基于分層驗(yàn)證模型的汽車自動(dòng)泊車系統(tǒng)性能測(cè)評(píng)方法

Performance Evaluation Method of Automobile Automatic Parking System Based on Hierarchical Verification del

【Abstract】With the rapid popularization of automobiles，automatic parking system，asa frequentlyused function， hasattracted theattentionof the whole industry.Thesystem detects thedistance of surrounding obstacles through ultrasonic sensors， autonomously completes operations such as side parking，reversing warehousing.However， thecurrent industry lacksaunified performanceevaluationstard，which leads todificultiesin technologyling no evidence for teachingtraining.Therefore，this paper discussesthe evaluation methodof automobile automatic parkingsystembasedonhierarchicalverificationmodel，aimstoprovidereferencefortechnicaldevelopment，skil competitionengineering testersof automobileenterprisesbyconstructing multi-dimensional performanceindicators double-loop verification model.

【Key Words】 automatic parking system； hierarchicalverification model；performance evaluation；information security

隨著城市發(fā)展越來(lái)越快，汽車也越來(lái)越多，停車難已成為困擾諸多駕駛員的難題，這一問(wèn)題在空間有限的老舊居民區(qū)以及商業(yè)區(qū)等車輛密集區(qū)域的高峰時(shí)段尤為明顯，這些地方空間狹小，上下班時(shí)段的停車位更為難找。為解決這一問(wèn)題，很多汽車都引人了自動(dòng)泊車系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠車上裝的超聲波設(shè)備測(cè)量車子周圍物體的距離；車上的攝像頭則用來(lái)“看”地上畫的停車線，并借助車輛的定位導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)規(guī)劃路線，從而自主完成側(cè)方車位、倒車人庫(kù)等操作。然而，實(shí)際泊車環(huán)境存在強(qiáng)眩光、低照度、移動(dòng)行人干擾等動(dòng)態(tài)變量，現(xiàn)有測(cè)試方案難以全面覆蓋。文章旨在構(gòu)建一套科學(xué)、可復(fù)用的自動(dòng)泊車系統(tǒng)測(cè)評(píng)方法，以破解測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)缺失這一瓶頸，通過(guò)建立多維度性能指標(biāo)體系與分層驗(yàn)證模型，推動(dòng)測(cè)試流程規(guī)范化，從而為智能駕駛技術(shù)的大規(guī)模安全應(yīng)用掃清障礙。

1自動(dòng)泊車系統(tǒng)定義與分類

自動(dòng)泊車系統(tǒng)又稱為自動(dòng)泊車入位，是通過(guò)車載傳感器和車載處理器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別可用車位，并自動(dòng)正確地完成停車入車位動(dòng)作的系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)化程度，自動(dòng)泊車可分為半自動(dòng)泊車、全自動(dòng)泊車、記憶泊車、自主代客泊車四種產(chǎn)品形態(tài)。其中，半自動(dòng)泊車系統(tǒng)僅承擔(dān)方向盤轉(zhuǎn)向控制任務(wù)，駕駛員需全程控制油門、制動(dòng)及擋位切換，根據(jù)系統(tǒng)提示執(zhí)行加速、制動(dòng)和換擋操作，適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)車位場(chǎng)景。全自動(dòng)泊車系統(tǒng)依靠車輛內(nèi)部域控制器來(lái)工作，域控制器會(huì)計(jì)算出車輛行駛速度、方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及掛前進(jìn)擋還是倒擋，從而控制轉(zhuǎn)向的電機(jī)、電子制動(dòng)裝置和負(fù)責(zé)換擋的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車輛的前進(jìn)、后退和調(diào)整方向等操作，整個(gè)過(guò)程不需要駕駛員動(dòng)手操作方向盤、踩油門或制動(dòng)。這種系統(tǒng)滿足了前后距離很近的垂直車位、斜列車位停車需要。記憶泊車系統(tǒng)在全自動(dòng)泊車的基礎(chǔ)上增加了一項(xiàng)功能，即其能記住并重現(xiàn)特定的停車路線。當(dāng)駕駛員第一次手動(dòng)將車停進(jìn)某個(gè)特定位置時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄車輛移動(dòng)軌跡的裝置，將數(shù)據(jù)保存下來(lái)。下次車輛再進(jìn)入這個(gè)相同的地點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)基于這一數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合車輛當(dāng)前傳感器看到的環(huán)境情況自動(dòng)完成泊車，從而實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人操作的停車服務(wù)，該系統(tǒng)特別適合用在大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等有大型公共停車場(chǎng)的場(chǎng)所。

2自動(dòng)泊車系統(tǒng)測(cè)評(píng)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1多維度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

要科學(xué)地評(píng)價(jià)自動(dòng)泊車系統(tǒng)，需建立量化指標(biāo)體系，從空間控制精度、時(shí)間效率、運(yùn)動(dòng)平順性和系統(tǒng)可靠性四個(gè)方面考察。其中，空間控制精度直接關(guān)系到會(huì)不會(huì)剮蹭到旁邊的車或物體，影響安全；時(shí)間效率影響駕駛員體驗(yàn)滿意度；運(yùn)動(dòng)平順性反映了控制車輛的核心程序是否足夠完善；系統(tǒng)可靠性則是這項(xiàng)功能最終能否真正投入實(shí)際使用的基礎(chǔ)條件。為保證不同測(cè)試結(jié)果之間具有可比性，指標(biāo)測(cè)試必須在嚴(yán)格控制的試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境溫度所有測(cè)試需在溫度范圍 -10～45^°C ，光照強(qiáng)度在100～100000lux ，路面摩擦系數(shù)在0.7＼～0.9，以公平地評(píng)價(jià)不同自動(dòng)泊車系統(tǒng)的真實(shí)性能。核心性能參數(shù)見(jiàn)表1。

橫向?？科畹臏y(cè)量是以車輛后輪的中心點(diǎn)作為起點(diǎn)，使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)獲取這個(gè)中心點(diǎn)的位置信息（若中心點(diǎn)離理想位置左右偏移超過(guò) 0.15m ，則車門將會(huì)碰撞障礙物）。最大泊入耗時(shí)的測(cè)量是從系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)始停車的信號(hào)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到車輛完全停穩(wěn)（停車時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將影響其他車輛通行，增加道路擁堵的風(fēng)險(xiǎn)）。方向盤角速度波動(dòng)反映控制車輛轉(zhuǎn)向的電機(jī)工作是否平順，通過(guò)車輛內(nèi)部的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)每秒記錄一次方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度變化量，然后計(jì)算這些變化量的波動(dòng)大小，波動(dòng)值大說(shuō)明控制車輛轉(zhuǎn)向的電腦程序還不夠穩(wěn)定和完善2。干預(yù)頻次統(tǒng)計(jì)包含制動(dòng)踏板踩踏、方向盤扭矩超閥或油門觸發(fā)等接管行為，連續(xù)進(jìn)行50次自動(dòng)停車測(cè)試，必須完全不需要任何人工干預(yù)，這個(gè)系統(tǒng)才算達(dá)到可以上市銷售的基本安全要求。

2.2測(cè)試工具鏈技術(shù)規(guī)范

開(kāi)發(fā)驗(yàn)證自動(dòng)泊車系統(tǒng)性能工具，其整體結(jié)構(gòu)需要覆蓋測(cè)試的全部環(huán)節(jié)：環(huán)境模擬、車輛控制、數(shù)據(jù)采集及分析。其中，環(huán)境模擬工具必須能夠靈活地創(chuàng)建各種停車場(chǎng)景，按設(shè)定要求擺放靜止的障礙物和設(shè)置移動(dòng)的物體。車輛控制工具必須能夠通過(guò)車輛底盤的專用通信線路，精確地指揮車輛的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)、制動(dòng)以及加速或減速，同時(shí)，控制必須非常精準(zhǔn)。方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與要求的角度誤差不能超過(guò) ±1^° ；車輛實(shí)際行駛的速度與要求的速度誤差不能超過(guò) ±0.5km/h^[3] 。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時(shí)收集車輛上各種傳感器產(chǎn)生的原始信息和車輛自身的狀態(tài)信息。用于分析測(cè)試結(jié)果的工具內(nèi)部應(yīng)包含自動(dòng)計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的算法，這些算法需要能夠一次性處理多個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算出關(guān)鍵指標(biāo)，這些計(jì)算是評(píng)價(jià)自動(dòng)泊車系統(tǒng)性能的核心。

3自動(dòng)泊車系統(tǒng)性能測(cè)評(píng)

3.1 雙環(huán)驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)

自動(dòng)泊車系統(tǒng)性能測(cè)試采用指令-執(zhí)行雙環(huán)驗(yàn)證模型，以控制指令準(zhǔn)確性和硬件響應(yīng)可靠性為核心，通過(guò)以下兩個(gè)方程構(gòu)建性能測(cè)試體系。

3.1.1 指令生成方程

式中： S_env 1 環(huán)境感知輸入（車位坐標(biāo)、障礙物距離）； P_targei. 一 標(biāo)泊人位姿 （x，y，θ） ； ψ_cmd 輸出的控制指令（方向盤轉(zhuǎn)角δ、車速 v ）。

該方程驗(yàn)證系統(tǒng)決策邏輯要求生成指令滿足以下條件： ① 路徑曲率連續(xù)（曲率變化率 ?0.25m^-1， ；② 終態(tài)位姿誤差 ΔP=|P_target-P_cmd|?10cm ， ?3^° （角度）。

執(zhí)行響應(yīng)方程：

式中： ψ_real —執(zhí)行器實(shí)際輸出（如真實(shí)轉(zhuǎn)向角、車速）； ξ_t. —響應(yīng)時(shí)間窗口； ξ —容差閾值（轉(zhuǎn)向1.5^° 、制動(dòng)延遲 500ms ）。

3.1.2 模型驗(yàn)證流程

1）指令層測(cè)試，向自動(dòng)泊車系統(tǒng)注入標(biāo)準(zhǔn)化場(chǎng)景。靜態(tài)車位測(cè)試，輸入 S_env= （車位長(zhǎng) 5.8m 、寬2.3m ，驗(yàn)證 P_cmd 生成的路徑是否避障且曲率平滑；動(dòng)態(tài)干擾測(cè)試，模擬行人橫穿（ Δv=1.5m/s ），測(cè)試系統(tǒng)在 300ms 內(nèi)重規(guī)劃路徑的能力。

2）執(zhí)行層測(cè)試，在硬件接口施加物理約束。轉(zhuǎn)向精度測(cè)試，輸入 δ_cmd=90^° ，測(cè)量 δ_cmd 在 -40～85^°C 下的偏差；延遲可靠性測(cè)試，制動(dòng)指令發(fā)出后，驗(yàn)證輪胎壓力在 500ms 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值 90% 。

測(cè)試規(guī)程分層模型將復(fù)雜的測(cè)試需求分解為三個(gè)邏輯層級(jí)：頂層主要考核核心安全目標(biāo)和法規(guī)符合性；中層細(xì)化出可執(zhí)行的具體測(cè)試場(chǎng)景；底層明確每個(gè)場(chǎng)景的詳細(xì)執(zhí)行步驟、數(shù)據(jù)要求和判定準(zhǔn)則4。分層設(shè)計(jì)有效解決了測(cè)試規(guī)程編寫中常出現(xiàn)的混雜不清、可追溯性差的問(wèn)題。

3.2信息安全防護(hù)能力驗(yàn)證

自動(dòng)泊車系統(tǒng)需依靠車輛內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)調(diào)方向盤、制動(dòng)、油門等各個(gè)部件的工作，這個(gè)環(huán)節(jié)存在一個(gè)安全隱患：外部人員可通過(guò)方向盤下方的一個(gè)特定接口（OBD診斷口）連接到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送虛假的控制命令，控制車輛。因此，為確保系統(tǒng)安全可靠，須嚴(yán)格測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)能否準(zhǔn)確識(shí)別并成功阻止惡意攻擊行為。安全測(cè)試時(shí)應(yīng)模擬兩種典型的攻擊方式：第一種攻擊方式是直接通過(guò)OBD接口發(fā)送假的車輛控制指令，目的是檢驗(yàn)系統(tǒng)能否發(fā)現(xiàn)這些指令是非法偽造的，并阻止執(zhí)行；第二種攻擊方式是向車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量、快速的數(shù)據(jù)包，人為制造網(wǎng)絡(luò)通信堵塞，觀察車輛關(guān)鍵的制動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能是否及時(shí)、準(zhǔn)確地響應(yīng)指令。

車輛在遭受攻擊時(shí)的表現(xiàn)應(yīng)符合以下要求：當(dāng)發(fā)出制動(dòng)指令后，車輛實(shí)際開(kāi)始制動(dòng)動(dòng)作的時(shí)間延遲不能超過(guò)0.3s；當(dāng)發(fā)出轉(zhuǎn)向指令后，方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與指令要求的角度誤差必須控制在 2^° 以內(nèi)。通過(guò)驗(yàn)證的硬性要求是在連續(xù)進(jìn)行20次專門設(shè)計(jì)的模擬攻擊測(cè)試中，系統(tǒng)必須做到完全阻止任何非法軟件包的安裝，其安裝成功次數(shù)必須為0。

4結(jié)語(yǔ)

本研究聚焦于汽車自動(dòng)泊車系統(tǒng)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建，圍繞功能安全、信息安全、預(yù)期功能三個(gè)要求，通過(guò)定義清晰的測(cè)試規(guī)程分層模型，將抽象的安全目標(biāo)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，顯著提升了測(cè)試的一致性和效率。未來(lái)，自動(dòng)泊車系統(tǒng)性能測(cè)試需緊密跟進(jìn)高精度定位、車路協(xié)同、新型傳感器的應(yīng)用，更新測(cè)試場(chǎng)景庫(kù)與評(píng)價(jià)維度，為自動(dòng)駕駛技術(shù)的規(guī)模化安全應(yīng)用及教學(xué)普及培訓(xùn)保駕護(hù)航。

注：本文為開(kāi)放大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“教師教學(xué)能力比賽背景下課程教學(xué)改革與實(shí)踐—以汽車舒適與安全系統(tǒng)診斷與修復(fù)課程為例”（項(xiàng)目編號(hào)：GZZX2322219）的研究成果。

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（編輯楊凱麟）