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駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
2020-11-03 22:58:38· 來源：天津汽車研究所
對智能汽車的駕駛輔助系統(tǒng)提升安全性能的需求不斷提高，多傳感器信息融合是駕駛輔助系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢，硬件在環(huán)仿真測試平臺能對駕駛輔助系統(tǒng)安全性進行深度測試。
對智能汽車的駕駛輔助系統(tǒng)提升安全性能的需求不斷提高，多傳感器信息融合是駕駛輔助系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢，硬件在 環(huán)仿真測試平臺能對駕駛輔助系統(tǒng)安全性進行深度測試。通過分析汽車典型駕駛輔助系統(tǒng)主要傳感器構(gòu)成和傳感器仿真特 點，介紹先進的駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試平臺構(gòu)架。根據(jù)未來汽車多傳感器融合環(huán)境感知發(fā)展趨勢，總結(jié)未來自動駕 駛汽車硬件在環(huán)仿真測試評價技術(shù)存在的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向，為行業(yè)應(yīng)用提供參考。
先進駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）可以協(xié)助駕駛員提高行車安全性和駕駛舒適性，被認(rèn)為是提升出行效率、解決交通事故頻發(fā)問題的有效措施。駕駛輔助系統(tǒng)依靠傳感器采集車輛行駛四周的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境目標(biāo)威脅而作出橫向、縱向控制，可有效降低道路交通事故發(fā)生的概率。傳統(tǒng)的場地測試是以假人、假車、環(huán)境模擬器等測試設(shè)備構(gòu)建有限測試場景，測試決策控制算法的合理性和控制算法與車輛匹配的優(yōu)劣。駕駛輔助系統(tǒng)連續(xù)感知、決策、執(zhí)行，全天候持續(xù)運行，傳統(tǒng)測試評價手段已難有效覆蓋自動駕駛新特征。智能駕駛輔助系統(tǒng)在開發(fā)的過程中，每一階段功能和性能的測試評價將通過多樣化的試驗結(jié)果相互組合印證，需要進行實車道路測試、公開道路測試，功能安全測試、信息安全測試、仿真測試等，硬件在環(huán)仿真測試平臺是智能網(wǎng)聯(lián)汽車“V”型開發(fā)過程中不可缺少的工具鏈。
01 駕駛輔助系統(tǒng)功能及傳感器原理
駕駛輔助系統(tǒng)構(gòu)成和原理
汽車駕駛輔助系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)原理，如圖1所示。目前，駕駛輔助系統(tǒng)主要裝備毫米波雷達、攝像頭、360°環(huán)視系統(tǒng)、超聲波雷達，實現(xiàn)自動泊車（APA）、自適應(yīng)巡航（ACC）、緊急制動（AEB）、盲區(qū)監(jiān)測（BSD）、車道保持輔助（LKA）、交通擁堵輔助（TJA）等功能，而激光雷達主要是在更高級別的自動駕駛汽車上裝備。車載傳感器感知前方道路上障礙物、車道線、交通限速標(biāo)志、行人等信息。使用攝像頭和毫米波雷達獲取前方目標(biāo)相對距離、相對速度，通過決策與控制實現(xiàn)自適應(yīng)巡航、緊急制動、交通擁堵輔助功能。攝像頭可識別前方道路車道線，計算車輛與車道線的相對位置和車道線的曲率半徑，結(jié)合車輛的底盤轉(zhuǎn)向特性，實現(xiàn)LKA功能。
傳感器目標(biāo)探測原理
1、毫米波雷達目標(biāo)識別原理
車載毫米波雷達主要分為脈沖式和連續(xù)調(diào)頻式，由于脈沖信號在近距離探測目標(biāo)時對硬件計算速度要求較高，因此不適用于車載近距離探測目標(biāo)的需求。連續(xù)調(diào)頻毫米波雷達采用雷達波調(diào)制的方式發(fā)送探測電磁波，通過調(diào)制發(fā)射電磁波信號與雷達天線接收到的目標(biāo)反射雷達信號進行混頻，利用傅里葉變換算法對混頻信號進行解析，可解析出雷達與目標(biāo)的相對距離和相對速度，并根據(jù)雷達接收天線陣列參數(shù)計算相對角度信息。
2、攝像頭目標(biāo)識別原理
作為ADAS的核心傳感器之一，車載攝像頭需要最大限度地適應(yīng)不同的光照條件，能夠更加快速、精確地感知路況信息，并加強對圖像噪點的抑制。攝像頭和攝像頭后處理芯片端原理，如圖2所示。攝像頭的光感原件識別外界圖像信息并轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)編碼協(xié)議編碼圖像信號，通過低電壓差分信號（LVDS）傳輸方式將圖像傳輸至圖像處理芯片（ECU），經(jīng)過圖像信號質(zhì)量處理后，再傳遞至圖像處理單元（GPU），利用深度學(xué)習(xí)或機器學(xué)習(xí)算法識別圖像中不同層次目標(biāo)（道路、行人、車輛、障礙物）。目標(biāo)識別效果依賴于深度學(xué)習(xí)的樣本的類型和數(shù)量，因此深度學(xué)習(xí)目標(biāo)識別的樣本需要不斷迭代和更新。
3、超聲波雷達探測原理
傳感器內(nèi)的超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，由接收傳感器接收經(jīng)障礙物反射回來的超聲波，根據(jù)超聲波反射接收的時間差，由控制單元內(nèi)的CPU處理換算成距離。超聲波雷達在速度很高情況下的測量距離有一定的局限性，這是因為超聲波的傳輸速度很容易受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢，當(dāng)汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車車距的實時變化，誤差較大。超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時，其回波信號會比較弱，影響測量精度，但超聲波在短距情況下傳感器具有非常大的優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于自動泊車的車位探測及行車盲點輔助。
4、激光雷達探測原理
激光雷達是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。其工作原理，如圖3所示，其由激光發(fā)射機、光學(xué)接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，根據(jù)光線的飛行時間獲得單點的相對距離，并根據(jù)激光雷達基礎(chǔ)坐標(biāo)系計算目標(biāo)點云在坐標(biāo)系的位置（x，y，z）。激光雷達可直接生成帶有坐標(biāo)位置的點云信息，在多線激光雷達照射下可形成多點外輪廓，采用聚類分析、語義分割、深度學(xué)習(xí)等目標(biāo)分類識別技術(shù)，建立車輛四周的道路、障礙物、行人、車道線、車輛、交通標(biāo)志等數(shù)字化模型，直接應(yīng)用于駕駛輔助系統(tǒng)的控制決策。
02 駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)
系統(tǒng)架構(gòu)
典型的駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試平臺框架，如圖4所示，包含了場景建模工作站、雷達目標(biāo)模擬器、超聲波雷達信號注入、視頻暗箱、視頻注入系統(tǒng)、ADAS-ECU、駕駛模擬器、車輛動力學(xué)模型所組成的仿圖真測試平臺。
硬件在環(huán)仿真典型數(shù)據(jù)傳遞過程步驟如下：
1）場景軟件將各個虛擬傳感器模型檢測目標(biāo)信號輸出至對應(yīng)傳感器模擬器。
2）各個模擬器子系統(tǒng)采用物理信號仿真的方式與真實傳感器進行聯(lián)合仿真。
3）傳感器通過CAN/CANFD將采集到的目標(biāo)信息輸入至ADAS-ECU。
4）ADAS-ECU根據(jù)實時系統(tǒng)模擬輸入車速、其他信息，駕駛模擬器輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板、加速踏板信號等信息，結(jié)合傳感器目標(biāo)、車道線識別結(jié)果進行綜合決策。
5）ADAS-ECU輸出決策控制命令至實時系統(tǒng)運行的車輛動力學(xué)模型，執(zhí)行ACC、AEB、LKA、TJA、APA。
6）車輛動力學(xué)模型將執(zhí)行相應(yīng)動作，計算出各個車輪的位置（x，y，z），并將車速、減速度、方向轉(zhuǎn)角等信息反饋至場景軟件。
7）場景軟件更新場景數(shù)據(jù)，完成新的一幀數(shù)據(jù)仿真。
雷達目標(biāo)模擬器
雷達目標(biāo)模擬器是毫米波雷達射頻信號在環(huán)仿真方案的關(guān)鍵部件。雷達目標(biāo)模擬器通過射頻天線接收端接收雷達信號后，采用傅里葉變換算法對該電磁波信號進行時域、頻域分析，解析雷達波信號特征，再根據(jù)場景軟件中雷達模型傳遞的被模擬目標(biāo)速度、距離、雷達截面積值（RCS），通過射頻信號技術(shù)對回波延時、多普勒頻移、信號增益/衰減3項操作，完成雷達目標(biāo)信號的速度、距離、RCS值的模擬。
分析連續(xù)2束正弦波調(diào)制的雷達波信號，若物體保持靜止，對采集的時域信號進行傅里葉變換后的結(jié)果，將會在相同的頻率f位置出現(xiàn)峰值。 雷達目標(biāo)模擬器模擬距離為D的物體，通過計算出雷達發(fā)射與接收信號的時間差，實現(xiàn)模擬目標(biāo)距離D。若物體移動速度為v，則連續(xù)2次信號解析的結(jié)果存在相位差，結(jié)合2束波發(fā)射的時間間隔，計算出所需相位差，對信號的相位進行偏移以模擬目標(biāo)速度。
雷達目標(biāo)模擬器在實際應(yīng)用過程中，主要性能參數(shù)，如表1所示，雷達目標(biāo)模擬器的工作頻段、瞬時帶寬應(yīng)大于等于被測雷達參數(shù)，模擬目標(biāo)RCS值的范圍代表模擬目標(biāo)種類的豐富程度，而最近的目標(biāo)模擬距離直接影響測試場景的搭建。
雷達目標(biāo)模擬器對每個雷達目標(biāo)的模擬都需要配置獨立的通道進行信號處理，模擬目標(biāo)的數(shù)量與成本成正比，同時單方向上模擬目標(biāo)的數(shù)量過多，會造成信號干擾。與實際道路行駛時雷達探測到的目標(biāo)相比，模擬目標(biāo)的數(shù)量較少，不能真實反映汽車在道路上行駛時所處的復(fù)雜電磁波環(huán)境。而對于運動多目標(biāo)模擬，將雷達目標(biāo)模擬器的收發(fā)天線置于環(huán)形導(dǎo)軌上，通過驅(qū)動電機驅(qū)動收發(fā)天線沿導(dǎo)軌運動，實現(xiàn)不同方向的雷達模板動態(tài)運動模擬，受限于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，能模擬的方向目標(biāo)有限。
視頻注入
攝像頭視頻流注入原理，如圖6所示。場景仿真軟件構(gòu)建虛擬場景并進行視景渲染，通過顯卡輸出視頻流，通過HDMI\DVI與上位機的顯卡通道相連，將采集到的視頻流輸入至視頻注入模塊中進行處理，處理完的信號通過ECU適配板輸出給攝像頭圖像處理、目標(biāo)識別的ECU，視頻注入攝像頭在環(huán)仿真的優(yōu)點如下：
1）可測試強光或逆光情況下控制算法的反應(yīng)；
2）可測試多目、360°環(huán)視系統(tǒng)；
3）可以通過對視頻注入板卡進行編程，實現(xiàn)圖像信號級、像素級的故障注入；
4）可實現(xiàn)低延時高保真的攝像頭在環(huán)仿真測試。
測試場景建模軟件
場景仿真軟件與車輛動力學(xué)軟件聯(lián)合仿真可實現(xiàn)閉環(huán)，能夠?qū)④囕v動力學(xué)模型與交通場景很好地融合起來，進而彌補了車輛動力學(xué)軟件在真實交通場景建模、路網(wǎng)系統(tǒng)建模及交通狀況控制方面的不足，形成整個復(fù)雜交通環(huán)境。場景仿真軟件具有強大的道路環(huán)境交通仿真能力，包括：
1）復(fù)雜路網(wǎng)建模，包含異形交叉路口、轉(zhuǎn)彎、坡度、超高、及路邊建筑（隧道、橋梁等）；
2） 具有強大的交通仿真和交通規(guī)則仿真能力，包含交通流模擬、行人干擾；
3）多種天氣模式渲染（雨、雪、霧、沙塵暴等），動態(tài)實時光影、HDR渲染和路面渲染；
4）采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和接口，非常適合與第三方軟件進行聯(lián)合仿真；
5）傳感器仿真能力，包括理想傳感器和復(fù)雜傳感器，可以獲得目標(biāo)的ObjectList或者模擬傳感器的點云數(shù)據(jù)。
目前，商用的場景軟件功能都較為相近，性能和功能區(qū)別不夠明顯。各個場景軟件都支持Opendrive和Openscenario格式的道路網(wǎng)絡(luò)與場景格式化導(dǎo)入。在場景軟件中建立起各個傳感器的物理模型，通過目標(biāo)列表直接注入至ADAS-ECU，可實現(xiàn)快速決策、控制算法驗證，與傳感器目標(biāo)物理信號模擬方式相結(jié)合，可解決駕駛輔助系統(tǒng)算法開發(fā)不同層級的需求。
03 未來測試技術(shù)發(fā)展預(yù)測
傳感器
通過全方位的360°環(huán)視、多雷達系統(tǒng)、高精度定位等自主感知信息獲取車輛有限距離的外部環(huán)境信息，結(jié)合5G車路協(xié)同技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的路徑規(guī)劃、事故早報等功能，為高度自動駕駛應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是多系統(tǒng)協(xié)調(diào)，多技術(shù)融合，同時存在多方面的風(fēng)險，當(dāng)前需要多維度多角度的測試評價達到置信程度。
測試技術(shù)挑戰(zhàn)
傳感器數(shù)量、類別的增多給整套自動駕駛系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。典型多傳感器自動駕駛汽車，如圖7所示。全車有6個毫米波雷達、1個激光雷達、6個攝像頭、慣導(dǎo)、車路協(xié)同設(shè)備，若對所有傳感器都配置對應(yīng)的物理信號仿真模擬器，會帶來多模擬器硬件實時仿真協(xié)調(diào)性的挑戰(zhàn)和多實時系統(tǒng)之間任務(wù)解包、任務(wù)分配、信號輸出與反饋之間的同步性問題，挑戰(zhàn)現(xiàn)有的測試模型和框架。
針對常見的視覺、雷達、GNSS在環(huán)仿真，已經(jīng)有經(jīng)過大量驗證的可實施方案。對于環(huán)視系統(tǒng)和前視攝像頭，采用視頻流注入的方式是較優(yōu)的解決方案，而激光雷達單幀仿真的點云數(shù)量巨大，采用物理仿真的方式很難實現(xiàn)實時準(zhǔn)確仿真。不同的激光雷達結(jié)構(gòu)形式各異，采用激光雷達目標(biāo)模擬器方式存在較大的技術(shù)難度和通用性問題，因此針對激光雷達仿真，采用點云數(shù)據(jù)直接注入目標(biāo)控制器。
受制于雷達目標(biāo)模擬器的仿真原理，1個雷達仿真子系統(tǒng)能仿真的雷達目標(biāo)數(shù)量較少，正常雷達檢測到道路上目標(biāo)至少大于8個，因此采用信號延時的雷達仿真方式存在一定的局限性。未來針對雷達目標(biāo)模擬器采用陣列式的多目標(biāo)模擬暗箱，利用電信號高速控制雷達信號收發(fā)與目標(biāo)仿真計算，至少可實現(xiàn)16個不同方向及運動目標(biāo)的模擬。同時在場景軟件中建立起毫米波雷達模型，將場景中背景目標(biāo)材質(zhì)的雷達反射特性進一步細(xì)化，傳遞給雷達目標(biāo)模擬器進行目標(biāo)仿真，貼近真實雷達環(huán)境。
04 結(jié) 論
目前，駕駛輔助系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試，由于視頻暗箱進行攝像頭在環(huán)仿真的方案只能覆蓋單目攝像頭，采用視頻流信號注入至攝像頭圖像處理ECU的方式，可以覆蓋多種類型的視覺方案的測試需求，同時具備視頻信號層的故障注入功能，但存在需針對每款攝像頭芯片模組進行開發(fā)的缺點。傳統(tǒng)的雷達模擬器只能實現(xiàn)較少目標(biāo)模擬，多目標(biāo)陣列式雷達目標(biāo)信號仿真，能夠讓雷達在環(huán)仿真測試更加貼近真實的雷達環(huán)境。
--END--
作者：曾 杰
公眾號編輯：胖 佶
來源：《汽車工程師》
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