高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)前視攝像頭硬件在環(huán)測(cè)試

郭劍鷹 陳曉 高升

摘要：高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)可以大幅度降低交通事故，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，攝像頭是該系統(tǒng)中的重要部件。為了在前視攝像頭開(kāi)發(fā)期間更早發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，模擬路試過(guò)程中的危險(xiǎn)工況，提出了一種基于CarMaker和VeriStand的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。應(yīng)用所搭建的臺(tái)架進(jìn)行了大量攝像頭的硬件在環(huán)功能測(cè)試，臺(tái)架測(cè)試結(jié)果與實(shí)車測(cè)試結(jié)果一致，在車道偏離預(yù)警和前方碰撞預(yù)警典型工況下均能及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

關(guān)鍵詞：高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)； 前視攝像頭； 硬件在環(huán)

中圖分類號(hào)： U 467.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.005

Abstract： Advanced driver assistance system（ADAS） can significantly reduce traffic accident rate，the number of casualties and economic losses.The camera is an important part of ADAS.In order to find out problems earlier during the development of the front view camera and simulate dangerous conditions during the road test，a hardware in the loop test system based on CarMaker and VeriStand was proposed.A large amount of hardware in the loop function tests were carried out with the built platform.In typical conditions of lane departure warning and front collision warning，alarm signals can be generated in time，which is consistent with actual vehicle test results.

Keywords：advanced driver assistance system； front view camera； hardware in the loop test

引 言

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driver assistance system，ADAS）可以大幅度降低交通事故，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前主流的安全輔助駕駛系統(tǒng)包括車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDW）、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEB）、自適應(yīng)巡航控制（ACC）和前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCW）等[1]，而實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)功能的關(guān)鍵部件之一是前視攝像頭。前視攝像頭在研制階段往往需要進(jìn)行多次的測(cè)試，以對(duì)攝像頭性能和ADAS算法進(jìn)行考核[2]。相比毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等，攝像頭最大優(yōu)勢(shì)在于識(shí)別目標(biāo)類型，能夠非常準(zhǔn)確地識(shí)別行人、非機(jī)動(dòng)車、機(jī)動(dòng)車或其他障礙物，而且還能識(shí)別交通標(biāo)志的具體內(nèi)容[3 4]。考慮價(jià)格因素并與其他ADAS傳感器相比，攝像頭因成本相對(duì)低廉而更適用于ADAS系統(tǒng)。

由于實(shí)際道路情況異常復(fù)雜，在實(shí)際道路測(cè)試時(shí)不可能覆蓋所有的場(chǎng)景，且一些關(guān)鍵場(chǎng)景也無(wú)法復(fù)現(xiàn)[5]。此外，因?qū)嶋H道路測(cè)試時(shí)會(huì)受到現(xiàn)實(shí)條件制約，導(dǎo)致算法無(wú)法進(jìn)行快速迭代改進(jìn)。鑒于這些原因使得ADAS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期大大延長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本也不斷增加，所以實(shí)驗(yàn)室硬件在環(huán)測(cè)試的方法被越來(lái)越多的廠家采用。通過(guò)該方法研究人員可以模擬部分很難實(shí)際遇到的場(chǎng)景，或者不斷復(fù)現(xiàn)關(guān)鍵場(chǎng)景[6]，從而檢驗(yàn)ADAS的可靠性。

1 硬件在環(huán)開(kāi)發(fā)模型

目前國(guó)內(nèi)外主流的汽車廠家在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中均使用V模型開(kāi)發(fā)模式，如圖1所示，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程包括如下主要步驟：

1） 功能設(shè)計(jì)與離線仿真。根據(jù)系統(tǒng)需求開(kāi)發(fā)和建模，建立狀態(tài)流程圖及算法框圖；同時(shí)，利用數(shù)學(xué)建模仿真建立被控對(duì)象的功能模型，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行離線仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性[7]。

2） 快速控制原型。將上一步驟中的算法轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，利用實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)對(duì)控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。

3） 代碼生成。經(jīng)過(guò)離線仿真和快速控制原型已經(jīng)充分驗(yàn)證了算法的可行性，將模型算法轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品代碼。

4） 硬件在環(huán)仿真（HIL）。用實(shí)際的電控系統(tǒng)和模擬實(shí)車上真實(shí)環(huán)境的仿真模型組成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行反復(fù)大量測(cè)試，驗(yàn)證電子控制單元（ECU）控制策略和算法可靠性。

5） 集成測(cè)試與標(biāo)定。在快速控制原型和生成代碼階段對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行初步標(biāo)定，將ECU接入整車運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行集成測(cè)試，以完成最終的驗(yàn)證、調(diào)試和標(biāo)定。

采用V模型開(kāi)發(fā)模式能夠有效縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)。硬件在環(huán)仿真測(cè)試采用仿真系統(tǒng)與ECU實(shí)物相結(jié)合的半實(shí)物仿真測(cè)試方法，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)重要步驟，具有開(kāi)發(fā)成本低、成型速度快、精確度高、可重復(fù)性強(qiáng)、安全性高等多方面優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為測(cè)試基于車載前視攝像頭開(kāi)發(fā)的ADAS系統(tǒng)功能可靠性，開(kāi)發(fā)了一套基于CarMaker和VeriStand的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司VeriStand 軟件搭配面向儀器系統(tǒng)的外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展（PXI）硬件板卡的方案，利用Veristand 管理NI硬件資源，通過(guò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行車輛模型，完成控制器的功能測(cè)試。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，測(cè)試臺(tái)架主要由機(jī)柜、待測(cè)樣件和顯示器三部分組成，彼此之間通過(guò)電纜進(jìn)行電氣連接。機(jī)柜中有可編程電源、高性能圖形工作站、PXI機(jī)箱等相關(guān)硬件，PXI機(jī)箱中運(yùn)行車輛模型，運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)和場(chǎng)景即時(shí)傳送給待測(cè)樣件[8]。顯示器1上顯示車輛模型運(yùn)行的實(shí)時(shí)結(jié)果，顯示器2則顯示CarMaker軟件生成的圖像、攝像頭處理前和處理后的圖像。預(yù)先調(diào)整所顯示視頻的大小、位置、和視角，通過(guò)與路試數(shù)據(jù)的標(biāo)定，使攝像頭的視角與實(shí)際路試的視角盡量一致。

2.1.1PXI機(jī)箱

PXI機(jī)箱中包括PXI控制器、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信板卡等硬件，PXI控制器運(yùn)行實(shí)時(shí)（RT）系統(tǒng)，內(nèi)部安裝VeriStand等一系列軟件，車輛模型也實(shí)時(shí)運(yùn)行在控制器中。CAN通信板卡實(shí)現(xiàn)PXI控制器和待測(cè)樣件之間的通訊，將模型運(yùn)行的車輛狀態(tài)信息發(fā)送給待測(cè)樣件，將待測(cè)樣件識(shí)別出的目標(biāo)、車道信息、報(bào)警信息再發(fā)送給計(jì)算機(jī)，以供觀察和監(jiān)測(cè)。

通過(guò)PXI機(jī)箱控制可編程電源，在測(cè)試過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的供電、斷電和電壓電流的調(diào)節(jié)。接線盒將樣件的引腳引出到面板上，便于對(duì)樣品的引腳信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。機(jī)柜內(nèi)還有繼電器，通過(guò)程序控制樣件每個(gè)引腳的通路、短路和斷路，還可以進(jìn)行其他一些失效安全和故障注入的測(cè)試。

PXI控制器內(nèi)運(yùn)行的車輛動(dòng)力學(xué)模型由IPG公司的CarMaker軟件提供，其包括車輛、駕駛員、道路和環(huán)境四個(gè)方面。CarMaker為硬件在環(huán)測(cè)試提供所有的信息和參數(shù)，并提供了一個(gè)閉環(huán)仿真環(huán)境，還可以將自己的模型和硬件組件通過(guò)定義的接口集成到仿真環(huán)境中。CarMaker提供變量觀察窗口和車輛運(yùn)動(dòng)可視化服務(wù)，可以即時(shí)查看車輛運(yùn)行過(guò)程中所有參數(shù)，還可以全方位多角度直觀地觀察測(cè)試車輛和交通車輛的運(yùn)行狀態(tài)。CarMaker還提供自動(dòng)測(cè)試界面，可以根據(jù)設(shè)定的條件自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，并生成評(píng)估報(bào)告。

測(cè)試場(chǎng)景包括動(dòng)態(tài)對(duì)象、靜態(tài)對(duì)象和環(huán)境條件，建筑物、道路、交通標(biāo)志燈等靜態(tài)物體受環(huán)境條件影響，行人、機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車等動(dòng)態(tài)物體受靜態(tài)物體和環(huán)境條件影響，而這些都可以在CarMaker中按照系統(tǒng)需求和測(cè)試需求進(jìn)行個(gè)性化配置。

2.1.2高性能圖形工作站

高性能圖形工作站中運(yùn)行場(chǎng)景編輯器用來(lái)構(gòu)架虛擬場(chǎng)景，可以方便地為場(chǎng)景配置各種交通元素，如障礙物、交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈，并將這些原始虛擬場(chǎng)景輸出到顯示器。工作站還負(fù)責(zé)與待測(cè)樣件通信，獲取待測(cè)樣件輸出的處理結(jié)果，再將這些結(jié)果疊加到原始虛擬場(chǎng)景上，并將這些處理后的虛擬場(chǎng)景輸出。通過(guò)對(duì)比原始圖像和樣件處理過(guò)的圖像，可以對(duì)樣件識(shí)別能力作直觀的評(píng)判。

2.2 軟件系統(tǒng)

除了CarMaker和VeriStand軟件之外，測(cè)試過(guò)程中還會(huì)用到LabVIEW和Simulink。各軟件之間關(guān)系如圖3所示。

VeriStand作為主要開(kāi)發(fā)環(huán)境，用來(lái)管理整車模型、工況及駕駛員模型，同時(shí)用來(lái)管理模型與硬件IO之間的映射、模型與模型之間的映射，還將用來(lái)編輯主要的測(cè)試監(jiān)視界面，開(kāi)發(fā)和管理測(cè)試流程[3]。

LabVIEW作為輔助開(kāi)發(fā)工具，用來(lái)開(kāi)發(fā)VeriStand不具備的一些功能，比如對(duì)某些設(shè)備的簡(jiǎn)單控制，數(shù)據(jù)瀏覽等。LabVIEW也可以用于開(kāi)發(fā)調(diào)度各個(gè)軟件、各個(gè)VeriStand文件。

CarMaker提供整車模型、工況模型以及駕駛員模型。在建立VeriStand項(xiàng)目的最初階段，CarMaker模型會(huì)整體下載到下位機(jī)中，后續(xù)的開(kāi)發(fā)都是針對(duì)模型的參數(shù)配置以及需要自定義開(kāi)發(fā)的模型下載和調(diào)試。

Simulink用來(lái)開(kāi)發(fā)自有控制器模型，并且將這些模型導(dǎo)入到VeriStand及下位機(jī)中。

3 硬件在環(huán)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中的信號(hào)流向如圖4所示，計(jì)算機(jī)上運(yùn)行VeriStand軟件，將車輛模型部署到下位機(jī)PXI控制器中，模型運(yùn)行的車輛狀態(tài)等參數(shù)通過(guò)CAN板卡發(fā)送給攝像頭控制器，攝像頭采集顯示器上的車輛運(yùn)行信息，結(jié)合PXI控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的車輛狀態(tài)信息，做出目標(biāo)識(shí)別、車道線識(shí)別，以及發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。同時(shí)，車輛模型運(yùn)行的信息上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)上VeriStand可以進(jìn)行變量的控制和監(jiān)控，CarMaker還可以進(jìn)行三維可視化監(jiān)控和測(cè)試流程的控制[6]。車輛運(yùn)行的信息顯示在高分辨率顯示器上以供攝像頭模組采集，圖4亦是一個(gè)完整的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

通過(guò)所搭建臺(tái)架，進(jìn)行了ADAS車載前置攝像頭的功能測(cè)試，在HIL臺(tái)架上對(duì)研發(fā)的攝像頭FCW和LDW功能進(jìn)行了全方位的測(cè)試。圖5為測(cè)試軟件界面，由四個(gè)窗口組成，圖5（a）為CarMaker主界面，可以對(duì)車輛模型、交通環(huán)境、駕駛員模型和操作策略進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。圖5（b）是變量觀察窗口，可以查看整個(gè)車輛模型中任意參數(shù)的值，便于觀察測(cè)試過(guò)程中變量的變化曲線。圖5（c）是車輛運(yùn)行可視化界面，可以直觀地觀察被測(cè)車輛與其他車輛的運(yùn)行狀態(tài)。圖5（d）是VeriStand操作界面，用來(lái)管理整車模型、工況和駕駛員模型，是主要的測(cè)試監(jiān)測(cè)界面，可以將測(cè)試過(guò)程中的參數(shù)變化過(guò)程保存至本地存儲(chǔ)設(shè)備中，便于后期分析。

圖6為測(cè)試過(guò)程中界面截圖，（a）（b）（c）（d）依次為FCW前方轎車工況、FCW前方工程車輛工況、LDW向左車道偏離單虛線工況、LDW向右車道偏離虛實(shí)線工況[9 10]。圖中粗曲線為攝像頭控制器發(fā)出的報(bào)警信號(hào)，其中FCW功能在前方目標(biāo)車為轎車和工程車情況下均能產(chǎn)生前方碰撞報(bào)警信號(hào)，LDW功能在單虛線和虛實(shí)線情況下均能在恰當(dāng)時(shí)機(jī)產(chǎn)生車道偏離預(yù)警信號(hào)。除以上幾種工況之外，還對(duì)不同天氣、不同車型、不同速度、不同光照、不同路面標(biāo)線、直道和彎道均進(jìn)行了測(cè)試。

4 結(jié) 論

測(cè)試結(jié)果顯示：FCW功能下檢測(cè)靜態(tài)目標(biāo)時(shí)，樣件對(duì)前方目標(biāo)距離、速度的檢測(cè)和預(yù)期碰撞發(fā)生時(shí)間（TTC）的計(jì)算較為準(zhǔn)確，但是在檢測(cè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)時(shí)，所檢測(cè)出的相對(duì)距離與實(shí)際模擬的距離相差較大，和實(shí)車測(cè)試結(jié)果較為吻合；在測(cè)試LDW功能時(shí)，樣件對(duì)不同類型車道線的檢測(cè)精確度也很高，不管是直道和彎道，亦或是鄉(xiāng)村道路和城市道路，樣件都能迅速精準(zhǔn)地識(shí)別到車道線，計(jì)算出自車距離兩側(cè)車道線的距離，及時(shí)地發(fā)出報(bào)警信號(hào)，和實(shí)車測(cè)試結(jié)果也較為吻合。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，優(yōu)化了攝像頭內(nèi)部代碼，上述問(wèn)題得到了很好的解決。優(yōu)化之后的控制器在一些比較危險(xiǎn)的駕駛工況下，均能及時(shí)提供報(bào)警信號(hào)，為行車安全提供了很大的幫助，也為后續(xù)研發(fā)AEB和ACC功能打下了很好的基礎(chǔ)。

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（編輯：劉鐵英）