基于Simulink的V2X硬件在環(huán)測試系統(tǒng)研究

蔡之駿 張瑩 楊波 馮其高 李曉平

摘 要：V2X（Vehicle-to-Everything）技術(shù)的國際標準和國內(nèi)標準已相繼出臺，相關(guān)的測試需求也越來越迫切。文章提出一種基于Simulink的V2X硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)方案，該方案中V2X設(shè)備通過CAN信號與仿真模型和車機顯示屏交互，從而模擬真實的V2X設(shè)備實車前裝工作環(huán)境;同時，本方案中的測試系統(tǒng)還使用GNSS模擬器發(fā)送實時定位數(shù)據(jù)以模擬真實GPS信號衰減。該方案能快速完成大量V2X算法場景測試及驗證，有效縮短測試和開發(fā)周期，并能通過簡單地加入駕駛模擬器即可支持V2X駕駛員在環(huán)（DIL）仿真測試。

關(guān)鍵詞：V2X;硬件在環(huán)仿真;駕駛員在環(huán)仿真;Simulink

Abstract： As the national and international standards for V2X （Vehicle-to-Everything） technology been published in recent years， there are increasing needs to find ways to test V2X products effectively. This paper suggests a method to build V2X HIL （Hardware-in-the-Loop） test system based on Simulink models. In the system， the V2X equipment communicates with vehicle models and vehicle HMI screen to simulate the real environment for factory-installed V2X products; meanwhile， the system also employs GNSS simulator to send real-time position signals so that the GPS signal attenuation can be simulated. The system can complete lots of V2X algorithm scenario tests and verifications rapidly， reducing the test and develop periods significantly. Moreover， the system is able to do V2X DIL （Driver-in-the-Loop） tests by simply including the driving simulator.

Keywords： V2X; HIL; DIL; Simulink

前言

V2X[1]（Vehicle-to-Everything）技術(shù)通過將“車-人-路-云”等交通要素有機地結(jié)合起來，能有效構(gòu)建智慧交通體系，并使車輛獲取比單車感知更多的信息。隨著V2X國際和國內(nèi)標準的出臺與推行，V2X設(shè)備的開發(fā)與應用已經(jīng)在各大廠商內(nèi)紛紛展開，相關(guān)的V2X測試需求也與日俱增。傳統(tǒng)的V2X應用測試使用實車測試，需要多臺實車搭載相應的V2X設(shè)備去實際場景行駛。實車測試效果真實，但非常耗時，且受路況與車況的限制，而V2X硬件在環(huán)仿真可以很好地提升測試效率，并且由于仿真的車輛行駛軌跡是在仿真軟件模型中搭建，所以不受路況與車況的限制。因此，搭建V2X硬件在環(huán)測試平臺的重要性也與日俱增。

本文提出一種基于Simulink模型的V2X硬件在環(huán)仿真方案，能夠模擬真實的V2X設(shè)備前裝工作環(huán)境;在該方案中，測試者可在模型中預設(shè)車輛行駛軌跡與車輛動作，從而高效搭建多個V2X復雜場景，并實現(xiàn)自動化測試。主車V2X設(shè)備接受的GPS信號為GNSS信號模擬器發(fā)出的模擬GPS信號，從而仿真真實的GPS環(huán)境;主車與遠車V2X設(shè)備通過V2X信號互相通信，并通過CAN信號接受來自模型的自身車輛動力學參數(shù)，同時主車設(shè)備通過CAN信號向車機顯示屏發(fā)送預警信息，這些都與V2X設(shè)備前裝方案的真實工作環(huán)境一致（實際的V2X實車前裝方案中，V2X設(shè)備通過CAN總線獲取本車動力學參數(shù)，并通過CAN總線向?qū)嵻囷@示屏發(fā)送預警信號）。

由于時間同步信號（1PPS信號）可直接通過解析對應的GPS信號獲取，因此本方案中，GNSS模擬器會向V2X設(shè)備廣播同樣的GPS信號，從而保證所有被測的V2X設(shè)備時間同步。注意到遠車設(shè)備不采用GNSS模擬器的定位信號，因此遠車設(shè)備內(nèi)部軟件算法屏蔽來自GNSS模擬器的定位信息但依然使用來自GNSS模擬器的1pps信號，從而保證遠車與主車的時間同步而定位來源不同。此外，本方案還可支持無縫切換成駕駛員在環(huán)測試模式，只需在系統(tǒng)中引入駕駛模擬器并配置對應的模型即可。

1 測試系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，測試系統(tǒng)由上位機、CAN通信設(shè)備（CA -Noe）、GNSS模擬器和V2X盒子（LTE-V盒子）組成，并可外接駕駛模擬器實現(xiàn)駕駛員在環(huán)（DIL）仿真。其中，上位機使用車輛仿真軟件PreScan在Simulink中搭建車輛模型與場景模型，模擬發(fā)送實時車輛數(shù)據(jù)至CAN通信設(shè)備，CANoe將車輛實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN信號格式發(fā)送給基于LTE-V通信的V2X盒子。兩個LTE-V盒子一個作為主車觸發(fā)并反饋預警信息，另一個作為遠車（或路側(cè)單元RSU），與主車配合測試預警場景，兩者通過PC5接口通信。作為主車的LTE-V盒子接受來自GNSS模擬器發(fā)送的模擬GPS信號以仿真實車環(huán)境下的GPS環(huán)境，遠車盒子直接通過CAN信號獲取Simulink模型模擬的實時GPS信號。

主車盒子與遠車盒子均通過解析GNSS模擬器廣播的定位信息獲取1PPS信號從而達到時間同步;同時，系統(tǒng)所用V2X設(shè)備均從CANoe獲取車輛速度、加速度、航向角、方向盤轉(zhuǎn)角等實時車輛數(shù)據(jù)（CAN信號）。系統(tǒng)可添加額外的LTE-V盒子作為遠車或RSU進行復雜場景模擬，作為RSU的LTE-V盒子無需接受CAN信號，直接廣播自身內(nèi)部的RSU消息即可。主車盒子計算的實時預警信息通過CAN總線發(fā)送給車機顯示屏，以仿真真實的預警環(huán)境。此外，本方案還能通過外接圖中所示的駕駛模擬器支持無縫切換成駕駛員在環(huán)測試模式。

1.2 硬件設(shè)備

本文V2X硬件在環(huán)測試系統(tǒng)所用硬件設(shè)備如下：

1）上位機一臺，Windows系統(tǒng)，用于運行PreScan和Simulink聯(lián)合仿真模型;

2）CANoe設(shè)備至少兩個，用于將模型中的車輛實時數(shù)據(jù)通過CAN報文的方式發(fā)送給LTE-V盒子;

3）V2X設(shè)備（圖中的LTE-V盒子）至少兩臺，可增加;為了對應V2X國標，實際臺架中使用LTE-V通信方式，作為硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中的黑盒設(shè)備;兩個LTE-V盒子中，一個作為主車，其余的作為遠車或路邊設(shè)施（RSU），通過PC5接口互相通信，模擬真實預警場景;

4）GNSS模擬器，通過網(wǎng)線接受上位機發(fā)送的模擬主車定位信息，并將定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬GPS信號進行廣播，以此仿真真實的GPS環(huán)境，包括衛(wèi)星信號的衰減、障礙物遮擋等等; GNSS模擬器廣播的GPS信號包含1PPS信號，可直接被V2X相關(guān)模組解析，從而使遠車與主車時間同步;

5）車機顯示屏，用于接收并顯示主車設(shè)備發(fā)送的預警信號;

6）各類所需線束若干。

2 Simulink模型

本文所用V2X硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)中，Simulink模型主要包含PreScan自動生成的車輛場景模型、駕駛模擬器控制模塊（可選）和在Simulink中手動添加的其他功能模塊。 Simulink模型中可加載自動化測試腳本，使模型自動完成多個預設(shè)場景測試，從而大幅提升測試效率。

2.1 車輛場景模型

如圖2，車輛動場景模型采用PreScan生成的車輛軌跡模塊、車道保持模塊和車輛動力學模塊。其中，車輛軌跡模塊對應在PreScan中預設(shè)的場景道路和地圖，可以從外部通過標準地圖數(shù)據(jù)格式導入;車道保持模塊用于初始化車輛動力學參數(shù)并保證車輛按預設(shè)軌跡行駛;車輛動力學模塊接受車道保持模塊生成的動力學參數(shù)，根據(jù)所選的車輛動力學模型計算得到車輛當前的動力學參數(shù)，這些參數(shù)通過CAN通信模塊轉(zhuǎn)換為CAN信號傳輸給LTE-V盒子。

2.2 駕駛模擬器控制模塊

如圖5，駕駛模擬器控制模塊為PreScan自動生成。該模塊為可選模塊，負責將駕駛模擬器的輸入信號傳給Simu -link中的主車從而實現(xiàn)駕駛員在環(huán)仿真測試，使用該模塊時需要將主車的車道保持模塊替換為該模塊。

2.3 CAN通信模塊

如圖6，CAN通信模塊為手動添加的Simulink模塊，將接受的車輛動力學參數(shù)和定位信息按該模塊讀取的對應dbc文件格式轉(zhuǎn)換成相應格式的CAN信號，配置相應的CAN通道，通過usb線發(fā)送給CANoe設(shè)備。

2.4 GNSS模塊

如圖7，GNSS模塊為手動添加的Simulink模塊，使用S-function結(jié)合GNSS模擬器遠程指令實寫成，用于將模塊生成的主車坐標轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯高，通過網(wǎng)線實時發(fā)送給V2X硬件在環(huán)系統(tǒng)中的GNSS模擬器，以此保證GNSS模擬器廣播的定位信息與Simulink模型同步。

3 測試流程

本文所述V2X臺架仿真測試流程包括HIL測試流程及DIL測試流程;測試結(jié)果根據(jù)預警算法的不同采用不同的處理方式，可以實時監(jiān)控算法過程中的各個參數(shù)和變量從而得到統(tǒng)計結(jié)果圖，用于驗證算法的可靠性及效率。

3.1 V2X硬件在環(huán)測試流程

本文所用系統(tǒng)可通過切換Simulink模塊進行V2X駕駛員在環(huán)測試，流程如上。

3.2 V2X駕駛員在環(huán)測試流程

本文所用系統(tǒng)可通過切換Simulink模塊進行V2X駕駛員在環(huán)測試，流程如下：

4 測試結(jié)果分析

本文所述HIL及DIL臺架仿真測試結(jié)果包含GUI顯示內(nèi)容以及自定義算法參數(shù)檢測，Simulink模型可將各個時間點對應的算法參數(shù)及變量（碰撞預警時間、預警距離等）記錄下來進行結(jié)果分析，從而驗證算法的可靠性與準確性;測試系統(tǒng)可自定義測試輸出結(jié)果，以滿足各種V2X預警算法的測試結(jié)果需求。

其中，Simulink模型中可加載自動化測試腳本，使模型自動完成多個預設(shè)場景測試，從而大幅提升測試效率。

5 結(jié)論

本文提出一種基于Simulink模型的V2X硬件在環(huán)仿真測試方案。該方案模擬真實的V2X前裝工作環(huán)境和GPS環(huán)境，能通過自動化腳本高效地完成大量的V2X算法場景測試與驗證，同時還能通過簡單地加載駕駛模擬器切換成駕駛員在環(huán)仿真測試系統(tǒng)方案。

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