基于CarMaker與模擬器的毫米波雷達(dá)在環(huán)仿真

【摘 要】毫米波雷達(dá)是智能駕駛汽車中的重要傳感器之一。傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法是在封閉場(chǎng)地和實(shí)際道路上用實(shí)車驗(yàn)證，但受限于樣車和場(chǎng)地等因素，測(cè)試周期長(zhǎng)且成本高。文章提出一種基于CarMaker與毫米波雷達(dá)模擬器的在環(huán)仿真方式。研究表明，這種方法具有可行性，可增加測(cè)試效率，降低測(cè)試成本，對(duì)于汽車輔助駕駛系統(tǒng)的開發(fā)有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】毫米波雷達(dá)；CarMaker；UDP通信；仿真測(cè)試

中圖分類號(hào)：U463.675 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）10-0066-04

Millimeter Wave Radar Simulation in Ring Based on CarMaker and Simulator

HUANG Shen，QIAN Wenguo，ZHAN Denghui，SONG Zhenguang

（GAC Automotive Research & Development Center，Guangzhou 510000，China）

【Abstract】Millimeter wave radar is one of the important sensors in intelligent driving vehicle. The traditional verification method is to use real vehicles on closed sites and actual roads but limited by the sample vehicles and sites and other factors，the test cycle is long and the cost is high. This paper presents an in-ring simulation method based on Carmaker and millimeter-wave radar simulator. The research shows that this method is feasible，can increase the test efficiency，reduce the test cost，and has practical significance and application value for the development of automobile assisted driving system.

【Key words】millimeter wave radar；CarMaker；UDP communication；simulation test

1 引言

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，全球各大汽車廠商紛紛投入到安全方便的車載輔助駕駛系統(tǒng)的研發(fā)浪潮中。近年來(lái)，毫米波雷達(dá)廣泛地應(yīng)用于汽車的各種系統(tǒng)，如盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、碰撞報(bào)警系統(tǒng)和360°全景系統(tǒng)等[1-2]。工作時(shí)，毫米波雷達(dá)通過向探測(cè)區(qū)域發(fā)射電磁波，電磁波到達(dá)目標(biāo)時(shí)發(fā)生反射并被雷達(dá)接收，經(jīng)過對(duì)接收信號(hào)的處理，可以估算出目標(biāo)的距離、速度和方位等信息，具有高分辨率、長(zhǎng)距離探測(cè)件等優(yōu)點(diǎn)。為保證毫米波雷達(dá)自身的功能及性能，根據(jù)V字模型開發(fā)流程，每個(gè)開發(fā)階段都需要有對(duì)應(yīng)的功能完整度測(cè)試。目前各主機(jī)廠商多基于實(shí)車的方式進(jìn)行測(cè)試，隨著開發(fā)節(jié)奏加快，場(chǎng)地測(cè)試的工況不夠豐富，且存在測(cè)試重復(fù)性差、可控性差、靈活性差和成本較高的缺點(diǎn)［3］。另一方面，傳感器選型變更往往需要通過改制車輛來(lái)進(jìn)行毫米波雷達(dá)的功能和性能測(cè)試，考慮到測(cè)試時(shí)長(zhǎng)的影響，只有審核供應(yīng)商的報(bào)告而不進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，一旦在后期發(fā)現(xiàn)問題，則會(huì)延長(zhǎng)項(xiàng)目周期或增加額外的成本以解決問題。

智能汽車傳感器的虛擬測(cè)試仿真是智能駕駛整車在環(huán)或硬件在環(huán)測(cè)試的重要一環(huán)[4]。本文旨在利用場(chǎng)景仿真策略，設(shè)計(jì)一套毫米波雷達(dá)回波模擬器，搭建毫米波雷達(dá)在環(huán)仿真系統(tǒng)，對(duì)其功能和性能進(jìn)行測(cè)試和分析，解決毫米波雷達(dá)在實(shí)車測(cè)試中的限制。本文從毫米波雷達(dá)的基本原理和應(yīng)用、測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、在環(huán)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果評(píng)估等4個(gè)方面進(jìn)行闡述，得出搭建毫米波雷達(dá)在環(huán)仿真系統(tǒng)的主要流程和各階段工作內(nèi)容。

2 毫米波雷達(dá)的原理與應(yīng)用

毫米波雷達(dá)是一種利用毫米波頻段電磁波進(jìn)行探測(cè)的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是利用天線發(fā)射出高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到目標(biāo)時(shí)，會(huì)被反射回來(lái)，經(jīng)過接收機(jī)接收后，通過處理得到目標(biāo)物體的位置、速度等信息。毫米波雷達(dá)主要工作在毫米波段，其頻率范圍一般為30～300GHz，波長(zhǎng)范圍為1～10mm，具有高分辨率、大探測(cè)距離、適應(yīng)不同天氣條件等優(yōu)點(diǎn)。其目標(biāo)物體與雷達(dá)之間的距離d可以通過測(cè)量從發(fā)送到接收的時(shí)間延遲Δt來(lái)計(jì)算，公式為：

d = c × Δt / 2 （1）

式中：c——電磁波在空氣中的速度，一般取3×108m/s；Δt——電磁波從發(fā)送到接收的時(shí)間延遲，s。

v = λ × Δf / 2 （2）

式中：λ——電磁波的波長(zhǎng)，由頻率f和速度c計(jì)算得到，λ = c / f；Δf——反射波的多普勒頻移，Hz。

毫米波雷達(dá)目標(biāo)物體的角度θ可以通過測(cè)量雷達(dá)發(fā)射電磁波的方向與接收反射波的方向之間的角度差Δφ來(lái)計(jì)算，公式為：

θ = sin^-1（Δφ / N） （3）

式中：N——天線的陣元數(shù)；Δφ——天線陣列中每個(gè)陣元之間的角度差，rad。

綜上所述，毫米波雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)速和測(cè)角度的計(jì)算公式基于電磁波的物理特性和多普勒效應(yīng)，通過測(cè)量電磁波的時(shí)間延遲、頻率和方向等參數(shù)來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離、速度和角度等信息。

3 測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于上述雷達(dá)探測(cè)原理的描述，設(shè)計(jì)一套可以模擬目標(biāo)反射波形的系統(tǒng)，直接反饋至雷達(dá)接收端，實(shí)現(xiàn)完整的雷達(dá)探測(cè)閉環(huán)回路，從而解決了實(shí)車測(cè)試的困難。本文以某車型搭載的博世FR5C雷達(dá)為研究對(duì)象。

雷達(dá)在環(huán)系統(tǒng)包含上位機(jī)場(chǎng)景仿真模塊、實(shí)時(shí)運(yùn)算平臺(tái)IPG Xpack4、回波模擬器臺(tái)架、待測(cè)雷達(dá)以及下位機(jī)雷達(dá)信號(hào)處理模塊。其物理連接如圖1所示，各模塊之間主要通過LAN連接；待測(cè)雷達(dá)與下位機(jī)電腦通過CAN設(shè)備連接。

場(chǎng)景仿真模塊基于CarMaker軟件實(shí)現(xiàn)，它是一款基于汽車行駛動(dòng)力學(xué)和車輛控制的多領(lǐng)域仿真軟件，具有較高的保真度，可以模擬實(shí)際道路駕駛中遇到的各種場(chǎng)景。場(chǎng)景設(shè)計(jì)完成后，為保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性，需要通過實(shí)時(shí)運(yùn)算平臺(tái)解析場(chǎng)景中的目標(biāo)信息發(fā)送至回波模擬器臺(tái)架，模擬器進(jìn)行報(bào)文解析并產(chǎn)生雷達(dá)回波發(fā)送至被測(cè)雷達(dá)天線，由下位機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理與分析。測(cè)試環(huán)境主要由場(chǎng)景軟件和毫米波雷達(dá)模擬器組成。

3.1 場(chǎng)景軟件

場(chǎng)景軟件基于CarMaker，它可以模擬各種場(chǎng)景，如城市、高速公路、鄉(xiāng)村道路等，支持各種汽車類型，如傳統(tǒng)燃油車、混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)車等。它提供了豐富的模型庫(kù)，包括車輛模型、道路模型、交通模型等，用戶可以根據(jù)需要自由選擇和組合這些模型，快速搭建各種場(chǎng)景。

3.2 毫米波雷達(dá)模擬器

雷達(dá)回波模擬器臺(tái)架由仿真暗箱、吸波材料、轉(zhuǎn)臺(tái)與滑軌、射頻前端、模擬器主機(jī)、混頻器等組成，毫米波模擬器原理如圖2所示，通過本振以及倍頻分頻處理得到模擬距離。

車載雷達(dá)測(cè)試臺(tái)架整體設(shè)置在暗箱中工作，暗箱內(nèi)壁及箱內(nèi)設(shè)備布置吸波材料，以避免環(huán)境中的電磁波干擾。

轉(zhuǎn)臺(tái)滑軌采用LAN通信連接，可通過軟件實(shí)時(shí)控制運(yùn)動(dòng)方式。其中，轉(zhuǎn)臺(tái)用于安裝被測(cè)雷達(dá)，根據(jù)測(cè)試需要調(diào)節(jié)雷達(dá)俯仰角；轉(zhuǎn)臺(tái)用于安裝射頻前端，用于調(diào)節(jié)目標(biāo)方位角。

模擬器與射頻前端通過射頻線纜及控制線纜連接。射頻前端接收毫米波雷達(dá)空饋的信號(hào)，通過模擬器給出的11.4～11.9GHz本振的6倍頻，將76～81GHz的射頻信號(hào)變頻到中頻7.6～9.6GHz。

當(dāng)選擇2～6m目標(biāo)時(shí)，信號(hào)直接走前端中的延遲線后經(jīng)過E波段變頻將信號(hào)輻射出去。

當(dāng)選擇6～15m的目標(biāo)時(shí)，信號(hào)經(jīng)過前端中的延遲線模塊后，通過線纜到模擬器主機(jī)，走開關(guān)分路模塊，選通模擬器主機(jī)中的延遲線模塊，再通過開關(guān)分路回到前端變頻中將信號(hào)輻射出去。

當(dāng)選擇15m以后目標(biāo)時(shí)，信號(hào)在模擬器主機(jī)中開關(guān)分路出選通走變頻路，信號(hào)通過中頻上下變頻組件將7.6～9.6GHz信號(hào)變頻到0.2～2.2GHz，給到DRFM進(jìn)行信號(hào)處理，DA出給中頻上變頻再經(jīng)開關(guān)分路給到射頻前端將信號(hào)輻射出去。

回波模擬器臺(tái)架具有以下關(guān)鍵特點(diǎn)。

1）雙發(fā)射天線：最多仿真4目標(biāo)/天線，即4個(gè)目標(biāo)可以在2個(gè)發(fā)射天線（方向）上任意分布。

2）距離范圍：2（典型值）～300m。

3）距離分辨率：5cm。

4）速度范圍：±240km/h。

5）速度分辨率范圍：對(duì)應(yīng)中心頻率76GHz，模擬器模擬速度精度可達(dá)±0.05km/h，模擬速度解析度可達(dá)0.1km/h。

6）RCS范圍：90dB。

4 在環(huán)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將待測(cè)雷達(dá)安裝在暗室轉(zhuǎn)臺(tái)支架上，毫米波雷達(dá)發(fā)射出77GHz電磁波信號(hào)，未被吸波材料吸收的信號(hào)則進(jìn)入射頻前端。模擬器主機(jī)根據(jù)IPG Xpack4機(jī)柜釋放的參數(shù)與射頻前端接收4971cdd6c94d566be63192ac6ee47e16到的信號(hào)，通過分頻倍頻改變飛行時(shí)間以及多普勒頻移，生成包含目標(biāo)距離、角度、速度以及RCS特性的信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滑軌等執(zhí)行機(jī)構(gòu)以達(dá)到模擬真實(shí)電磁波信號(hào)的效果。

雷達(dá)接收到信號(hào)后生成CAN目標(biāo)序列，下位機(jī)電腦通過觀察CAN信號(hào)中的目標(biāo)信息，比對(duì)CAN信號(hào)與CarMaker場(chǎng)景中參數(shù)設(shè)定的差異以及實(shí)車測(cè)試結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。另外，還可以將雷達(dá)CAN信號(hào)注入到場(chǎng)景仿真軟件的虛擬車輛中以達(dá)到閉環(huán)測(cè)試的目的。

4.1 CarMaker場(chǎng)景搭建

首先根據(jù)設(shè)定好的測(cè)試用例，使用CarMaker搭建場(chǎng)景，本文按照?qǐng)D3構(gòu)建測(cè)試用例搭建仿真場(chǎng)景。

CarMaker中一個(gè)仿真場(chǎng)景是一個(gè)TestRun，即一個(gè)具體化、參數(shù)化的VVE測(cè)試場(chǎng)景，包括車輛動(dòng)力學(xué)模型、道路模型、輪胎模型、駕駛員模型以及參數(shù)設(shè)置（Maneuver）這5大要素。通過更改不同的參數(shù)來(lái)生成不同的測(cè)試場(chǎng)景。本文研究以ACC以及AEB功能在不同參數(shù)下的雷達(dá)探測(cè)性能測(cè)試為例。

4.2 CarMaker與模擬器通信建立

CarMaker提供了CANio接口，它是用于連接模擬器和實(shí)際控制單元之間的通信總線CAN。CANio允許將CarMaker的虛擬車輛模型與實(shí)際的控制單元相連，以進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證。使用CANio接口，可以模擬車輛行駛的各種情況，如加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等，并將這些信息傳遞給實(shí)際的控制單元進(jìn)行處理。同時(shí)，CANio也可以將實(shí)際控制單元的反饋信息傳遞回虛擬車輛模型中，以進(jìn)行結(jié)果分析和驗(yàn)證。

本文利用CANio接口把仿真場(chǎng)景的參數(shù)傳遞給毫米波雷達(dá)模擬器。采用UDP通信方式，IP地址可自定義?；夭M器消息接收端口：13002，UDP報(bào)文發(fā)送為int類型大端模式，double類型數(shù)據(jù)（距離、速度、RCS、角度）沒有大小端之分。UDP報(bào)文的通信結(jié)構(gòu)依次是幀頭、幀計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、幀尾。UDP通信報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通信接口實(shí)現(xiàn)需要編輯CarMaker軟件CANio模塊中的user.c文件，在user_out（）中實(shí)現(xiàn)UDP報(bào)文拼接并發(fā)送給模擬器。

4.3 仿真編譯運(yùn)行

在CarMaker中設(shè)置好Realtime System Setup模塊以及調(diào)通CarMaker和實(shí)時(shí)機(jī)正常Ping后，需要把CarMaker模型下載編譯到實(shí)時(shí)機(jī)中。打開MSYS-2017 Office+HIL xeno后在本工程的scripts文件夾下輸入“make”指令進(jìn)行編譯生成可執(zhí)行程序CarMaker.xeno。在Configuration/status中使用模式設(shè)置為HIL模式，設(shè)置方法如圖5所示。

在配置好參數(shù)之后點(diǎn)擊Start即可，圖6是ACC-AEB功能中跟隨靜止目標(biāo)仿真場(chǎng)景。

4.4 仿真數(shù)據(jù)分析

本文試驗(yàn)中對(duì)比的數(shù)據(jù)主要從2個(gè)維度來(lái)考察。首先對(duì)比HIL測(cè)試環(huán)境中場(chǎng)景軟件的各場(chǎng)景預(yù)設(shè)的參數(shù)（圖7）與實(shí)際毫米波雷達(dá)檢測(cè)到的參數(shù)結(jié)果（圖8）。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，二者數(shù)據(jù)基本一致，但是通信有延時(shí)，那就間接驗(yàn)證了模擬器本身的參數(shù)運(yùn)算是正確的，這也是本文研究的目的之一。將臺(tái)架HIL測(cè)試結(jié)果與實(shí)車場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示，臺(tái)架與實(shí)車檢測(cè)結(jié)果存在一定偏差，但兩者結(jié)果比較接近，說(shuō)明本文中構(gòu)建的在環(huán)系統(tǒng)可以對(duì)單品的雷達(dá)進(jìn)行功能以及性能測(cè)試。

5 結(jié)論

本文基于場(chǎng)景仿真結(jié)合回波模擬器所構(gòu)建的毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了毫米波雷達(dá)的目標(biāo)距離、速度和方向等關(guān)鍵指標(biāo)的功能及性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，仿真測(cè)試與實(shí)車測(cè)試中，被測(cè)雷達(dá)在兩種工_{i5WigmykD+3GoRbED5roDQ==}況下水平場(chǎng)視測(cè)試結(jié)果基本相符。

同時(shí)仿真測(cè)試可極大減少實(shí)車開發(fā)中的場(chǎng)地和實(shí)際道路測(cè)試次數(shù)，從而縮短測(cè)試周期，節(jié)省開發(fā)成本，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯 楊凱麟）