支持ADAS功能開發(fā)的仿真平臺(tái)搭建

唐野　劉世東

摘 要：本文針對(duì)傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)在面對(duì)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）時(shí)的不足，通過構(gòu)建整車多域式的電控方案，設(shè)計(jì)支持ADAS功能開發(fā)的仿真平臺(tái)。該平臺(tái)以邏輯單元的形式，通過分析ADAS功能的需求定義，實(shí)現(xiàn)車輛縱向和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的耦合控制。為驗(yàn)證平臺(tái)的合理性及有效性，以交通擁堵輔助（TJA）功能為例，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，ADAS功能得到正確響應(yīng)，仿真平臺(tái)符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：仿真平臺(tái);主動(dòng)安全;運(yùn)動(dòng)集成

1 前言

1.1 開發(fā)背景

伴隨著人工智能、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)的快速發(fā)展，人們需求的不斷變更，推動(dòng)汽車從單一的交通工具，向智能移動(dòng)空間進(jìn)行轉(zhuǎn)型，汽車屬性得到了重新定義與賦能。傳統(tǒng)的整車電控系統(tǒng)，以分布式電子控制單元的方式，確保整車功能的集成控制。然而分布式的E/E架構(gòu)，因運(yùn)算能力有限、通訊鏈路過長、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率高和帶寬不足等問題，嚴(yán)重制約了ADAS功能的快速發(fā)展。鑒于此，域控制器（Domain Control Unit，DCU）的設(shè)計(jì)得以廣泛應(yīng)用，不同于傳統(tǒng)的分布式E/E架構(gòu)，整車電控系統(tǒng)以域的形式被重新劃分，如：動(dòng)力域、底盤域、車身域和主動(dòng)安全域等，架構(gòu)如圖1所示。

1.2 研究意義

實(shí)現(xiàn)多域電子電氣架構(gòu)下的仿真平臺(tái)搭建，具有重大意義。一方面，主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商可以在同一套架構(gòu)下進(jìn)行功能開發(fā)，避免出現(xiàn)邏輯重疊或信號(hào)失配等問題，降低系統(tǒng)冗余程度，加速整車研發(fā)周期，同時(shí)也為后續(xù)電控系統(tǒng)的功能升級(jí)和擴(kuò)展提供基礎(chǔ)。另一方面，該平臺(tái)可以作為白盒化的測試工具，通過場景搭建和開/閉環(huán)信號(hào)交互等方式，進(jìn)行單元測試和系統(tǒng)集成測試，以驗(yàn)證電控系統(tǒng)中其他控制器的邏輯關(guān)系，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前甄別，最終優(yōu)化整車性能。

2 實(shí)施方案

2.1 主動(dòng)安全域系統(tǒng)構(gòu)成

ADAS功能主要圍繞“感知+決策+控制”的思路進(jìn)行開發(fā)。其中，感知系統(tǒng)通過雷達(dá)、攝像頭等車載傳感器，對(duì)周圍環(huán)境和車輛狀態(tài)進(jìn)行探測，輸出車輛和行人大小、速度、位置以及其他交通燈、交通標(biāo)識(shí)、道路坡路、道路曲率等交通信息。決策系統(tǒng)，在含主動(dòng)安全功能的整車中，扮演著駕駛員的角色。通過獲取感知系統(tǒng)輸出的交通信息和駕駛員自身動(dòng)作，進(jìn)行功能邏輯判斷和優(yōu)先級(jí)仲裁，在系統(tǒng)安全閾值的范圍內(nèi)，輸出車輛期望的姿態(tài)變化值?？刂葡到y(tǒng)，一般指車輛的轉(zhuǎn)向、檔位、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證決策系統(tǒng)發(fā)出的請(qǐng)求值能夠得到有效地響應(yīng)和執(zhí)行。

2.2 控制器邏輯單元

針對(duì)主動(dòng)安全功能所應(yīng)用的不同典型場景，設(shè)計(jì)控制器包含以下邏輯單元：

縱向控制單元，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急剎車、自適應(yīng)巡航等功能。該邏輯單元通過前向雷達(dá)或前向攝像頭，輸出同車道方向車輛的位姿變化關(guān)系，計(jì)算目標(biāo)加速度，對(duì)車輛驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，以保證相鄰汽車之間有足夠的安全距離，并實(shí)現(xiàn)車輛定速行駛。

側(cè)向控制單元，可實(shí)現(xiàn)車輛保持輔助、車道偏移預(yù)防等功能，一般需通過前向攝像頭識(shí)別車道線等環(huán)境信息，計(jì)算當(dāng)前道路曲率及側(cè)向偏移量，基于二自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型或預(yù)瞄點(diǎn)規(guī)劃，計(jì)算目標(biāo)行駛軌跡并輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角或力矩值至轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)。

功能仲裁單元，可處理人機(jī)共駕過程中主動(dòng)安全功能的激活、抑制和狀態(tài)跳轉(zhuǎn)等情況。例如，當(dāng)車道保持輔助功能激活時(shí)，駕駛員施加一個(gè)同向的方向盤轉(zhuǎn)角，此時(shí)功能仲裁單元應(yīng)對(duì)駕駛員意圖進(jìn)行解析，并協(xié)調(diào)測試控制單元輸出新的力矩值，以保證車輛不發(fā)生較大的偏航。此外，當(dāng)多個(gè)主動(dòng)安全功能同時(shí)觸發(fā)時(shí)，該邏輯單元需根據(jù)功能定義、功能安全等級(jí)，仲裁分析當(dāng)前車輛執(zhí)行動(dòng)作的優(yōu)先級(jí)，并輸出相應(yīng)的功能控制信號(hào)。

預(yù)警單元，以碰撞時(shí)間（Time to Collision，TTC）等安全閾值計(jì)算為主。常見的預(yù)警功能包括前向碰撞預(yù)警和車輛變道預(yù)警等。當(dāng)駕駛員長時(shí)間脫手、閉眼或車輛有可能發(fā)生碰撞時(shí)，控制器觸發(fā)報(bào)警信號(hào)控制音箱蜂鳴、方向盤抖動(dòng)，以聽覺或觸覺的方式提示駕駛員接管車輛并進(jìn)行轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等避撞動(dòng)作，及時(shí)避免交通事故發(fā)生。

數(shù)據(jù)融合單元，主要對(duì)多傳感器輸出的目標(biāo)級(jí)信息進(jìn)行處理運(yùn)算。一般而言，車載傳感器會(huì)因路面、光照和天氣等因素產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)波動(dòng)。針對(duì)復(fù)雜的主動(dòng)安全功能動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)，域控制器需要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、雙目攝像頭、慣導(dǎo)和GPS等多傳感器的目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)融合，匹配深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)所探測目標(biāo)類型（如：成年人、兒童、自行車和樹木）和目標(biāo)間位姿關(guān)系（如：位移、速度和角度）進(jìn)行信息互補(bǔ)和優(yōu)化處理，最終生成一致性的環(huán)境信息，供其他邏輯單元進(jìn)行決策控制。同時(shí)，該邏輯單元的設(shè)計(jì)也為后續(xù)整車功能升級(jí)、系統(tǒng)冗余備份提供基礎(chǔ)，最大程度地保證了主動(dòng)安全功能的舒適性和安全性。

2.3 仿真平臺(tái)搭建

為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全功能的正向開發(fā)，采用基于模型的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)功能狀態(tài)機(jī)，并在Matlab/Siumlink環(huán)境下完成功能的控制策略編寫。結(jié)合上節(jié)設(shè)計(jì)的邏輯單元，構(gòu)建支持ADAS功能開發(fā)的仿真平臺(tái)如圖3所示，該平臺(tái)包含發(fā)動(dòng)機(jī)控制EMS、縱向控制EPS、檔位控制TCU、主動(dòng)安全控制ADAS、人機(jī)交互控制HMI、側(cè)向控制ESP等多個(gè)模塊，模塊間通過虛擬總線BUS進(jìn)行互聯(lián)，具備完整的信號(hào)交互接口。車輛動(dòng)力學(xué)模型輸出如輪速、方向盤轉(zhuǎn)角、主缸壓力等車輛狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)ADAS系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

3 仿真測試驗(yàn)證

仿真平臺(tái)中所包含的功能模型需通過測試，方可對(duì)其控制邏輯進(jìn)行合理性驗(yàn)證。為此，采用CarSim車輛動(dòng)力學(xué)軟件作為仿真工具，車輛參數(shù)配置如圖4所示。

3.1 TJA彎道跟車啟停工況

交通擁堵輔助功能（Traffic Jam Assist，TJA），是一種在車輛低速通過交通擁堵路段時(shí)，通過對(duì)行駛方向及相鄰車道的實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)縱向及側(cè)向控制的駕駛輔助功能，功能速度限值一般為0-60kph。