ADAS系統測試平臺設計及實現

孫濤 丁琴琴 李衛兵 李娟

摘要：為實現ADAS系統的仿真測試，解決傳統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，設計實現面向SAE 2級的智能網聯汽車系統級測試平臺。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行系統的測試平臺方案。基于ISO 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;基于試驗數據，對車輛動力學及虛擬傳感器進行參數化建模;測量HWT時間，實現法規要求參數的定量分析。構建的測試平臺能夠為ADAS系統提供完整的“人一車一路”仿真測試環境，為國內進行ADAS系統測試評價提供一個良好的研究平臺。

關鍵詞：車輛工程;測試平臺;ADAS系統;PreScan;CarSim;HWT時間

中圖分類號：TP216;TP337文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0151-06

0引言

高級駕駛員輔助系統（advanced driver assistantsystem，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周圍的環境，收集數據，進行靜態、動態物體的辨識、偵測與追蹤，并結合導航儀地圖數據，進行系統的運算與分析，從而預先讓駕駛者察覺到可能發生的危險，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（LDW）、盲點監測系統（BSD）、自動緊急制動系統（AEB）、自適應巡航系統（ACC）等。

ADAS具有廣闊的市場應用前景預計到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組織已經將LDW、AEB系統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（sIL）、硬件在環（HIL）、車輛在環（VIL）、場測、路測等環節，測試內容包括傳感器、算法、執行器等環節，測試目的包括應用功能、性能、穩定性和魯棒性、功能安全、形式認證等。試驗周期長、成本高、安全無法保障，試驗行駛環境不可預測、難以復制/重現、缺乏靈活性、不可自動化測試是ADAS研發測試的關鍵技術瓶頸。

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十億英里。荷蘭TASS開發出仿真軟件PreScan驗證ADAS的控制策略罔;吉林大學開發出仿真軟件Panosim可以實現智能汽車道路場景、動力學建模。劉穎等利用PreScan模擬駕駛環境及車輛控制，搭建駕駛模擬器用于驗證ADAS系統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，不能很好體現出車輛模型多變量、非線性的特點。何承坤等提出了一種系統的、全面的汽車自動駕駛測評方法，但側重于對自動駕駛安全性測評分析和架構設計。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SAE2級的ADAS系統測試平臺設計及實現的課題。

1測試平臺架構

測試平臺如圖1所示，集成了實車制動系統、轉向系統及網絡通信系統，可提供完整的ADAS系統硬件在環仿真環境。測試平臺以PXI為核心，基于動力學軟件CarSim和場景軟件PreScan的聯合仿真。

平臺的構架方案主要分為上層算法、底層執行機構、環境設置。上層算法根據用戶自定義設計，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送至底層執行機構，包括制動壓力請求接口、轉向角度請求接口、發動機扭矩請求接口，其中發動機扭矩接口，由于未實現發動機硬件在環，因此所獲取的信號來自于CarSim模型。底層執行機構通過各接口獲取指令，并精確響應和執行。利用場景仿真軟件PreScan進行環境場景模擬功能，包括工況場景設置、車輛參數設置等，以再現滿足測試要求的真實環境。

2硬件系統搭建

硬件系統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12v、直流5v、交流220V和常用電路輔助器件，其中各模塊系統可實現獨立控制。信號模塊是以PXI為核心的信息流動系統，可以完成對模擬信號、數字信號、CAN3種形式信號的處理，并可以實現硬件接口的故障注人。

2.1電源管理模塊

機柜最上方的3U插箱是該設備的PDU單元，主要實現對設備的電源進行控制、分配、保護等功能，其原理如圖2所示。

2.2實時處理器及板卡

實時系統基于NI的PXI技術搭建，包括機箱、實時處理器和各類10板卡。實時仿真系統的主要功能有：Simulink仿真模型的實時運行;與上位機試驗軟件的實時數據交互，實現在線調參和監控;通過各類10板卡，輸出控制器所需信號，并采集控制器發出的所有信號。標準10板卡可至少實現如下標準信號的模擬和采集：模擬信號采集和輸出、數字信號采集和輸出、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出的各種控制信號，通過模型運算后由10輸出各種傳感器信號給控制器，從而與控制器構成一個閉環的系統。實時系統及板卡指標如表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機上的故障注人操作終端，按照指定的故障模型控制故障注入板卡模擬出相應的故障，故障注入模塊是車輛仿真器的重要組成部分。

3軟件接口設計

測試平臺上位機軟件主要基于CarSim軟件和PreScan軟件實現。CarSim主要提供整車模型和動力學模型、各種工況的設置、多種數據分析和存儲等;PreScan進行道路環境建模及傳感器建模，將識別到的傳感器數據發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，實現軟件與硬件的接口通信功能。

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計主要包括：在Simulink環境下搭建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，并導人通信數據庫;將硬件資源與模型進行映射連接。

為實現信號的正確傳輸，基于Simulink搭建10模型，用于HIL與模型之間的數據交互。通過在試驗管理軟件VeriStand中加載相關硬件和模型，并將對應的信號通道連接（mapping）實現數據的正確傳輸。主要包括需要用到的板卡資源加載（10板卡、CAN板卡等）、模型數據（DLL文件）的加載。通過mapping過程，連接某兩個通道，實現信號從一個通道傳遞到另一個通道。設置的方式如圖4所示。

4場景仿真與驗證

利用上位機軟件PreScan進行道路環境建模，CarSim軟件進行動力學參數化建模，并在PreSan中進行虛擬傳感器參數配置，針對ISO定義的ACCCut-off工況進行仿真驗證及分析。

4.1道路環境建模

如圖5所示，虛擬場景模型的設計，從道路模型開始。分析測試場景中道路的相關參數，如車道數、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，編輯道路的寬度、車道數、車道標記線、彎曲半徑等，設置完成后，生成的道路模型。

4.2車輛動力學建模

利用CarSim軟件進行車輛動力學建模，通過獲取設計參數及臺架試驗數據，包括車輛的質量參數、空氣動力學參數、傳動系參數、制動系參數、轉向系參數、懸架K特性、懸架c特性、輪胎特性參數等8類36個參數，在軟件中進行相應的設置，并作為S-function的形式發送到Simulink中，替換掉PreScan中簡易的車輛動力學模塊，車輛動力學參數化建模所需的數據及來源見表2。

4.3虛擬傳感器建模

為實現在虛擬測試環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，可以通過改變參數模擬雷達、激光雷達、超聲波雷達）建模為例，即設置其波束數量、掃描頻率、波束類型、波束范圍、波束方位角范圍、高度范圍角、系統最大檢測輸出等。

4.4仿真分析

在Simulink環境下，搭建測試系統模型，包含調用基于CarSim的車輛動力學模型及人機交互控制模型。外部環境感知傳感器（如TIS）信息按照規定的協議數據格式打包，利用臺架的CAN板卡資源發送到待測控制器中，臺架采集待測控制器決策后的指令，并控制縱向、橫向執行模塊，執行控制模塊的結果反饋到仿真系統中，實現系統的閉環控制。

在虛擬環境下，使用軟件可以針對各種工況進行定性、定量的分析評價，通過對模型參數的標定，可以不斷的優化系統的舒適性及魯棒性。以ISO15622：2002-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，并穩定跟隨，則該項測試通過。定義主車1的參數為：初始速度=50km/h，初始位置=8m;目標車2：初始速度=50km/h;目標車3：T_delay=5s，初始速度=50km/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，設置HWT初始時間為1.5s。a_max為ACC系統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，0～6s的過程，主車以50km/h的穩定速度跟隨前車;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8～12s的過程中，主車開始以設定的a_max減速;12～18s的過程，主車重新以7.5km/h的穩定車速跟隨目標車3行駛。由圖7（b）可知，a_max=3.5m/s²時，在主車減速到穩定跟車后，可有效保持與前方車輛4m的距離，當。a_amx=2.5m/s²時，難以與前車保持有效的安全距離，可能產生碰撞的風險。由圖7（c）可知，在減速階段及重現定位目標進行跟車階段，a_max=3.5m/s²時，車間時距HWT波動的較小，能夠更快地趨于穩定，并保持在設定的HWT初始值1.5s。

由以上分析可以看到，通過仿真可以對測試過程中的參數進行實時定量分析。通過分配各部分的響應和延遲等參數特性，來評判ACC系統在各個過程過程（加速、減速）中的舒適性、安全性等指標。

5結束語

本文設計了一套面向SAE 2級的ADAS系統測試平臺，實現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，并在企業內部進行實施。

本文提出利用仿真軟件中的虛擬傳感器作為輸人，但忽視了真實傳感器與模型傳感器的一致性;提出的系統架構方案，并未考慮實車運行工況下的各種復雜的電磁工況。下一步，還需要在現在平臺基礎上，擴展傳感器在環硬件設備，以模擬更加真實的測試環境。