基于CarMaker與模擬器的毫米波雷達在環仿真

【摘 要】毫米波雷達是智能駕駛汽車中的重要傳感器之一。傳統的驗證方法是在封閉場地和實際道路上用實車驗證，但受限于樣車和場地等因素，測試周期長且成本高。文章提出一種基于CarMaker與毫米波雷達模擬器的在環仿真方式。研究表明，這種方法具有可行性，可增加測試效率，降低測試成本，對于汽車輔助駕駛系統的開發有實際意義和應用價值。

【關鍵詞】毫米波雷達；CarMaker；UDP通信；仿真測試

中圖分類號：U463.675 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0066-04

Millimeter Wave Radar Simulation in Ring Based on CarMaker and Simulator

HUANG Shen，QIAN Wenguo，ZHAN Denghui，SONG Zhenguang

（GAC Automotive Research & Development Center，Guangzhou 510000，China）

【Abstract】Millimeter wave radar is one of the important sensors in intelligent driving vehicle. The traditional verification method is to use real vehicles on closed sites and actual roads but limited by the sample vehicles and sites and other factors，the test cycle is long and the cost is high. This paper presents an in-ring simulation method based on Carmaker and millimeter-wave radar simulator. The research shows that this method is feasible，can increase the test efficiency，reduce the test cost，and has practical significance and application value for the development of automobile assisted driving system.

【Key words】millimeter wave radar；CarMaker；UDP communication；simulation test

1 引言

隨著自動駕駛技術的飛速發展，全球各大汽車廠商紛紛投入到安全方便的車載輔助駕駛系統的研發浪潮中。近年來，毫米波雷達廣泛地應用于汽車的各種系統，如盲點監測系統、碰撞報警系統和360°全景系統等[1-2]。工作時，毫米波雷達通過向探測區域發射電磁波，電磁波到達目標時發生反射并被雷達接收，經過對接收信號的處理，可以估算出目標的距離、速度和方位等信息，具有高分辨率、長距離探測件等優點。為保證毫米波雷達自身的功能及性能，根據V字模型開發流程，每個開發階段都需要有對應的功能完整度測試。目前各主機廠商多基于實車的方式進行測試，隨著開發節奏加快，場地測試的工況不夠豐富，且存在測試重復性差、可控性差、靈活性差和成本較高的缺點［3］。另一方面，傳感器選型變更往往需要通過改制車輛來進行毫米波雷達的功能和性能測試，考慮到測試時長的影響，只有審核供應商的報告而不進行實際驗證，一旦在后期發現問題，則會延長項目周期或增加額外的成本以解決問題。

智能汽車傳感器的虛擬測試仿真是智能駕駛整車在環或硬件在環測試的重要一環[4]。本文旨在利用場景仿真策略，設計一套毫米波雷達回波模擬器，搭建毫米波雷達在環仿真系統，對其功能和性能進行測試和分析，解決毫米波雷達在實車測試中的限制。本文從毫米波雷達的基本原理和應用、測試系統方案設計、在環仿真系統實現與結果評估等4個方面進行闡述，得出搭建毫米波雷達在環仿真系統的主要流程和各階段工作內容。

2 毫米波雷達的原理與應用

毫米波雷達是一種利用毫米波頻段電磁波進行探測的雷達系統。其工作原理是利用天線發射出高頻電磁波，當電磁波遇到目標時，會被反射回來，經過接收機接收后，通過處理得到目標物體的位置、速度等信息。毫米波雷達主要工作在毫米波段，其頻率范圍一般為30～300GHz，波長范圍為1～10mm，具有高分辨率、大探測距離、適應不同天氣條件等優點。其目標物體與雷達之間的距離d可以通過測量從發送到接收的時間延遲Δt來計算，公式為：

d = c × Δt / 2 （1）

式中：c——電磁波在空氣中的速度，一般取3×108m/s；Δt——電磁波從發送到接收的時間延遲，s。

v = λ × Δf / 2 （2）

式中：λ——電磁波的波長，由頻率f和速度c計算得到，λ = c / f；Δf——反射波的多普勒頻移，Hz。

毫米波雷達目標物體的角度θ可以通過測量雷達發射電磁波的方向與接收反射波的方向之間的角度差Δφ來計算，公式為：

θ = sin^-1（Δφ / N） （3）

式中：N——天線的陣元數；Δφ——天線陣列中每個陣元之間的角度差，rad。

綜上所述，毫米波雷達的測距、測速和測角度的計算公式基于電磁波的物理特性和多普勒效應，通過測量電磁波的時間延遲、頻率和方向等參數來計算目標物體的距離、速度和角度等信息。

3 測試系統方案設計

基于上述雷達探測原理的描述，設計一套可以模擬目標反射波形的系統，直接反饋至雷達接收端，實現完整的雷達探測閉環回路，從而解決了實車測試的困難。本文以某車型搭載的博世FR5C雷達為研究對象。

雷達在環系統包含上位機場景仿真模塊、實時運算平臺IPG Xpack4、回波模擬器臺架、待測雷達以及下位機雷達信號處理模塊。其物理連接如圖1所示，各模塊之間主要通過LAN連接；待測雷達與下位機電腦通過CAN設備連接。

場景仿真模塊基于CarMaker軟件實現，它是一款基于汽車行駛動力學和車輛控制的多領域仿真軟件，具有較高的保真度，可以模擬實際道路駕駛中遇到的各種場景。場景設計完成后，為保證信號的實時性，需要通過實時運算平臺解析場景中的目標信息發送至回波模擬器臺架，模擬器進行報文解析并產生雷達回波發送至被測雷達天線，由下位機進行信號處理與分析。測試環境主要由場景軟件和毫米波雷達模擬器組成。

3.1 場景軟件

場景軟件基于CarMaker，它可以模擬各種場景，如城市、高速公路、鄉村道路等，支持各種汽車類型，如傳統燃油車、混合動力汽車和純電動車等。它提供了豐富的模型庫，包括車輛模型、道路模型、交通模型等，用戶可以根據需要自由選擇和組合這些模型，快速搭建各種場景。

3.2 毫米波雷達模擬器

雷達回波模擬器臺架由仿真暗箱、吸波材料、轉臺與滑軌、射頻前端、模擬器主機、混頻器等組成，毫米波模擬器原理如圖2所示，通過本振以及倍頻分頻處理得到模擬距離。

車載雷達測試臺架整體設置在暗箱中工作，暗箱內壁及箱內設備布置吸波材料，以避免環境中的電磁波干擾。

轉臺滑軌采用LAN通信連接，可通過軟件實時控制運動方式。其中，轉臺用于安裝被測雷達，根據測試需要調節雷達俯仰角；轉臺用于安裝射頻前端，用于調節目標方位角。

模擬器與射頻前端通過射頻線纜及控制線纜連接。射頻前端接收毫米波雷達空饋的信號，通過模擬器給出的11.4～11.9GHz本振的6倍頻，將76～81GHz的射頻信號變頻到中頻7.6～9.6GHz。

當選擇2～6m目標時，信號直接走前端中的延遲線后經過E波段變頻將信號輻射出去。

當選擇6～15m的目標時，信號經過前端中的延遲線模塊后，通過線纜到模擬器主機，走開關分路模塊，選通模擬器主機中的延遲線模塊，再通過開關分路回到前端變頻中將信號輻射出去。

當選擇15m以后目標時，信號在模擬器主機中開關分路出選通走變頻路，信號通過中頻上下變頻組件將7.6～9.6GHz信號變頻到0.2～2.2GHz，給到DRFM進行信號處理，DA出給中頻上變頻再經開關分路給到射頻前端將信號輻射出去。

回波模擬器臺架具有以下關鍵特點。

1）雙發射天線：最多仿真4目標/天線，即4個目標可以在2個發射天線（方向）上任意分布。

2）距離范圍：2（典型值）～300m。

3）距離分辨率：5cm。

4）速度范圍：±240km/h。

5）速度分辨率范圍：對應中心頻率76GHz，模擬器模擬速度精度可達±0.05km/h，模擬速度解析度可達0.1km/h。

6）RCS范圍：90dB。

4 在環仿真系統實現

將待測雷達安裝在暗室轉臺支架上，毫米波雷達發射出77GHz電磁波信號，未被吸波材料吸收的信號則進入射頻前端。模擬器主機根據IPG Xpack4機柜釋放的參數與射頻前端接收4971cdd6c94d566be63192ac6ee47e16到的信號，通過分頻倍頻改變飛行時間以及多普勒頻移，生成包含目標距離、角度、速度以及RCS特性的信號，進而驅動滑軌等執行機構以達到模擬真實電磁波信號的效果。

雷達接收到信號后生成CAN目標序列，下位機電腦通過觀察CAN信號中的目標信息，比對CAN信號與CarMaker場景中參數設定的差異以及實車測試結果來評價在環測試系統的準確性。另外，還可以將雷達CAN信號注入到場景仿真軟件的虛擬車輛中以達到閉環測試的目的。

4.1 CarMaker場景搭建

首先根據設定好的測試用例，使用CarMaker搭建場景，本文按照圖3構建測試用例搭建仿真場景。

CarMaker中一個仿真場景是一個TestRun，即一個具體化、參數化的VVE測試場景，包括車輛動力學模型、道路模型、輪胎模型、駕駛員模型以及參數設置（Maneuver）這5大要素。通過更改不同的參數來生成不同的測試場景。本文研究以ACC以及AEB功能在不同參數下的雷達探測性能測試為例。

4.2 CarMaker與模擬器通信建立

CarMaker提供了CANio接口，它是用于連接模擬器和實際控制單元之間的通信總線CAN。CANio允許將CarMaker的虛擬車輛模型與實際的控制單元相連，以進行系統測試和驗證。使用CANio接口，可以模擬車輛行駛的各種情況，如加速、制動、轉向等，并將這些信息傳遞給實際的控制單元進行處理。同時，CANio也可以將實際控制單元的反饋信息傳遞回虛擬車輛模型中，以進行結果分析和驗證。

本文利用CANio接口把仿真場景的參數傳遞給毫米波雷達模擬器。采用UDP通信方式，IP地址可自定義。回波模擬器消息接收端口：13002，UDP報文發送為int類型大端模式，double類型數據（距離、速度、RCS、角度）沒有大小端之分。UDP報文的通信結構依次是幀頭、幀計數、數據域長度、數據域、幀尾。UDP通信報文結構如圖4所示。

通信接口實現需要編輯CarMaker軟件CANio模塊中的user.c文件，在user_out（）中實現UDP報文拼接并發送給模擬器。

4.3 仿真編譯運行

在CarMaker中設置好Realtime System Setup模塊以及調通CarMaker和實時機正常Ping后，需要把CarMaker模型下載編譯到實時機中。打開MSYS-2017 Office+HIL xeno后在本工程的scripts文件夾下輸入“make”指令進行編譯生成可執行程序CarMaker.xeno。在Configuration/status中使用模式設置為HIL模式，設置方法如圖5所示。

在配置好參數之后點擊Start即可，圖6是ACC-AEB功能中跟隨靜止目標仿真場景。

4.4 仿真數據分析

本文試驗中對比的數據主要從2個維度來考察。首先對比HIL測試環境中場景軟件的各場景預設的參數（圖7）與實際毫米波雷達檢測到的參數結果（圖8）。

從試驗結果來看，二者數據基本一致，但是通信有延時，那就間接驗證了模擬器本身的參數運算是正確的，這也是本文研究的目的之一。將臺架HIL測試結果與實車場地測試結果進行對比，如圖9所示，臺架與實車檢測結果存在一定偏差，但兩者結果比較接近，說明本文中構建的在環系統可以對單品的雷達進行功能以及性能測試。

5 結論

本文基于場景仿真結合回波模擬器所構建的毫米波雷達在環測試系統，實現了毫米波雷達的目標距離、速度和方向等關鍵指標的功能及性能測試，測試結果表明，仿真測試與實車測試中，被測雷達在兩種工_{i5WigmykD+3GoRbED5roDQ==}況下水平場視測試結果基本相符。

同時仿真測試可極大減少實車開發中的場地和實際道路測試次數，從而縮短測試周期，節省開發成本，具有很好的實際應用價值。

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（編輯 楊凱麟）