傳感器在環(huán)自動(dòng)泊車(chē)仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史延雷， 張小俊， 孟慶浩， 龔進(jìn)峰

(1.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院， 天津 300072； 2.中汽研(天津)汽車(chē)工程研究院有限公司， 天津 300300； 3.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300401)

隨著汽車(chē)技術(shù)的新興發(fā)展，智能駕駛硬件、算法已成為研究熱點(diǎn)，越來(lái)越多的整車(chē)廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司、創(chuàng)業(yè)公司等紛紛加入智能駕駛領(lǐng)域。自動(dòng)泊車(chē)輔助系統(tǒng)(auto parking assist，APA)應(yīng)用場(chǎng)景安全風(fēng)險(xiǎn)低，是最早實(shí)現(xiàn)裝車(chē)量產(chǎn)的駕駛輔助功能。傳統(tǒng)APA系統(tǒng)僅依靠超聲波測(cè)距雷達(dá)完成自動(dòng)泊車(chē)功能應(yīng)用場(chǎng)景受限，基于全景視覺(jué)(around view monitor，AVM)和超聲波雷達(dá)感知融合的自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)以更低的場(chǎng)景要求、更智能的操控體驗(yàn)，成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[1]。目前，許多廠商推出的自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)使用頻率低、主管體驗(yàn)差市場(chǎng)反響一般，其中研發(fā)測(cè)試工具和測(cè)試驗(yàn)證方法的局限性是制約自動(dòng)泊車(chē)技術(shù)發(fā)展的主要因素。

針對(duì)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的測(cè)試方法中外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。趙海蘭等[2]、黃江等[3]針對(duì)自動(dòng)泊車(chē)路徑規(guī)劃、跟蹤算法在MATLAB建立非線性約束模型進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌跡規(guī)劃結(jié)果分析與碰撞檢測(cè)；顧青等[4]、姜立標(biāo)等[5]、Shin等[6]基于PreScan、Carsim等場(chǎng)景、動(dòng)力學(xué)仿真軟件聯(lián)合Simulink對(duì)自動(dòng)泊車(chē)控制算法進(jìn)行了虛擬交通場(chǎng)景下的模型在環(huán)分析驗(yàn)證了；莊曉芳[7]、孫運(yùn)璽等[8]以自動(dòng)泊車(chē)控制器為被測(cè)對(duì)象構(gòu)建硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)控制器輸入輸出信號(hào)的仿真實(shí)現(xiàn)了控制器自動(dòng)泊車(chē)功能驗(yàn)證。不過(guò)目前的測(cè)試方法都未能覆蓋整個(gè)自動(dòng)泊車(chē)控制系統(tǒng)，沒(méi)有考慮傳感器特性、性能對(duì)系統(tǒng)功能性能的影響，造成仿真測(cè)試結(jié)果與實(shí)車(chē)運(yùn)行軌跡存在較大偏差，無(wú)法應(yīng)用到實(shí)車(chē)控制器量產(chǎn)開(kāi)發(fā)階段。

為此，提出了一種基于硬件在環(huán)及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)的傳感器在環(huán)自動(dòng)泊車(chē)測(cè)試系統(tǒng)，以自動(dòng)泊車(chē)傳感、控制電子電控系統(tǒng)為測(cè)試對(duì)象，集成攝像頭視頻流注入板卡，開(kāi)發(fā)超聲波物理回波仿真板卡，虛實(shí)結(jié)合構(gòu)建了完整的傳感器在環(huán)自動(dòng)泊車(chē)測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境，形成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的自動(dòng)泊車(chē)功能靈活、高效研發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)。

1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器在環(huán)自動(dòng)泊車(chē)仿真測(cè)試系統(tǒng)主要包括虛擬交通場(chǎng)景模型、HIL(hardware in the loop)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、傳感器物理信號(hào)仿真設(shè)備組成，系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)泊車(chē)仿真測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of automatic parking simulation test system

HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)作為高性能數(shù)學(xué)模型仿真計(jì)算平臺(tái)及虛實(shí)交互連通接口，主要用于實(shí)時(shí)仿真計(jì)算SoftECUs(software simulation electronic control units)模型及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型兩部分：虛擬整車(chē)模型SoftECUs用于模擬車(chē)輛電控系統(tǒng)除自動(dòng)泊車(chē)控制器外的其他控制器邏輯狀態(tài)及CAN/Ethernet總線交互信息，主要包括車(chē)輛線控底盤(pán)相關(guān)的EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ESP(electronic stability program)車(chē)身電子穩(wěn)定系統(tǒng)模型；車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型用于響應(yīng)APA控制器基于感知數(shù)據(jù)輸出的控制指令，仿真車(chē)輛底盤(pán)運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)時(shí)計(jì)算虛擬場(chǎng)景中車(chē)輛運(yùn)動(dòng)位置姿態(tài)、速度、加速度，構(gòu)建控制器在環(huán)仿真測(cè)試環(huán)境[10]。

傳感器物理信號(hào)仿真設(shè)備用于仿真模擬輸出視覺(jué)與超聲波雷達(dá)傳感器信號(hào)，其中采用視頻流注入板卡把虛擬傳感器在三維虛擬交通場(chǎng)景中捕獲的圖像進(jìn)行格式、協(xié)議轉(zhuǎn)換后注入到智能駕駛控制器中，采用超聲波回波模擬器把虛擬場(chǎng)景中超聲波雷達(dá)陣列探測(cè)的障礙物距離通過(guò)模擬回波的方式輸出到自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)超聲波雷達(dá)傳感器中，實(shí)現(xiàn)傳感器在環(huán)仿真測(cè)試環(huán)境。

2 測(cè)試系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

2.1 虛擬交通場(chǎng)景模型配置

虛擬交通場(chǎng)景模型依托CarMaker仿真軟件搭建，其具備多樣式的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、高效的三維虛擬交通場(chǎng)景建模能力、良好的實(shí)時(shí)系統(tǒng)支持能力以及多層級(jí)虛擬傳感器數(shù)學(xué)模型，能夠滿(mǎn)足自動(dòng)泊車(chē)測(cè)試。通過(guò)上位機(jī)GUI(graphical user interface)建立參數(shù)化車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、自動(dòng)泊車(chē)虛擬交通場(chǎng)景以及虛擬視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器，構(gòu)建完整的虛擬仿真測(cè)試環(huán)境，并通過(guò)測(cè)試管理軟件將相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型加載到HIL實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

2.1.1 虛擬交通場(chǎng)景建模

針對(duì)自動(dòng)泊車(chē)典型應(yīng)用場(chǎng)景，建立參數(shù)化的各類(lèi)停車(chē)位場(chǎng)景模擬真實(shí)工況，包括并不僅限于垂直停車(chē)位、平行停車(chē)位、斜向停車(chē)位等。通過(guò)配置車(chē)位長(zhǎng)寬、兩側(cè)車(chē)輛類(lèi)型/距離/角度、車(chē)位線污損等模擬各類(lèi)復(fù)雜、極限測(cè)試工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛自動(dòng)泊車(chē)控制算法適應(yīng)性、魯棒性評(píng)測(cè)。同時(shí)虛擬場(chǎng)景可通過(guò)設(shè)置不同天氣、光照情況對(duì)AVM攝像頭車(chē)位識(shí)別功能進(jìn)行深度測(cè)試，完善與提升自動(dòng)泊車(chē)功能、算法。

2.1.2 超聲波傳感器建模

虛擬交通場(chǎng)景軟件提供了超聲波傳感器物理模型，提供超聲波換能器原始信號(hào)接口，可模擬機(jī)械聲壓波在虛擬環(huán)境中的傳播、反射能量損耗，考慮物體的遮擋效應(yīng)及物理傳播效應(yīng)，能夠模擬直接、間接或交叉回波，為超聲波回波模擬器提供更加真實(shí)的回波信息(如傳播時(shí)間、聲壓幅度、聲級(jí)以及反射次數(shù))。通過(guò)配置超聲波雷達(dá)在車(chē)輛坐標(biāo)系下的位置角度，超聲波雷達(dá)FOV、波瓣圖、探測(cè)靈敏度，交叉回波探測(cè)邏輯，更加逼真的模擬超聲波雷達(dá)在三維虛擬場(chǎng)景中的表現(xiàn)。如圖2所示，在CarMaker中建立后中左RCL(rear-center-left)和后中右RCR(rear-center-right)兩個(gè)超聲波物理傳感器模型。

圖2 CarMaker超聲波物理傳感器模型Fig.2 CarMaker ultrasonic physical sensor model

2.2 HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)作為數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)運(yùn)算平臺(tái)與硬件在環(huán)接口映射連接工具，主要包含高性能實(shí)時(shí)控制器、車(chē)載總線接口板卡與車(chē)輛電源仿真模塊組成。

亳文化的譯介是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)當(dāng)在亳州市政府主導(dǎo)下，其它譯介主體積極配合，譯介過(guò)程中應(yīng)透徹理解亳文化的內(nèi)涵，彰顯其地域特色，力爭(zhēng)做到文化等值最大化，具體的譯介策略如下。

采用美國(guó)國(guó)家儀器的PXI平臺(tái)進(jìn)行HIL硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的搭建，PXI總線機(jī)箱、實(shí)時(shí)控制器及I/O接口板卡如表1所示。

表1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)及板卡

車(chē)輛電源仿真模塊模擬車(chē)輛點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中電源狀態(tài)的變化，對(duì)設(shè)備的電源進(jìn)行控制、分配與保護(hù)等。主要用于控制KL30、KL15兩種電源狀態(tài)，KL30常電模擬車(chē)輛電池直接輸出電壓，KL15發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)對(duì)應(yīng)汽車(chē)鑰匙的IGN(ignition on)狀態(tài)。在汽車(chē)控制器HIL測(cè)試中，電源仿真模塊通過(guò)控制繼電器來(lái)仿真汽車(chē)ACC(基礎(chǔ)通電)、ON(全車(chē)通電)、START(啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī))等不同通電狀態(tài)。同時(shí)，電源仿真模塊支持極端電氣環(huán)境仿真，如欠壓、過(guò)壓、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電源擾動(dòng)等，全面測(cè)試評(píng)估APA控制器功能特性[11]。

2.3 超聲波回波模擬器

車(chē)載超聲波雷達(dá)感知系統(tǒng)由多個(gè)超聲波雷達(dá)探頭和單個(gè)控制器組成：控制器用于實(shí)現(xiàn)超聲波雷達(dá)工作模式控制并接收探頭返回的障礙物信息，匯總后通過(guò)車(chē)載總線發(fā)送到自動(dòng)泊車(chē)控制器中；超聲波雷達(dá)探頭完成超聲波發(fā)送、回波接收、去噪濾波及障礙物距離計(jì)算，最終將障礙物信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)控制器。因而為更加完整地測(cè)試自動(dòng)泊車(chē)功能特性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了超聲波回波模擬器，模擬發(fā)送超聲波物理回波，集合虛擬場(chǎng)景軟件超聲波物理傳感器模型，實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器在環(huán)復(fù)雜障礙物信息仿真。設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 超聲波回波模擬器架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Design architecture of ultrasonic echo simulator

車(chē)載超聲波雷達(dá)傳感器采用收發(fā)一體化換能器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波發(fā)送以及接收相近頻率聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能。超聲波回波模擬器中集成相同頻率的超聲波換能器，并與被測(cè)超聲波雷達(dá)探頭對(duì)頂間距5 mm安裝。超聲波回波模擬器接收到超聲波雷達(dá)探頭發(fā)出的超聲波，其產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)濾波、放大輸入到PXIe-7820 FPGA(field programmable gate array)板卡中，F(xiàn)PGA基于虛擬場(chǎng)景中障礙物距離并結(jié)合聲波速度延時(shí)特定時(shí)長(zhǎng)后，輸出電脈沖信號(hào)經(jīng)升壓中周放大后，激發(fā)換能器發(fā)送超聲波物理回波，實(shí)現(xiàn)障礙物距離仿真。

2.4 視頻流注入

隨著智能駕駛功能對(duì)視覺(jué)圖像的依賴(lài)越來(lái)越高，要求視頻信號(hào)能夠在車(chē)內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境下進(jìn)行高帶寬、低時(shí)延可靠傳輸，傳統(tǒng)視頻傳輸總線協(xié)議無(wú)法滿(mǎn)足需求，目前車(chē)載視頻傳輸解決方案多采用TI公司的GSML(gigabit multimedia serial link)或者M(jìn)AXIM美信公司的FPD-LINK III傳輸協(xié)議，將攝像頭模組采集到的視頻流通過(guò)串行器轉(zhuǎn)換到屏蔽雙絞線(shielded twisted pair，STP)或同軸電纜(coaxial cable,COAX)進(jìn)行傳輸，在視頻處理端配置相匹配的解串器完成串轉(zhuǎn)并解碼輸出給視頻處理器[12]。針對(duì)該方案設(shè)計(jì)了視頻流注入板卡，實(shí)現(xiàn)將虛擬交通場(chǎng)景中虛擬攝像頭傳感器捕捉到的圖像輸入自動(dòng)泊車(chē)控制器中，實(shí)施方案如圖4所示。

圖4 視頻流注入方案設(shè)計(jì)Fig.4 Design of video flow injection system

虛擬交通場(chǎng)景軟件運(yùn)行在上位機(jī)高性能圖形工作站中，場(chǎng)景軟件車(chē)輛坐標(biāo)系下根據(jù)實(shí)車(chē)攝像頭位置、FOV、鏡頭類(lèi)型配置添加虛擬攝像頭，虛擬攝像頭能夠從顯卡HDMI (high definition multimedia interface)接口同步輸出其在三維虛擬場(chǎng)景中捕捉的視頻流。采用NI公司的PXIe-7966FlexRIO PXI FPGA板卡配合NI-6581適配器作視頻流協(xié)議轉(zhuǎn)換器，根據(jù)攝像頭模組輸出并行總線類(lèi)型開(kāi)發(fā)FPGA協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，再經(jīng)過(guò)相同型號(hào)的串行器模塊直接輸出到智能駕駛域控制器中，從而實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景視覺(jué)信息到被測(cè)視覺(jué)處理控制器之間的傳遞。

3 硬件在環(huán)系統(tǒng)搭建

HIL硬件在環(huán)仿真測(cè)試是基于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合半實(shí)物仿真測(cè)試手段，以數(shù)學(xué)模型模擬代替受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)I/O、總線接口與被測(cè)控制系統(tǒng)連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行高效的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。傳感器在環(huán)自動(dòng)泊車(chē)仿真測(cè)試系統(tǒng)搭建方案系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 傳感器硬件在環(huán)系統(tǒng)搭建Fig.5 Design of hardware in loop system

在Simulink中生成搭建車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型及SoftECUs模型編譯生成DLL庫(kù)文件，通過(guò)VeriStand測(cè)試管理軟件將模型加載部署到PXIe實(shí)時(shí)控制器中，并按照邏輯關(guān)系配置模型與硬件板卡輸入輸出變量進(jìn)行映射連接，完成數(shù)學(xué)模型與硬件板卡的接口連接，仿真測(cè)試系統(tǒng)閉環(huán)信息流包括：SoftECUs模型仿真其他ECU邏輯行為，模擬收發(fā)車(chē)載總線數(shù)據(jù)；SoftECUs模型中EPS、ESC模型響應(yīng)自動(dòng)泊車(chē)控制器控制信號(hào)，將轉(zhuǎn)向、制動(dòng)信號(hào)輸出到車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型中；車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)信號(hào)，實(shí)時(shí)解算車(chē)輛姿態(tài)、位置、速度信息并實(shí)時(shí)反饋到虛擬場(chǎng)景軟件中；虛擬場(chǎng)景軟件基于車(chē)輛位置、姿態(tài)實(shí)時(shí)更新三維場(chǎng)景，并結(jié)算虛擬傳感器模型，輸出超聲波雷達(dá)、攝像頭數(shù)據(jù)；傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)視頻流注入板卡、超聲波回波模擬器輸入到自動(dòng)泊車(chē)控制器中，作為智能駕駛自動(dòng)/輔助控制依據(jù)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試

以某車(chē)型實(shí)車(chē)自動(dòng)泊車(chē)控制器、配套超聲波雷達(dá)及AVM環(huán)視攝像頭子系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，在NI-Veristand測(cè)試平臺(tái)管理軟件中導(dǎo)入控制器車(chē)載總線DBC文件，配置Rollingcounter與Checksum邏輯算法，將關(guān)鍵總線信號(hào)與SoftECUs模型輸入輸出映射連接，匹配視頻流注入板卡與超聲波回波模擬器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測(cè)試環(huán)境搭建。自動(dòng)泊車(chē)測(cè)試過(guò)程仿真動(dòng)畫(huà)結(jié)果及仿真過(guò)程車(chē)載超聲波雷達(dá)感知數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 自動(dòng)泊車(chē)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of automatic parking test system

圖7 車(chē)載超聲波雷達(dá)傳感數(shù)據(jù)Fig.7 Waveform data of vehicle ultrasonic radar

首先，圖6(a)通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)電源仿真管理模型模擬車(chē)輛點(diǎn)火過(guò)程，車(chē)輛P檔啟動(dòng)，打開(kāi)車(chē)輛APA開(kāi)關(guān)[置位SoftECUs中BCM(body control module)車(chē)身控制器模型發(fā)出的APA開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的CAN總線信號(hào)]，設(shè)置檔位D檔，設(shè)定駕駛員模型目標(biāo)車(chē)速為10 km/h，此時(shí)自動(dòng)泊車(chē)控制器APA功能激活并自動(dòng)探測(cè)周?chē)?chē)位信息。圖6(b)、圖6(c)過(guò)程，車(chē)輛通過(guò)安裝在車(chē)身右側(cè)前部(far sensing radar 1,FSR1)與后部(far sensing radar 2,FSR2)長(zhǎng)距超聲波雷達(dá)探測(cè)有效空閑車(chē)位，通過(guò)圖7中5～10 s兩次探測(cè)距離變化時(shí)間間隔與當(dāng)前車(chē)速完成停車(chē)位長(zhǎng)度及相對(duì)位置的測(cè)量。完成有效車(chē)位探測(cè)后，停車(chē)并設(shè)置車(chē)輛倒車(chē)檔，自動(dòng)泊車(chē)控制器將接管汽車(chē)轉(zhuǎn)向，通過(guò)圖6(d)、圖6(e)車(chē)輛姿態(tài)調(diào)整，控制車(chē)輛以計(jì)算的行駛軌跡自動(dòng)執(zhí)行泊車(chē)入位，最終通過(guò)判斷圖7(a)中FSR1超聲波雷達(dá)探測(cè)距離的變化，完成車(chē)輛泊車(chē)入位判斷。

仿真測(cè)試系統(tǒng)能夠高效地完成參數(shù)化的測(cè)試用例設(shè)計(jì)，以探測(cè)過(guò)程車(chē)速、車(chē)輛距離車(chē)位邊緣距離作為測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)變量：以車(chē)位探測(cè)車(chē)速5～35 km/h 范圍、車(chē)輛距離車(chē)位邊緣距離0.2～3 m范圍為測(cè)試條件，仿真測(cè)試結(jié)果顯示在車(chē)速小于等于20 km/h時(shí)，自動(dòng)泊車(chē)能夠正常啟動(dòng)，車(chē)速大于20 km/h時(shí)，自動(dòng)泊車(chē)無(wú)法正常啟動(dòng)，車(chē)位間距在0.5～2 m范圍內(nèi)，自動(dòng)泊車(chē)能夠正常識(shí)別車(chē)位并完成自動(dòng)泊車(chē)入位。該測(cè)試結(jié)果與該車(chē)型自動(dòng)泊車(chē)功能規(guī)范相符。

5 結(jié)論

針對(duì)智能駕駛汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)功能測(cè)試需求，設(shè)計(jì)搭建了超聲波雷達(dá)、攝像頭傳感器在環(huán)虛擬仿真測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)車(chē)自動(dòng)泊車(chē)樣件聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)可應(yīng)用在樣車(chē)制造前子系統(tǒng)研發(fā)調(diào)試驗(yàn)證過(guò)程中，貫穿控制器研發(fā)與使用生命全周期，實(shí)現(xiàn)高效、安全地完成各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)雜工況測(cè)試驗(yàn)證，在減少實(shí)車(chē)路試次數(shù)、縮短開(kāi)發(fā)周期和降低成本的同時(shí)提高軟件質(zhì)量，提升智能駕駛車(chē)輛自動(dòng)泊車(chē)功能體驗(yàn)。同時(shí)，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展其他種類(lèi)智能傳感器信號(hào)仿真設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)高級(jí)輔助駕駛功能、智能駕駛功能的虛擬仿真測(cè)試，具有廣闊的應(yīng)用前景。