基于模型設計的ADAS-HIL測試平臺研究

王珂　王輝　周煉　江維海　王菲

摘 要：先進駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System，ADAS）是緩解汽車安全問題，方便人們智能出行的有效途徑。ADAS系統的開發涉及到復雜度很高的系統工程，如何開展以及建立測試評價體系等是行業內亟需解決的問題。文章基于模型的測試開發（Model Based Design，MBD）理念，在NI實時仿真系統的環境中，通過PreScan建立的仿真場景和虛擬傳感器模型以及CarSim建立的車輛動力學模型，提出了先進駕駛輔助系統硬件在環測試平臺的搭建方案，并進行了仿真測試，對解決ADAS系統的開發測試等相關問題具有一定的借鑒意義。關鍵詞：ADAS測試;聯合仿真;NI;硬件在環中圖分類號：U471.15 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

國內汽車銷售量從2018年2.8%的降幅到2019年的8.7%加速下滑，汽車市場趨于飽和，尋找汽車行業內新的增長點已刻不容緩。汽車安全技術，尤其是先進駕駛輔助功能（Ad?-vanced Driving Assistance System，ADAS）的地位正在凸顯有別于傳統的汽車技術，ADAS系統開發過程中將出現大量的新科技和新功能。如何進行ADAS系統的測試是目前公認的難題，也是產業發展中亟需解決的問題[1]。只有解決上述難題，才能保證功能的開發更有效率，實現快速迭代。

ADAS功能的開發遵循“V”流程[2]，測試階段包括模型在環（MIL）、硬件在環（HIL）、實車路試等。相比于純計算機建模仿真，?ADAS硬件在環測試這種半實物仿真技術能實時檢測系統的數據，更接近實車測試。相比于實車測試，可以很好的規避測試中重復性驗證、開發周期長、成本高等問題。

目前，鑒于ADAS硬件在環測試的研究相對較少，本文提出一種基于NI實時系統，包括場景模型、整車動力學模型在內的面向ADAS域控制器的HIL測試方案。

1 ADAS測試平臺原理及架構

如圖1所示即為ADAS-HIL測試臺架方案。測試系統主要由上位機、I/O通道系統、實時仿真系統、被測域控制器等組成。在ADAS硬件在環實驗中，實時系統運行仿真模型，然后通過I/O接口與被測ADAS域控制器通信，利用自動駕駛仿真軟件中的虛擬攝像頭采集視頻信號或者虛擬雷達采集障礙物信號來模擬實車行駛環境，使控制器誤以為處于實車行駛的環境中，從而達到對ADAS域控制器測試的目的[3]。

2 實驗臺架的硬件系統搭建

計算機軟硬件技術的飛速發展為ADAS系統的測試提供了條件。如何有效地利用這些新技術，實現在仿真測試中實時調度和數據交換、以及通過I/O與外部硬件設備進行信號通訊，成為關鍵。實驗平臺以PXI系統為核心，集成了包括上位機、I/O通訊系統、實時系統、被測域控制器等硬件。

實時系統的主要作用為：實時運行場景仿真模型、車輛動力學模型，并向上位機傳輸仿真結果。同時，通過I/O軟硬件接口連接被測域控制器，接收ADAS控制算法發出的指令。

如圖3所示，ADAS硬件在環測試的工作過程相當于實車上的慣性單元、傳感器等部件將收集到的不同信號通過汽車CAN總線傳遞給控制器。控制器在接受到上述信號后，經過計算處理再將不同的控制信號發送給整車模型中的受控對象（執行系統），從而改變整車的運動狀態。

根據ADAS系統的工作特點，測試所需要傳輸的I/O信號類別有：

（1）模擬信號：即用連續變化的物理量表示的信息，如表1中的方向盤轉角、制動壓力等連續輸入量。

（2）數字信號：通常為一些設備或者功能的開關信號，如點火開關、功能開關等，用來檢測功能的狀態。

（3）CAN信號：主要為車身各個傳感器、執行器與各個控制器間的交互信號。在硬件在環測試中即為被測控制器與受控模型間的信號傳輸。

3 模型的設計與搭建

3.1 仿真場景模型

上位機場景仿真軟件選用PreScan。PreScan是以物理模型為基礎，由多個模塊組成，包括基于GUI（Graphical User Interface）的場景定義模塊、傳感器設置模塊、用于執行場景的運行環境以及控制系統等構成。

如圖4所示，在GUI界面中搭建仿真場景。根據ADAS系統的功能規范及測試用例，分析相關測試場景，設置不同道路參數例如道路的曲率、長度、車道數目、車道線標記等。最后，添加必要的環境信息，如建筑物、基礎設施、天氣模型（如雨、雪、霧等）以及光源（如交通信號燈、太陽光、路燈等）等。通過拖拽、平移等方式添加到編輯區域。同時，也可以通過Open Street Map、Open Drive等外部地圖數據導入，快速建立起真實道路模型。

3.2 ADAS傳感器模型

為了讓控制器處于趨近真實的測試環境，還需要建立基于真實傳感器參數的虛擬模型。PreScan支持種類豐富的傳感器模型，例如單目、雙目、全景攝像頭，毫米波雷達、激光雷達等?[4]。

本文以博世公司的某款單目攝像頭為例，進行傳感器的參數化建模。涉及到的傳感器參數例如攝像頭的像素尺寸、幀速率、FOV角以及安裝參數等，如表2所示。

在PreScan左側元素庫中選擇地面實況傳感器中的車道標記傳感器，然后添加于車輛上便會出現攝像頭參數設置選項，基于上述參數和數值設置視覺感知模塊如圖5所示：

在GUI中搭建好仿真場景并進行Build后，PreScan將生成_cs.slx文件。在Simulink中將各個模塊的輸入輸出接口連接起來，便得到如圖6所示的仿真場景模型。

3.3 車輛動力學模型

由于PreScan軟件的優勢在于自動駕駛仿真場景，軟件中自帶的車輛模型數量較少，動力學模型較簡單，而且很多車輛參數不能定制化。因此，目前較為主流的解決方案是采用第三方軟件的整車模型進行聯合仿真測試，常用軟件有CarSim、ADAMS、veDYNA等。CarSim基于參數化建模，簡單易用，目前應用范圍較廣。

根據實驗目標車輛的開發參數及臺架試驗數據在Car?-Sim中進行建模。整車動力學參數的類型及獲取渠道如表3所示，一些例如空氣學、輪胎等與ADAS功能關系不大的參數選用CarSim中的默認值即可。搭建好整車模型后，在CarSim中設置好相應的輸入輸出信號參數。導入到Simulink中后，整車模型在Simulink中將以S-Function的形式調用。并用此Simulink窗口打開PreScan的_cs.slx文件，將PreScan中原有的汽車動力學模型替換為CarSim模型。

4 實驗管理系統設計與仿真分析

4.1 實驗管理系統設計

在建立好仿真場景、傳感器模型、整車模型后，開始要對整體仿真模型進行集成、編譯。其中，PreScan場景仿真模型、CarSim整車模型運行在基于Simulink的環境下，安裝實驗管理軟件后在Simulink庫中調出Veristand模塊，將Simulink模型中的接口類型配置為Veristand類型，編譯完成后配置到工控機中進行運行，模擬實車的運動。

為了使NI硬件板卡、CAN信號與仿真模型進行正常的信息通訊，需要在Simulink中基于Veristand模塊搭建I/O模型，從而充當硬件與模型之間數據傳輸的“媒介”。通過mapping過程，連接某兩個通道（硬件I/O通道或者模型I/O通道），從而實現信號從一個通道傳遞到另一個通道[5]。

通過在上位機軟件Veristand中開發實驗管理的人機交互界面，便可在虛擬條件下完成針對ADAS不同功能、不同工況下的硬件在環測試。

4.2 仿真分析

在該實驗平臺下，針對ADAS系統的車道偏離預警功能進行實驗驗證。

設置仿真工況1，車道偏離功能觸發測試：參照國家公路標準建立單向三車道（每條車道寬度3.5m），設置虛擬車輛的參數，以70km左右的車速，初始航偏角β為1°，在中間車道的中心附近以固定的方向盤轉角（2deg）開始行駛，驗證ADAS域控制器的控制效果。

實驗結果如圖7所示：車輛在距車道線為0.73 秒的跨道時間處開始報警，且此時的距離車道線為0.28m（實驗車輛車寬為1820mm）。符合車道偏離。

預警的功能規范所設置的報警閾值（車輛邊緣距車道線的跨道時間為0.7s，距離為0.2m）。實驗能很準確的對ADAS域控制器控制功能進行測試。

設置仿真工況2，車道偏離預警功能誤報警測試：工況1場景下，通過人機共駕系統（駕駛模擬器）輸入方向盤轉角信息。分別設置以較大方向盤轉角速率和以較小轉角速率偏離車道的兩次工況，驗證控制器誤報警情況。

實驗結果如圖8所示：根據車道偏離預警的功能規范，車道偏離時的報警抑制條件為方向盤轉角速率大于12deg/s。車輛在第一次偏離車道時，方向盤轉角速率遠大于12deg/s，系統不會觸發報警。車輛在第二次偏離車道時，方向盤轉角

速率一直維持在12deg/s以下，當車輛靠近報警線時，系統發出報警，符合功能規范的要求，對ADAS域控制器完成了很好的驗證。

5 結論

本文搭建了以仿真場景模型、虛擬傳感器模型、整車動力學模型、I/O通訊模型為基礎，基于NI實時系統的ADAS硬件在環實驗平臺，并針對ADAS相關功能進行了仿真測試。結果證明，該方案能很好地對ADAS系統進行實驗驗證，為功能的開發提供了一套值得借鑒的方案。

參考文獻

[1] 和福建，張晉崇，石娟.智能網聯汽車測試技術研究[J].汽車電器， 2019（03）：19-21+24.

[2] 郭劍鷹，陳曉，高升.高級駕駛輔助系統前視攝像頭硬件在環測試[J].光學儀器，2018：22-27.

[3] 李石.采用攝像頭傳感器的高級駕駛輔助系統硬件在環測試研究[J].機械工程師，2019（09）：87-89.

[4] 苗一松.城市環境下智能駕駛車輛匯入行為決策模型研究[D].北京：北京理工大學，2016.

[5] 孫濤，丁琴琴，李衛兵.ADAS系統測試平臺設計及實現[J].中國測試， 2019， 45（04）：155-160.