自动驾驶测试低速移动平台设计与实现

潘新福，康诚，李春银，杨岩，王由道

自动驾驶测试低速移动平台设计与实现

潘新福1，康诚1，李春银2，杨岩1，王由道2

（1.中汽研汽车试验场股份有限公司，江苏 盐城 224100；2.长安大学，陕西 西安 710064）

行人避碰测试是自动驾驶测试过程中的重要环节。为满足封闭测试场环境下自动驾驶系统实车测试需求，研制了一种面向行人模拟的自动驾驶测试低速移动平台。首先进行了移动平台功能及性能需求分析；其次提出了总体设计方案，包含移动承载平台、仿真目标物、远程控制系统三部分。然后进行了各模块的设计与实现；最后完成了系统集成及测试验证。测试结果表明，自动驾驶测试低速移动平台满足测试需求和设计要求。

自动驾驶；实车测试；封闭测试场；行人模拟

前言

大量研究及事故统计结果表明，汽车和行人之间的碰撞事故是造成交通事故死亡、重伤的重要原因[1]。因此自动驾驶汽车在进入市场前必须在模拟各类行人参与的真实道路交通危险工况场景中进行大量的测试[2]。在实际测试过程中，出于伦理道德、测试成本和人身安全的考虑，构成测试场景的目标行人不宜选用真实的人，选用假人已成为测试中重要方案[3-4]。

但传统假人难以模拟真实行人的运动速度、运动轨迹、传感器感知特征。此外，目前大多数自动驾驶测试目标对象仍旧依靠人力拖拽假人、静止假人等传统道具方式，存在测试效率低、危险性高、测试可重复性差等问题，并且模拟效果与真实交通状况相去甚远。在上述背景下，研制一款满足自动驾驶场地测试需求的低速移动平台，完善自动驾驶测试装备链，是自动研发及测试机构当前的迫切需求。

自动驾驶测试专用低速移动平台是用于自动驾驶系统测试，特别是车辆碰撞感知和碰撞避免系统测试的具备自主感知、自主决策、自动控制能力的自动化机器人。除能满足不同速度条件下的自动驾驶功能、性能测试需求外，还需保证测试任务不对机器人自身及待测车辆产生影响显著性的损坏。平台应具有一个外廓很低的底盘平台（耐车辆碾压）和一个可分离的泡沫柔性目标物（如模拟假人）组成。目前，自动驾驶测试目标机器人装备长期被国外公司垄断，单套设备售价高达100万人民币以上，严重制约了我国自动驾驶测试技术及自动驾驶相关产品产业化的进展。

在上述背景下，我们面向自动驾驶封闭场地测试，研发了可精确模拟行人的运动行为、多次反复使用、场景部署方便快捷的模拟行人目标系统—自动驾驶测试低速移动平台，并对平台的功能和性能进行了实际测试验证。

1 行人运动参数分析

1.1 行人步行速度

行人步行速度采用单位时间内行人的移动距离计算，受人类身高、性别、性格、年龄等因素影响，我国对行人步行速度的调研结果如表1所示[5]。众多研究结果表明，行人的步行速度分布在0.5 m/s到2.16 m/s之间（1.8 km/h～7.8 km/h）。

表1 我国行人步行速度的调研结果 单位：m/s

行人属性青年中年老年 男性1.321.281.10 女性1.211.201.01

1.2 行人跑动速度

行人在快速过马路时，一般为快步行走或慢跑通过。在青年至老年的不同年龄男性中，随着年龄增加，速度呈下降的趋势，快步走速度为：1.75 m/s～1.64 m/s，慢跑速度为：2.75 m/s～2.31 m/s。在青年至老年的不同年龄女性中。随着年龄增加，速度呈下降的趋势，快步走速度为：1.64 m/s～1.54 m/s，慢跑速度为：2.35 m/s～2.07 m/s。

1.3 行人加速度

行人在不同速度下的加速距离为：在步行和快步走时，加速距离一般为1 m；在慢跑时加速距离一般为1.5 m。因此，在步行时，男性加速度为0.61 m/s2～0.87 m/s2，女性加速度为0.51 m/s2～0.73 m/s2。在快步走时：男性加速度为1.34 m/s2～1.53 m/s2，女性加速度为1.19 m/s2～1.34 m/s2。在慢跑时：男性加速度为1.78 m/s2～2.52 m/s2，女性加速度为1.43 m/s2～1.84 m/s2。

2 低速移动平台设计

2.1 系统需求分析

2.1.1功能需求分析

自动驾驶测试低速移动平台是可承载模拟假人的自行驱动平台，满足主要用于模拟40 km/h以下的行人等速度较低交通参与者的运动场景[6]。利用该平台和测试车辆可构建出测试车辆与行驶的交通参与者发生碰撞或将要发生碰撞的危险工况场景，用于场地测试环境下，试验车辆环境感知系统、控制策略等主动安全技术的开发和检验[7]。具体来讲，需要具备以下功能：

（1）可以通过远程设备对低速移动平台的行驶轨迹、运动参数进行控制；可通过在远程控制软件输入相关路径参数信息远程控制移动平台移动。

（2）低速移动平台有良好的柔性，在受到冲击后能够自行恢复并且用于下一次的测试。

（3）低速移动平台底盘应具备自我保护机制，在过载或承压过大时应能自主采取措施避免对自身的损伤，驱动轮过载时可收缩到承载单元内，转向轮切断控制电路供电。

（4）低速移动平台搭载的模拟假人表面材料应与真人测试目标相当，保证自动驾驶汽车感知到的模拟假人雷达反射信息与真人信息几乎一致。

（5）低速移动平台的承载平台高度应尽可能较低，以减少自动驾驶误作用的可能。

（6）低速移动平台应具备可靠定位功能，在信号不良或者室内环境下可利用惯导与卫星定位进行辅助定位及姿态、运动状态信息的返回。

（7）低速移动平台电源容量应足够大，足以支持多次实验的完成；但应兼顾轻量化的要求。

（8）低速移动平台的转向通过电机驱动横向布置的丝杠实现，通过使电机转动不同角度，可以实现转向轮的不同转角；通过控制电机转动的速度，控制转向轮转动的速度。

2.1.2性能需求分析

依据前述行人运动参数的分析可知，行人步行速度一般在1.8 km/h～7.8 km/h之间，行人跑动速度最高不超过44.722 km/h，行人运动加速度一般为1 m/s2～2 m/s2，最高不超过4.25 m/s2。基于上述分析，同时考虑到平台存在受车辆碾压的可能及承载模拟假人的需求，对低速移动平台的速度及加速度参数提出表2所示设计指标。

表2 自动驾驶测试低速移动平台设计指标

序号指标名称指标数值 1最高运动速度/(km/h)40 2最大加速度/(m/s2)5 3最大承重/ kg100 4航向精度/°0.2 5转弯半径/ m2

2.2 总体设计方案

设计的自动驾驶测试低速移动平台主要包括仿真目标物（模拟假人）、移动承载平台和远程控制系统三个部分，其中移动承载平台则包括主要包括平台承载单元、机械动力单元和电气控制单元，总体结构如下图1所示。

图1 自动驾驶测试低速移动平台组成结构

2.3 系统模块设计与实现

2.3.1移动承载平台

（1）平台承载单元。设计的平台承载单元可以通过磁吸装置连接承载仿真目标物，承载板可以固定内部电路板等。此外，本平台承载单元解决了传统移动测试平台通过性差、结构稳定性低等问题；并且配合机械动力单元可以实现车辆碾压时的自我保护，平台承载单元设计如下图2所示。

图2 平台承载单元设计图

平台承载单元实物图如图3所示，承载单元包括承载本体和盖板，承载本体包括承载板和周向布置于承载板的多个侧板，承载板具有多个边部。根据工作需要，构成承载本体的承载板、侧板必须具有较强的强度与刚度。边部与侧板一一对应，侧板与边部连接，连接板的外表面为整圆锥面的局部，连接板各边部依次连接形成封闭结构，总体来看，承载体形成底部开口的容纳空间，内设支撑件，可以支撑各个侧板；承载板用于承载仿真目标物。侧板支撑于承载板，各个侧板与支撑板的夹角均为钝角，侧板与相对承载板向外倾斜；此外，承载板的中间位置开有方形的安装孔，用来安装固定目标物的支架。

图3 平台承载单元实物

设计的平台承载单元采用CNC一体化加工，侧板与侧板之间通过连接板连接，承载本体有很好的连续性，配合内部圆角极大地降低了局部应力集中，使得车辆在边角处也有很好的通过性，车轮可从连接板越过整个承载单元；同时承载本体容纳空间的多个支撑杆，与侧板有很好的加固作用，并且采用了7系航空铝材一体成型加工，保证了承载单元的结构稳定性与刚度，内部中空，加设支撑杆、骨架实现了结构的轻量化理念，有效降低成本，减小电机所需功率。

平台承载单元的机械承载装置的最大高度不超过75 mm，以减少自动驾驶汽车感知系统对机械承载装置的误识别，同时保证测试车辆的顺利碾压通过。当对自动驾驶汽车进行测试时，汽车的轮胎能够从倾斜的侧板上压过，最终越过承载单元，承载单元不会受到强烈撞击。此外，相对低的平台高度保证了测试场景与实际场景高度相似。

（2）机械动力单元。设计的动力单元可以实现移动承载平台的前后移动、左右转向。相较于普通动力单元解决了平台在测试过程中受到车辆碾压时动力单元容易受到破坏的问题，这也是该动力单元的核心设计点。

机械动力单元实物图如图4所示，动力单元包括基座、第一滚轮组、第二滚轮、第一驱动装置、第二驱动装置组和弹性伸缩装置。在考察了机器人的加速性能、质量、目标速度、转向灵敏度后，驱动装置选取了一个小直流无刷电机连接丝杠作为第一驱动装置，提供转向动力；两个直流无刷电机作为第二驱动装置组，作为机器人的行走驱动，具有结构简单，运行可靠的优势。

图4 机械动力单元实物图

测试人员对自动驾驶汽车进行测试时，汽车碾压承载单元后，弹性伸缩装置将被压缩，使得第一滚轮组、第二滚轮收缩至承载单元内，此时承载单元起到支撑作用，保证动力单元不会被损坏。此外，由于第一单元中的第一滚轮组、第二滚轮分别由第一驱动装置、第二驱动装置组独立驱动，即第一滚轮组、第二滚轮的转速可单独进行控制，便于实现精确转向。

（3）电气控制单元。移动平台的各种电气控制主要由一个微电子控制装置控制，该微电子控制装置包括树莓派，以及树莓派连接的外围电路，如AD采样电路、脉冲检测电路、存储模块、电机驱动电路、继电器驱动电路、通讯电路、RF射频电路、CAN总线电路等。微电子控制装置采用树莓派作为控制核心，配合合理的外围电路，实现了与测试平台中的其他各装置的协调控制，如控制电机设备转动，进而驱动机器人前进或者转向，如图5所示。

图5 电气控制单元示意图

2.3.2仿真目标物

仿真目标物包括目标物主体、支撑杆、移动平台、控制机构及补偿组件，如图6所示。

图6 仿真目标物与移动承载平台组合示意图

移动承载平台与支撑杆连接，按照预设的运行轨迹或操作命令带动模拟假人移动。控制机构设置在模拟假人内，包括两个电机，用于控制所述躯干的臀部的状态，以通过臀部带动所述下肢做出摆腿动作。支撑杆的一端与模拟假人主体连接，另一端与移动承载平台连接，用于将模拟假人固定在平台上。支撑杆为柔性材料，可在碰撞发生时减轻对测试车辆的损害。

模拟假人主体以直立状态通过磁吸座固定在移动承载平台上，从而准确模拟真实行人。同时，模拟假人的高度与真人高度匹配，从而更加真实地模拟行人，保证测试效果。

模拟假人上设有补偿组件，用于削弱或增强仿真行人表面的不同部位对雷达波反射作用，使仿真行人的雷达散射截面积RCS与真人的RCS匹配，从而达到类人的RCS反射效果，为车辆主动安全性测试提供了更好的技术支持，保证测试高效进行。

2.3.3远程控制系统

远程控制系统包括无线通信装置和后台控制装置。无线通信装置用于与后台控制装置进行数据传输，用于接收后台控制装置所发送的控制命令设置参数，并对控制命令和设置参数进行处理，以实现远程控制功能。后台控制装置包括控制单元和监控单元，其中控制单元包含能够向测试平台发送控制命令的计算机程序和装有无线通信模块的计算机。无线通信模块用来向测试平台发送控制命令。计算机程序提供用户界面供用户进行参数设定、输入控制命令、预设运行轨迹的操作，并对这些数据进行处理，然后通过无线通信模块发送至测试平台。监控单元包含接收测试平台回传数据的计算机程序和装有无线通信模块的计算机，其中计算机程序能够实时接收测试平台回传数据，并在程序的图形用户界面上实时显示测试平台的运行数据，例如平台速度、平台位移、平台位置、剩余电量等信息。我们开发的上述系统远程控制上位机软件如图7所示。

图7 系统上位机人机交互界面

3 低速移动平台测试

3.1 系统集成

基于上述设计思路试制的面向自动驾驶封闭场地测试的低速移动平台原型样机如图8所示。

图8 平台原型样机

3.2 测试方案设计

主要测试平台速度、加速度、载重能力及误差等项目。测试使用高精度组合惯导GCI610和测试用移动工作站，高精度组合惯导用于记录运动数据，测试用移动工作站用于记录分析数据。

3.2.1速度与加速度测试

设定移动测试平台分别由静止加速至目标车速10 km/h、20 km/h、30 km/h和40 km/h，每次实验做10次。一共做40次实验。记录平台实际速度，通过记录加速距离，利用式（1）计算得到实际加速度：

3.2.2载重测试

向移动测试平台以10 kg为增量加载配重块，至100 kg结束，测试移动平台是否有异常。

3.2.3转弯半径测试

手动控制移动测试平台做圆周运动，将转向角度控制输出最大，查看最小转弯半径。

3.2.4巡航里程测试

内置电池充满电，设定控制移动测试平台不间断做往返运动，直到电池报警，记录运行时间。

3.3 测试结果

测试结果数据如表3所示，由表可得，平台各项指标合格，满足使用需求和设计要求。图9展示了输入40 km/h时移动测试平台速度测试结果，移动平台最高速度达到40 km/ h，实际输出速度波动值为8.312 m/s～8.347 m/s（39.92 km/h～40.04 km/h），运动速度稳定可靠，速度误差±0.1 km/h。

表3 移动测试平台测试数据

序号验收内容达标数据实测数据 1速度/(km/h)4040.1 2加速度/(m/s2)55.05 3载重/ kg100100 4速度精度/(km/h)0.150.1 5转弯半径/m21.8 6续航里程/min6070

图9 速度测试结果

4 结论

本文针对自动驾驶封闭场地测试过程中自动驾驶系统行人避撞系统测试需求，研制了一种面向行人模拟的自动驾驶测试低速移动平台，包含移动承载平台、仿真目标物、远程控制系统三部分。并对测试平台速度、加速度、载重能力及误差等项目进行了实际验证评估。研发的自动驾驶测试低速移动平台可精确模拟行人的运动行为，具有多次反复使用、场景部署方便快捷的优点，其应用将极大满足自动驾驶场地测试需求，完善自动驾驶测试装备链，打破国外设备垄断的局面。

[1] 潘洺铭,孙宇波,刘强.智能汽车对无信号交叉口行人的避撞控制[J].交通信息与安全,2021,39(02):19-27.

[2] 蔡博,陈韬,回春,等.商用车AEB系统测试场景构建及仿真研究[J].公路与汽运,2021,4(01):9-12.

[3] 谢蓉,潘霞,张庆余,等.智能网联汽车测试设备发展趋势分析[J].时代汽车,2020,4(22):4-6.

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[5] 徐吉谦.交通工程学基础[M].南京:东南大学出版社,1994:64-65.

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Design and Implementation of Low Speed Mobile Platform for Automatic Driving Test

PAN Xinfu1, KANG Cheng1, LI Chunyin2, YANG Yan1, WANG Youdao2

( 1.CATARC Automotive Proving Ground Co., Ltd., Jiangsu Yancheng 224100;2.Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Pedestrian collision avoidance test is an important part of automatic driving test. In order to meet the test requirements of automatic driving system in closed test field, a low speed mobile platform for automatic driving test is developed for pedestrian collision avoidance test. Firstly, the function and performance requirements of the mobile platform are analyzed. Secondly, the overall design scheme is proposed, which includes three parts: mobile bearing platform, simulation object and remote control system. Then the design and implementation of each module are carried out. Finally, the system integration and test verification are completed. The test results show that the low-speed mobile platform for automatic driving test meets the test requirements and design requirements.

Automatic driving; Field test; Closed test field; Pedestrian simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.011

U495

B

1671-7988(2021)21-43-05

U495

B

1671-7988(2021)21-43-05

潘新福，硕士研究生，高级工程师，就职于中汽研汽车试验场股份有限公司，研究方向：智能网联汽车测试、汽车道路试验。