高級駕駛輔助系統前視攝像頭硬件在環測試

郭劍鷹 陳曉 高升

摘要：高級駕駛輔助系統可以大幅度降低交通事故，減少人員傷亡和經濟損失，攝像頭是該系統中的重要部件。為了在前視攝像頭開發期間更早發現存在的問題，模擬路試過程中的危險工況，提出了一種基于CarMaker和VeriStand的硬件在環測試系統。應用所搭建的臺架進行了大量攝像頭的硬件在環功能測試，臺架測試結果與實車測試結果一致，在車道偏離預警和前方碰撞預警典型工況下均能及時產生報警信號。

關鍵詞：高級駕駛輔助系統； 前視攝像頭； 硬件在環

中圖分類號： U 467.5 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.005

Abstract： Advanced driver assistance system（ADAS） can significantly reduce traffic accident rate，the number of casualties and economic losses.The camera is an important part of ADAS.In order to find out problems earlier during the development of the front view camera and simulate dangerous conditions during the road test，a hardware in the loop test system based on CarMaker and VeriStand was proposed.A large amount of hardware in the loop function tests were carried out with the built platform.In typical conditions of lane departure warning and front collision warning，alarm signals can be generated in time，which is consistent with actual vehicle test results.

Keywords：advanced driver assistance system； front view camera； hardware in the loop test

引 言

高級駕駛輔助系統（advanced driver assistance system，ADAS）可以大幅度降低交通事故，減少人員傷亡和經濟損失。當前主流的安全輔助駕駛系統包括車道偏離預警系統（LDW）、自動緊急制動系統（AEB）、自適應巡航控制（ACC）和前方碰撞預警系統（FCW）等[1]，而實現這些系統功能的關鍵部件之一是前視攝像頭。前視攝像頭在研制階段往往需要進行多次的測試，以對攝像頭性能和ADAS算法進行考核[2]。相比毫米波雷達和激光雷達等，攝像頭最大優勢在于識別目標類型，能夠非常準確地識別行人、非機動車、機動車或其他障礙物，而且還能識別交通標志的具體內容[3 4]。考慮價格因素并與其他ADAS傳感器相比，攝像頭因成本相對低廉而更適用于ADAS系統。

由于實際道路情況異常復雜，在實際道路測試時不可能覆蓋所有的場景，且一些關鍵場景也無法復現[5]。此外，因實際道路測試時會受到現實條件制約，導致算法無法進行快速迭代改進。鑒于這些原因使得ADAS產品開發周期大大延長，開發成本也不斷增加，所以實驗室硬件在環測試的方法被越來越多的廠家采用。通過該方法研究人員可以模擬部分很難實際遇到的場景，或者不斷復現關鍵場景[6]，從而檢驗ADAS的可靠性。

1 硬件在環開發模型

目前國內外主流的汽車廠家在產品開發過程中均使用V模型開發模式，如圖1所示，整個開發過程包括如下主要步驟：

1） 功能設計與離線仿真。根據系統需求開發和建模，建立狀態流程圖及算法框圖；同時，利用數學建模仿真建立被控對象的功能模型，并運用計算機軟件進行離線仿真，驗證設計的正確性[7]。

2） 快速控制原型。將上一步驟中的算法轉化為實物模型，利用實時硬件系統對控制算法進行驗證。

3） 代碼生成。經過離線仿真和快速控制原型已經充分驗證了算法的可行性，將模型算法轉化為產品代碼。

4） 硬件在環仿真（HIL）。用實際的電控系統和模擬實車上真實環境的仿真模型組成閉環測試系統，進行反復大量測試，驗證電子控制單元（ECU）控制策略和算法可靠性。

5） 集成測試與標定。在快速控制原型和生成代碼階段對電控系統進行初步標定，將ECU接入整車運行環境進行集成測試，以完成最終的驗證、調試和標定。

采用V模型開發模式能夠有效縮短開發時間，提高產品品質。硬件在環仿真測試采用仿真系統與ECU實物相結合的半實物仿真測試方法，是產品開發過程中的一個重要步驟，具有開發成本低、成型速度快、精確度高、可重復性強、安全性高等多方面優點。

2 硬件在環測試系統

2.1 系統構成

為測試基于車載前視攝像頭開發的ADAS系統功能可靠性，開發了一套基于CarMaker和VeriStand的硬件在環測試系統。系統采用美國國家儀器（NI）公司VeriStand 軟件搭配面向儀器系統的外設部件互連標準擴展（PXI）硬件板卡的方案，利用Veristand 管理NI硬件資源，通過實時系統運行車輛模型，完成控制器的功能測試。

系統架構如圖2所示，測試臺架主要由機柜、待測樣件和顯示器三部分組成，彼此之間通過電纜進行電氣連接。機柜中有可編程電源、高性能圖形工作站、PXI機箱等相關硬件，PXI機箱中運行車輛模型，運行過程中的參數和場景即時傳送給待測樣件[8]。顯示器1上顯示車輛模型運行的實時結果，顯示器2則顯示CarMaker軟件生成的圖像、攝像頭處理前和處理后的圖像。預先調整所顯示視頻的大小、位置、和視角，通過與路試數據的標定，使攝像頭的視角與實際路試的視角盡量一致。

2.1.1PXI機箱

PXI機箱中包括PXI控制器、控制器局域網絡（CAN）通信板卡等硬件，PXI控制器運行實時（RT）系統，內部安裝VeriStand等一系列軟件，車輛模型也實時運行在控制器中。CAN通信板卡實現PXI控制器和待測樣件之間的通訊，將模型運行的車輛狀態信息發送給待測樣件，將待測樣件識別出的目標、車道信息、報警信息再發送給計算機，以供觀察和監測。

通過PXI機箱控制可編程電源，在測試過程中實現對樣品的供電、斷電和電壓電流的調節。接線盒將樣件的引腳引出到面板上，便于對樣品的引腳信號進行測量。機柜內還有繼電器，通過程序控制樣件每個引腳的通路、短路和斷路，還可以進行其他一些失效安全和故障注入的測試。

PXI控制器內運行的車輛動力學模型由IPG公司的CarMaker軟件提供，其包括車輛、駕駛員、道路和環境四個方面。CarMaker為硬件在環測試提供所有的信息和參數，并提供了一個閉環仿真環境，還可以將自己的模型和硬件組件通過定義的接口集成到仿真環境中。CarMaker提供變量觀察窗口和車輛運動可視化服務，可以即時查看車輛運行過程中所有參數，還可以全方位多角度直觀地觀察測試車輛和交通車輛的運行狀態。CarMaker還提供自動測試界面，可以根據設定的條件自動進行測試，并生成評估報告。

測試場景包括動態對象、靜態對象和環境條件，建筑物、道路、交通標志燈等靜態物體受環境條件影響，行人、機動車、非機動車等動態物體受靜態物體和環境條件影響，而這些都可以在CarMaker中按照系統需求和測試需求進行個性化配置。

2.1.2高性能圖形工作站

高性能圖形工作站中運行場景編輯器用來構架虛擬場景，可以方便地為場景配置各種交通元素，如障礙物、交通標志、交通信號燈，并將這些原始虛擬場景輸出到顯示器。工作站還負責與待測樣件通信，獲取待測樣件輸出的處理結果，再將這些結果疊加到原始虛擬場景上，并將這些處理后的虛擬場景輸出。通過對比原始圖像和樣件處理過的圖像，可以對樣件識別能力作直觀的評判。

2.2 軟件系統

除了CarMaker和VeriStand軟件之外，測試過程中還會用到LabVIEW和Simulink。各軟件之間關系如圖3所示。

VeriStand作為主要開發環境，用來管理整車模型、工況及駕駛員模型，同時用來管理模型與硬件IO之間的映射、模型與模型之間的映射，還將用來編輯主要的測試監視界面，開發和管理測試流程[3]。

LabVIEW作為輔助開發工具，用來開發VeriStand不具備的一些功能，比如對某些設備的簡單控制，數據瀏覽等。LabVIEW也可以用于開發調度各個軟件、各個VeriStand文件。

CarMaker提供整車模型、工況模型以及駕駛員模型。在建立VeriStand項目的最初階段，CarMaker模型會整體下載到下位機中，后續的開發都是針對模型的參數配置以及需要自定義開發的模型下載和調試。

Simulink用來開發自有控制器模型，并且將這些模型導入到VeriStand及下位機中。

3 硬件在環測試結果

測試過程中的信號流向如圖4所示，計算機上運行VeriStand軟件，將車輛模型部署到下位機PXI控制器中，模型運行的車輛狀態等參數通過CAN板卡發送給攝像頭控制器，攝像頭采集顯示器上的車輛運行信息，結合PXI控制器發送過來的車輛狀態信息，做出目標識別、車道線識別，以及發出相應的報警信息。同時，車輛模型運行的信息上傳到上位機，在上位機上VeriStand可以進行變量的控制和監控，CarMaker還可以進行三維可視化監控和測試流程的控制[6]。車輛運行的信息顯示在高分辨率顯示器上以供攝像頭模組采集，圖4亦是一個完整的閉環測試系統。

通過所搭建臺架，進行了ADAS車載前置攝像頭的功能測試，在HIL臺架上對研發的攝像頭FCW和LDW功能進行了全方位的測試。圖5為測試軟件界面，由四個窗口組成，圖5（a）為CarMaker主界面，可以對車輛模型、交通環境、駕駛員模型和操作策略進行參數化設置。圖5（b）是變量觀察窗口，可以查看整個車輛模型中任意參數的值，便于觀察測試過程中變量的變化曲線。圖5（c）是車輛運行可視化界面，可以直觀地觀察被測車輛與其他車輛的運行狀態。圖5（d）是VeriStand操作界面，用來管理整車模型、工況和駕駛員模型，是主要的測試監測界面，可以將測試過程中的參數變化過程保存至本地存儲設備中，便于后期分析。

圖6為測試過程中界面截圖，（a）（b）（c）（d）依次為FCW前方轎車工況、FCW前方工程車輛工況、LDW向左車道偏離單虛線工況、LDW向右車道偏離虛實線工況[9 10]。圖中粗曲線為攝像頭控制器發出的報警信號，其中FCW功能在前方目標車為轎車和工程車情況下均能產生前方碰撞報警信號，LDW功能在單虛線和虛實線情況下均能在恰當時機產生車道偏離預警信號。除以上幾種工況之外，還對不同天氣、不同車型、不同速度、不同光照、不同路面標線、直道和彎道均進行了測試。

4 結 論

測試結果顯示：FCW功能下檢測靜態目標時，樣件對前方目標距離、速度的檢測和預期碰撞發生時間（TTC）的計算較為準確，但是在檢測動態目標時，所檢測出的相對距離與實際模擬的距離相差較大，和實車測試結果較為吻合；在測試LDW功能時，樣件對不同類型車道線的檢測精確度也很高，不管是直道和彎道，亦或是鄉村道路和城市道路，樣件都能迅速精準地識別到車道線，計算出自車距離兩側車道線的距離，及時地發出報警信號，和實車測試結果也較為吻合。

根據測試結果，優化了攝像頭內部代碼，上述問題得到了很好的解決。優化之后的控制器在一些比較危險的駕駛工況下，均能及時提供報警信號，為行車安全提供了很大的幫助，也為后續研發AEB和ACC功能打下了很好的基礎。

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（編輯：劉鐵英）