自動駕駛測試低速移動平臺設計與實現

潘新福，康誠，李春銀，楊巖，王由道

自動駕駛測試低速移動平臺設計與實現

潘新福1，康誠1，李春銀2，楊巖1，王由道2

（1.中汽研汽車試驗場股份有限公司，江蘇 鹽城 224100；2.長安大學，陜西 西安 710064）

行人避碰測試是自動駕駛測試過程中的重要環節。為滿足封閉測試場環境下自動駕駛系統實車測試需求，研制了一種面向行人模擬的自動駕駛測試低速移動平臺。首先進行了移動平臺功能及性能需求分析；其次提出了總體設計方案，包含移動承載平臺、仿真目標物、遠程控制系統三部分。然后進行了各模塊的設計與實現；最后完成了系統集成及測試驗證。測試結果表明，自動駕駛測試低速移動平臺滿足測試需求和設計要求。

自動駕駛；實車測試；封閉測試場；行人模擬

前言

大量研究及事故統計結果表明，汽車和行人之間的碰撞事故是造成交通事故死亡、重傷的重要原因[1]。因此自動駕駛汽車在進入市場前必須在模擬各類行人參與的真實道路交通危險工況場景中進行大量的測試[2]。在實際測試過程中，出于倫理道德、測試成本和人身安全的考慮，構成測試場景的目標行人不宜選用真實的人，選用假人已成為測試中重要方案[3-4]。

但傳統假人難以模擬真實行人的運動速度、運動軌跡、傳感器感知特征。此外，目前大多數自動駕駛測試目標對象仍舊依靠人力拖拽假人、靜止假人等傳統道具方式，存在測試效率低、危險性高、測試可重復性差等問題，并且模擬效果與真實交通狀況相去甚遠。在上述背景下，研制一款滿足自動駕駛場地測試需求的低速移動平臺，完善自動駕駛測試裝備鏈，是自動研發及測試機構當前的迫切需求。

自動駕駛測試專用低速移動平臺是用于自動駕駛系統測試，特別是車輛碰撞感知和碰撞避免系統測試的具備自主感知、自主決策、自動控制能力的自動化機器人。除能滿足不同速度條件下的自動駕駛功能、性能測試需求外，還需保證測試任務不對機器人自身及待測車輛產生影響顯著性的損壞。平臺應具有一個外廓很低的底盤平臺（耐車輛碾壓）和一個可分離的泡沫柔性目標物（如模擬假人）組成。目前，自動駕駛測試目標機器人裝備長期被國外公司壟斷，單套設備售價高達100萬人民幣以上，嚴重制約了我國自動駕駛測試技術及自動駕駛相關產品產業化的進展。

在上述背景下，我們面向自動駕駛封閉場地測試，研發了可精確模擬行人的運動行為、多次反復使用、場景部署方便快捷的模擬行人目標系統—自動駕駛測試低速移動平臺，并對平臺的功能和性能進行了實際測試驗證。

1 行人運動參數分析

1.1 行人步行速度

行人步行速度采用單位時間內行人的移動距離計算，受人類身高、性別、性格、年齡等因素影響，我國對行人步行速度的調研結果如表1所示[5]。眾多研究結果表明，行人的步行速度分布在0.5 m/s到2.16 m/s之間（1.8 km/h～7.8 km/h）。

表1 我國行人步行速度的調研結果 單位：m/s

行人屬性青年中年老年 男性1.321.281.10 女性1.211.201.01

1.2 行人跑動速度

行人在快速過馬路時，一般為快步行走或慢跑通過。在青年至老年的不同年齡男性中，隨著年齡增加，速度呈下降的趨勢，快步走速度為：1.75 m/s～1.64 m/s，慢跑速度為：2.75 m/s～2.31 m/s。在青年至老年的不同年齡女性中。隨著年齡增加，速度呈下降的趨勢，快步走速度為：1.64 m/s～1.54 m/s，慢跑速度為：2.35 m/s～2.07 m/s。

1.3 行人加速度

行人在不同速度下的加速距離為：在步行和快步走時，加速距離一般為1 m；在慢跑時加速距離一般為1.5 m。因此，在步行時，男性加速度為0.61 m/s2～0.87 m/s2，女性加速度為0.51 m/s2～0.73 m/s2。在快步走時：男性加速度為1.34 m/s2～1.53 m/s2，女性加速度為1.19 m/s2～1.34 m/s2。在慢跑時：男性加速度為1.78 m/s2～2.52 m/s2，女性加速度為1.43 m/s2～1.84 m/s2。

2 低速移動平臺設計

2.1 系統需求分析

2.1.1功能需求分析

自動駕駛測試低速移動平臺是可承載模擬假人的自行驅動平臺，滿足主要用于模擬40 km/h以下的行人等速度較低交通參與者的運動場景[6]。利用該平臺和測試車輛可構建出測試車輛與行駛的交通參與者發生碰撞或將要發生碰撞的危險工況場景，用于場地測試環境下，試驗車輛環境感知系統、控制策略等主動安全技術的開發和檢驗[7]。具體來講，需要具備以下功能：

（1）可以通過遠程設備對低速移動平臺的行駛軌跡、運動參數進行控制；可通過在遠程控制軟件輸入相關路徑參數信息遠程控制移動平臺移動。

（2）低速移動平臺有良好的柔性，在受到沖擊后能夠自行恢復并且用于下一次的測試。

（3）低速移動平臺底盤應具備自我保護機制，在過載或承壓過大時應能自主采取措施避免對自身的損傷，驅動輪過載時可收縮到承載單元內，轉向輪切斷控制電路供電。

（4）低速移動平臺搭載的模擬假人表面材料應與真人測試目標相當，保證自動駕駛汽車感知到的模擬假人雷達反射信息與真人信息幾乎一致。

（5）低速移動平臺的承載平臺高度應盡可能較低，以減少自動駕駛誤作用的可能。

（6）低速移動平臺應具備可靠定位功能，在信號不良或者室內環境下可利用慣導與衛星定位進行輔助定位及姿態、運動狀態信息的返回。

（7）低速移動平臺電源容量應足夠大，足以支持多次實驗的完成；但應兼顧輕量化的要求。

（8）低速移動平臺的轉向通過電機驅動橫向布置的絲杠實現，通過使電機轉動不同角度，可以實現轉向輪的不同轉角；通過控制電機轉動的速度，控制轉向輪轉動的速度。

2.1.2性能需求分析

依據前述行人運動參數的分析可知，行人步行速度一般在1.8 km/h～7.8 km/h之間，行人跑動速度最高不超過44.722 km/h，行人運動加速度一般為1 m/s2～2 m/s2，最高不超過4.25 m/s2。基于上述分析，同時考慮到平臺存在受車輛碾壓的可能及承載模擬假人的需求，對低速移動平臺的速度及加速度參數提出表2所示設計指標。

表2 自動駕駛測試低速移動平臺設計指標

序號指標名稱指標數值 1最高運動速度/(km/h)40 2最大加速度/(m/s2)5 3最大承重/ kg100 4航向精度/°0.2 5轉彎半徑/ m2

2.2 總體設計方案

設計的自動駕駛測試低速移動平臺主要包括仿真目標物（模擬假人）、移動承載平臺和遠程控制系統三個部分，其中移動承載平臺則包括主要包括平臺承載單元、機械動力單元和電氣控制單元，總體結構如下圖1所示。

圖1 自動駕駛測試低速移動平臺組成結構

2.3 系統模塊設計與實現

2.3.1移動承載平臺

（1）平臺承載單元。設計的平臺承載單元可以通過磁吸裝置連接承載仿真目標物，承載板可以固定內部電路板等。此外，本平臺承載單元解決了傳統移動測試平臺通過性差、結構穩定性低等問題；并且配合機械動力單元可以實現車輛碾壓時的自我保護，平臺承載單元設計如下圖2所示。

圖2 平臺承載單元設計圖

平臺承載單元實物圖如圖3所示，承載單元包括承載本體和蓋板，承載本體包括承載板和周向布置于承載板的多個側板，承載板具有多個邊部。根據工作需要，構成承載本體的承載板、側板必須具有較強的強度與剛度。邊部與側板一一對應，側板與邊部連接，連接板的外表面為整圓錐面的局部，連接板各邊部依次連接形成封閉結構，總體來看，承載體形成底部開口的容納空間，內設支撐件，可以支撐各個側板；承載板用于承載仿真目標物。側板支撐于承載板，各個側板與支撐板的夾角均為鈍角，側板與相對承載板向外傾斜；此外，承載板的中間位置開有方形的安裝孔，用來安裝固定目標物的支架。

圖3 平臺承載單元實物

設計的平臺承載單元采用CNC一體化加工，側板與側板之間通過連接板連接，承載本體有很好的連續性，配合內部圓角極大地降低了局部應力集中，使得車輛在邊角處也有很好的通過性，車輪可從連接板越過整個承載單元；同時承載本體容納空間的多個支撐桿，與側板有很好的加固作用，并且采用了7系航空鋁材一體成型加工，保證了承載單元的結構穩定性與剛度，內部中空，加設支撐桿、骨架實現了結構的輕量化理念，有效降低成本，減小電機所需功率。

平臺承載單元的機械承載裝置的最大高度不超過75 mm，以減少自動駕駛汽車感知系統對機械承載裝置的誤識別，同時保證測試車輛的順利碾壓通過。當對自動駕駛汽車進行測試時，汽車的輪胎能夠從傾斜的側板上壓過，最終越過承載單元，承載單元不會受到強烈撞擊。此外，相對低的平臺高度保證了測試場景與實際場景高度相似。

（2）機械動力單元。設計的動力單元可以實現移動承載平臺的前后移動、左右轉向。相較于普通動力單元解決了平臺在測試過程中受到車輛碾壓時動力單元容易受到破壞的問題，這也是該動力單元的核心設計點。

機械動力單元實物圖如圖4所示，動力單元包括基座、第一滾輪組、第二滾輪、第一驅動裝置、第二驅動裝置組和彈性伸縮裝置。在考察了機器人的加速性能、質量、目標速度、轉向靈敏度后，驅動裝置選取了一個小直流無刷電機連接絲杠作為第一驅動裝置，提供轉向動力；兩個直流無刷電機作為第二驅動裝置組，作為機器人的行走驅動，具有結構簡單，運行可靠的優勢。

圖4 機械動力單元實物圖

測試人員對自動駕駛汽車進行測試時，汽車碾壓承載單元后，彈性伸縮裝置將被壓縮，使得第一滾輪組、第二滾輪收縮至承載單元內，此時承載單元起到支撐作用，保證動力單元不會被損壞。此外，由于第一單元中的第一滾輪組、第二滾輪分別由第一驅動裝置、第二驅動裝置組獨立驅動，即第一滾輪組、第二滾輪的轉速可單獨進行控制，便于實現精確轉向。

（3）電氣控制單元。移動平臺的各種電氣控制主要由一個微電子控制裝置控制，該微電子控制裝置包括樹莓派，以及樹莓派連接的外圍電路，如AD采樣電路、脈沖檢測電路、存儲模塊、電機驅動電路、繼電器驅動電路、通訊電路、RF射頻電路、CAN總線電路等。微電子控制裝置采用樹莓派作為控制核心，配合合理的外圍電路，實現了與測試平臺中的其他各裝置的協調控制，如控制電機設備轉動，進而驅動機器人前進或者轉向，如圖5所示。

圖5 電氣控制單元示意圖

2.3.2仿真目標物

仿真目標物包括目標物主體、支撐桿、移動平臺、控制機構及補償組件，如圖6所示。

圖6 仿真目標物與移動承載平臺組合示意圖

移動承載平臺與支撐桿連接，按照預設的運行軌跡或操作命令帶動模擬假人移動?？刂茩C構設置在模擬假人內，包括兩個電機，用于控制所述軀干的臀部的狀態，以通過臀部帶動所述下肢做出擺腿動作。支撐桿的一端與模擬假人主體連接，另一端與移動承載平臺連接，用于將模擬假人固定在平臺上。支撐桿為柔性材料，可在碰撞發生時減輕對測試車輛的損害。

模擬假人主體以直立狀態通過磁吸座固定在移動承載平臺上，從而準確模擬真實行人。同時，模擬假人的高度與真人高度匹配，從而更加真實地模擬行人，保證測試效果。

模擬假人上設有補償組件，用于削弱或增強仿真行人表面的不同部位對雷達波反射作用，使仿真行人的雷達散射截面積RCS與真人的RCS匹配，從而達到類人的RCS反射效果，為車輛主動安全性測試提供了更好的技術支持，保證測試高效進行。

2.3.3遠程控制系統

遠程控制系統包括無線通信裝置和后臺控制裝置。無線通信裝置用于與后臺控制裝置進行數據傳輸，用于接收后臺控制裝置所發送的控制命令設置參數，并對控制命令和設置參數進行處理，以實現遠程控制功能。后臺控制裝置包括控制單元和監控單元，其中控制單元包含能夠向測試平臺發送控制命令的計算機程序和裝有無線通信模塊的計算機。無線通信模塊用來向測試平臺發送控制命令。計算機程序提供用戶界面供用戶進行參數設定、輸入控制命令、預設運行軌跡的操作，并對這些數據進行處理，然后通過無線通信模塊發送至測試平臺。監控單元包含接收測試平臺回傳數據的計算機程序和裝有無線通信模塊的計算機，其中計算機程序能夠實時接收測試平臺回傳數據，并在程序的圖形用戶界面上實時顯示測試平臺的運行數據，例如平臺速度、平臺位移、平臺位置、剩余電量等信息。我們開發的上述系統遠程控制上位機軟件如圖7所示。

圖7 系統上位機人機交互界面

3 低速移動平臺測試

3.1 系統集成

基于上述設計思路試制的面向自動駕駛封閉場地測試的低速移動平臺原型樣機如圖8所示。

圖8 平臺原型樣機

3.2 測試方案設計

主要測試平臺速度、加速度、載重能力及誤差等項目。測試使用高精度組合慣導GCI610和測試用移動工作站，高精度組合慣導用于記錄運動數據，測試用移動工作站用于記錄分析數據。

3.2.1速度與加速度測試

設定移動測試平臺分別由靜止加速至目標車速10 km/h、20 km/h、30 km/h和40 km/h，每次實驗做10次。一共做40次實驗。記錄平臺實際速度，通過記錄加速距離，利用式（1）計算得到實際加速度：

3.2.2載重測試

向移動測試平臺以10 kg為增量加載配重塊，至100 kg結束，測試移動平臺是否有異常。

3.2.3轉彎半徑測試

手動控制移動測試平臺做圓周運動，將轉向角度控制輸出最大，查看最小轉彎半徑。

3.2.4巡航里程測試

內置電池充滿電，設定控制移動測試平臺不間斷做往返運動，直到電池報警，記錄運行時間。

3.3 測試結果

測試結果數據如表3所示，由表可得，平臺各項指標合格，滿足使用需求和設計要求。圖9展示了輸入40 km/h時移動測試平臺速度測試結果，移動平臺最高速度達到40 km/ h，實際輸出速度波動值為8.312 m/s～8.347 m/s（39.92 km/h～40.04 km/h），運動速度穩定可靠，速度誤差±0.1 km/h。

表3 移動測試平臺測試數據

序號驗收內容達標數據實測數據 1速度/(km/h)4040.1 2加速度/(m/s2)55.05 3載重/ kg100100 4速度精度/(km/h)0.150.1 5轉彎半徑/m21.8 6續航里程/min6070

圖9 速度測試結果

4 結論

本文針對自動駕駛封閉場地測試過程中自動駕駛系統行人避撞系統測試需求，研制了一種面向行人模擬的自動駕駛測試低速移動平臺，包含移動承載平臺、仿真目標物、遠程控制系統三部分。并對測試平臺速度、加速度、載重能力及誤差等項目進行了實際驗證評估。研發的自動駕駛測試低速移動平臺可精確模擬行人的運動行為，具有多次反復使用、場景部署方便快捷的優點，其應用將極大滿足自動駕駛場地測試需求，完善自動駕駛測試裝備鏈，打破國外設備壟斷的局面。

[1] 潘洺銘,孫宇波,劉強.智能汽車對無信號交叉口行人的避撞控制[J].交通信息與安全,2021,39(02):19-27.

[2] 蔡博,陳韜,回春,等.商用車AEB系統測試場景構建及仿真研究[J].公路與汽運,2021,4(01):9-12.

[3] 謝蓉,潘霞,張慶余,等.智能網聯汽車測試設備發展趨勢分析[J].時代汽車,2020,4(22):4-6.

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Design and Implementation of Low Speed Mobile Platform for Automatic Driving Test

PAN Xinfu1, KANG Cheng1, LI Chunyin2, YANG Yan1, WANG Youdao2

( 1.CATARC Automotive Proving Ground Co., Ltd., Jiangsu Yancheng 224100;2.Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Pedestrian collision avoidance test is an important part of automatic driving test. In order to meet the test requirements of automatic driving system in closed test field, a low speed mobile platform for automatic driving test is developed for pedestrian collision avoidance test. Firstly, the function and performance requirements of the mobile platform are analyzed. Secondly, the overall design scheme is proposed, which includes three parts: mobile bearing platform, simulation object and remote control system. Then the design and implementation of each module are carried out. Finally, the system integration and test verification are completed. The test results show that the low-speed mobile platform for automatic driving test meets the test requirements and design requirements.

Automatic driving; Field test; Closed test field; Pedestrian simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.011

U495

B

1671-7988(2021)21-43-05

U495

B

1671-7988(2021)21-43-05

潘新福，碩士研究生，高級工程師，就職于中汽研汽車試驗場股份有限公司，研究方向：智能網聯汽車測試、汽車道路試驗。