基于Simulink的V2X硬件在環測試系統研究

蔡之駿 張瑩 楊波 馮其高 李曉平

摘 要：V2X（Vehicle-to-Everything）技術的國際標準和國內標準已相繼出臺，相關的測試需求也越來越迫切。文章提出一種基于Simulink的V2X硬件在環仿真測試系統方案，該方案中V2X設備通過CAN信號與仿真模型和車機顯示屏交互，從而模擬真實的V2X設備實車前裝工作環境;同時，本方案中的測試系統還使用GNSS模擬器發送實時定位數據以模擬真實GPS信號衰減。該方案能快速完成大量V2X算法場景測試及驗證，有效縮短測試和開發周期，并能通過簡單地加入駕駛模擬器即可支持V2X駕駛員在環（DIL）仿真測試。

關鍵詞：V2X;硬件在環仿真;駕駛員在環仿真;Simulink

Abstract： As the national and international standards for V2X （Vehicle-to-Everything） technology been published in recent years， there are increasing needs to find ways to test V2X products effectively. This paper suggests a method to build V2X HIL （Hardware-in-the-Loop） test system based on Simulink models. In the system， the V2X equipment communicates with vehicle models and vehicle HMI screen to simulate the real environment for factory-installed V2X products; meanwhile， the system also employs GNSS simulator to send real-time position signals so that the GPS signal attenuation can be simulated. The system can complete lots of V2X algorithm scenario tests and verifications rapidly， reducing the test and develop periods significantly. Moreover， the system is able to do V2X DIL （Driver-in-the-Loop） tests by simply including the driving simulator.

Keywords： V2X; HIL; DIL; Simulink

前言

V2X[1]（Vehicle-to-Everything）技術通過將“車-人-路-云”等交通要素有機地結合起來，能有效構建智慧交通體系，并使車輛獲取比單車感知更多的信息。隨著V2X國際和國內標準的出臺與推行，V2X設備的開發與應用已經在各大廠商內紛紛展開，相關的V2X測試需求也與日俱增。傳統的V2X應用測試使用實車測試，需要多臺實車搭載相應的V2X設備去實際場景行駛。實車測試效果真實，但非常耗時，且受路況與車況的限制，而V2X硬件在環仿真可以很好地提升測試效率，并且由于仿真的車輛行駛軌跡是在仿真軟件模型中搭建，所以不受路況與車況的限制。因此，搭建V2X硬件在環測試平臺的重要性也與日俱增。

本文提出一種基于Simulink模型的V2X硬件在環仿真方案，能夠模擬真實的V2X設備前裝工作環境;在該方案中，測試者可在模型中預設車輛行駛軌跡與車輛動作，從而高效搭建多個V2X復雜場景，并實現自動化測試。主車V2X設備接受的GPS信號為GNSS信號模擬器發出的模擬GPS信號，從而仿真真實的GPS環境;主車與遠車V2X設備通過V2X信號互相通信，并通過CAN信號接受來自模型的自身車輛動力學參數，同時主車設備通過CAN信號向車機顯示屏發送預警信息，這些都與V2X設備前裝方案的真實工作環境一致（實際的V2X實車前裝方案中，V2X設備通過CAN總線獲取本車動力學參數，并通過CAN總線向實車顯示屏發送預警信號）。

由于時間同步信號（1PPS信號）可直接通過解析對應的GPS信號獲取，因此本方案中，GNSS模擬器會向V2X設備廣播同樣的GPS信號，從而保證所有被測的V2X設備時間同步。注意到遠車設備不采用GNSS模擬器的定位信號，因此遠車設備內部軟件算法屏蔽來自GNSS模擬器的定位信息但依然使用來自GNSS模擬器的1pps信號，從而保證遠車與主車的時間同步而定位來源不同。此外，本方案還可支持無縫切換成駕駛員在環測試模式，只需在系統中引入駕駛模擬器并配置對應的模型即可。

1 測試系統組成

1.1 系統架構

如圖1所示，測試系統由上位機、CAN通信設備（CA -Noe）、GNSS模擬器和V2X盒子（LTE-V盒子）組成，并可外接駕駛模擬器實現駕駛員在環（DIL）仿真。其中，上位機使用車輛仿真軟件PreScan在Simulink中搭建車輛模型與場景模型，模擬發送實時車輛數據至CAN通信設備，CANoe將車輛實時數據轉換為CAN信號格式發送給基于LTE-V通信的V2X盒子。兩個LTE-V盒子一個作為主車觸發并反饋預警信息，另一個作為遠車（或路側單元RSU），與主車配合測試預警場景，兩者通過PC5接口通信。作為主車的LTE-V盒子接受來自GNSS模擬器發送的模擬GPS信號以仿真實車環境下的GPS環境，遠車盒子直接通過CAN信號獲取Simulink模型模擬的實時GPS信號。

主車盒子與遠車盒子均通過解析GNSS模擬器廣播的定位信息獲取1PPS信號從而達到時間同步;同時，系統所用V2X設備均從CANoe獲取車輛速度、加速度、航向角、方向盤轉角等實時車輛數據（CAN信號）。系統可添加額外的LTE-V盒子作為遠車或RSU進行復雜場景模擬，作為RSU的LTE-V盒子無需接受CAN信號，直接廣播自身內部的RSU消息即可。主車盒子計算的實時預警信息通過CAN總線發送給車機顯示屏，以仿真真實的預警環境。此外，本方案還能通過外接圖中所示的駕駛模擬器支持無縫切換成駕駛員在環測試模式。

1.2 硬件設備

本文V2X硬件在環測試系統所用硬件設備如下：

1）上位機一臺，Windows系統，用于運行PreScan和Simulink聯合仿真模型;

2）CANoe設備至少兩個，用于將模型中的車輛實時數據通過CAN報文的方式發送給LTE-V盒子;

3）V2X設備（圖中的LTE-V盒子）至少兩臺，可增加;為了對應V2X國標，實際臺架中使用LTE-V通信方式，作為硬件在環測試系統中的黑盒設備;兩個LTE-V盒子中，一個作為主車，其余的作為遠車或路邊設施（RSU），通過PC5接口互相通信，模擬真實預警場景;

4）GNSS模擬器，通過網線接受上位機發送的模擬主車定位信息，并將定位數據轉換成模擬GPS信號進行廣播，以此仿真真實的GPS環境，包括衛星信號的衰減、障礙物遮擋等等; GNSS模擬器廣播的GPS信號包含1PPS信號，可直接被V2X相關模組解析，從而使遠車與主車時間同步;

5）車機顯示屏，用于接收并顯示主車設備發送的預警信號;

6）各類所需線束若干。

2 Simulink模型

本文所用V2X硬件在環仿真測試系統中，Simulink模型主要包含PreScan自動生成的車輛場景模型、駕駛模擬器控制模塊（可選）和在Simulink中手動添加的其他功能模塊。 Simulink模型中可加載自動化測試腳本，使模型自動完成多個預設場景測試，從而大幅提升測試效率。

2.1 車輛場景模型

如圖2，車輛動場景模型采用PreScan生成的車輛軌跡模塊、車道保持模塊和車輛動力學模塊。其中，車輛軌跡模塊對應在PreScan中預設的場景道路和地圖，可以從外部通過標準地圖數據格式導入;車道保持模塊用于初始化車輛動力學參數并保證車輛按預設軌跡行駛;車輛動力學模塊接受車道保持模塊生成的動力學參數，根據所選的車輛動力學模型計算得到車輛當前的動力學參數，這些參數通過CAN通信模塊轉換為CAN信號傳輸給LTE-V盒子。

2.2 駕駛模擬器控制模塊

如圖5，駕駛模擬器控制模塊為PreScan自動生成。該模塊為可選模塊，負責將駕駛模擬器的輸入信號傳給Simu -link中的主車從而實現駕駛員在環仿真測試，使用該模塊時需要將主車的車道保持模塊替換為該模塊。

2.3 CAN通信模塊

如圖6，CAN通信模塊為手動添加的Simulink模塊，將接受的車輛動力學參數和定位信息按該模塊讀取的對應dbc文件格式轉換成相應格式的CAN信號，配置相應的CAN通道，通過usb線發送給CANoe設備。

2.4 GNSS模塊

如圖7，GNSS模塊為手動添加的Simulink模塊，使用S-function結合GNSS模擬器遠程指令實寫成，用于將模塊生成的主車坐標轉轉換為經緯高，通過網線實時發送給V2X硬件在環系統中的GNSS模擬器，以此保證GNSS模擬器廣播的定位信息與Simulink模型同步。

3 測試流程

本文所述V2X臺架仿真測試流程包括HIL測試流程及DIL測試流程;測試結果根據預警算法的不同采用不同的處理方式，可以實時監控算法過程中的各個參數和變量從而得到統計結果圖，用于驗證算法的可靠性及效率。

3.1 V2X硬件在環測試流程

本文所用系統可通過切換Simulink模塊進行V2X駕駛員在環測試，流程如上。

3.2 V2X駕駛員在環測試流程

本文所用系統可通過切換Simulink模塊進行V2X駕駛員在環測試，流程如下：

4 測試結果分析

本文所述HIL及DIL臺架仿真測試結果包含GUI顯示內容以及自定義算法參數檢測，Simulink模型可將各個時間點對應的算法參數及變量（碰撞預警時間、預警距離等）記錄下來進行結果分析，從而驗證算法的可靠性與準確性;測試系統可自定義測試輸出結果，以滿足各種V2X預警算法的測試結果需求。

其中，Simulink模型中可加載自動化測試腳本，使模型自動完成多個預設場景測試，從而大幅提升測試效率。

5 結論

本文提出一種基于Simulink模型的V2X硬件在環仿真測試方案。該方案模擬真實的V2X前裝工作環境和GPS環境，能通過自動化腳本高效地完成大量的V2X算法場景測試與驗證，同時還能通過簡單地加載駕駛模擬器切換成駕駛員在環仿真測試系統方案。

參考文獻

[1] IMT-2020（5G）推進組.C-V2X白皮書，2018-06：2-3.

[2] 張春洲，石晶.基于ADAS實驗平臺的自動泊車系統研究[J].汽車實用技術， 2019（16）：41-42.

[3] 許廣吉，石晶.ADAS 實驗平臺硬件在環仿真[J].汽車實用技術， 2019（09）：42-43.

[4] 吳利軍，劉昭度，何瑋.汽車 ACC 跟隨控制策略研究[J].汽車工程， 2005，27（5）：514-515.

[5] 齊鯤鵬，隆武強，陳雷.硬件在環仿真在汽車控制系統開發中的應用及關鍵技術[J].內燃機，2006（5）：178- 179.

[6] 周榮寬，韓曉東，王秀銳，等.一種汽車硬件在環仿真測試系統和測 試方法：中國，201410315424.7[P].2014- 07- 04.