Altran于1996年創(chuàng)立，公司總部設(shè)在意大利羅馬。30多年來，Altran一直為航空航天、汽車、國防、能源、金融、生命科學(xué)、鐵路、電信等領(lǐng)域的重量級企業(yè)提供專業(yè)服務(wù)。作為工程和研發(fā)(ER&D)服務(wù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，Altran通過開發(fā)面向未來的產(chǎn)品和服務(wù)為客戶提供了一種全新的創(chuàng)新方式。從概念形成到工業(yè)生產(chǎn)，Altran始終與客戶并肩奮斗，確保項目價值鏈中每個環(huán)節(jié)的成功。

隨著汽車逐漸向自動駕駛方向發(fā)展，越來越多的車輛需要進(jìn)行硬件在環(huán)(HIL)測試，以對高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)進(jìn)行功能驗證，因為這一系統(tǒng)預(yù)計將在自動駕駛技術(shù)中發(fā)揮著核心作用。本文概述了Altran與NI基于傳感器融合理念、合作打造的ADAS HIL，分享了初步研究工作的主要成果，并重點介紹了用于實現(xiàn)該應(yīng)用的關(guān)鍵系統(tǒng)級元件。

1  何為傳感器融合

如今，許多汽車都配備了多個高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），這些系統(tǒng)基于不同的傳感器，如雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)或超聲波。過去，這些傳感器分別執(zhí)行特定功能，僅在極少數(shù)情況下才相互共享信息。駕駛員收到的信息量與使用的傳感器數(shù)量成正比。如果傳感器數(shù)據(jù)充足并且通信到位，就可以使用智能算法來創(chuàng)建自動駕駛系統(tǒng)。

傳感器融合是將來自不同傳感器的信息組合在一起，以更準(zhǔn)確地反映汽車周圍的環(huán)境。為了提高安全功能和自動駕駛系統(tǒng)的可靠性，傳感器融合是必不可少的一個環(huán)節(jié)。


圖1.汽車周圍環(huán)境“視圖”

2  何時使用傳感器融合

傳感器融合適用于所有類型的傳感器。一個典型的例子是將前置攝像頭和前置雷達(dá)提供的信息加以融合。攝像頭只能在可見光譜下工作，不適用于雨天、濃霧、太陽眩光和黑暗等環(huán)境，但是在識別顏色（如道路標(biāo)記）方面十分可靠。而雷達(dá)，即使在低分辨率下，也可用于探測距離，并且環(huán)境條件對雷達(dá)沒有太大影響。

● 采用前置攝像頭和雷達(dá)的傳感器融合的典型ADAS功能包括：

自適應(yīng)巡航控制(ACC)-這一車輛巡航控制系統(tǒng)能夠根據(jù)交通狀況調(diào)整車速。當(dāng)與前方車輛的距離低于安全閾值時，速度會降低。當(dāng)?shù)缆窌惩ɑ蚺c下一輛車的距離在可接受范圍內(nèi)時，ACC會加速回到設(shè)定的速度。

● 自動緊急制動(AEB)-通過在特定碰撞情況下降低速度或在危急情況下以其他方式警告駕駛員來控制制動系統(tǒng)。

3  ADAS HIL測試環(huán)境套件(AHTES)

為了驗證復(fù)雜的系統(tǒng)，必須創(chuàng)造一個合適的測試環(huán)境，能夠有效地為傳感器提供激勵信號，以對車輛在真實條件下的行為進(jìn)行驗證。

Altran Italia已將基于NI技術(shù)的創(chuàng)新型雷達(dá)目標(biāo)模擬器和3D虛擬道路場景模擬器集成到HIL系統(tǒng)中，以生成基于場景的測試程序，該測試程序可完全同步攝像機(jī)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，以驗證傳感器融合算法。


圖2.ALTRAN-NI ADAS HIL測試解決方案

3D場景基于UnityTechnologies開發(fā)的一款跨平臺游戲引擎——Unity3D圖形引擎，可完全針對各種車道、照明條件和軌道類型等參數(shù)進(jìn)行自定義配置。此外，市面上還有多種其他圖形模型環(huán)境（如IPGCarmaker和TASSPreScan），用途類似。

圖形引擎從置于車輛擋風(fēng)玻璃上的攝像頭的視角再現(xiàn)場景。而且場景可以根據(jù)距離地面的高度和攝像頭的視場進(jìn)行修改。此外，該引擎還可以在指定速度下，顯示與攝像頭距離設(shè)定距離的障礙物（如一輛車）。



圖3.Unity圖形引擎場景

對于車輛控制，圖形引擎除了接收轉(zhuǎn)向角信息外，還接收制動踏板和油門的位置數(shù)據(jù)。除了這些數(shù)據(jù)，PXI系統(tǒng)也從方向盤和踏板獲取信號(LogitechG29)。動態(tài)車輛模型集成在圖形引擎中，并且高度可配置。


圖4.標(biāo)準(zhǔn)測試場景

根據(jù)所選的障礙場景（以上面的一些示例為起點），圖形引擎會輸出車輛速度以及VRTS生成射頻信號所需的信息。所有輸入/輸出信息都通過專用協(xié)議與PXI進(jìn)行交換，并可根據(jù)需要進(jìn)行更改。

在此系統(tǒng)中，我們通過與PXI-8512/2的CAN通信，從場景生成器檢索關(guān)于雷達(dá)目標(biāo)（距離、雷達(dá)截面、到達(dá)角和速度）的信息。PXI-8512/2是PXI系統(tǒng)的一個雙端口高速CAN/CAN-FD接口，以1Mbit/秒的速度傳輸和接收CAN總線幀。只有在連續(xù)讀數(shù)時，目標(biāo)相關(guān)信息發(fā)生變化，系統(tǒng)才會將信息發(fā)送到障礙生成器。

除了向障礙模擬器發(fā)送數(shù)據(jù)并獲取踏板和轉(zhuǎn)向信號外，PXI還會模擬通過專用車載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)雷達(dá)和攝像頭的CAN消息。CAN消息會與3D虛擬場景和RF目標(biāo)生成器進(jìn)行同步，從而生成正確的環(huán)境來驗證現(xiàn)代攝像頭和雷達(dá)數(shù)據(jù)。

4  組件級概述

下面簡要介紹了各個系統(tǒng)組件以及通信連接/總線：

● 雷達(dá)引擎控制裝置(ECU)-雷達(dá)傳感器的主要任務(wù)是探測目標(biāo)，以及測量其相對于雷達(dá)主機(jī)所在車輛的移動速度和位置。雷達(dá)傳感器是一種單站多通道雷達(dá)，采用76GHz頻段，并配備6根固定雷達(dá)天線。該傳感器可以探測到大約250米外的其他車輛。雷達(dá)配備有加熱鏡頭，可確保即便在下雪和結(jié)冰等惡劣天氣條件下，傳感器也可以正常使用。目標(biāo)相對速度的測量主要是利用多普勒效應(yīng)（反射信號和發(fā)射信號之間的頻率變化），而且可以通過時滯確定與目標(biāo)的距離。ECU根據(jù)攝像頭提供的信息進(jìn)行傳感器融合，負(fù)責(zé)控制ACC和AEB等功能。

● 攝像頭ECU-攝像頭ECU會獲取周圍環(huán)境的圖像，并會提供多條信息（如與車道線和其他目標(biāo)的距離）。這些信息會發(fā)送到雷達(dá)ECU進(jìn)行傳感器融合，但在某些情況下（如存在道路標(biāo)志及需要保持車道時），攝像頭ECU會單獨工作。在這些情況下，ECU會通過車載CAN發(fā)送CAN消息。

● 視頻場景生成器－視頻場景生成器是一個仿真器，其中包含一個車輛系統(tǒng)，可通過CAN通信接收來自PXI-8512/2的輸入并發(fā)送關(guān)于仿真環(huán)境的信息。在仿真過程中，該仿真器會生成距離、雷達(dá)橫截面(RCS)、到達(dá)角、速度等雷達(dá)數(shù)據(jù)，并根據(jù)視頻場景進(jìn)行實時計算。通過第二個屏幕的控制面板，仿真器可以處理與PXI-8521/2的連接、更改天氣條件、調(diào)整雷達(dá)位置以及更換為具有指定速度和距離的新車輛。


圖5.車輛通信模擬

此模擬器是使用Unity3D圖形引擎開發(fā)的，Unity3D圖形引擎是UnityTechnologies開發(fā)的一款跨平臺游戲引擎。該引擎采用模塊化方法，可以輕松地將視頻場景與每個第三方平臺、插件或設(shè)備（如上圖中顯示的LogitechG29）相集成。


圖6.ADAS HIL測試環(huán)境

在HIL系統(tǒng)中使用雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行測試和測量。NI系統(tǒng)具備靈活性、模塊化特性和可擴(kuò)展性，用戶可以輕松地將其與其他I/O集成，作為完整HIL測試系統(tǒng)的一部分來滿足雷達(dá)設(shè)計和測試應(yīng)用的需求，而且也可使用同一個系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)模擬和雷達(dá)設(shè)備測量，從而降低設(shè)備和系統(tǒng)測試的成本。

該系統(tǒng)具備以下功能：

• 通過射頻測量來驗證傳感器性能

• 信號分析：等效全向輻射功率(EIRP)、噪聲、波束寬度和頻率

• Chirp分析：線性分析、過沖分析、記錄和標(biāo)記

• 通過雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行傳感器功能驗證

• 單個和多個目標(biāo)

• 定距和變距

• 多個目標(biāo)場景（距離、速度、大小和到達(dá)角）

• 可自定義的目標(biāo)場景


圖7.包含兩個目標(biāo)和一個到達(dá)角的系統(tǒng)架構(gòu)

圖7的系統(tǒng)由一個PXIe-5840矢量信號收發(fā)儀和一個mmWave射頻頭組成，可以生成兩個具有相同到達(dá)角的目標(biāo)。得益于PXI平臺的靈活性，我們可以輕松地擴(kuò)展系統(tǒng)，以模擬具有多個到達(dá)角的多個目標(biāo)。

圖8的配置具有四個PXIe-5840設(shè)備和四個mmWave射頻頭，最多可以模擬具有四個到達(dá)角的八個不同目標(biāo)。


圖8.包含八個目標(biāo)和四個到達(dá)角的系統(tǒng)架構(gòu)

雷達(dá)目標(biāo)模擬器機(jī)箱不僅可與標(biāo)準(zhǔn)汽車總線通信（CAN或LIN）集成，也可與HIL系統(tǒng)所需的其他類型的工業(yè)通信相集成。該解決方案的模塊化特性使汽車制造商能夠測試具有多個到達(dá)角的復(fù)雜真實場景。此外，該解決方案還可自動測試新車評價規(guī)程(NCAP)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)場景，從而節(jié)省了測試時間和工作量。

5  結(jié)論

Altran演示了其現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)走_(dá)及攝像頭等獨立或配合工作的系統(tǒng)進(jìn)行實驗室驗證。

這兩個組件在確保汽車安全的重要性日益增加，因此能夠在實際車輛測試之前先進(jìn)行實驗室測試的能力至關(guān)重要。

這種驗證方法具有以下優(yōu)點：

• 在樣車試制之前先進(jìn)行驗證，以及時采取糾正措施

• 由于可以提前進(jìn)行測試，因此會大大縮短總體開發(fā)時間

• 系統(tǒng)可全天候運行，從而降低了開發(fā)成本

• 與使用組裝車相比，可以在更短的時間內(nèi)以最小的成本執(zhí)行非回歸測試

雖然ADAS HIL測試環(huán)境套件是Altran基于NI軟件和硬件開發(fā)出來用于驗證和確認(rèn)目的的，但其用途并不局限于這些范疇；實際上，該套件也可用來校準(zhǔn)ECU以探索汽車測試所需的參數(shù)。

ADAS可與開關(guān)負(fù)載信號調(diào)節(jié)(SLSC)硬件等其他NIHIL硬件產(chǎn)品完全集成，用于標(biāo)準(zhǔn)化和路由信號、切換負(fù)載和信號調(diào)理。利用VeriStand實時測試軟件，每個組件都可以集成到一個可以與實時HIL系統(tǒng)交互的框架中。


圖9.SLSC如何融入HIL系統(tǒng)

在網(wǎng)聯(lián)汽車和高級汽車技術(shù)領(lǐng)域，如信息娛樂測試、電池管理系統(tǒng)測試、V2X通信、車輛噪聲和振動分析等領(lǐng)域，NI擁有眾多行業(yè)領(lǐng)先的合作伙伴，并基于與這些伙伴的合作關(guān)系，不斷擴(kuò)展其平臺的功能。


圖10.聯(lián)網(wǎng)汽車的VX2、激光雷達(dá)和GNSS

“NI系統(tǒng)具有靈活性、模塊化特性和可擴(kuò)展性等特點，因此用戶能夠輕松將其與其他I/O相集成，以構(gòu)建完整HIL測試系統(tǒng)來設(shè)計和測試?yán)走_(dá)。同時NI系統(tǒng)兼具目標(biāo)模擬和雷達(dá)設(shè)備測量功能，使用戶無需購買多個系統(tǒng)，從而降低設(shè)備和系統(tǒng)測試成本。”-- GiuseppeDoronzo，AltranItalia高級架構(gòu)師