伴隨著數(shù)量龐大和功能日益豐富的控制器、傳感器和執(zhí)行器在機(jī)電系統(tǒng)上的嵌入集成，機(jī)電工程系統(tǒng)的功能日益豐富、精密性和整體性顯著提升。機(jī)電工程一體化的發(fā)展是多學(xué)科任務(wù)的融合，它的需求依賴于不同技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。其中，遵循“V 模型”的基于模型的開發(fā)( MBD)方法是一種公認(rèn)的系統(tǒng)開發(fā)方案。盡管MBD起源于軟件的系統(tǒng)開發(fā)，但是在機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)，尤其是汽車嵌入式軟件開發(fā)中得到推廣。V模型的流程開發(fā)圖如圖1所示。由圖1可知，V模型的流程開發(fā)的主要環(huán)節(jié)包括: 功能設(shè)計(jì)、代碼開發(fā)、模型開發(fā)、快速原型、模型在環(huán)測試、系統(tǒng)在環(huán)測試和硬件在環(huán)測試七大組成部分。



硬件在環(huán)(HiL)仿真是通過實(shí)時(shí)處理機(jī)器運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型，為真實(shí)控制器提供所需關(guān)鍵要素信號的測試方法，其目的是在機(jī)電產(chǎn)品量產(chǎn)前盡可能地發(fā)現(xiàn)問題并提供修改依據(jù)，為項(xiàng)目短開發(fā)時(shí)間，減少耗費(fèi)成本。AEB自動(dòng)緊急制動(dòng)技術(shù)(Autonomous Emergency Bra-king，AEB) 是一項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)。它具體指的是搭載AE功能的車輛在非自適應(yīng)巡航的情況下行駛時(shí)，針對前方出現(xiàn)突發(fā)情況( 包含不限于前車、故障車、行人、路障等) 時(shí)，主動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)以保證安全距離和減少碰撞事故的發(fā)生。制動(dòng)技術(shù)對傳統(tǒng)車輛及智能車輛行駛安全性影響極大，因此國內(nèi)外眾多學(xué)者對汽車制動(dòng)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究和分析。

其中，以電動(dòng)汽車為研究對象，對電動(dòng)汽車磁流變液制動(dòng)器的徑向流動(dòng)特性進(jìn)行研究和分析; 對汽車自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對自動(dòng)緊急制動(dòng)控制策略進(jìn)行研究; 對汽車自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究和分析; 對汽車前方危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行評估，并對自動(dòng)緊急制動(dòng)控制策略進(jìn)行研究和分析;在考慮輪、地接觸等因數(shù)設(shè)計(jì)了汽車盤式制動(dòng)器模擬制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，并對設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證; 采用攝像頭傳感器對高級駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)測試進(jìn)行研究。

基于上述研究者對汽車制動(dòng)技術(shù)、制動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)器及控制系統(tǒng)等方面的研究基礎(chǔ)，本文以基于模型開發(fā)的自動(dòng)緊急制動(dòng)功能軟件為研究對象，通過控制器硬件在環(huán)臺(tái)架編寫測試用例對其功能進(jìn)行測試，進(jìn)而對國家法規(guī)限定的測試指標(biāo)進(jìn)行梳理，驗(yàn)證了該類型項(xiàng)目開發(fā)的必要性，為后續(xù)的工程推廣應(yīng)用提供重要數(shù)據(jù)支撐。

HiL 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)分析

硬件在環(huán)系統(tǒng)提供了一種在實(shí)時(shí)處理環(huán)境和虛擬動(dòng)力學(xué)模型共同組成的系統(tǒng)中，快速、靈活且高效的方式驗(yàn)證基于模型開發(fā)算法的控制器的功能和性能的方法。HiL系統(tǒng)集成使用快速控制原型( rapid-control-prototype，ＲCP)工具，與其它多個(gè)控制器共同組成系統(tǒng)的主要節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的執(zhí)行器和傳感器采用機(jī)械或電氣連接，可以對測試對象的物理工作環(huán)境的中信號進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。尤其是在 AEB 測試方面，HiL 系統(tǒng)的平臺(tái)實(shí)時(shí)環(huán)境中控制系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證( 特別是極端場景和危險(xiǎn)工況) ，可以大幅減少與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。硬件在環(huán)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。



本文研究的 Hil 主要部件有機(jī)柜、上位機(jī)、被測對象( AEB 控制器) 、各類傳感器以及保證他們互相連接的線束和機(jī)械部件。

AEB-HiL 系統(tǒng)基礎(chǔ)特性

本項(xiàng)目搭建的AEB-HiL 測試臺(tái)架自身集成了轉(zhuǎn)向和加減速子系統(tǒng)，融合車輛動(dòng)力學(xué)模型，與AEB系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接。Hil 系統(tǒng)中，真正的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)智能執(zhí)行器系統(tǒng)已鏈接虛擬車輛模型。臺(tái)架通過CAN總線采集執(zhí)行器的當(dāng)前狀態(tài)和發(fā)送相應(yīng)指令。試驗(yàn)臺(tái)架場景測試界面如圖3 所示。

由圖3可知，駕駛員對系統(tǒng)的輸入包括方向盤的扭矩和轉(zhuǎn)向角度，而制動(dòng)踏板和加速踏板位置來自計(jì)算機(jī)生成的道路場景并通過搭載的攝像頭識別。轉(zhuǎn)向扭矩反饋到驅(qū)動(dòng)力是由施加到轉(zhuǎn)向架通過兩個(gè)線性電動(dòng)執(zhí)行器連接到機(jī)架的兩端，力的方向由車輛模型進(jìn)行控制。制動(dòng)系統(tǒng)的主要部件包括: 制動(dòng)踏板，主控氣缸，主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和完整的液壓管路。為了減少 HiL 的成本和臺(tái)架物理部件的復(fù)雜性，沒有選裝真實(shí)的車輪，僅用輪速傳感器代替。因此，剎車的虛擬部分系統(tǒng)是車輪動(dòng)力學(xué)和制動(dòng)扭矩計(jì)算，與高精度車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行集成。



車輛模擬器由高精度車輛模型( 如 CarSim) 和可實(shí)時(shí)執(zhí)行處理器( 此處為dSPACE Simulator) 共同保證。車輛模擬器和 ECU、傳感器之間的通訊通過數(shù)字信號和 CAN 總線接口得以保證。搭建的 HiL 臺(tái)架可以有效地應(yīng)對軟件邏輯的自動(dòng)化測試，極大地豐富測試完整性。綜合考慮 AEB 系統(tǒng)的特性，本文選取具有代表型的系統(tǒng)功能特性進(jìn)行分析。由于 HiL 可變的機(jī)械部件結(jié)構(gòu)，各種被測控制器可以自由選擇連接、安裝與否，為 HiL 系統(tǒng)充當(dāng) AEB 等系統(tǒng)的功能和性能的驗(yàn)證工具提供了額便利的物理?xiàng)l件。

HiL 臺(tái)架是基于模型開發(fā)系統(tǒng)驗(yàn)證的重要工具，它具有可重復(fù)測試的優(yōu)點(diǎn)，可以借助參數(shù)類似的場景模擬處理安全關(guān)鍵型應(yīng)用程序的測試。換而言之，HiL 可以將設(shè)置設(shè)置為重復(fù)數(shù)百個(gè)類似的測試用例自主地進(jìn)行，這對于魯棒性或故障安全驗(yàn)證和測試。同時(shí)，HiL 可以自主運(yùn)行或在循環(huán)中輸入驅(qū)動(dòng)程序，可以得到真正駕駛員的回應(yīng)導(dǎo)致更真實(shí)的動(dòng)態(tài)表示車輛駕駛員控制系統(tǒng)。這一特性對 AEB 等主動(dòng)安全設(shè)計(jì)和驗(yàn)證極為重要。

測試結(jié)果分析

為了測試AEB系統(tǒng)功能，本節(jié)以仿真計(jì)算為手段，將系統(tǒng)功能拆分為邏輯測試和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)測試進(jìn)行測試。

3.1 功能邏輯測試

功能邏輯測試按照功能邏輯定義文檔進(jìn)行，包括車輛靜

止時(shí)攝像頭的上下電場景以及車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)攝像頭的功能激活與抑制等場景。以開關(guān)上電為例，電源由OFF－＞ ON，空擋、未踩制動(dòng)板、未開啟轉(zhuǎn)向燈、ABS正常無故障且未被激活，且滿足其它進(jìn)入 Standby 的所有條件，進(jìn)入Standby。測試記錄參數(shù)圖如圖4所示。圖4中，AEB-state信號表征AEB系統(tǒng)狀態(tài); AEB switch表征 AEB開關(guān)信號; gear position表征檔位信號; Throttle信號表征加速踏板開度; Brake信號表征制動(dòng)踏板; ABS-active信號表征ABS系統(tǒng)開關(guān); handbrake信號表征手剎狀態(tài); Turn-signal 信號表征轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)。



由圖4可知，車輛處于D擋、未踩制動(dòng)板、未開啟轉(zhuǎn)向燈、ABS/EBS正常無故障且未被激活，系統(tǒng)在駕駛員踩油門的操作下進(jìn)入Standby狀態(tài)，符合測試預(yù)期，測試用例通過。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)測試

標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)測試用例參考標(biāo)準(zhǔn)為: Euro NCAP、ECE、C-NCAP等。以測試主車以不同速度對靜止目標(biāo)物的AEB 性能為例，測試車輛相對于靜止物體以20km/h行駛，所得測試參數(shù)如圖 5 所示。



圖5中，Ego-speed 信號表征測試自車速度; Target-speed信號表征目標(biāo)對象的車速;Dx表示自車與目標(biāo)物的縱向距離; Dy表示自車與車道線的橫向距離。由圖5可知，目標(biāo)物從33km/h突然減速為零，自車以20km/h 跟隨反應(yīng)進(jìn)行剎車，剎停時(shí)兩車相對距離為3．24m。

結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)條件及處于的環(huán)境，得到商用車HiL項(xiàng)目中的AEB功能測試中，道路參數(shù)、時(shí)間參數(shù)和天氣參數(shù)的結(jié)果如下表1、表2、表3所示。由表1、2、3可知，道路類型測試中，選取了直道測試用例302例，通過數(shù)為155; 彎道測試用例為2例，通過數(shù)為2;得到道路參數(shù)結(jié)果如圖 6所示。


時(shí)間參數(shù)測試中，選取了白天測試用例269例，通過數(shù)為151; 夜晚測試用例為35例，通過數(shù)為6。得到時(shí)間參數(shù)結(jié)果如圖7所示。



氣參數(shù)測試中，選取了晴天測試用例300例，通過數(shù)為153; 雨天測試用例為2例，通過數(shù)為2; 降雪天氣測試用例為2例，通過數(shù)為2。得到天氣參數(shù)結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)上文道路、時(shí)間、天氣參數(shù)及測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參照權(quán)威發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，得出道路參數(shù)、時(shí)間參數(shù)和天氣參數(shù)的得分如圖9所示。由圖9可知，道路參數(shù)、時(shí)間參數(shù)和天氣參數(shù)的得分分別為8．052、2．884、7．55分。對上述三者取平均加權(quán)得 AEB 的總體得分為6．162分。

由上表1、2、3及圖6、7、8、9可知，AEB的直道通過率為51．32%，彎道無僅有兩個(gè)測試用例，測試為100%通過; 夜晚功能總體弱于白天; 其中，在天氣參數(shù)中，晴天時(shí) AEB 的通過率僅有51．00%，盡管大幅低于降雨的 100%和降雪的100%，但是，需要特別注意為降雨和降雪的測試用例相對較小，目前百分之百的通過率不能總體代表出 AEB 在雨雪天氣下功能的總體優(yōu)越性。



結(jié)論與展望

( 1) 當(dāng)今汽車部件和子系統(tǒng)與其控制系統(tǒng)的相互作用日益增強(qiáng)，控制函數(shù)的日益復(fù)雜使得各種各樣的測試開發(fā)任務(wù)呈級數(shù)增 長，依照項(xiàng)目搭建的 HiL 臺(tái)架可以有效地應(yīng)對軟件邏輯的自動(dòng)化邏輯測試，極大地豐富測試完整性，并且可以有效地整合入數(shù)據(jù)挖掘等手段，加速汽車開發(fā)階段的優(yōu)化和迭代速度，是進(jìn)一步工作開展的方向。

( 2) 為了研究方便，本研究中假定駕駛員模型為仿真軟件自帶模型，保證了測試場景反應(yīng)的一致性通過對測試結(jié)果的分析，時(shí)間參數(shù)中的夜晚得分大大影響了時(shí)間參數(shù)的總體得分; 攝像頭需要針對時(shí)間參數(shù)中的夜晚識別性做出大幅優(yōu)化，針對晴天和直道上的報(bào)警能力，也需做出適應(yīng)性修改。