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ADAS系統(tǒng)測試平臺設(shè)計及實現(xiàn)

2020-07-28 22:06:08·  來源：焉知自動駕駛  
　
作者|孫濤 , 丁琴琴 , 李衛(wèi)兵 , 李娟單位 |安徽江淮汽車集團股份有限公司 /汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點實驗室摘要：為實現(xiàn)ADAS系統(tǒng)的仿真測試，解決傳統(tǒng)實車驗證
作者 | 孫濤 , 丁琴琴 , 李衛(wèi)兵 , 李娟     
單位 | 安徽江淮汽車集團股份有限公司 /汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點實驗室
 
摘要：為實現(xiàn)ADAS系統(tǒng)的仿真測試，解決傳統(tǒng)實車驗證存在的測試成本高、周期長、場景不可復用、無法定量分析等問題，設(shè)計實現(xiàn)面向SAE 2級的智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)級測試平臺。提出利用PreScan軟件進行交通場景仿真及虛擬傳感器建模、CarSim軟件進行車輛動力學建模，建立涵蓋真實底盤執(zhí)行系統(tǒng)的測試平臺方案?；贗SO 15622中定義的典型工況進行仿真分析，搭建ACC功能涉及的Cut-off虛擬交通場景；基于試驗數(shù)據(jù)，對車輛動力學及虛擬傳感器進行參數(shù)化建模；測量HWT時間，實現(xiàn)法規(guī)要求參數(shù)的定量分析。構(gòu)建的測試平臺能夠為ADAS系統(tǒng)提供完整的“人-車-路”仿真測試環(huán)境，為國內(nèi)進行ADAS系統(tǒng)測試評價提供一個良好的研究平臺。
 
0 引言
高級駕駛員輔助系統(tǒng)（advanced driver assistant system，ADAS），是利用安裝在車上的傳感器，在汽車行駛過程中實時感應(yīng)周圍的環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，進行靜態(tài)、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤，并結(jié)合導航儀地圖數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)的運算與分析，從而預(yù)先讓駕駛者察覺到可能發(fā)生的危險，有效增加汽車駕駛的舒適性和安全性。它涵蓋了諸如車道偏離報警系統(tǒng)（LDW）、盲點監(jiān)測系統(tǒng)（BSD）、自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）等。
 
ADAS具有廣闊的市場應(yīng)用前景[1]，預(yù)計到2020年，駕駛輔助（DA）、部分自動駕駛（PA）車輛市場占有率將達50%。歐洲NCAP組織已經(jīng)將LDW、AEB系統(tǒng)列入汽車安全評級加分項中，C-NCAP也在2018版將主動安全列入其評分標準。
 
ADAS測試包括軟件在環(huán)（SIL）、硬件在環(huán)（HIL）、車輛在環(huán)（VIL）、場測、路測等環(huán)節(jié)[2-3]，測試內(nèi)容包括傳感器、算法、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)，測試目的包括應(yīng)用功能、性能、穩(wěn)定性和魯棒性、功能安全、形式認證等[4-7]。試驗周期長、成本高、安全無法保障，試驗行駛環(huán)境不可預(yù)測、難以復制/重現(xiàn)、缺乏靈活性、不可自動化測試是ADAS研發(fā)測試的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
 
谷歌、特斯拉、Zoox等很多公司借助模擬仿真的方法力圖使智能汽車的行駛里程盡快達到數(shù)十億英里。荷蘭TASS開發(fā)出仿真軟件PreScan驗證ADAS的控制策略[8]；吉林大學開發(fā)出仿真軟件Panosim可以實現(xiàn)智能汽車道路場景、動力學建模。劉穎等[9]利用PreScan模擬駕駛環(huán)境及車輛控制，搭建駕駛模擬器用于驗證ADAS系統(tǒng)的控制策略的有效性、HMI的接受度及駕駛習慣，但其駕駛模擬器的車輛動力學模型較為簡單，不能很好體現(xiàn)出車輛模型多變量、非線性的特點。何承坤等[10]提出了一種系統(tǒng)的、全面的汽車自動駕駛測評方法，但側(cè)重于對自動駕駛安全性測評分析和架構(gòu)設(shè)計。目前，針對ADAS的仿真測試研究還相對較少，基于此，本文提出了面向SAE 2級的ADAS系統(tǒng)測試平臺設(shè)計及實現(xiàn)的課題。
 
1 測試平臺架構(gòu)
測試平臺如圖1所示，集成了實車制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，可提供完整的ADAS系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真環(huán)境。測試平臺以PXI為核心，基于動力學軟件CarSim和場景軟件PreScan的聯(lián)合仿真。
 
圖 1 測試平臺技術(shù)路線
平臺的構(gòu)架方案主要分為上層算法、底層執(zhí)行機構(gòu)、環(huán)境設(shè)置。上層算法根據(jù)用戶自定義設(shè)計，載入不同控制邏輯，控制算法運算的控制指令通過各接口發(fā)送至底層執(zhí)行機構(gòu)，包括制動壓力請求接口、轉(zhuǎn)向角度請求接口、發(fā)動機扭矩請求接口，其中發(fā)動機扭矩接口，由于未實現(xiàn)發(fā)動機硬件在環(huán)，因此所獲取的信號來自于CarSim模型。底層執(zhí)行機構(gòu)通過各接口獲取指令，并精確響應(yīng)和執(zhí)行。利用場景仿真軟件PreScan進行環(huán)境場景模擬功能，包括工況場景設(shè)置、車輛參數(shù)設(shè)置等，以再現(xiàn)滿足測試要求的真實環(huán)境。
 
2 硬件系統(tǒng)搭建
硬件系統(tǒng)主要包含為兩大模塊：電源模塊和信號模塊。電源模塊主要包括直流12 V、直流5 V、交流220 V和常用電路輔助器件，其中各模塊系統(tǒng)可實現(xiàn)獨立控制。信號模塊是以PXI為核心的信息流動系統(tǒng)，可以完成對模擬信號、數(shù)字信號、CAN 3種形式信號的處理，并可以實現(xiàn)硬件接口的故障注入。
 
2.1 電源管理模塊
機柜最上方的3U插箱是該設(shè)備的PDU單元，主要實現(xiàn)對設(shè)備的電源進行控制、分配、保護等功能，其原理如圖2所示。
 
圖 2 PDU原理圖
 
2.2 實時處理器及板卡
實時系統(tǒng)基于NI的PXI技術(shù)搭建，包括機箱、實時處理器和各類IO板卡。實時仿真系統(tǒng)的主要功能有：Simulink仿真模型的實時運行；與上位機試驗軟件的實時數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)在線調(diào)參和監(jiān)控；通過各類IO板卡，輸出控制器所需信號，并采集控制器發(fā)出的所有信號。標準IO板卡可至少實現(xiàn)如下標準信號的模擬和采集：模擬信號采集和輸出、數(shù)字信號采集和輸出、PWM信號采集和輸出。
模擬總線信號，保證待測控制器正常運行；通過硬件接口接收控制器發(fā)出的各種控制信號，通過模型運算后由IO輸出各種傳感器信號給控制器，從而與控制器構(gòu)成一個閉環(huán)的系統(tǒng)。實時系統(tǒng)及板卡指標如表1所示。
 
2.3 故障注入單元
故障注入模塊模擬常見的車載電氣故障，比如導線的開路、短路等情況，以測試控制器的故障診斷功能，如圖3所示。故障診斷模塊采用分布式控制模式，通過安裝在PC機上的故障注入操作終端，按照指定的故障模型控制故障注入板卡模擬出相應(yīng)的故障，故障注入模塊是車輛仿真器的重要組成部分。
 
圖 3 故障注入原理
測試平臺上位機軟件主要基于CarSim軟件和PreScan軟件實現(xiàn)。CarSim主要提供整車模型和動力學模型、各種工況的設(shè)置、多種數(shù)據(jù)分析和存儲等[11-13]；PreScan進行道路環(huán)境建模及傳感器建模，將識別到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給感知與決策控制運算平臺。上位機軟件PreScan、CarSim運行在Simulink平臺下，通過試驗管理軟件將模型與硬件加載并一一進行映射，實現(xiàn)軟件與硬件的接口通信功能。

3 軟件接口設(shè)計
上位機軟件運行在Simulink平臺中，臺架硬件與模型通過試驗管理軟件進行連接。模型與硬件的接口設(shè)計主要包括：在Simulink環(huán)境下搭建CAN/IO模型及電源控制模型，并編譯生成DLL文件；在試驗管理軟件中加載硬件板卡及模型生成的DLL文件，并導入通信數(shù)據(jù)庫；將硬件資源與模型進行映射連接。
 
為實現(xiàn)信號的正確傳輸，基于Simulink搭建IO模型，用于HIL與模型之間的數(shù)據(jù)交互。通過在試驗管理軟件VeriStand中加載相關(guān)硬件和模型，并將對應(yīng)的信號通道連接（mapping）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸。主要包括需要用到的板卡資源加載（IO板卡、CAN板卡等）、模型數(shù)據(jù)（DLL文件）的加載。通過mapping過程，連接某兩個通道，實現(xiàn)信號從一個通道傳遞到另一個通道。設(shè)置的方式如圖4所示。
 
圖 4 加載及mapping設(shè)置
4 場景仿真與驗證
利用上位機軟件PreScan進行道路環(huán)境建模，CarSim軟件進行動力學參數(shù)化建模，并在PreSan中進行虛擬傳感器參數(shù)配置，針對ISO定義的ACC Cut-off工況進行仿真驗證及分析。

4.1 道路環(huán)境建模
如圖5所示，虛擬場景模型的設(shè)計，從道路模型開始。分析測試場景中道路的相關(guān)參數(shù)，如車道數(shù)、車道寬度、車道標記線、彎曲半徑等。在仿真建模軟件中，將道路元素從元素庫拖放到編輯區(qū)，編輯道路的寬度、車道數(shù)、車道標記線、彎曲半徑等，設(shè)置完成后，生成的道路模型。
圖 5 道路環(huán)境建模
 
4.2 車輛動力學建模
利用CarSim軟件進行車輛動力學建模，通過獲取設(shè)計參數(shù)及臺架試驗數(shù)據(jù)，包括車輛的質(zhì)量參數(shù)、空氣動力學參數(shù)、傳動系參數(shù)、制動系參數(shù)、轉(zhuǎn)向系參數(shù)、懸架K特性、懸架C特性、輪胎特性參數(shù)等8類36個參數(shù)，在軟件中進行相應(yīng)的設(shè)置，并作為S-function的形式發(fā)送到Simulink中，替換掉PreScan中簡易的車輛動力學模塊，車輛動力學參數(shù)化建模所需的數(shù)據(jù)及來源見表2。

4.3 虛擬傳感器建模
為實現(xiàn)在虛擬測試環(huán)境下對待測車輛進行測試，還需要建立待測車輛的傳感器模型。傳感器建模為參數(shù)化建模，以TIS傳感器（通用的掃射傳感器模型，可以通過改變參數(shù)模擬雷達、激光雷達、超聲波雷達）建模為例，即設(shè)置其波束數(shù)量、掃描頻率、波束類型、波束范圍、波束方位角范圍、高度范圍角、系統(tǒng)最大檢測輸出等。
 
本文以江淮汽車某一款毫米波雷達建模為例，定義兩個TIS傳感器為77 GHz前向中長距雷達，其中TIS1為中距毫米波雷達
x=3.916 m，y=0，z=0.42，F(xiàn)ov=25Hz，range=30m，ΔθΔθ =80°，ΔΦΔΦ =9°，
最大探測目標32個；TIS2為長距雷達
x=3.916m,y=0,z=0.42,Fov=25Hz ,range=150 m， ΔθΔθ =9°， ΔΦΔΦ =9°，
最大探測目標32個。參數(shù)化建模如圖6所示。
 
圖 6 傳感器參數(shù)化建模
4.4 仿真分析
在Simulink環(huán)境下，搭建測試系統(tǒng)模型，包含調(diào)用基于CarSim的車輛動力學模型及人機交互控制模型。外部環(huán)境感知傳感器（如TIS）信息按照規(guī)定的協(xié)議數(shù)據(jù)格式打包，利用臺架的CAN板卡資源發(fā)送到待測控制器中，臺架采集待測控制器決策后的指令，并控制縱向、橫向執(zhí)行模塊，執(zhí)行控制模塊的結(jié)果反饋到仿真系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
 
在虛擬環(huán)境下，使用軟件可以針對各種工況進行定性、定量的分析評價，通過對模型參數(shù)的標定，可以不斷的優(yōu)化系統(tǒng)的舒適性及魯棒性。以ISO 15622：2002-for Adaptive Cruise Control system （ACC）中Cut-off場景為例，場景定義為：主車1跟蹤目標車2，目標車2變道切出本車道，超越前方較慢行駛的目標車3；主車1能夠重新檢測到目標車3，并穩(wěn)定跟隨，則該項測試通過。定義主車1的參數(shù)為：初始速度=50 km/h，初始位置=8 m；目標車2：初始速度=50 km/h；目標車3：Tdelay=5 s，初始速度=50 km/h。
 
在ISO中定義了車頭時距HWT_dem [s]（Demanded Headway time），為主車目標車相對距離/主車的絕對速度。本實驗中，設(shè)置HWT初始時間為1.5 s。amax為ACC系統(tǒng)所能允許的最大加減速度，當處于避撞模式下，最大加減速度較大時，可以有效地避撞，但同時會影響駕駛員的舒適性。
 
由圖7（a）可以看出，0~6 s的過程，主車以50 km/h的穩(wěn)定速度跟隨前車；當目標車2切出本車道后，主車重新檢測到前方低速運行的目標車3，在8~12 s的過程中，主車開始以設(shè)定的amax減速；12~18 s的過程，主車重新以7.5 km/h的穩(wěn)定車速跟隨目標車3行駛。由圖7（b）可知，amax=3.5 m/s2時，在主車減速到穩(wěn)定跟車后，可有效保持與前方車輛4 m的距離，當amax=2.5 m/s2時，難以與前車保持有效的安全距離，可能產(chǎn)生碰撞的風險。由圖7（c）可知，在減速階段及重現(xiàn)定位目標進行跟車階段，amax=3.5 m/s2時，車間時距HWT波動的較小，能夠更快地趨于穩(wěn)定，并保持在設(shè)定的HWT初始值1.5 s。
 
圖 7 仿真結(jié)果
由以上分析可以看到，通過仿真可以對測試過程中的參數(shù)進行實時定量分析。通過分配各部分的響應(yīng)和延遲等參數(shù)特性，來評判ACC系統(tǒng)在各個過程過程（加速、減速）中的舒適性、安全性等指標。

5 結(jié)束語
本文設(shè)計了一套面向SAE 2級的ADAS系統(tǒng)測試平臺，實現(xiàn)實驗室條件下交通場景的虛擬驗證，解決了ADAS測試面臨的安全性差、可重復性差等問題。驗證結(jié)果表明，該測試平臺能夠有效地針對ADAS功能進行測試驗證，并在企業(yè)內(nèi)部進行實施。
 
本文提出利用仿真軟件中的虛擬傳感器作為輸入，但忽視了真實傳感器與模型傳感器的一致性；提出的系統(tǒng)架構(gòu)方案，并未考慮實車運行工況下的各種復雜的電磁工況。下一步，還需要在現(xiàn)在平臺基礎(chǔ)上，擴展傳感器在環(huán)硬件設(shè)備，以模擬更加真實的測試環(huán)境。
 
參考文獻：
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[3] 李詩福. 汽車避撞控制系統(tǒng)建模與仿真研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2009. 
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