摘要

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試及驗(yàn)證技術(shù)一直是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)，其中毫米波雷達(dá)已在 ADAS 系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，然而毫米波雷達(dá)虛擬測(cè)試在環(huán)模型仍存在精確度不高，與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果有較大差異等局限，基于此本文搭建結(jié)合目標(biāo)物反射特性的毫米波雷達(dá)在環(huán)虛擬測(cè)試平臺(tái)。首先利用真實(shí)雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)建不同角度下目標(biāo)物 RCS 包絡(luò)圖，再聯(lián)合 CarMaker 與 dSPACE 搭建出虛擬測(cè)試平臺(tái)，最后與實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證虛擬測(cè)試平臺(tái)的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明該平臺(tái)可很好地反映實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果，確保 ADAS 系統(tǒng)高效測(cè)試。

近年來(lái)，智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)已成為汽車(chē)行業(yè)研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等競(jìng)相加入，成為高新技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。為推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)發(fā)展進(jìn)程，研究相應(yīng)測(cè)試技術(shù)、評(píng)價(jià)體系的工作勢(shì)在必行。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)集“感知、決策、控制、執(zhí)行”功能于一體，其中，感知系統(tǒng)使車(chē)輛獲取外界環(huán)境交通信息，而毫米波雷達(dá)又作為該系統(tǒng)的重要傳感器，因此研究測(cè)試毫米波雷達(dá)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性等變得尤為重要。

基于毫米波雷達(dá)的智能駕駛系統(tǒng)已得到各車(chē)企廣泛應(yīng)用，如自動(dòng)緊急制動(dòng)AEB、自適應(yīng)巡航控制ACC，為車(chē)輛行駛提供安全保障。硬件在環(huán)測(cè)試憑借成本低廉、操作靈活等特點(diǎn)成為前期開(kāi)發(fā)的重要一環(huán)，其通過(guò)I/O口、CAN線(xiàn)等實(shí)現(xiàn)與攝像頭、毫米波雷達(dá)、控制器等相連完成虛擬測(cè)試系統(tǒng)搭建，可以在預(yù)先設(shè)定的場(chǎng)景中對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)控制算法進(jìn)行測(cè)試。目前有National Instruments(NI)、DENSO、dSPACE等建立起了毫米波雷達(dá)在環(huán)仿真模擬器，提供了很好的試驗(yàn)工具手段與經(jīng)驗(yàn)借鑒。然而當(dāng)前研究更加關(guān)注于模擬目標(biāo)數(shù)量、距離方面，針對(duì)目標(biāo)物反射特性投入較少，存在目標(biāo)物RCS(RadarCrossSection雷達(dá)反射截面)常量化，仿真結(jié)果與實(shí)際道路測(cè)試結(jié)果存在較大差異等局限。因此毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試平臺(tái)需要進(jìn)一步優(yōu)化才能滿(mǎn)足未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試要求。

基于此，本文結(jié)合目標(biāo)物反射特性搭建出毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，使用CarMaker軟件與dSPACE雷達(dá)目標(biāo)模擬器等對(duì)車(chē)輛控制器性能進(jìn)行測(cè)試，并結(jié)合實(shí)車(chē)測(cè)試對(duì)本文建立的毫米波雷達(dá)虛擬在環(huán)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 目標(biāo)物反射特性分析

1.1 雷達(dá)反射截面分析

RCS是度量目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的一種物理量，可以定量地表征目標(biāo)對(duì)電磁波反射能力。關(guān)于雷達(dá)接受天線(xiàn)方面，通常假設(shè)存在一個(gè)等效的接受面積，該等效的接受面積乘以入射波功率密度便等于雷達(dá)接受功率。因此，RCS是目標(biāo)物針對(duì)接受天線(xiàn)“等效接受面積”的擴(kuò)展，是雷達(dá)針對(duì)目標(biāo)物一種假想等效面積。

雷達(dá)反射截面積可以用平方米來(lái)表示，也可以用分貝平方米表示(dBsm)，兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

考慮到目標(biāo)物尺寸遠(yuǎn)大于雷達(dá)波長(zhǎng)，目標(biāo)物總的反射場(chǎng)可以由多個(gè)分散的強(qiáng)反射源疊加計(jì)算。由于目標(biāo)物表面反射的相位存在隨機(jī)變化的情況，式(1)中的RCS值也將隨著入射角改變而動(dòng)態(tài)變化，甚至可能出現(xiàn)較小的入射角變化，目標(biāo)物的RCS值出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的改變。因此亟需建立起不同角度的目標(biāo)物RCS，盡量真實(shí)還原實(shí)車(chē)測(cè)試場(chǎng)景。

1.2 目標(biāo)物RCS包絡(luò)圖

目標(biāo)物RCS的動(dòng)態(tài)變化、外部空間環(huán)境等因素可引起雷達(dá)接受功率改變，基于雷達(dá)接受功率與目標(biāo)物RCS之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立起雷達(dá)接受功率變化模型，其中雷達(dá)接受功率可表示為：

式中：Pt—傳播功率；R—目標(biāo)物與雷達(dá)之間的相對(duì)距離；G—天線(xiàn)增益；λ—毫米波波長(zhǎng)；σ—目標(biāo)物的RCS。

當(dāng)目標(biāo)物對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波反射后，該電磁波便攜帶了目標(biāo)物的反射特性信息。

根據(jù)公式(2)，σ與接受功率Pr，同雷達(dá)相對(duì)縱向距離R存在等式關(guān)系，因此在實(shí)際的毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器仿真中，是通過(guò)控制毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器的發(fā)射天線(xiàn)的功率來(lái)模擬目標(biāo)物反射情況，使得被測(cè)毫米波雷達(dá)傳感器探測(cè)到的接受功率與目標(biāo)物的實(shí)際RCS值相符，配合毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器的天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在不同角度下RCS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。

為獲取目標(biāo)物不同角度的RCS值，本文選取76GHz真實(shí)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)信息，為硬件在環(huán)仿真測(cè)試提供支撐。目標(biāo)物靜止放置于測(cè)試場(chǎng)地，測(cè)試車(chē)輛以10km/h速度從遠(yuǎn)處逐漸靠近目標(biāo)物，定義測(cè)試車(chē)輛與目標(biāo)物“頭對(duì)頭”時(shí)的角度為0°，每30°順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)目標(biāo)物的朝向，測(cè)試方法如圖1所示。

圖1 目標(biāo)物RCS測(cè)試方法
依據(jù)上述測(cè)試方法便可得到關(guān)于目標(biāo)物不同角度的RCS數(shù)據(jù)斷點(diǎn)，編輯設(shè)置虛擬目標(biāo)物信息導(dǎo)入到CarMaker軟件，便可構(gòu)建出如圖2所示的行人、車(chē)輛、踏板式二輪車(chē)的RCS包絡(luò)圖。

圖2 RCS設(shè)置界面及不同目標(biāo)物RCS包絡(luò)圖

2 毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 毫米波雷達(dá)在環(huán)虛擬測(cè)試系統(tǒng)

相比于軟件仿真，該測(cè)試平臺(tái)基于Carmaker場(chǎng)景信息通過(guò)驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)電機(jī)改變發(fā)射角度，利用雷達(dá)回波發(fā)生器(ARSG)產(chǎn)生電磁波信號(hào)傳送給真實(shí)的雷達(dá)。同時(shí)將控制器通過(guò)I/O口與dSPACE機(jī)柜相連，編輯不同的測(cè)試用例，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象系統(tǒng)的、全面的硬件在環(huán)仿真測(cè)試，其測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 毫米波雷達(dá)在環(huán)虛擬測(cè)試平臺(tái)

首先，毫米波雷達(dá)安裝在暗室臺(tái)架上發(fā)射電磁波信號(hào)，部分信號(hào)被收發(fā)天線(xiàn)接收，其余信號(hào)被暗室內(nèi)的吸波材料吸收。接收的信號(hào)降頻后被數(shù)據(jù)處理器分析，通過(guò)對(duì)信號(hào)延時(shí)和多普勒頻移等，生成包含目標(biāo)物距離、速度、角度以及反映目標(biāo)物特性RCS的信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)模擬發(fā)射真實(shí)的電磁波信號(hào)。雷達(dá)接收到虛擬目標(biāo)信息后，通過(guò)CAN通信的方式傳遞給控制器，控制器經(jīng)過(guò)算法計(jì)算得出控制指令，再通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)回dSPACE實(shí)時(shí)機(jī)柜，驅(qū)動(dòng)虛擬車(chē)輛模型，進(jìn)而搭建出閉環(huán)的毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 毫米波雷達(dá)在環(huán)實(shí)車(chē)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)車(chē)測(cè)試系統(tǒng)由載有毫米波雷達(dá)的測(cè)試車(chē)輛、陀螺儀RT3000及機(jī)器人控制器組成，RT3000可以獲得試驗(yàn)車(chē)輛的位置、速度、偏航角等信息，同時(shí)可以利用控制器計(jì)算出試驗(yàn)車(chē)與目標(biāo)物的相對(duì)距離、速度等。這套設(shè)備具有高精度、低時(shí)延的特點(diǎn)，經(jīng)常用來(lái)驗(yàn)證攝像、雷達(dá)等傳感器和ACC、AEB等控制器。

該實(shí)車(chē)測(cè)試系統(tǒng)原理為：載有毫米波雷達(dá)的測(cè)試車(chē)輛按設(shè)定的測(cè)試用例行駛，利用陀螺儀和控制器獲取本車(chē)與目標(biāo)車(chē)輛的相對(duì)距離、速度等數(shù)據(jù)信息，并記錄AEB、ACC等功能觸發(fā)前后本車(chē)的速度、減速度變化曲線(xiàn)等。測(cè)試原理如圖4所示。

圖4 毫米波雷達(dá)在環(huán)實(shí)車(chē)測(cè)試原理

3 仿真與實(shí)車(chē)對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證毫米波雷達(dá)虛擬在環(huán)測(cè)試平臺(tái)的可行性，本文利用德國(guó)IPG公司開(kāi)發(fā)的CarMaker軟件搭建仿真測(cè)試場(chǎng)景，利用dSPACE毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器來(lái)仿真目標(biāo)物動(dòng)態(tài)信息。同時(shí)為了更好地對(duì)比驗(yàn)證效果，結(jié)合實(shí)車(chē)在相同的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證虛擬測(cè)試平臺(tái)的可信性。

3.1 行人橫穿測(cè)試驗(yàn)證

本文結(jié)合ADAS控制器的AEB、ACC等功能展開(kāi)測(cè)試，控制器和傳感器硬件均由國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠(chǎng)提供。測(cè)試用例選擇CCRT(中國(guó)汽車(chē)消費(fèi)者研究與評(píng)價(jià)規(guī)程)中行人橫穿的場(chǎng)景，如圖5所示。試驗(yàn)車(chē)輛設(shè)置車(chē)速為40km/h，當(dāng)試驗(yàn)車(chē)輛與行人軌跡TTC為3.6s時(shí)，行人以5km/h速度出發(fā)，來(lái)驗(yàn)證車(chē)輛的識(shí)別與響應(yīng)能力。記錄試驗(yàn)車(chē)輛相對(duì)縱向距離、本車(chē)車(chē)速、本車(chē)與行人相對(duì)速度變化情況，并與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖6~圖8所示。

圖5 行人橫穿測(cè)試場(chǎng)景示意圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在行人橫穿的場(chǎng)景下，車(chē)輛AEB功能可正常作用，表明車(chē)輛可識(shí)別目標(biāo)物并減速制動(dòng)，虛擬測(cè)試可較好地反映實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果，但由于行人橫穿的突發(fā)性導(dǎo)致車(chē)輛未能提早制動(dòng)。根據(jù)相對(duì)縱向距離變化圖可知，車(chē)輛與行人發(fā)生了碰撞，發(fā)生碰撞時(shí)虛擬測(cè)試的相對(duì)碰撞速度為10.4m/s，發(fā)生碰撞時(shí)實(shí)車(chē)測(cè)試的相對(duì)碰撞速度為10.2m/s。其中，本車(chē)車(chē)速、前車(chē)與行人的相對(duì)車(chē)速變化曲線(xiàn)在虛擬與實(shí)車(chē)測(cè)試中表現(xiàn)相對(duì)一致。

3.2 前方車(chē)輛慢行測(cè)試驗(yàn)證
為驗(yàn)證前方目標(biāo)物為車(chē)輛時(shí)的測(cè)試效果，試驗(yàn)車(chē)輛以60km/h速度駛向20km/h慢行的目標(biāo)車(chē)輛，分別記錄試驗(yàn)車(chē)輛相對(duì)縱向距離、本車(chē)車(chē)速、本車(chē)與前車(chē)相對(duì)速度變化情況，并與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖9~圖11所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在前車(chē)20km/h慢行后車(chē)60km/h跟隨情況下，車(chē)輛ACC功能可正常開(kāi)啟并作用，虛擬測(cè)試可較好地反映實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果。其中，達(dá)到穩(wěn)定跟車(chē)時(shí)虛擬測(cè)試的相對(duì)縱向距離為12m，實(shí)車(chē)測(cè)試為14m；并且本車(chē)車(chē)速、前車(chē)與本車(chē)的相對(duì)車(chē)速變化曲線(xiàn)在虛擬與實(shí)車(chē)測(cè)試中比較吻合。

3.3 前方二輪車(chē)慢行測(cè)試驗(yàn)證
為驗(yàn)證前方目標(biāo)物為二輪車(chē)時(shí)的測(cè)試效果，試驗(yàn)車(chē)輛以80km/h速度駛向30km/h慢行的二輪車(chē)，分別記錄試驗(yàn)車(chē)輛相對(duì)縱向距離、本車(chē)車(chē)速、本車(chē)與目標(biāo)二輪車(chē)相對(duì)速度變化情況，并與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖12~圖14所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在二輪車(chē)30km/h慢行后車(chē)60km/h跟隨情況下，車(chē)輛ACC功能可正常作用，表明車(chē)輛可識(shí)別目標(biāo)物并減速跟車(chē)，虛擬測(cè)試可較好地反映實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果。其中，達(dá)到穩(wěn)定跟車(chē)時(shí)虛擬測(cè)試的相對(duì)縱向距離為16m，實(shí)車(chē)測(cè)試為18.9m；并且本車(chē)車(chē)速、前車(chē)與目標(biāo)物的相對(duì)車(chē)速變化曲線(xiàn)在虛擬與實(shí)車(chē)測(cè)試中相對(duì)吻合，驗(yàn)證了該虛擬測(cè)試平臺(tái)具有可行性。

4 結(jié)論
本文首先分析毫米波雷達(dá)目標(biāo)反射特性，繪制出了不同類(lèi)型目標(biāo)物不同角度下的RCS包絡(luò)圖。同時(shí)聯(lián)合CarMaker、dSPACE搭建了毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，聯(lián)合陀螺儀、控制器等搭建了實(shí)車(chē)測(cè)試平臺(tái)，并結(jié)合CCRT評(píng)價(jià)規(guī)程中的測(cè)試用例針對(duì)ADAS控制器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬測(cè)試平臺(tái)的車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)(與目標(biāo)物的相對(duì)縱向距離、本車(chē)車(chē)速、相對(duì)速度變化等)可很好地反映實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了該虛擬測(cè)試平臺(tái)具有可行性。