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無(wú)人駕駛基本原理及其測(cè)試技術(shù)

2019-08-29 20:12:23·  來(lái)源：車輛技術(shù)  
　
評(píng)測(cè)NI的無(wú)人駕駛測(cè)試方案在后臺(tái)獲得了一些業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的踴躍交流和互動(dòng)，師子小分隊(duì)成員們都感覺(jué)非常榮幸，決定百尺竿頭更進(jìn)一步，把HIL的基本原理和無(wú)人駕駛
“評(píng)測(cè)NI的無(wú)人駕駛測(cè)試方案”在后臺(tái)獲得了一些業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的踴躍交流和互動(dòng)，師子小分隊(duì)成員們都感覺(jué)非常榮幸，決定百尺竿頭更進(jìn)一步，把HIL的基本原理和無(wú)人駕駛領(lǐng)域的相關(guān)測(cè)試技術(shù)結(jié)合起來(lái)，做進(jìn)一步系統(tǒng)性介紹，希望大家能夠喜歡~
 
01、無(wú)人駕駛到底是個(gè)啥？
  
這個(gè)問(wèn)題好像挺尷尬的，“無(wú)人駕駛”就是機(jī)器代替人開(kāi)車嘛。人開(kāi)車的時(shí)候，要用耳朵聽(tīng)、眼睛看，做出判斷，去控制方向盤(pán)、油門(mén)剎車，從而在遵守交通法規(guī)的前提下，到達(dá)目的地。無(wú)人駕駛也是完全一樣，只不過(guò)控制車輛的是一個(gè)“控制器”，這個(gè)控制器要通過(guò)傳感器去觀察路況和周圍環(huán)境，通過(guò)自己的軟件算法，也去控制油門(mén)、剎車、方向盤(pán)等操控設(shè)備，從而在遵守交通法規(guī)的前提下，到達(dá)目的地。
 
美帝國(guó)主義對(duì)無(wú)人駕駛有級(jí)別分類，從L1到L5，“L”后面的數(shù)字越大，說(shuō)明無(wú)人駕駛做得越好、越強(qiáng)、越完善，大家可以百度查一下。


“ADAS”全稱是“Advncd Driver Assistant System”，是高級(jí)輔助駕駛的意思；“AD”全稱是“Autonomous Driving”，它才是無(wú)人駕駛的意思。但是，目前行業(yè)環(huán)境下，這種咬文嚼字意義不大，因?yàn)樗鼈兌际侵钢悄荞{駛，所以大家普遍統(tǒng)稱它們?yōu)?ldquo;ADAS無(wú)人駕駛”。
 
ADAS控制器是無(wú)人駕駛的決策中樞，它也是一個(gè)單片機(jī)，但是性能非常強(qiáng)大，特別是圖像圖像處理方面。多數(shù)汽車芯片供應(yīng)商都發(fā)布了無(wú)人駕駛相關(guān)的處理芯片，比如飛思卡爾、瑞薩、mobileye等公司，當(dāng)然，在這個(gè)領(lǐng)域?qū)嵙ψ顬閺?qiáng)大的，還數(shù)美國(guó)的英偉達(dá)（當(dāng)然，Mobileye也不差）。
 
除了芯片這個(gè)層面之外，還有一些公司會(huì)使用上面那些廠商的芯片，做成商品級(jí)的ADAS控制器，拿來(lái)賣，比如博世、電裝等。
 
除了無(wú)人駕駛芯片和ADAS控制器之外，還有一些公司在搞ADAS的算法開(kāi)發(fā)，它們可能是買的ADAS控制器，然后自己做ADAS軟件算法，下載到ADAS控制器里面去，賣給車企，比如百度、華為、博世等。
 
當(dāng)然，也有賣ADAS開(kāi)源算法的，但是，這個(gè)算法到底行不行，是最新的算法代碼還是一兩年前的版本，這個(gè)不太好判斷，估計(jì)最新的源碼應(yīng)該是不賣的吧。
 
除此之外，ADAS領(lǐng)域還有一些傳感器供應(yīng)商，它們供應(yīng)ADAS系統(tǒng)的眼睛和耳朵，負(fù)責(zé)“眼光六路耳聽(tīng)八方”，比如攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)等等。
 
還有一些相關(guān)的配套廠商，比如提供5G傳輸?shù)?，提供圖像LVDS傳輸?shù)牡鹊取?/div>


當(dāng)然，還有一些是做ADAS系統(tǒng)測(cè)試的，這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)前也是相當(dāng)火，這也是本篇文章的重點(diǎn)所在。
 
02、ADAS測(cè)試的基本原理
  
ADAS測(cè)試也是HIL測(cè)試的一種，我們先來(lái)看看ADAS系統(tǒng)的構(gòu)成，然后再分析一下如何制定測(cè)試方案。
 
攝像頭有帶處理器的，可以先預(yù)處理一下，然后把處理后的信息發(fā)給ADAS控制器，也有不帶處理器的，把采集到的原始信號(hào)全部發(fā)給ADAS控制器。它們的區(qū)別，大致就相當(dāng)于數(shù)字傳感器和模擬傳感器的區(qū)別，誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣不好說(shuō)，但是總體而言，帶處理能力的攝像頭，會(huì)減輕ADAS算法的代碼量，因?yàn)樗鼤?huì)承擔(dān)一部分處理任務(wù)，這就是一個(gè)分工的事情（但是，如何分工，分多少，行業(yè)內(nèi)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)）。如果攝像頭處理得比較少或者幾乎不處理，可以采用LVDS編碼傳輸信息（傳輸速度高），如果攝像頭處理得多一些，可以采用以太網(wǎng)傳輸處理后的信息，如果攝像頭內(nèi)部的處理器干了相當(dāng)大比例的活，甚至可以使用CAN，把處理后的信息傳遞給ADAS控制器。
 
2.1 閉環(huán)測(cè)試
  
我們用HIL測(cè)試的基本原理來(lái)剖析一下上面那個(gè)“ADAS系統(tǒng)基本構(gòu)成圖”。ADAS控制器發(fā)出的“轉(zhuǎn)向、加減速”等信息，按道理，如果想測(cè)得比較逼真，是需要一個(gè)場(chǎng)景模型的，這個(gè)“場(chǎng)景模型”可以通過(guò)“積分”等算法，知曉車輛在場(chǎng)景里的位置，而我們能夠在場(chǎng)景顯示界面里看到車的動(dòng)畫(huà)效果，栩栩如生，這就叫“閉環(huán)測(cè)試”。
 
但是，這種情況下，攝像頭、雷達(dá)的信息，是不可能再通過(guò)“回放”的方式去輸入給ADAS控制器了，因?yàn)樗^“閉環(huán)”，它的本質(zhì)意義就是，“第二類整車模型”的處理結(jié)果，要反饋輸入給被測(cè)對(duì)象，而這個(gè)“處理結(jié)果”，當(dāng)然包括車輛所處的“場(chǎng)景視野”、“攝像頭信息”，此種情況下，攝像頭信息只能來(lái)自這個(gè)閉環(huán)的“場(chǎng)景模型”，這個(gè)“場(chǎng)景模型”，一般就是指CarMaker、PreScan一類軟件。
 
場(chǎng)景軟件的場(chǎng)景，一般都是怎么送給ADAS系統(tǒng)的呢？看一下下面這個(gè)圖：
 

 
這就是一些廠家做的ADAS測(cè)試方案，叫“攝像頭在環(huán)”，其“虛實(shí)結(jié)合”的切割方法如下圖所示（→→HIL27講，零基礎(chǔ)教程，從根本原理上探討HIL的切割方法，師子一號(hào)一直搞不懂為什么叫這么名字，不就是形成了一個(gè)閉環(huán)嗎？這樣的閉環(huán)場(chǎng)景模型，也幾乎沒(méi)有人工控制的接口了）：
 

他們把CarMaker的場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)播放在了一個(gè)屏幕上，然后用攝像頭去拍攝這個(gè)屏幕，假裝自己就在鄉(xiāng)野公路上快樂(lè)地馳騁，路上根本沒(méi)有其他車，或者雖然有，但是很少而且都特別規(guī)矩。

我們先不去評(píng)價(jià)這種場(chǎng)景軟件（場(chǎng)景軟件=場(chǎng)景模型，朋友們后續(xù)可以這么理解）生成的場(chǎng)景是否實(shí)用、能否足夠深度地考察ADAS控制器，單就這個(gè)投影屏幕而言，它對(duì)場(chǎng)景模型生成的場(chǎng)景的還原度，是值得商榷的。
 
比如，它只能使用攝像頭，雷達(dá)什么的就別想了，你用雷達(dá)對(duì)著投影幕布，測(cè)出來(lái)的是到屏幕的距離，而絕非到屏幕中“前車”的距離。

受限于顯示技術(shù)，如果場(chǎng)景軟件中，對(duì)面會(huì)車來(lái)了一輛開(kāi)著遠(yuǎn)光燈的寶馬，那這個(gè)屏幕也是幾乎不可能仿得出來(lái)的。

此外，顯示器畢竟也是一個(gè)物體，即使“場(chǎng)景”非常理想，光照適中、沒(méi)有太亮和太暗的部分、天氣晴朗、車況簡(jiǎn)單，那么，你用攝像頭拍出來(lái)的，也是像蒙上了一層?xùn)|西。“這層?xùn)|西”當(dāng)然需要在ADAS算法中把它處理掉，然后在實(shí)車上，是不存在“這層?xùn)|西”的，理論和實(shí)際脫節(jié)了一丟丟哦（當(dāng)然，可能也有那種非常專業(yè)的顯示設(shè)備，人眼根本看不出來(lái)是屏幕還是真實(shí)世界，師子小分隊(duì)的成員們都沒(méi)用見(jiàn)到過(guò)，不好評(píng)論）……
 
后來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，攝像頭也變得強(qiáng)大了，內(nèi)部又可以劃分為攝像頭和攝像頭ECU了（前面我們說(shuō)的帶處理能力的攝像頭，指的就是這個(gè)“攝像頭ECU”處理的），如果能跳過(guò)這個(gè)效果不太好的投影屏拍攝環(huán)節(jié)，直接把場(chǎng)景軟件生成的圖像圖像數(shù)據(jù)（雷達(dá)數(shù)據(jù)也類似）發(fā)給攝像頭ECU，不是更好嗎？


這個(gè)是可行的，因?yàn)閿z像頭這個(gè)環(huán)節(jié)，是標(biāo)準(zhǔn)化的，它向攝像頭ECU發(fā)送信息，無(wú)論是協(xié)議數(shù)據(jù)格式還是插件接口類型，都是標(biāo)準(zhǔn)化的，所以場(chǎng)景軟件完全可以直接造出這種數(shù)據(jù)格式，直接送給攝像頭ECU，這種情況下的HIL測(cè)試系統(tǒng)，切割點(diǎn)又變化了。如上圖所示，是從攝像頭內(nèi)部的連接線處進(jìn)行切割，被有些公司成為“攝像頭ECU在環(huán)”（搞不懂這名字到底是怎么起的）。
 
如果我們想更進(jìn)一步，把攝像頭ECU也跳過(guò)，直接按照攝像頭ECU和ADAS控制器之間的交互協(xié)議，通過(guò)場(chǎng)景軟件把信息發(fā)給ADAS控制器，可以嗎？這個(gè)要看情況，如果攝像頭ECU沒(méi)有做邏輯算法處理，直接把原始數(shù)據(jù)編碼成LVDS或者以太網(wǎng)信號(hào)，那是可以的，比如我們用LVDS板卡，把場(chǎng)景生成的信息流轉(zhuǎn)換成ADAS控制器可以接收的類型，就可以了。但是，如果攝像頭ECU承擔(dān)了一定的處理任務(wù)，就很難再跳過(guò)攝像頭ECU了，因?yàn)槎鄶?shù)情況下，你并不知道它承擔(dān)了多少，干了哪些活，除非攝像頭ECU也是場(chǎng)景軟件商家提供的，或者等有一天，攝像頭ECU干的活也標(biāo)準(zhǔn)化了，才可能行。
 
當(dāng)我們把攝像頭跳過(guò)去之后，“拍攝屏幕”所導(dǎo)致的弊端，也就不存在了，這個(gè)時(shí)候，這個(gè)方案的優(yōu)劣，就取決于場(chǎng)景模型的質(zhì)量了。其實(shí)這個(gè)也沒(méi)太多可說(shuō)的，場(chǎng)景模型的圖像，非常理想化，有可能無(wú)法檢查出潛在的功能缺陷，而且可能難以適應(yīng)中國(guó)復(fù)雜的國(guó)情和路況，所以，這種測(cè)試方法，像有些朋友們說(shuō)的那樣，適合實(shí)驗(yàn)室理論研究，以及工程上的粗略初步測(cè)試，不能直接上車。
 
我們發(fā)現(xiàn)個(gè)問(wèn)題哈，攝像頭被跳過(guò)了，但是如果攝像頭出問(wèn)題了咋辦？這個(gè)也好辦，把攝像頭拎出來(lái)單獨(dú)測(cè)試就好了，很多企業(yè)就是這么干的，只測(cè)攝像頭，環(huán)節(jié)也少，效果也直觀，就像師子一號(hào)在之前介紹BMS的HIL測(cè)試那樣，有些企業(yè)，會(huì)單獨(dú)把采集器拎出來(lái)做HIL測(cè)試。
 
2.2 開(kāi)環(huán)測(cè)試

開(kāi)環(huán)測(cè)試并不像它的名字給人的感覺(jué)那么低級(jí)，相反，在HIL測(cè)試領(lǐng)域，因?yàn)殚_(kāi)環(huán)測(cè)試具有極大的靈活性，并且對(duì)設(shè)備的要求相對(duì)較低，所以它算是一種更高級(jí)更高效的做法，對(duì)工程師的要求更高。
 
關(guān)于開(kāi)環(huán)測(cè)試，我們可以用VCU的HIL測(cè)試來(lái)做個(gè)比方，如下圖所示，這是個(gè)閉環(huán)的：
 

車輛模型根據(jù)VCU發(fā)出來(lái)的“扭矩需求值”，通過(guò)各種計(jì)算公式，得出車速，把車速再反饋給VCU。VCU根據(jù)車速和踏板深度，查表得出“扭矩需求值”，又發(fā)給車輛模型。其中“踏板深度”是個(gè)軟件控件，由測(cè)試員操作，測(cè)試員在軟件界面上“踩下”一定深度，可以非常直觀地看到車速的變化，這，就是閉環(huán)HIL測(cè)試。
 
但是這種“閉環(huán)”，師子一號(hào)并不推崇，因?yàn)樗撕每础⒅庇^之外，對(duì)VCU測(cè)試而言并沒(méi)有太大幫助，如果要檢測(cè)VCU的功能，我們只需要看“扭矩需求值=f（踏板深度，車速）”的對(duì)應(yīng)關(guān)系是否準(zhǔn)確成立就可以了，開(kāi)環(huán)測(cè)試完全可以搞定，而且覆蓋率更高。
 
所謂開(kāi)環(huán)測(cè)試，我們還用上圖為例，車速就不是整車模型反饋回來(lái)的了，而是我們?nèi)藶橹圃斐鰜?lái)的，比如上圖中，我們把踏板深度設(shè)置為80%（很深了），把車速設(shè)置為20kmph，這個(gè)時(shí)候，我們用紙筆算一下，扭矩需求值大概是150Nm，所以VCU輸出的期望值，就是150Nm。這個(gè)時(shí)候，如果我們不修改車速值和踏板深度，VCU輸出的一直是150Nm，給人的感覺(jué)不夠逼真，油門(mén)踩了那么深了，車速就是上不去，但是，這沒(méi)關(guān)系，對(duì)驗(yàn)證VCU的功能而言，已經(jīng)夠了（除非VCU具有車速異常偵測(cè)功能，比如踩下踏板，車速上不去，會(huì)報(bào)錯(cuò)，這個(gè)時(shí)候，你就必須通過(guò)模型或者通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試工具，給它創(chuàng)造一個(gè)合情合理的車速哈~）。
 
開(kāi)環(huán)測(cè)試怎么應(yīng)用到ADAS測(cè)試?yán)锩婺兀?br />  
首先，場(chǎng)景模型就不要想了，不存在的。


開(kāi)環(huán)測(cè)試的設(shè)備要求很簡(jiǎn)單，方法很靈活，一般都是把實(shí)車上攝像頭、雷達(dá)發(fā)給ADAS信號(hào)同步錄制下來(lái)，它們之間用什么協(xié)議傳輸，你就要用什么協(xié)議的設(shè)備錄制下來(lái)，比如用的是LVDS協(xié)議的話，可以采用德國(guó)GOEPEL公司的專用設(shè)備，然后拿到實(shí)驗(yàn)室回放，在同一時(shí)間坐標(biāo)下，比對(duì)ADAS輸出的“油門(mén)”、“剎車”、“轉(zhuǎn)向”等信號(hào)就可以了，當(dāng)然，也可以比對(duì)更多的信號(hào)，這樣會(huì)更詳細(xì)精確一些。最理想的情況，當(dāng)然是ADAS輸出的信號(hào)，和一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的老司機(jī)開(kāi)出來(lái)的信號(hào)完全一樣咯~
 
開(kāi)環(huán)測(cè)試存在的累積誤差，比如我們通過(guò)ADAS輸出的“油門(mén)”、“剎車”、“轉(zhuǎn)向”等信息，發(fā)現(xiàn)積分積出來(lái)的軌跡，和車輛的實(shí)際軌跡有明顯出入，但是這一般是不會(huì)有什么問(wèn)題的，因?yàn)锳DAS系統(tǒng)會(huì)根據(jù)誤差之后的“場(chǎng)景”進(jìn)行微調(diào)的，矯正回來(lái)，一般不會(huì)像軌跡積分展示的那樣，開(kāi)到溝里去的。
 
在開(kāi)環(huán)測(cè)試的實(shí)車數(shù)據(jù)錄制中，還有一些企業(yè)會(huì)把攝像頭發(fā)給攝像頭ECU的信號(hào)錄制下來(lái)，這相當(dāng)于錄制的視頻，然后回到實(shí)驗(yàn)室之后，再把視頻回放給攝像頭ECU，驗(yàn)證“攝像頭ECU+ADAS控制器”的整體表現(xiàn)。
 
03、開(kāi)環(huán)測(cè)試和閉環(huán)測(cè)試對(duì)比
  
閉環(huán)測(cè)試采用場(chǎng)景軟件，擁有更加豐富的場(chǎng)景庫(kù)，可以信手拈來(lái)，很方便，但是這些場(chǎng)景多數(shù)都是老外開(kāi)發(fā)的，并不適合中國(guó)國(guó)情，而且場(chǎng)景軟件的路況非常理想，對(duì)ADAS系統(tǒng)的考驗(yàn)很有限，所以，它們更適合做理論研究，或者企業(yè)中進(jìn)行初步粗測(cè)。
 
開(kāi)環(huán)測(cè)試采用的是實(shí)車數(shù)據(jù)，可靠性自然不在話下。開(kāi)環(huán)測(cè)試的麻煩點(diǎn)在于，1，可能會(huì)有有較多的信號(hào)需要比對(duì)標(biāo)注，工作量較大，比較靈活；2，錄制不易，合適的場(chǎng)景不一定能錄得到。關(guān)于第一個(gè)問(wèn)題，業(yè)內(nèi)目前普遍在探索自動(dòng)化核對(duì)方法，對(duì)于第二個(gè)，則借助大數(shù)據(jù)，有望能獲取更多合適的錄制場(chǎng)景，比如借助英偉達(dá)公司建設(shè)的場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，則可以在算法還未開(kāi)發(fā)好的情況下，就準(zhǔn)備提前準(zhǔn)備好測(cè)試case。 
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