智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試方法*

猶佐龍

（重慶西部汽車試驗(yàn)場管理有限公司）

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新一代汽車。由于智能汽車涉及更加復(fù)雜的功能和應(yīng)用，如何測試和驗(yàn)證其功能和性能是亟需解決的問題[1-2]。傳統(tǒng)的測試方法主要是道路測試和場地測試，但是都面臨測試成本高、測試工況少、測試周期長等難題，在開發(fā)時(shí)間、成本、靈活性方面滿足不了智能網(wǎng)聯(lián)汽車復(fù)雜功能的開發(fā)驗(yàn)證需求。文章將真實(shí)駕駛員、真實(shí)傳感器、真實(shí)控制器在虛擬仿真環(huán)境下深度集成，以豐富的測試手段、高度逼真的測試場景、高精度的模擬測試設(shè)備，完成覆蓋智能網(wǎng)聯(lián)汽車各開發(fā)環(huán)節(jié)的測試驗(yàn)證，大大縮短并降低智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)開發(fā)和檢驗(yàn)檢測的周期和成本[3-5]。

1 仿真測試系統(tǒng)架構(gòu)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試系統(tǒng)，如圖1 所示，其中駕駛模擬系統(tǒng)模擬了真實(shí)車輛的運(yùn)動，可以進(jìn)行駕駛員主觀評價(jià)研究；車輛模擬系統(tǒng)模擬了真實(shí)車輛的動力學(xué)關(guān)系，可以進(jìn)行車輛的性能研究；環(huán)境模擬系統(tǒng)模擬了真實(shí)環(huán)境中的各類因素；傳感器模擬系統(tǒng)模擬了真實(shí)傳感器的反饋信號，使傳感器能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)被激活；控制器中包含了智能網(wǎng)聯(lián)汽車不同系統(tǒng)的不同算法，可以在仿真環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證[6-7]。

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試框圖

2 仿真測試系統(tǒng)分析

2.1 車輛模擬系統(tǒng)

車輛動力學(xué)模型包含車體動力學(xué)模型、發(fā)動機(jī)懸置模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、懸架系統(tǒng)模型、制動系統(tǒng)模型、輪胎模型、動力傳動系統(tǒng)模型和空氣動力學(xué)模型等。車輛模型在仿真測試中需要快速的計(jì)算，并將計(jì)算出的車輛響應(yīng)結(jié)果發(fā)送到其它控制器中進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和決策。為了實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是必須要使用到的平臺，如圖2 所示，車輛模型在實(shí)時(shí)處理器中計(jì)算的速率延遲可控制在毫秒級；數(shù)據(jù)采集板卡包含車載CAN總線和車載Ethernet 通信板卡。車輛模型的計(jì)算數(shù)據(jù)通過通信板卡和其他設(shè)備進(jìn)行通信，一方面車輛模型計(jì)算數(shù)據(jù)傳遞給環(huán)境模擬系統(tǒng)，使其中的環(huán)境隨著車輛模型的運(yùn)動而變化，另一方面車輛模型計(jì)算數(shù)據(jù)傳遞給駕駛模擬系統(tǒng)，使其按照車輛模型的計(jì)算情況進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動。

圖2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試車輛模型處理平臺

2.2 環(huán)境模擬系統(tǒng)

由于車輛模型軟件的功能局限，其不具備較好的環(huán)境建模能力，因此，為了給車輛模型創(chuàng)造較為逼真的外界環(huán)境，需要額外的軟件進(jìn)行環(huán)境系統(tǒng)的建模，如圖3 所示。

圖3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試環(huán)境建模系統(tǒng)框圖

主車為車輛建模軟件中的車輛模型，其與環(huán)境建模軟件之間通過特定的接口進(jìn)行連接，車輛模型的動力學(xué)計(jì)算部分在車輛建模軟件中完成，計(jì)算后的車輛運(yùn)動學(xué)姿態(tài)則通過接口傳遞到環(huán)境建模軟件中進(jìn)行顯示。主車上安裝有不同的傳感器，包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)等，傳感器的安裝位置和性能參數(shù)需要與實(shí)車相匹配，以保證傳感器模型識別到的目標(biāo)信息可以傳遞到控制器中進(jìn)行正確的計(jì)算。

環(huán)境模型需要穩(wěn)定高效地運(yùn)算各個(gè)模塊，因此需要性能較高的工業(yè)電腦支持。工業(yè)電腦包含高性能圖形處理顯卡和高清畫面顯示器，高性能圖形處理顯卡保證了整個(gè)仿真環(huán)境的圖形處理能力，高清畫面顯示器則為駕駛員模擬系統(tǒng)提供了駕駛員視角的顯示畫面，也為攝像頭在環(huán)測試提供了仿真畫面輸出。環(huán)境模擬系統(tǒng)的處理平臺，如圖4 所示。

圖4 智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試環(huán)境建模系統(tǒng)處理平臺

2.3 傳感器模擬系統(tǒng)

對于環(huán)境建模軟件中無法模擬的傳感器模型或是為了進(jìn)行傳感器在環(huán)測試，需要利用傳感器模擬系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)傳感器的測試。傳感器模擬系統(tǒng)由不同真實(shí)傳感器和對應(yīng)的目標(biāo)模擬設(shè)備組成。不同的傳感器有不同的目標(biāo)模擬方式，傳感器模擬系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試傳感器模擬系統(tǒng)

對于毫米波雷達(dá)的目標(biāo)模擬是利用毫米波雷達(dá)模擬設(shè)備接收真實(shí)雷達(dá)的發(fā)射信號，并通過一定的時(shí)延和多普勒頻移處理，模擬出目標(biāo)的反射回波，真實(shí)雷達(dá)接收反射回波后便可得到模擬目標(biāo)的相關(guān)信息；超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、V2X 射頻設(shè)備的目標(biāo)模擬與毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬方法類似。對于真實(shí)攝像頭而言，目標(biāo)模擬有2種方式：一種是將真實(shí)攝像頭和顯示器共同放在暗箱內(nèi)，攝像頭拍攝顯示器，并識別顯示器中的模擬目標(biāo)；另一種是將環(huán)境模擬系統(tǒng)中的仿真視頻以視頻流的方式，通過視頻注入板卡直接注入攝像頭圖像處理芯片內(nèi)。對于傳感器的模擬，有很多供應(yīng)商提供了相應(yīng)的解決方案，圖6 示出Keycom 的毫米波雷達(dá)模擬系統(tǒng)。

圖6 Keycom 毫米波雷達(dá)模擬系統(tǒng)

2.4 駕駛模擬系統(tǒng)

為了研究駕駛員對智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)功能的主觀評價(jià)，必須給駕駛員創(chuàng)造逼真的駕駛環(huán)境，因此駕駛模擬系統(tǒng)是必不可少的。駕駛模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖7 所示。

圖7 駕駛模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

模擬運(yùn)動機(jī)構(gòu)用以模擬車輛6個(gè)方向的運(yùn)動情況，包括橫向運(yùn)動、縱向運(yùn)動、垂向運(yùn)動、側(cè)傾運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、橫擺運(yùn)動；模擬駕駛艙由轉(zhuǎn)向盤、制動踏板、油門踏板、儀表盤等組成，真實(shí)駕駛員可以在模擬駕駛艙內(nèi)進(jìn)行駕駛；模擬視景由180°或360°環(huán)幕組成，實(shí)時(shí)顯示駕駛員周圍的環(huán)境變化情況；模擬音效系統(tǒng)模擬車輛行駛過程中的各類聲音，包括發(fā)動機(jī)噪聲、風(fēng)噪、輪胎噪聲等。駕駛模擬系統(tǒng)中的運(yùn)動機(jī)構(gòu)由車輛模擬系統(tǒng)中的車輛運(yùn)動狀態(tài)決定，車輛模擬系統(tǒng)中的視景及音效系統(tǒng)由環(huán)境模擬系統(tǒng)提供支持。

通過駕駛模擬系統(tǒng)，可以將駕駛員的主觀評價(jià)提前到自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)階段，而不必等到自動駕駛汽車生產(chǎn)出來，大大縮短了自動駕駛系統(tǒng)的開發(fā)和測試周期，降低了開發(fā)成本。大型駕駛模擬系統(tǒng)之一的INNO 6 自由度駕駛模擬器，如圖8 所示。

圖8 INNO 駕駛模擬器

2.5 控制器系統(tǒng)

控制器系統(tǒng)是智能汽車的控制中心，其可以是快速原型控制器，也可以是車載真實(shí)控制器?？刂破魍ㄟ^CAN 或Ethernet 連接各個(gè)真實(shí)傳感器，并接收來自傳感器的目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、目標(biāo)加速度等信息，經(jīng)過計(jì)算后將車輛控制信號發(fā)送到車輛模擬系統(tǒng)中，控制信號包括加速信號、減速信號、制動信號、轉(zhuǎn)向信號等。

3 仿真測試系統(tǒng)應(yīng)用

基于以上仿真測試系統(tǒng)，可以進(jìn)行智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試的應(yīng)用主要分為軟件在環(huán)（SIL）、硬件在環(huán)（HIL）和駕駛員在環(huán)（DIL）。

3.1 軟件在環(huán)（SIL）

在智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)階段，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)需要不斷地進(jìn)行仿真測試和優(yōu)化迭代，因此可利用車輛模擬系統(tǒng)和環(huán)境模擬系統(tǒng)兩部分，進(jìn)行算法仿真所需的車輛模型搭建和環(huán)境模型搭建，測試智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)算法在純軟件仿真環(huán)境下的表現(xiàn)情況，特別是可以通過搭建大量的仿真測試場景，去發(fā)掘算法中的缺陷[8-10]。由于是在純仿真環(huán)境下進(jìn)行測試，因此可以將測試的計(jì)算速度加快，提升效率，縮短測試周期。

3.2 硬件在環(huán)（HIL）

硬件在環(huán)測試可將智能網(wǎng)聯(lián)汽車的一部分或幾部分硬件置于仿真測試的環(huán)境中。

對于只針對實(shí)車控制器的測試而言，可利用車輛模擬系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)和控制器系統(tǒng)進(jìn)行仿真環(huán)境的搭建，該測試方案中只有控制器是真實(shí)的，車輛模型和傳感器模型都是虛擬的。

對于針對雷達(dá)、攝像頭或V2X 設(shè)備的測試，則可利用車輛模擬系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)、傳感器模擬系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)傳感器的在環(huán)測試。該方案可對雷達(dá)、攝像頭等傳感器的物理性能進(jìn)行測試和分析，還可以通過仿真環(huán)境激活真實(shí)傳感器內(nèi)部的功能進(jìn)行功能的測試分析。

對于針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車執(zhí)行器部件的在環(huán)測試，則可將汽車上的執(zhí)行器（汽車制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等）加入到仿真環(huán)境，進(jìn)行功能激活和測試驗(yàn)證。當(dāng)然，理論上汽車上的任何部件都可以加入到仿真測試環(huán)境中，甚至可以將整個(gè)車輛放入仿真環(huán)境內(nèi)。

3.3 駕駛員在環(huán)（DIL）

駕駛員在環(huán)測試是將駕駛員置于仿真測試環(huán)境中，需要的仿真系統(tǒng)包括車輛模擬系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)和駕駛模擬系統(tǒng)，利用此方案展開的測試包括：1）人機(jī)切換策略測試，即在人機(jī)共駕過程中，通過對切換時(shí)間、舒適性、安全性等的評價(jià)，評估人機(jī)共駕策略的合理性；2）HMI 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即配合駕駛模擬器中可配置的人機(jī)交互界面，可以在概念設(shè)計(jì)初期從聲音、圖像等方面對人機(jī)交互界面進(jìn)行主觀評價(jià)，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷并完善，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率；3）駕駛員行為分析，即利用駕駛模擬器提供的駕駛員在環(huán)系統(tǒng)，通過給駕駛員穿戴相關(guān)的傳感設(shè)備，可以在自動駕駛的不同交通場景下對駕駛員的行為進(jìn)行分析，如疲勞、注意力、心跳、壓力、焦慮等；4）耐久性測試，即通過建立虛擬的道路、交通、天氣等場景，對自動駕駛系統(tǒng)進(jìn)行模擬真實(shí)道路的耐久性測試。

4 結(jié)論

通過搭建智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測試系統(tǒng)，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速開發(fā)和測試驗(yàn)證提供了有效的方法。利用該系統(tǒng)，可以覆蓋智能網(wǎng)聯(lián)汽車從研發(fā)到實(shí)車測試期間的一系列測試，包括感知層測試、決策層測試、執(zhí)行層測試以及人機(jī)交互和人機(jī)界面的測試，加快了智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)的速度，更節(jié)省了許多場地測試和道路測試的成本，對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的量產(chǎn)起到了推進(jìn)作用。