隨著智能駕駛技術(shù)的普遍應(yīng)用，智能駕駛相關(guān)的測試測量方法也隨之發(fā)展。特別是模擬仿真測試領(lǐng)域，在智能駕駛產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用越來越廣泛。而無論是自動(dòng)駕駛（AD）還是高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS），都是依靠高精度攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等感知傳感器對車輛周邊環(huán)境進(jìn)行感知識別來實(shí)現(xiàn)的。那么在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)模擬仿真測試實(shí)施過程中，系統(tǒng)中感知傳感器是如何進(jìn)行實(shí)物仿真測試驗(yàn)證的呢。

本文對自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中感知傳感器實(shí)物仿真測試環(huán)境構(gòu)建的原理及其相關(guān)方案進(jìn)行介紹。

作者：北斗（10年智能座艙及導(dǎo)航娛樂系統(tǒng)開發(fā)管理經(jīng)驗(yàn)、3年自動(dòng)駕駛產(chǎn)品化經(jīng)驗(yàn)、5年自動(dòng)駕駛模擬仿真測試環(huán)境構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)）出品：汽車測試網(wǎng)

■ 視覺攝像頭的實(shí)物仿真環(huán)境構(gòu)建

視覺攝像頭是感光傳感器，光線通過攝像頭光學(xué)模組，映射到光學(xué)模組后面的感光芯片上，芯片將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，這些電信號經(jīng)過濾波、編碼等信號處理步驟，最終形成攝像頭模組的數(shù)字視頻信號。視頻數(shù)據(jù)通過數(shù)字視頻接口，傳輸給攝像頭主控制板。攝像頭主控板集成了主處理器、圖像處理單元和攝像頭電源模塊等電路單元，其中主處理器基于人工智能（AI）和圖像處理技術(shù)，圖像處理單元對拍攝圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的解析。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，車輛前方的車輛、行人以及障礙物被識別出來。

放置在駕駛室內(nèi)部的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)視覺前向攝像頭，朝著車輛行駛方向。前向攝像頭透過風(fēng)擋玻璃對車輛前方的環(huán)境進(jìn)行拍攝，前向視覺攝像頭可以識別取景范圍內(nèi)的車輛、行人、車道線、交通信號燈、交通道路標(biāo)志等目標(biāo)。

 圖1  視覺攝像頭識別車輛前方場景圖（圖片來源：車元素）

基于上述攝像頭圖像采集和目標(biāo)處理的原理，針對視覺攝像頭的場景目標(biāo)模擬仿真可以采用視覺場景再現(xiàn)的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。最簡單便利的方式是利用投影的方式，對提前錄制好的視覺場景視頻進(jìn)行播放，視覺攝像頭可以非常輕易的采集到模擬場景中目標(biāo)，從而完成對攝像頭目標(biāo)的模擬。

用于攝像頭目標(biāo)模擬的投影系統(tǒng)，一般由投影儀、幕布及支架組成。因?yàn)闇y試環(huán)境光照影響，投影儀建議采用亮度在5000流明以上、分辨率在1920*1080dpi以上的機(jī)型。如果測試系統(tǒng)針對的是廣角鏡頭的攝像頭，在空間場景內(nèi)還可以使用弧形投影進(jìn)行更大可視角度的畫面模擬。由于畫面可視角度可能超出單臺投影儀的投射角度范圍，這時(shí)候系統(tǒng)中還需要增加視覺融合設(shè)備，用于多臺投影儀的投射畫面拼接。

圖2  投影方式模擬視覺目標(biāo)的場景圖（圖片來源：數(shù)字展示在線）

除了投影方式進(jìn)行視覺目標(biāo)模擬之外，還可以使用攝像頭黑箱的方式進(jìn)行視覺目標(biāo)的模擬。這里使用的攝像頭黑箱其實(shí)就是為攝像頭構(gòu)建的小型光學(xué)暗室。暗室內(nèi)部包含攝像頭固定用支架、顯示器、直線滑軌以及調(diào)焦透鏡等組件。暗箱使用時(shí)，顯示器播放準(zhǔn)備好的視覺場景視頻畫面。將被測視覺攝像頭固定在支架上，支架結(jié)構(gòu)確保攝像頭光學(xué)模組的光心水平，通過調(diào)整焦距透鏡的位置，將攝像頭采集畫面的清晰度調(diào)整至最佳效果，視覺攝像頭即可對播放視頻中的目標(biāo)進(jìn)行識別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模擬仿真。

圖3  視覺攝像頭黑箱結(jié)構(gòu)示意圖

目前自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用的攝像頭有兩種類型，單目攝像頭和雙目攝像頭，后者因?yàn)樘峁┝藦?fù)數(shù)的攝像頭視點(diǎn)，虛擬目標(biāo)需能夠模擬出視角偏差效果，所以目前上述兩者方案暫不能支持雙目攝像頭的目標(biāo)模擬。

■ 核心傳感器①：毫米波雷達(dá)的功能?構(gòu)造?應(yīng)用

自動(dòng)駕駛技術(shù)中另一個(gè)廣泛使用的傳感器就是毫米波雷達(dá)。所謂毫米波是指微波的波長，毫米波雷達(dá)發(fā)出毫米波對外部環(huán)境進(jìn)行探測，利用毫米波回波進(jìn)行被測物的距離、方位等特性的分析檢測。目前應(yīng)用比較廣泛的毫米波雷達(dá)，使用頻率是77GHz、24GHz。

毫米波雷達(dá)測距原理比較也比較簡單，就是通過RF電路發(fā)射天線把毫米波微波發(fā)出去，然后接收天線接收毫米波回波，根據(jù)發(fā)射波和回波之間的時(shí)間差，對物理距離和位置進(jìn)行測算。毫米波雷達(dá)測速是基于多普勒效應(yīng)（Doppler Effect）原理，當(dāng)聲音，光和無線電波等振動(dòng)源與觀測者以相對速度相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有所不同。當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測目標(biāo)有相對移動(dòng)、回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號頻率將低于發(fā)射機(jī)頻率。由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度成正比，與振動(dòng)頻率成反比。

 圖3 多普勒效應(yīng)示意圖（圖片來源：https://www.guyhowto.com/）

基于毫米波雷達(dá)的上述原理，在毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬環(huán)境構(gòu)建時(shí)，采用毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行毫米波雷達(dá)目標(biāo)的模擬。模擬器可以通過空饋的方式接收被測毫米波雷達(dá)的發(fā)生信號，運(yùn)用信號處理技術(shù)，分析發(fā)射信號的特征參數(shù)，并根據(jù)模擬需求，發(fā)射出疊加目標(biāo)數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波。毫米波雷達(dá)接收到回波后，進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)參數(shù)解析，從而實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)目標(biāo)的模擬仿真。

圖4  毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器原理示意圖

毫米波屬于無線電微波，所以在模擬仿真環(huán)境構(gòu)建時(shí)，會把目標(biāo)模擬設(shè)備、被測設(shè)備放置在相對密閉的微波暗箱環(huán)境中。毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬過程中，會需要模擬各不同角度上的目標(biāo)，由于目標(biāo)模擬器不方便進(jìn)行移動(dòng)，無法模擬出相對測試環(huán)境的絕對角度，所以一般還會采用旋轉(zhuǎn)云臺搭載被測毫米波雷達(dá)，進(jìn)行雷達(dá)與目標(biāo)模擬器之間相對角度的模擬。

圖5  毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬微波暗箱結(jié)構(gòu)示意圖

■ 總結(jié)：感知傳感器模擬仿真方案多樣性、實(shí)用性強(qiáng)

從上面的介紹不難看出，自動(dòng)駕駛主要感知傳感器的實(shí)物仿真環(huán)境構(gòu)建，都是基于工作原理，靈活運(yùn)用傳感器感知介質(zhì)特性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，進(jìn)行的模擬目標(biāo)匹配的信號再造。針對與同一類型的感知傳感器，其實(shí)物仿真環(huán)境的構(gòu)建方式其實(shí)并非是唯一的，只要環(huán)境中相對潔凈，未引入其他影響感知傳感器識別目標(biāo)的噪聲，并能準(zhǔn)確有效的對該類型傳感器可感知目標(biāo)進(jìn)行模擬，那這就是一個(gè)成功的環(huán)境構(gòu)建方案。所以在不同模擬仿真測試系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，可以結(jié)合不同的測試需求，對傳感器實(shí)物仿真構(gòu)建方法進(jìn)行選擇。

從自動(dòng)駕駛模擬仿真測試產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求角度出發(fā)，目前可以實(shí)現(xiàn)的感知傳感器環(huán)境構(gòu)建方案還相對較少，后續(xù)自動(dòng)駕駛整車級模擬仿真測試環(huán)境中，必定需要多類型感知傳感器融合仿真測試環(huán)境。這對感知傳感器實(shí)物仿真測試環(huán)境構(gòu)建提出了更高的要求，也期待有更多更優(yōu)先的構(gòu)建方法和創(chuàng)新型構(gòu)想被提出。