基于V2X 和自動駕駛HIL 聯調的仿真系統開發

摘要：隨著智能網聯汽車的快速發展，車用無線通信（V2X）技術在智能交通領域發揮著越來越重要的作用，因此行業內對V2X 和自動駕駛相關的硬件在環（HIL）融合測試需求也越來越高。由于V2X HIL 系統與自動駕駛HIL 系統兩者相互獨立，在實際應用中尚缺少對兩者相關應用場景及功能進行全鏈路的閉環仿真測試系統。基于dSPACE 平臺HIL 仿真系統及V2X HIL 系統的聯調過程，搭建了一套能夠同時驗證蜂窩車聯網（C-V2X）通信功能和單車智能感知功能的HIL 聯調仿真測試系統。測試結果表明：通過對V2X 應用場景的仿真，該系統能夠正確實現對單車智能駕駛功能測試、V2X 被測算法的驗證及預警功能顯示，由此驗證了聯合仿真平臺的有效性。

關鍵詞：車用無線通信（V2X）；自動駕駛；聯調仿真測試；硬件在環（HIL）；dSPACE 平臺

0 前言

隨著汽車向智能化、網聯化方向的快速發展，目前汽車已能夠憑借車載攝像頭、雷達等傳感器實現一定程度的單車自動駕駛，借助車用無線通信（V2X）技術可進一步實現汽車與人、物及外界環境的信息交互。

硬件在環（HIL）仿真測試是指使用仿真系統代替實際環境，通過將實際硬件與仿真系統相連，實現對被測件性能的驗證和優化。HIL 仿真測試能夠降低開發成本、優化系統性能，并確保系統的穩定性和可靠性，其在V2X 和自動駕駛技術的研發和應用中起著至關重要的作用。馬謙［1］利用VTD 軟件創建V2X 仿真場景，底層基于NI 板卡構建射頻收發環境，對V2X 被測件的天線進行測試；張震［2］基于CarMaker 軟件進行二次開發，并與CANoe 軟件聯合進行仿真，再配合Ramp;S CMW500和Ramp;S SMBV100B 兩款儀表，來模擬V2X 實車測試效果。蔡之駿等［3］基于Simulink 模型V2X HIL仿真方案，模擬真實的V2X 設備前裝工作環境和全球定位系統（GPS）環境，完成了V2X 算法場景測試與驗證；尹遜哲［4］基于dSPACE 平臺，對自動駕駛車輛的多傳感融合定位算法進行了研究；王啟配等［5］通過HIL 仿真系統對電控系統的自動緊急剎車（AEB）功能進行了測試驗證，并提供了整改優化。但業界對V2X HIL 測試系統與自動駕駛HIL測試系統的研究多為相互獨立的研究，在實際應用中尚缺少對兩者的融合測試研究。

根據中國汽車工程學會標準T/CSAE 53—2020《 合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準（第一階段）》［6］，當前的V2X應用場景主要有安全、效率和信息服務3 大類，具體包括車車通信（V2V）、車路通信（V2I）和車人通信（V2P）。本文根據標準的要求，結合整車企業的實車功能，主要進行V2V 相關功能（前方緊急制動、左轉和交叉路口碰撞預警等功能）的HIL 仿真測試，將基于dSPACE 平臺的單車智能駕駛HIL 仿真測試系統與V2X HIL 系統中被測V2X 車載單元（OBU）中的V2X 算法進行聯調，依托dSPACE 平臺搭建測試模型及仿真場景，通過虛實結合構建了一套能夠同時驗證C-V2X 通信功能和單車智能駕駛測試的HIL 聯調測試系統。

1 聯調仿真測試系統組成

1. 1 聯調仿真架構

聯調仿真測試系統利用dSPACE 平臺搭建車輛模型與場景模型、采用dSPACE MotionDesk 軟件碰撞預警界面顯示開發、dSPACE 動力學模型配置工程開發和dSPACE 與V2X 通信模型開發，最終實現由dSPACE 和V2X 算法組成的聯合仿真平臺。雙方通過在通信模型中建立一致的數據交互接口和數據格式，利用dSPACE 平臺內部板卡的以太網端口將數據發送給與之處于同一局域網連接的V2X 端設備，再由V2X 終端模擬直連蜂窩通信協議（PC5）接口進行通信，將交通參與者信息廣播至被測件，dSPACE HIL 仿真系統與V2X HIL 系統間通過用戶數據報協議（UDP）通信模式來實現雙方數據的正常通信。

該系統主要由dSPACE HIL 仿真系統和V2XHIL 系統構成，如圖1 所示。

dSPACE HIL 仿真系統包含仿真上位機、實時機柜、相關仿真板卡；V2X 系統包含通信OBU、被測OBU 及上位機。dSPACE 上位機安裝有dSPACE ModelDesk 場景編輯軟件、ControlDesk控制軟件、MotionDesk 界面可視化軟件、ConfigurationDesk 模型編譯配置軟件等。實時機柜中主要安裝有用于通信的板卡以及連接控制器的端口。V2X 設備上位機使用Ubuntu 系統，主要作為消息中轉站與dSPACE 系統以及OBU 進行數據交互。

1. 2 工作原理

基于dSPACE HIL 仿真系統，可對裝有自動駕駛算法的域控制器進行測試，實現單車感知智能場景的測試。同時，為了快速驗證V2X 端被測OBU的V2X 算法，本文設計開發了一套基于dSPACE的V2X 虛擬仿真測試平臺，將V2X 算法接入dSPACE 系統中，便可實現在dSPACE 系統中同時測試自動駕駛被測算法和V2X 被測算法的需求。

上位機使用dSPACE 仿真軟件，在dSPACEModelDesk 中搭建仿真場景，通過運行已經設計好的V2X 應用場景，由dSPACE 實時機對ASM 動力學模型數據、場景數據、主從車動態數據等各項信息進行模擬后，通過通信模型中的UDP 模塊將這些仿真數據實時發送給V2X 上位機，再由上位機封裝數據分發給通信件和被測件，最終由通信件PC5 廣播至被測件，從而作為V2X 算法輸入端的信號。與此同時，V2X 算法結合主遠車的運動姿態，經過實時計算，觸發相應預警并將產生的V2X 各類預警標志和預警類型信息通過UDP 通信反饋給dSPACE ASM 模型，從而在dSPACE MotionDesk碰撞預警畫面中顯示。

V2X 設備平臺包括車載設備被測OBU 和通信OBU，通信OBU 接收來自V2X 上位機的目標物結構化數據，封裝成車輛基本安全消息（BSM）后廣播至被測OBU；被測OBU 運行著V2X 算法，由V2X 算法實時計算車輛信息，通過UDP 模塊，最終將預警信息發送到dSPACE 平臺。

通過把自身車輛及前方車輛的相關信息作為算法的輸入變量，再利用V2X 算法進行實時計算，最終向駕駛員反饋預警信息。

前文介紹了應用場景的仿真功能實現是源于dSPACE ModelDesk 對場景的搭建，而dSPACEASM 模型及板卡負責配置通信工程和連接V2X 算法，因此需要采用dSPACE 和V2X 設備的聯合仿真，才能實現應用場景、車輛動力學和通信協議的整體仿真。

2 模型

仿真測試系統中的模型主要包括基于dSPACE 創建的車輛和場景道路模型，以及V2X算法通信模型。

2. 1 車輛和場景道路模型

2. 1. 1 車輛模型

研究車輛在預期的軌跡行駛過程中的碰撞預警問題，需要高精度的整車動力學模型來模擬真實的駕駛環境［2］。對于V2X 虛擬仿真測試，傾向于對車輛之間、車輛和行人之間，以及車輛和路側設備之間的信息往來。依照 T/CSAE 53—2020［ 6］搭建的仿真場景，側重于防止行駛車輛在事先設定的駕駛路徑中發生碰撞并進行預警提醒，因此應建立相應的車輛動力學模型。本平臺基于dSPACE ASM動力學模型，獲取主車和從車的信號。

2. 1. 2 道路模型

采用dSPACE ModelDesk 道路編輯軟件搭建道路模型。在仿真平臺中搭建直道、彎道和十字交叉路口等不同的道路模型，主從車輛的運動軌跡可沿搭建的道路方向自定義路線。

2. 1. 3 場景模型

基于dSPACE ModelDesk 場景編輯軟件，根據T/CSAE 53—2020［ 6］的應用場景要求，搭建了多種V2V 場景。在dSPACE 中搭建的交叉路口碰撞場景示意圖如圖2 所示。

2. 2 V2X 算法通信模型

T/CSAE 53—2020［ 6］規范了5 種消息類型：Msg_BSM、Msg_RSI、Msg_RSM、Msg_SPAT 和Msg_MAP［7］，本文主要研究Msg_BSM 消息體。BSM 用來在不同車輛之間傳遞交換車輛自身的安全狀態信息，車輛通過BSM 的廣播，把加速度、經緯度等信息實時告知周圍車輛，以此支持一系列協同安全等應用。BSM 常被應用在前向碰撞預警、左轉輔助碰撞預警等安全類場景中，是最常用的V2X 消息。

由于提供完整的符合標準的BSM 需要進行一個完整的上層應用，因此需要將已經完成的碰撞預警算法集成到V2X 終端設備中［2］，將V2X 終端設備與dSPACE 系統中的其他硬件構成一個整體，使得碰撞預警算法與在dSPACE 中搭建的虛擬場景和dSPACE 配置的仿真通信工程一起構成一個完整的上層應用。待整個系統啟動并正常運行以后，從ASM 模型中的車輛動力學、環境模型等挑選相關的參數信號，打包輸出，作為V2X 算法模型的輸入。同時，可由V2V 終端設備中的碰撞預警算法對數據進行實時計算，產生標準的BSM，并將產生的報警消息發送至dSPACE ASM 模型中，并與MotionDesk 界面的預警顯示界面接口進行連接。

將dSPACE 實時機柜內部的通信板卡與V2X 設備均接入實驗室同一網絡，配置好IP 地址及端口號，確保雙方能建立通信。將dSPACE ASM 模型中的車輛數據打包通過UDP 模塊發送至V2X 算法進行實時計算，另外在將V2X 端反饋的報警信息經過UDP 通信再送回到dSPACE 模型中，因此，車輛和V2X 端通過通信模型的雙向連接就此建立。

被測V2X 算法中有數據接收（接收dSPACE上位機發來的BSM 車輛狀態信息）、數據處理、防碰撞預警分析、數據反饋（UDP 回傳至dSPACE 上位機）和預警。通過V2X 設備接收的BSM，可以得到車輛的速度、加速度、航向角、車燈信息和方向盤轉角等狀態信息，經緯度等定位信息，以及地圖信息。將dSPACE 的仿真數據進行預處理后，傳入V2X 算法模塊進行實時計算，以判斷車輛是否觸發了預警，并將預警消息返回給dSPACEASM 模型。

按照V2X 算法對數據的定義來搭建數據通信模型［8］。文中如V2X 接收端的數據模型包含：車輛id、車輛坐標、速度、加速度、航向角、車身大小、方向盤角度、車輛事件類型和燈光類型等信息，這些消息均按照BSM 消息體定義進行了轉換；如V2X預警端的數據模型包含：預警序號、預警時間戳、預警類型和碰撞距離及碰撞時間等信息，接收預警消息端可憑上訴數據對合理的預警結果進行顯示；如dSPACE 通信模型主要包含對V2X 接收端和預警端數據的數據處理及傳輸。

為提升發送效率，減少協議建立連接的時延及記錄雙發收發狀態的額外投入消耗［9］，采用UDP 形式來實現仿真主機與V2X 算法模型的通信。

所有數據都會經過基于Simuink 軟件封裝的UDP 傳輸模塊輸出口發送給V2X 算法端。UDPtransmit 是dSPACE 基于Simuink 軟件封裝的UDP傳輸模塊，用來向V2X 端串口發送數據。而BytePack 模塊則將主車、前車的位置、速度和加速度等信息進行打包后［10］，通過UDP transmit 傳送給V2X算法端的通信模塊并向外發送。

當輸出報警消息時，待測OBU 則作為整個系統的一部分，內部載有設計好的V2X 碰撞預警算法，并將報警消息發送給dSPACE 顯示界面。

V2X 算法模型運行在V2X 設備端ubuntu 系統中，動力學和場景模型運行在dSPACE 實時裝置中，兩者通過基于dSPACE 內部封裝的UDP 通信模塊進行數據傳輸。在Simulink 軟件中搭建好上述通信模型，以實現仿真場景數據發送及預警信號的接收。

此外，按照車聯網應用層標準通信協議設計相關消息集的封裝及發送模塊的要求，V2X 預警信號同樣采用了UDP 形式傳回至dSPACE 模型的預警信號接收模塊［9］。在Simulink 軟件中基于dSPACE內部封裝的UDP 數據發送/接收模塊，可將仿真場景中的主從車數據和V2X 消息以UDP 形式進行打包發送，而V2X 算法端接收信號后觸發相應的場景功能，以UDP 形式將相關預警數據回傳至Simulink 軟件中的UDP 接收模塊，通信模型將此OBU 預警信號傳回至預警接收模塊，并在MotionDesk 上顯示圖像播報。

3 聯調測試

3. 1 V2X 與dSPACE 聯調測試流程

本文主要研究了V2V 應用場景，設計開發了基于dSPACE 的V2X 聯調仿真測試系統。在dSPACE 上位機中運行場景和車輛模型仿真軟件，場景仿真軟件中運行之前設計的V2X 應用場景，建立通信模型并將場景中的數據與被測V2X 算法進行信息交互，從而實現2 個仿真系統間的協同仿真。具體測試流程如圖3 所示。

3. 2 驗證樣例分析

V2V 通信技術是V2X 中較關鍵的部分之一，可監測道路行駛中其他車輛的速度、位置等對其他駕駛員無法開放的“隱藏”數據，同時能夠自動預測在該車行車道路前方是否會發生可能的碰撞［11］。以前向碰撞預警（FCW）和十字交叉路口V2V 碰撞預警（ICW）的測試過程為例，進行V2X 聯調仿真以驗證系統的應用功能。

3. 3 測試結果分析

3. 3. 1 仿真時延驗證

為了驗證聯調仿真測試系統跨系統間的仿真通信時延是否能滿足測試要求，可直接采用數字計數法測量時間間隔［12］。

將dSPACE 主車車速發給V2X 端，V2X 再將信號回傳至dSPACE，在ControlDesk 界面同時觀測主車車速及V2X 回傳車速信號，計算2 個車速信號均降為零時的瞬間時間間隔ΔT。

ΔT =| T1 - T2 | （1）

式中：T1 為dSPACE 發送端車速降為零的時刻；T2為V2X 端回傳的車速降為零的時刻。

仿真通信延遲圖如圖4 所示。

從圖4 可以看出，V2X 系統與dSPACE 系統之間的仿真時延約為2.88 ms，能滿足仿真系統對數據交互的要求。

3. 3. 2 dSPACE MotionDesk 碰撞預警界面開發

在dSPACE 模型中創建預警通信模型，并通過UDP 通信接收V2X 算法反饋的預警信息。在dSPACE MotionDesk 碰撞預警開發端設置對應的數據庫及預警顯示界面，如設置與預警類型對應的預警圖片及文字，設置圖片與文字在畫面中的顯示位置等。然后在仿真過程中，經過實時運算和判斷，當接收到碰撞預警信號時，dSPACE 預警顯示界面端可根據V2X 算法將預警結果進行圖片和預警類型的切換展示，如圖5 所示。當觸發預警時，會顯示相對應的預警圖片；當無預警發生時，將顯示正常行駛圖片，從而實現所需的碰撞預警提示效果。具體預警界面顯示效果如圖6所示。

4 結語

為了對相互獨立的V2X HIL 系統和自動駕駛HIL 系統中的相關應用場景及功能進行全鏈路的閉環仿真測試，通過將dSPACE HIL 仿真測試系統與V2X 系統進行聯調，搭建了一套能夠同時驗證C-V2X 通信功能和單車智能感知功能的HIL 測試系統，有機整合了V2X 與自動駕駛的HIL 測試需求。同時，通過對V2X 應用場景的仿真，驗證了本聯調仿真測試系統能夠正確實現對單車智能駕駛功能測試、V2X 被測算法的驗證及預警功能的顯示，也驗證了本聯調仿真測試系統方案的有效性。綜上，所提出的方案具有成本可控、高安全性和可重復性測試等特點，可用于自動駕駛單車智能HIL測試和V2X 測試的聯調仿真測試評價。

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