL 系統(tǒng)兩者相互獨立，在實際應用中尚缺少對兩者相關應用場景及功能進行全鏈路的閉環(huán)仿真測試系統(tǒng)。基于dSPACE 平臺HIL 仿真系統(tǒng)及V2X HIL 系統(tǒng)的聯(lián)調過程，搭建了一套能夠同時驗證蜂窩車聯(lián)網（C-V2X）通信功能和單車智能感知功能的HIL 聯(lián)調仿真測試系統(tǒng)。測試結果表明：通過對V2X 應用場景的仿真，該系統(tǒng)能夠正確實現(xiàn)對單車智能駕駛功能測試、V2X 被測算法的驗證及預警功能顯示，由此驗證了聯(lián)合仿真平臺的有效性。

關鍵詞：車用無線通信（V2X）；自動駕駛；聯(lián)調仿真測試；硬件在環(huán)（HIL）；dSPACE 平臺

0 前言

隨著汽車向智能化、網聯(lián)化方向的快速發(fā)展，目前汽車已能夠憑借車載攝像頭、雷達等傳感器實現(xiàn)一定程度的單車自動駕駛，借助車用無線通信（V2X）技術可進一步實現(xiàn)汽車與人、物及外界環(huán)境的信息交互。

硬件在環(huán)（HIL）仿真測試是指使用仿真系統(tǒng)代替實際環(huán)境，通過將實際硬件與仿真系統(tǒng)相連，實現(xiàn)對被測件性能的驗證和優(yōu)化。HIL 仿真測試能夠降低開發(fā)成本、優(yōu)化系統(tǒng)性能，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其在V2X 和自動駕駛技術的研發(fā)和應用中起著至關重要的作用。馬謙［1］利用VTD 軟件創(chuàng)建V2X 仿真場景，底層基于NI 板卡構建射頻收發(fā)環(huán)境，對V2X 被測件的天線進行測試；張震［2］基于CarMaker 軟件進行二次開發(fā)，并與CANoe 軟件聯(lián)合進行仿真，再配合Ramp;S CMW500和Ramp;S SMBV100B 兩款儀表，來模擬V2X 實車測試效果。蔡之駿等［3］基于Simulink 模型V2X HIL仿真方案，模擬真實的V2X 設備前裝工作環(huán)境和全球定位系統(tǒng)（GPS）環(huán)境，完成了V2X 算法場景測試與驗證；尹遜哲［4］基于dSPACE 平臺，對自動駕駛車輛的多傳感融合定位算法進行了研究；王啟配等［5］通過HIL 仿真系統(tǒng)對電控系統(tǒng)的自動緊急剎車（AEB）功能進行了測試驗證，并提供了整改優(yōu)化。但業(yè)界對V2X HIL 測試系統(tǒng)與自動駕駛HIL測試系統(tǒng)的研究多為相互獨立的研究，在實際應用中尚缺少對兩者的融合測試研究。

根據(jù)中國汽車工程學會標準T/CSAE 53—2020《 合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應用層及應用數(shù)據(jù)交互標準（第一階段）》［6］，當前的V2X應用場景主要有安全、效率和信息服務3 大類，具體包括車車通信（V2V）、車路通信（V2I）和車人通信（V2P）。本文根據(jù)標準的要求，結合整車企業(yè)的實車功能，主要進行V2V 相關功能（前方緊急制動、左轉和交叉路口碰撞預警等功能）的HIL 仿真測試，將基于dSPACE 平臺的單車智能駕駛HIL 仿真測試系統(tǒng)與V2X HIL 系統(tǒng)中被測V2X 車載單元（OBU）中的V2X 算法進行聯(lián)調，依托dSPACE 平臺搭建測試模型及仿真場景，通過虛實結合構建了一套能夠同時驗證C-V2X 通信功能和單車智能駕駛測試的HIL 聯(lián)調測試系統(tǒng)。

1 聯(lián)調仿真測試系統(tǒng)組成

1. 1 聯(lián)調仿真架構

聯(lián)調仿真測試系統(tǒng)利用dSPACE 平臺搭建車輛模型與場景模型、采用dSPACE MotionDesk 軟件碰撞預警界面顯示開發(fā)、dSPACE 動力學模型配置工程開發(fā)和dSPACE 與V2X 通信模型開發(fā)，最終實現(xiàn)由dSPACE 和V2X 算法組成的聯(lián)合仿真平臺。雙方通過在通信模型中建立一致的數(shù)據(jù)交互接口和數(shù)據(jù)格式，利用dSPACE 平臺內部板卡的以太網端口將數(shù)據(jù)發(fā)送給與之處于同一局域網連接的V2X 端設備，再由V2X 終端模擬直連蜂窩通信協(xié)議（PC5）接口進行通信，將交通參與者信息廣播至被測件，dSPACE HIL 仿真系統(tǒng)與V2X HIL 系統(tǒng)間通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）通信模式來實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的正常通信。

該系統(tǒng)主要由dSPACE HIL 仿真系統(tǒng)和V2XHIL 系統(tǒng)構成，如圖1 所示。

dSPACE HIL 仿真系統(tǒng)包含仿真上位機、實時機柜、相關仿真板卡；V2X 系統(tǒng)包含通信OBU、被測OBU 及上位機。dSPACE 上位機安裝有dSPACE ModelDesk 場景編輯軟件、ControlDesk控制軟件、MotionDesk 界面可視化軟件、ConfigurationDesk 模型編譯配置軟件等。實時機柜中主要安裝有用于通信的板卡以及連接控制器的端口。V2X 設備上位機使用Ubuntu 系統(tǒng)，主要作為消息中轉站與dSPACE 系統(tǒng)以及OBU 進行數(shù)據(jù)交互。

1. 2 工作原理

基于dSPACE HIL 仿真系統(tǒng)，可對裝有自動駕駛算法的域控制器進行測試，實現(xiàn)單車感知智能場景的測試。同時，為了快速驗證V2X 端被測OBU的V2X 算法，本文設計開發(fā)了一套基于dSPACE的V2X 虛擬仿真測試平臺，將V2X 算法接入dSPACE 系統(tǒng)中，便可實現(xiàn)在dSPACE 系統(tǒng)中同時測試自動駕駛被測算法和V2X 被測算法的需求。

上位機使用dSPACE 仿真軟件，在dSPACEModelDesk 中搭建仿真場景，通過運行已經設計好的V2X 應用場景，由dSPACE 實時機對ASM 動力學模型數(shù)據(jù)、場景數(shù)據(jù)、主從車動態(tài)數(shù)據(jù)等各項信息進行模擬后，通過通信模型中的UDP 模塊將這些仿真數(shù)據(jù)實時發(fā)送給V2X 上位機，再由上位機封裝數(shù)據(jù)分發(fā)給通信件和被測件，最終由通信件PC5 廣播至被測件，從而作為V2X 算法輸入端的信號。與此同時，V2X 算法結合主遠車的運動姿態(tài)，經過實時計算，觸發(fā)相應預警并將產生的V2X 各類預警標志和預警類型信息通過UDP 通信反饋給dSPACE ASM 模型，從而在dSPACE MotionDesk碰撞預警畫面中顯示。

V2X 設備平臺包括車載設備被測OBU 和通信OBU，通信OBU 接收來自V2X 上位機的目標物結構化數(shù)據(jù)，封裝成車輛基本安全消息（BSM）后廣播至被測OBU；被測OBU 運行著V2X 算法，由V2X 算法實時計算車輛信息，通過UDP 模塊，最終將預警信息發(fā)送到dSPACE 平臺。

通過把自身車輛及前方車輛的相關信息作為算法的輸入變量，再利用V2X 算法進行實時計算，最終向駕駛員反饋預警信息。

前文介紹了應用場景的仿真功能實現(xiàn)是源于dSPACE ModelDesk 對場景的搭建，而dSPACEASM 模型及板卡負責配置通信工程和連接V2X 算法，因此需要采用dSPACE 和V2X 設備的聯(lián)合仿真，才能實現(xiàn)應用場景、車輛動力學和通信協(xié)議的整體仿真。

2 模型

仿真測試系統(tǒng)中的模型主要包括基于dSPACE 創(chuàng)建的車輛和場景道路模型，以及V2X算法通信模型。

2. 1 車輛和場景道路模型

2. 1. 1 車輛模型

研究車輛在預期的軌跡行駛過程中的碰撞預警問題，需要高精度的整車動力學模型來模擬真實的駕駛環(huán)境［2］。對于V2X 虛擬仿真測試，傾向于對車輛之間、車輛和行人之間，以及車輛和路側設備之間的信息往來。依照 T/CSAE 53—2020［ 6］搭建的仿真場景，側重于防止行駛車輛在事先設定的駕駛路徑中發(fā)生碰撞并進行預警提醒，因此應建立相應的車輛動力學模型。本平臺基于dSPACE ASM動力學模型，獲取主車和從車的信號。

2. 1. 2 道路模型

采用dSPACE ModelDesk 道路編輯軟件搭建道路模型。在仿真平臺中搭建直道、彎道和十字交叉路口等不同的道路模型，主從車輛的運動軌跡可沿搭建的道路方向自定義路線。

2. 1. 3 場景模型

基于dSPACE ModelDesk 場景編輯軟件，根據(jù)T/CSAE 53—2020［ 6］的應用場景要求，搭建了多種V2V 場景。在dSPACE 中搭建的交叉路口碰撞場景示意圖如圖2 所示。

2. 2 V2X 算法通信模型

T/CSAE 53—2020［ 6］規(guī)范了5 種消息類型：Msg_BSM、Msg_RSI、Msg_RSM、Msg_SPAT 和Msg_MAP［7］，本文主要研究Msg_BSM 消息體。BSM 用來在不同車輛之間傳遞交換車輛自身的安全狀態(tài)信息，車輛通過BSM 的廣播，把加速度、經緯度等信息實時告知周圍車輛，以此支持一系列協(xié)同安全等應用。BSM 常被應用在前向碰撞預警、左轉輔助碰撞預警等安全類場景中，是最常用的V2X 消息。

由于提供完整的符合標準的BSM 需要進行一個完整的上層應用，因此需要將已經完成的碰撞預警算法集成到V2X 終端設備中［2］，將V2X 終端設備與dSPACE 系統(tǒng)中的其他硬件構成一個整體，使得碰撞預警算法與在dSPACE 中搭建的虛擬場景和dSPACE 配置的仿真通信工程一起構成一個完整的上層應用。待整個系統(tǒng)啟動并正常運行以后，從ASM 模型中的車輛動力學、環(huán)境模型等挑選相關的參數(shù)信號，打包輸出，作為V2X 算法模型的輸入。同時，可由V2V 終端設備中的碰撞預警算法對數(shù)據(jù)進行實時計算，產生標準的BSM，并將產生的報警消息發(fā)送至dSPACE ASM 模型中，并與MotionDesk 界面的預警顯示界面接口進行連接。

將dSPACE 實時機柜內部的通信板卡與V2X 設備均接入實驗室同一網絡，配置好IP 地址及端口號，確保雙方能建立通信。將dSPACE ASM 模型中的車輛數(shù)據(jù)打包通過UDP 模塊發(fā)送至V2X 算法進行實時計算，另外在將V2X 端反饋的報警信息經過UDP 通信再送回到dSPACE 模型中，因此，車輛和V2X 端通過通信模型的雙向連接就此建立。

被測V2X 算法中有數(shù)據(jù)接收（接收dSPACE上位機發(fā)來的BSM 車輛狀態(tài)信息）、數(shù)據(jù)處理、防碰撞預警分析、數(shù)據(jù)反饋（UDP 回傳至dSPACE 上位機）和預警。通過V2X 設備接收的BSM，可以得到車輛的速度、加速度、航向角、車燈信息和方向盤轉角等狀態(tài)信息，經緯度等定位信息，以及地圖信息。將dSPACE 的仿真數(shù)據(jù)進行預處理后，傳入V2X 算法模塊進行實時計算，以判斷車輛是否觸發(fā)了預警，并將預警消息返回給dSPACEASM 模型。

按照V2X 算法對數(shù)據(jù)的定義來搭建數(shù)據(jù)通信模型［8］。文中如V2X 接收端的數(shù)據(jù)模型包含：車輛id、車輛坐標、速度、加速度、航向角、車身大小、方向盤角度、車輛事件類型和燈光類型等信息，這些消息均按照BSM 消息體定義進行了轉換；如V2X預警端的數(shù)據(jù)模型包含：預警序號、預警時間戳、預警類型和碰撞距離及碰撞時間等信息，接收預警消息端可憑上訴數(shù)據(jù)對合理的預警結果進行顯示；如dSPACE 通信模型主要包含對V2X 接收端和預警端數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理及傳輸。

為提升發(fā)送效率，減少協(xié)議建立連接的時延及記錄雙發(fā)收發(fā)狀態(tài)的額外投入消耗［9］，采用UDP 形式來實現(xiàn)仿真主機與V2X 算法模型的通信。

所有數(shù)據(jù)都會經過基于Simuink 軟件封裝的UDP 傳輸模塊輸出口發(fā)送給V2X 算法端。UDPtransmit 是dSPACE 基于Simuink 軟件封裝的UDP傳輸模塊，用來向V2X 端串口發(fā)送數(shù)據(jù)。而BytePack 模塊則將主車、前車的位置、速度和加速度等信息進行打包后［10］，通過UDP transmit 傳送給V2X算法端的通信模塊并向外發(fā)送。

當輸出報警消息時，待測OBU 則作為整個系統(tǒng)的一部分，內部載有設計好的V2X 碰撞預警算法，并將報警消息發(fā)送給dSPACE 顯示界面。

V2X 算法模型運行在V2X 設備端ubuntu 系統(tǒng)中，動力學和場景模型運行在dSPACE 實時裝置中，兩者通過基于dSPACE 內部封裝的UDP 通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。在Simulink 軟件中搭建好上述通信模型，以實現(xiàn)仿真場景數(shù)據(jù)發(fā)送及預警信號的接收。

此外，按照車聯(lián)網應用層標準通信協(xié)議設計相關消息集的封裝及發(fā)送模塊的要求，V2X 預警信號同樣采用了UDP 形式傳回至dSPACE 模型的預警信號接收模塊［9］。在Simulink 軟件中基于dSPACE內部封裝的UDP 數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊，可將仿真場景中的主從車數(shù)據(jù)和V2X 消息以UDP 形式進行打包發(fā)送，而V2X 算法端接收信號后觸發(fā)相應的場景功能，以UDP 形式將相關預警數(shù)據(jù)回傳至Simulink 軟件中的UDP 接收模塊，通信模型將此OBU 預警信號傳回至預警接收模塊，并在MotionDesk 上顯示圖像播報。

3 聯(lián)調測試

3. 1 V2X 與dSPACE 聯(lián)調測試流程

本文主要研究了V2V 應用場景，設計開發(fā)了基于dSPACE 的V2X 聯(lián)調仿真測試系統(tǒng)。在dSPACE 上位機中運行場景和車輛模型仿真軟件，場景仿真軟件中運行之前設計的V2X 應用場景，建立通信模型并將場景中的數(shù)據(jù)與被測V2X 算法進行信息交互，從而實現(xiàn)2 個仿真系統(tǒng)間的協(xié)同仿真。具體測試流程如圖3 所示。

3. 2 驗證樣例分析

V2V 通信技術是V2X 中較關鍵的部分之一，可監(jiān)測道路行駛中其他車輛的速度、位置等對其他駕駛員無法開放的“隱藏”數(shù)據(jù)，同時能夠自動預測在該車行車道路前方是否會發(fā)生可能的碰撞［11］。以前向碰撞預警（FCW）和十字交叉路口V2V 碰撞預警（ICW）的測試過程為例，進行V2X 聯(lián)調仿真以驗證系統(tǒng)的應用功能。

3. 3 測試結果分析

3. 3. 1 仿真時延驗證

為了驗證聯(lián)調仿真測試系統(tǒng)跨系統(tǒng)間的仿真通信時延是否能滿足測試要求，可直接采用數(shù)字計數(shù)法測量時間間隔［12］。

將dSPACE 主車車速發(fā)給V2X 端，V2X 再將信號回傳至dSPACE，在ControlDesk 界面同時觀測主車車速及V2X 回傳車速信號，計算2 個車速信號均降為零時的瞬間時間間隔ΔT。

ΔT =| T1 - T2 | （1）

式中：T1 為dSPACE 發(fā)送端車速降為零的時刻；T2為V2X 端回傳的車速降為零的時刻。

仿真通信延遲圖如圖4 所示。

從圖4 可以看出，V2X 系統(tǒng)與dSPACE 系統(tǒng)之間的仿真時延約為2.88 ms，能滿足仿真系統(tǒng)對數(shù)據(jù)交互的要求。

3. 3. 2 dSPACE MotionDesk 碰撞預警界面開發(fā)

在dSPACE 模型中創(chuàng)建預警通信模型，并通過UDP 通信接收V2X 算法反饋的預警信息。在dSPACE MotionDesk 碰撞預警開發(fā)端設置對應的數(shù)據(jù)庫及預警顯示界面，如設置與預警類型對應的預警圖片及文字，設置圖片與文字在畫面中的顯示位置等。然后在仿真過程中，經過實時運算和判斷，當接收到碰撞預警信號時，dSPACE 預警顯示界面端可根據(jù)V2X 算法將預警結果進行圖片和預警類型的切換展示，如圖5 所示。當觸發(fā)預警時，會顯示相對應的預警圖片；當無預警發(fā)生時，將顯示正常行駛圖片，從而實現(xiàn)所需的碰撞預警提示效果。具體預警界面顯示效果如圖6所示。

4 結語

為了對相互獨立的V2X HIL 系統(tǒng)和自動駕駛HIL 系統(tǒng)中的相關應用場景及功能進行全鏈路的閉環(huán)仿真測試，通過將dSPACE HIL 仿真測試系統(tǒng)與V2X 系統(tǒng)進行聯(lián)調，搭建了一套能夠同時驗證C-V2X 通信功能和單車智能感知功能的HIL 測試系統(tǒng)，有機整合了V2X 與自動駕駛的HIL 測試需求。同時，通過對V2X 應用場景的仿真，驗證了本聯(lián)調仿真測試系統(tǒng)能夠正確實現(xiàn)對單車智能駕駛功能測試、V2X 被測算法的驗證及預警功能的顯示，也驗證了本聯(lián)調仿真測試系統(tǒng)方案的有效性。綜上，所提出的方案具有成本可控、高安全性和可重復性測試等特點，可用于自動駕駛單車智能HIL測試和V2X 測試的聯(lián)調仿真測試評價。

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