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基于 Prescan 的智能駕駛輔助系統(tǒng)在環(huán)研究

2019-05-31 23:49:37·  來源：汽車實用技術(shù)雜志社  作者：趙伊齊  
　
作者簡介姓名：趙伊齊，張引，申成剛，王嚴單位：華晨汽車工程研究院基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0101107）摘要Abstract為在短時間內(nèi)完成大量驗證高級駕
作者簡介
姓名：趙伊齊，張引，申成剛，王嚴
單位：華晨汽車工程研究院
基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0101107）
 
摘要
Abstract
為在短時間內(nèi)完成大量驗證高級駕駛輔助系統(tǒng)的產(chǎn)品性能，利用 Prescan 對控制器進行軟件在環(huán)研究。首先對產(chǎn)品的性能及功能規(guī)范提出開發(fā)需求，作為測試依據(jù)；利用仿真軟件 Prescan 完成測試場景及動力學模型的搭建；運用 Matlab/Simulink 實現(xiàn)自動化測試。結(jié)果表明，利用 Prescan 進行軟件在環(huán)測試，可縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本，有效提高產(chǎn)品性能。
 
前言

高級駕駛員輔助系統(tǒng)（以下簡稱 ADAS）是一項提高安全系數(shù)的主動安全技術(shù)，其主要通過傳感器完成對周圍信號的采集、CAN 等通訊系統(tǒng)完成相關(guān)信號的傳遞。最后將信號傳送給整車控制器，使駕駛員能夠在最快時間內(nèi)察覺可能發(fā)生的情況。
 
目前，很多在研究高級駕駛員輔助系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中引入在環(huán)仿真測試，主要有模型在環(huán)（Model in the loop，以下簡稱 MIL）、軟件在環(huán)（Software in the loop，以下簡稱 SIL）及硬件在環(huán)（Hardware in the loop，以下簡稱 HIL）。MIL主要驗證控制模型，其控制算法模型是否準確實現(xiàn)功能要求；SIL 旨在通過 PC 驗證代碼實現(xiàn)的功能是否實現(xiàn)功能需求；HIL 是將被控對象模型放在模擬整車環(huán)境下進行測試。SIL可實現(xiàn)被控模型算法的在線或離線仿真，減少實際代碼的調(diào)試，從而降低成本。
 
本文利用 Prescan 對控制器軟件進行軟件在環(huán)測試，將對產(chǎn)品提出的功能需求以及安全需求作為測試用例并作為仿真測試依據(jù)，利用 Prescan 完成測試場景以及傳感器模型的搭建；將模型代碼以 S function 的形式進行封裝并通過 simu -link 進行比較；最后基于 Matlab 完成 M 文件的編寫，實現(xiàn)控制器軟件的自動化測試。
 
1 軟件在環(huán)
 
當前 ECU 開發(fā)流程一般是工程師根據(jù)控制目標開發(fā)控制模型，由控制模型生成控制代碼(或者手工編寫控制代碼)，將代碼導入 ECU 硬件然后通過模型仿真被控對象及系統(tǒng)環(huán)境進行硬件在環(huán)測試（HIL）。軟件在環(huán)仿（SIL）測試可通過特定的控制軟件設(shè)置 ECU 的相關(guān)信號代替 HIL 中的硬件，并將待測 ECU 代碼信息集成配置為虛擬 ECU，通過運行虛擬控制器中的 I/O 模型和系統(tǒng)環(huán)境中的車輛模型來模擬控制器所需的各種傳感器信號，并接收虛擬 ECU 發(fā)出的控制信號及臺架傳感器的信號。從而與被測 ECU 的代碼信息和系統(tǒng)環(huán)境模型連接。最終實現(xiàn)閉環(huán)仿真，完成對控制系統(tǒng)進行測試驗證。
由于目前許多汽車公司已經(jīng)從傳統(tǒng)的開發(fā)模式轉(zhuǎn)移到 V形開發(fā)模型（如圖 1），以減少重復的代碼編制和實車試驗。在 V 形開發(fā)模式下，通過 SIL 平臺一方面可在開發(fā)過程中更早介入，確保前期開發(fā)過程中通過對嵌入式軟件的測試及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，以提高整改效率從而大幅節(jié)約 ECU 功能開發(fā)成本和周期；另一方面，由于 SIL 測試采用純軟件仿真的手段，無需真實車輛及 HIL 臺架測試?？稍陂_發(fā)和測試過程中靈活使用，因而軟件在環(huán)測試系統(tǒng)正在成為一種理想的功能測試工具。 
圖 1 V 形開發(fā)模型
 
2 仿真軟件
 
Prescan 是一款用于高級駕駛員輔助系統(tǒng)和主動安全系統(tǒng)開發(fā)驗證的仿真軟件，支持基于攝像頭、雷達、激光雷達等多種應(yīng)用功能的開發(fā)應(yīng)用。包含場景搭建、傳感器建模、開發(fā)控制算法以及運行仿真（如圖 2）。其中場景搭建可利用prescan 自帶軟件庫對道路、交通使用者、環(huán)境模型以及天氣光照等車輛周邊環(huán)境因素的搭建（如圖 2）；實現(xiàn)高級駕駛員輔助系統(tǒng)的前提即為可實時獲取周邊交通以及環(huán)境信息，Prescan 可通過模擬傳感器并保證與真實傳感器功能一致。傳感器建模主要是針對攝像頭、雷達/毫米波雷達以及車聯(lián)網(wǎng)短程通訊傳感器的模型仿真，根據(jù) ECU 軟件提供的傳感器類型可運用 Prescan 對攝像頭和雷達進行不同程度上的仿真。開發(fā)控制算法即通過仿真平臺（Matlab/Simulink），可引入編程工具開發(fā)的算法代碼。本文利用控制器軟件算法作為輸入端接收傳感器模型輸入的傳感器信號，經(jīng)過算法計算作為輸出端發(fā)送請求指令給車輛動力學模型。動力學通過接收的請求指令做出響應(yīng)形成駕駛場景，形成一個閉合的在環(huán)測試，從而達到驗證控制器算法的目的，即為軟件在環(huán)測試。動力學模型可在 Prescan 自帶 demo 基礎(chǔ)上通過更改模型參數(shù)（主要指底盤、傳動系統(tǒng)和發(fā)動機，具體可參考圖 3）或者直接通過第三方仿真軟件直接插入得到理想動力學模型。
圖 2 運行仿真
圖 3 動力學模型
 
3 SIL測試流程
 
3.1 SIL測試
基于 SIL 平臺，測試人員可根據(jù)不同的功能需求實現(xiàn)以下測試：
（1）手工測試
手工測試也稱交互式測試。通常利用 SIL 系統(tǒng)配置相應(yīng)的仿真面板 GUI，從而直接控制變量輸入，并通過仿真面板的控界面直接觀察輸出量的變化是否符合要求。Prescan 仿真軟件提供多種 GUI 單元。用戶可以通過簡單的拖放操作來創(chuàng)建及調(diào)試 GUI（如圖 4）。
圖 4 手工測試
手工測試操作具有較好的問題處理能力，能通過人為的邏輯判斷校驗當前步驟的功能實現(xiàn)正確與否。
 
（2）自動化測試
 
在仿真平臺 Prescan 基礎(chǔ)上利用 Matlab 編寫腳本文件M.驅(qū)動仿真，通過配置完成代碼覆蓋率程度測試。在不同SIL 系統(tǒng)中，雖然配套使用的應(yīng)用軟件不同，但均可通過編寫并運行腳本實現(xiàn)自動測試的目的。通常，不同的測試平臺需要準備不同的測試腳本，測試腳本可隨時修改調(diào)用以方便執(zhí)行測試。腳本編輯完成后，SIL 可對控制器實現(xiàn)自動測試，并在自動測試完成后由應(yīng)用軟件自動生成相應(yīng)的測試報告，下圖為不同傳感器掃描范圍所得到結(jié)果。控制器功能測試需進行回歸測試和重復測試，為節(jié)約測試成本以及提高測試效率。大部分功能測試建議采用自動測試來完成。下圖 5 即為駕駛輔助系統(tǒng)在 Prescan 完成自動化測試所得到的結(jié)果。
圖 5 駕駛輔助系統(tǒng)自動化測試結(jié)果
 
3.2 測試流程
本文基于 MATLAB 和 Simulink 平臺完成自動化測試，SIL 的具體測試流程如下：
3.2.1 測試計劃
系統(tǒng)開發(fā)工程師對產(chǎn)品分別提出性能及功能上的需求，供應(yīng)商根據(jù)需求制定軟件版本釋放計劃，SIL 測試人員根據(jù)軟件釋放計劃和功能集成情況制定相應(yīng)測試計劃及方案。
3.2.2 測試需求
根據(jù) SIL 測試計劃制定測試需求，主要包括：測試樣件需求、工具需求和文件需求。
（1）測試樣件需求：根據(jù)開發(fā)工程師提出的產(chǎn)品需求，提供相應(yīng)的控制器算法、對應(yīng)接口及軟件版本號；
（2）工具需求：根據(jù) SIL 測試的搭建需求制定工具需求列表；
（3）文件需求：整車模型參數(shù)（底盤、傳動以及發(fā)動機相關(guān)參數(shù)）及產(chǎn)品性能規(guī)范。
3.2.3 接收測試文件
測試人員在每一輪軟件釋放時間節(jié)點接收測試軟件，若測試軟件無更新，則開發(fā)工程師需要提前告知測試人員并不用再重新提交。測試人員需要對接收的測試軟件進行登記并管理。
3.2.4 執(zhí)行測試
SIL 測試包括及用戶功能測試、回歸測試。用戶功能測試主要針對控制器的功能進行測試；回歸測試主要是驗證上一輪測試或更早之前發(fā)現(xiàn)的問題是否被解決；
（1）測試人員按照每一輪軟件釋放的 SIL 測試計劃和測試目標執(zhí)行測試任務(wù)；
（2）根據(jù) SIL 測試任務(wù)篩選測試用例；
（3）SIL 場景搭建；
1）將測試用例提出的測試前提作為環(huán)境搭建依據(jù)；
2）完成虛擬道路、交通設(shè)施等元素的搭建；
3）完成虛擬傳感器及車輛動力學模型建模；
4）修改動力學參數(shù)或利用動力學工具，利用外部接口，進行模型載入。
（4）利用腳本驅(qū)動仿真，通過配置或者軟件編寫自動化測試模塊，執(zhí)行自動化測試；
（5）編寫腳本文件，自動生成測試報告，報告應(yīng)包含以下內(nèi)容：
a）本輪 SIL 測試的時間計劃概況；
b）本輪 SIL 測試軟件的版本概況；
c）本輪 SIL 測試的目標；
d）本輪 SIL 集成測試的結(jié)果；
e）本輪 SIL 集成測試的問題概況。
每輪測試階段完成后，都需要提交本輪 SIL 測試報告。
 
3.2.5 分析測試結(jié)果
測試工程師應(yīng)按照測試用例執(zhí)行測試，做好每一條測試結(jié)果記錄，將測試用例給定的期望結(jié)果與測試結(jié)果進行對比，通過記為“OK”，未通過記為“NO”并描述實際測試結(jié)果，當前 SIL 狀態(tài)或者樣件狀態(tài)無法滿足測試的記錄為“NP”（Not Possible）。對于測試出的問題，測試人員需要按照模板編寫問題報告提交給問題管理工程師。
 
4 結(jié)論
 
本文利用仿真軟件 Prescan 完成高級駕駛輔助系統(tǒng)的軟件在環(huán)測試，通過模擬雷達、攝像頭傳感器完成對周圍環(huán)境的監(jiān)測；通過 MATLAB/SIMUlink 完成模型的仿真以及自動化測試運行的腳本文件。結(jié)果表明：在給定的條件下進行仿真，利用仿真軟件完成的軟件在環(huán)測試與實際測試結(jié)果基本相同，很大程度縮短開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。達到理想 效果。 
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