基于模型设计的ADAS-HIL测试平台研究

2020-07-09王珂王辉周炼江维海王菲

汽车实用技术 2020年8期

王珂　王辉　周炼　江维海　王菲

摘要：先进驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System，ADAS）是缓解汽车安全问题，方便人们智能出行的有效途径。ADAS系统的开发涉及到复杂度很高的系统工程，如何开展以及建立测试评价体系等是行业内亟需解决的问题。文章基于模型的测试开发（Model Based Design，MBD）理念，在NI实时仿真系统的环境中，通过PreScan建立的仿真场景和虚拟传感器模型以及CarSim建立的车辆动力学模型，提出了先进驾驶辅助系统硬件在环测试平台的搭建方案，并进行了仿真测试，对解决ADAS系统的开发测试等相关问题具有一定的借鉴意义。关键词：ADAS测试;联合仿真;NI;硬件在环中图分类号：U471.15 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）08-41-04

Abstract： Advanced driving assistance system （ADAS） is an effective way to alleviate vehicle safety problems and improve people's intelligent travel. The development of ADAS system involves the system engineering with high complexity. How to carry out and establish the test and evaluation system are the problems that need to be solved in the industry. Based on the concept of model based design （MBD）， in the environment of Ni real-time simulation system， the simulation scene and virtual sensor model established by prescan and vehicle dynamics model established by CarSim are presented in this paper. This paper puts forward the construction scheme of the hardware in the loop test platform of the advanced driving assistance system， and carries out the simulation test， which has certain reference significance to solve the development and test of the ADAS system and other related problems.Keywords： ADAS Test; Joint simulation; NI; Hardware in the loopCLC NO.： U471.15 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）08-41-04

引言

國内汽车销售量从2018年2.8%的降幅到2019年的8.7%加速下滑，汽车市场趋于饱和，寻找汽车行业内新的增长点已刻不容缓。汽车安全技术，尤其是先进驾驶辅助功能（Ad -vanced Driving Assistance System，ADAS）的地位正在凸显有别于传统的汽车技术，ADAS系统开发过程中将出现大量的新科技和新功能。如何进行ADAS系统的测试是目前公认的难题，也是产业发展中亟需解决的问题[1]。只有解决上述难题，才能保证功能的开发更有效率，实现快速迭代。

ADAS功能的开发遵循“V”流程[2]，测试阶段包括模型在环（MIL）、硬件在环（HIL）、实车路试等。相比于纯计算机建模仿真， ADAS硬件在环测试这种半实物仿真技术能实时检测系统的数据，更接近实车测试。相比于实车测试，可以很好的规避测试中重复性验证、开发周期长、成本高等问题。

目前，鉴于ADAS硬件在环测试的研究相对较少，本文提出一种基于NI实时系统，包括场景模型、整车动力学模型在内的面向ADAS域控制器的HIL测试方案。

1 ADAS测试平台原理及架构

如图1所示即为ADAS-HIL测试台架方案。测试系统主要由上位机、I/O通道系统、实时仿真系统、被测域控制器等组成。在ADAS硬件在环实验中，实时系统运行仿真模型，然后通过I/O接口与被测ADAS域控制器通信，利用自动驾驶仿真软件中的虚拟摄像头采集视频信号或者虚拟雷达采集障碍物信号来模拟实车行驶环境，使控制器误以为处于实车行驶的环境中，从而达到对ADAS域控制器测试的目的[3]。

2 实验台架的硬件系统搭建

计算机软硬件技术的飞速发展为ADAS系统的测试提供了条件。如何有效地利用这些新技术，实现在仿真测试中实时调度和数据交换、以及通过I/O与外部硬件设备进行信号通讯，成为关键。实验平台以PXI系统为核心，集成了包括上位机、I/O通讯系统、实时系统、被测域控制器等硬件。

实时系统的主要作用为：实时运行场景仿真模型、车辆动力学模型，并向上位机传输仿真结果。同时，通过I/O软硬件接口连接被测域控制器，接收ADAS控制算法发出的指令。

如图3所示，ADAS硬件在环测试的工作过程相当于实车上的惯性单元、传感器等部件将收集到的不同信号通过汽车CAN总线传递给控制器。控制器在接受到上述信号后，经过计算处理再将不同的控制信号发送给整车模型中的受控对象（执行系统），从而改变整车的运动状态。

根据ADAS系统的工作特点，测试所需要传输的I/O信号类别有：

（1）模拟信号：即用连续变化的物理量表示的信息，如表1中的方向盘转角、制动压力等连续输入量。

（2）数字信号：通常为一些设备或者功能的开关信号，如点火开关、功能开关等，用来检测功能的状态。

（3）CAN信号：主要为车身各个传感器、执行器与各个控制器间的交互信号。在硬件在环测试中即为被测控制器与受控模型间的信号传输。

3 模型的设计与搭建

3.1 仿真场景模型

上位机场景仿真软件选用PreScan。PreScan是以物理模型为基础，由多个模块组成，包括基于GUI（Graphical User Interface）的场景定义模块、传感器设置模块、用于执行场景的运行环境以及控制系统等构成。

如图4所示，在GUI界面中搭建仿真场景。根据ADAS系统的功能规范及测试用例，分析相关测试场景，设置不同道路参数例如道路的曲率、长度、车道数目、车道线标记等。最后，添加必要的环境信息，如建筑物、基础设施、天气模型（如雨、雪、雾等）以及光源（如交通信号灯、太阳光、路灯等）等。通过拖拽、平移等方式添加到编辑区域。同时，也可以通过Open Street Map、Open Drive等外部地图数据导入，快速建立起真实道路模型。

3.2 ADAS传感器模型

为了让控制器处于趋近真实的测试环境，還需要建立基于真实传感器参数的虚拟模型。PreScan支持种类丰富的传感器模型，例如单目、双目、全景摄像头，毫米波雷达、激光雷达等 [4]。

本文以博世公司的某款单目摄像头为例，进行传感器的参数化建模。涉及到的传感器参数例如摄像头的像素尺寸、帧速率、FOV角以及安装参数等，如表2所示。

在PreScan左侧元素库中选择地面实况传感器中的车道标记传感器，然后添加于车辆上便会出现摄像头参数设置选项，基于上述参数和数值设置视觉感知模块如图5所示：

在GUI中搭建好仿真场景并进行Build后，PreScan将生成_cs.slx文件。在Simulink中将各个模块的输入输出接口连接起来，便得到如图6所示的仿真场景模型。

3.3 车辆动力学模型

由于PreScan软件的优势在于自动驾驶仿真场景，软件中自带的车辆模型数量较少，动力学模型较简单，而且很多车辆参数不能定制化。因此，目前较为主流的解决方案是采用第三方软件的整车模型进行联合仿真测试，常用软件有CarSim、ADAMS、veDYNA等。CarSim基于参数化建模，简单易用，目前应用范围较广。

根据实验目标车辆的开发参数及台架试验数据在Car -Sim中进行建模。整车动力学参数的类型及获取渠道如表3所示，一些例如空气学、轮胎等与ADAS功能关系不大的参数选用CarSim中的默认值即可。搭建好整车模型后，在CarSim中设置好相应的输入输出信号参数。导入到Simulink中后，整车模型在Simulink中将以S-Function的形式调用。并用此Simulink窗口打开PreScan的_cs.slx文件，将PreScan中原有的汽车动力学模型替换为CarSim模型。

4 实验管理系统设计与仿真分析

4.1 实验管理系统设计

在建立好仿真场景、传感器模型、整车模型后，开始要对整体仿真模型进行集成、编译。其中，PreScan场景仿真模型、CarSim整车模型运行在基于Simulink的环境下，安装实验管理软件后在Simulink库中调出Veristand模块，将Simulink模型中的接口类型配置为Veristand类型，编译完成后配置到工控机中进行运行，模拟实车的运动。

为了使NI硬件板卡、CAN信号与仿真模型进行正常的信息通讯，需要在Simulink中基于Veristand模块搭建I/O模型，从而充当硬件与模型之间数据传输的“媒介”。通过mapping过程，连接某两个通道（硬件I/O通道或者模型I/O通道），从而实现信号从一个通道传递到另一个通道[5]。

通过在上位机软件Veristand中开发实验管理的人机交互界面，便可在虚拟条件下完成针对ADAS不同功能、不同工况下的硬件在环测试。

4.2 仿真分析

在该实验平台下，针对ADAS系统的车道偏离预警功能进行实验验证。

设置仿真工况1，车道偏离功能触发测试：参照国家公路标准建立单向三车道（每条车道宽度3.5m），设置虚拟车辆的参数，以70km左右的车速，初始航偏角β为1°，在中间车道的中心附近以固定的方向盘转角（2deg）开始行驶，验证ADAS域控制器的控制效果。

实验结果如图7所示：车辆在距车道线为0.73 秒的跨道时间处开始报警，且此时的距离车道线为0.28m（实验车辆车宽为1820mm）。符合车道偏离。

预警的功能规范所设置的报警阈值（车辆边缘距车道线的跨道时间为0.7s，距离为0.2m）。实验能很准确的对ADAS域控制器控制功能进行测试。

设置仿真工况2，车道偏离预警功能误报警测试：工况1场景下，通过人机共驾系统（驾驶模拟器）输入方向盘转角信息。分别设置以较大方向盘转角速率和以较小转角速率偏离车道的两次工况，验证控制器误报警情况。

实验结果如图8所示：根据车道偏离预警的功能规范，车道偏离时的报警抑制条件为方向盘转角速率大于12deg/s。车辆在第一次偏离车道时，方向盘转角速率远大于12deg/s，系统不会触发报警。车辆在第二次偏离车道时，方向盘转角

速率一直维持在12deg/s以下，当车辆靠近报警线时，系统发出报警，符合功能规范的要求，对ADAS域控制器完成了很好的验证。

5 结论

本文搭建了以仿真场景模型、虚拟传感器模型、整车动力学模型、I/O通讯模型为基础，基于NI实时系统的ADAS硬件在环实验平台，并针对ADAS相关功能进行了仿真测试。结果证明，该方案能很好地对ADAS系统进行实验验证，为功能的开发提供了一套值得借鉴的方案。