傳感器在環(huán)自動泊車仿真測試系統(tǒng)設(shè)計

史延雷， 張小俊， 孟慶浩， 龔進峰

(1.天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院， 天津 300072； 2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司， 天津 300300； 3.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 天津 300401)

隨著汽車技術(shù)的新興發(fā)展，智能駕駛硬件、算法已成為研究熱點，越來越多的整車廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司、創(chuàng)業(yè)公司等紛紛加入智能駕駛領(lǐng)域。自動泊車輔助系統(tǒng)(auto parking assist，APA)應(yīng)用場景安全風(fēng)險低，是最早實現(xiàn)裝車量產(chǎn)的駕駛輔助功能。傳統(tǒng)APA系統(tǒng)僅依靠超聲波測距雷達完成自動泊車功能應(yīng)用場景受限，基于全景視覺(around view monitor，AVM)和超聲波雷達感知融合的自動泊車系統(tǒng)以更低的場景要求、更智能的操控體驗，成為行業(yè)發(fā)展趨勢[1]。目前，許多廠商推出的自動泊車系統(tǒng)使用頻率低、主管體驗差市場反響一般，其中研發(fā)測試工具和測試驗證方法的局限性是制約自動泊車技術(shù)發(fā)展的主要因素。

針對自動泊車系統(tǒng)的測試方法中外學(xué)者進行了大量的研究。趙海蘭等[2]、黃江等[3]針對自動泊車路徑規(guī)劃、跟蹤算法在MATLAB建立非線性約束模型進行仿真分析，實現(xiàn)了對軌跡規(guī)劃結(jié)果分析與碰撞檢測；顧青等[4]、姜立標等[5]、Shin等[6]基于PreScan、Carsim等場景、動力學(xué)仿真軟件聯(lián)合Simulink對自動泊車控制算法進行了虛擬交通場景下的模型在環(huán)分析驗證了；莊曉芳[7]、孫運璽等[8]以自動泊車控制器為被測對象構(gòu)建硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，通過對控制器輸入輸出信號的仿真實現(xiàn)了控制器自動泊車功能驗證。不過目前的測試方法都未能覆蓋整個自動泊車控制系統(tǒng)，沒有考慮傳感器特性、性能對系統(tǒng)功能性能的影響，造成仿真測試結(jié)果與實車運行軌跡存在較大偏差，無法應(yīng)用到實車控制器量產(chǎn)開發(fā)階段。

為此，提出了一種基于硬件在環(huán)及計算機數(shù)值模擬仿真技術(shù)的傳感器在環(huán)自動泊車測試系統(tǒng)，以自動泊車傳感、控制電子電控系統(tǒng)為測試對象，集成攝像頭視頻流注入板卡，開發(fā)超聲波物理回波仿真板卡，虛實結(jié)合構(gòu)建了完整的傳感器在環(huán)自動泊車測試驗證環(huán)境，形成實驗室環(huán)境下的自動泊車功能靈活、高效研發(fā)驗證平臺。

1 測試系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器在環(huán)自動泊車仿真測試系統(tǒng)主要包括虛擬交通場景模型、HIL(hardware in the loop)實時仿真系統(tǒng)、傳感器物理信號仿真設(shè)備組成，系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 自動泊車仿真測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of automatic parking simulation test system

HIL實時仿真系統(tǒng)作為高性能數(shù)學(xué)模型仿真計算平臺及虛實交互連通接口，主要用于實時仿真計算SoftECUs(software simulation electronic control units)模型及車輛動力學(xué)模型兩部分：虛擬整車模型SoftECUs用于模擬車輛電控系統(tǒng)除自動泊車控制器外的其他控制器邏輯狀態(tài)及CAN/Ethernet總線交互信息，主要包括車輛線控底盤相關(guān)的EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ESP(electronic stability program)車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)模型；車輛動力學(xué)模型用于響應(yīng)APA控制器基于感知數(shù)據(jù)輸出的控制指令，仿真車輛底盤運動特性，實時計算虛擬場景中車輛運動位置姿態(tài)、速度、加速度，構(gòu)建控制器在環(huán)仿真測試環(huán)境[10]。

傳感器物理信號仿真設(shè)備用于仿真模擬輸出視覺與超聲波雷達傳感器信號，其中采用視頻流注入板卡把虛擬傳感器在三維虛擬交通場景中捕獲的圖像進行格式、協(xié)議轉(zhuǎn)換后注入到智能駕駛控制器中，采用超聲波回波模擬器把虛擬場景中超聲波雷達陣列探測的障礙物距離通過模擬回波的方式輸出到自動泊車系統(tǒng)超聲波雷達傳感器中，實現(xiàn)傳感器在環(huán)仿真測試環(huán)境。

2 測試系統(tǒng)部件設(shè)計

2.1 虛擬交通場景模型配置

虛擬交通場景模型依托CarMaker仿真軟件搭建，其具備多樣式的車輛動力學(xué)模型、高效的三維虛擬交通場景建模能力、良好的實時系統(tǒng)支持能力以及多層級虛擬傳感器數(shù)學(xué)模型，能夠滿足自動泊車測試。通過上位機GUI(graphical user interface)建立參數(shù)化車輛動力學(xué)模型、自動泊車虛擬交通場景以及虛擬視覺傳感器、超聲波傳感器，構(gòu)建完整的虛擬仿真測試環(huán)境，并通過測試管理軟件將相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型加載到HIL實時系統(tǒng)。

2.1.1 虛擬交通場景建模

針對自動泊車典型應(yīng)用場景，建立參數(shù)化的各類停車位場景模擬真實工況，包括并不僅限于垂直停車位、平行停車位、斜向停車位等。通過配置車位長寬、兩側(cè)車輛類型/距離/角度、車位線污損等模擬各類復(fù)雜、極限測試工況，實現(xiàn)對車輛自動泊車控制算法適應(yīng)性、魯棒性評測。同時虛擬場景可通過設(shè)置不同天氣、光照情況對AVM攝像頭車位識別功能進行深度測試，完善與提升自動泊車功能、算法。

2.1.2 超聲波傳感器建模

虛擬交通場景軟件提供了超聲波傳感器物理模型，提供超聲波換能器原始信號接口，可模擬機械聲壓波在虛擬環(huán)境中的傳播、反射能量損耗，考慮物體的遮擋效應(yīng)及物理傳播效應(yīng)，能夠模擬直接、間接或交叉回波，為超聲波回波模擬器提供更加真實的回波信息(如傳播時間、聲壓幅度、聲級以及反射次數(shù))。通過配置超聲波雷達在車輛坐標系下的位置角度，超聲波雷達FOV、波瓣圖、探測靈敏度，交叉回波探測邏輯，更加逼真的模擬超聲波雷達在三維虛擬場景中的表現(xiàn)。如圖2所示，在CarMaker中建立后中左RCL(rear-center-left)和后中右RCR(rear-center-right)兩個超聲波物理傳感器模型。

圖2 CarMaker超聲波物理傳感器模型Fig.2 CarMaker ultrasonic physical sensor model

2.2 HIL實時仿真系統(tǒng)

HIL實時仿真系統(tǒng)作為數(shù)學(xué)模型實時運算平臺與硬件在環(huán)接口映射連接工具，主要包含高性能實時控制器、車載總線接口板卡與車輛電源仿真模塊組成。

亳文化的譯介是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)當在亳州市政府主導(dǎo)下，其它譯介主體積極配合，譯介過程中應(yīng)透徹理解亳文化的內(nèi)涵，彰顯其地域特色，力爭做到文化等值最大化，具體的譯介策略如下。

采用美國國家儀器的PXI平臺進行HIL硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的搭建，PXI總線機箱、實時控制器及I/O接口板卡如表1所示。

表1 實時系統(tǒng)及板卡

車輛電源仿真模塊模擬車輛點火啟動過程中電源狀態(tài)的變化，對設(shè)備的電源進行控制、分配與保護等。主要用于控制KL30、KL15兩種電源狀態(tài)，KL30常電模擬車輛電池直接輸出電壓，KL15發(fā)動機點火信號對應(yīng)汽車鑰匙的IGN(ignition on)狀態(tài)。在汽車控制器HIL測試中，電源仿真模塊通過控制繼電器來仿真汽車ACC(基礎(chǔ)通電)、ON(全車通電)、START(啟動發(fā)動機)等不同通電狀態(tài)。同時，電源仿真模塊支持極端電氣環(huán)境仿真，如欠壓、過壓、發(fā)動機啟動電源擾動等，全面測試評估APA控制器功能特性[11]。

2.3 超聲波回波模擬器

車載超聲波雷達感知系統(tǒng)由多個超聲波雷達探頭和單個控制器組成：控制器用于實現(xiàn)超聲波雷達工作模式控制并接收探頭返回的障礙物信息，匯總后通過車載總線發(fā)送到自動泊車控制器中；超聲波雷達探頭完成超聲波發(fā)送、回波接收、去噪濾波及障礙物距離計算，最終將障礙物信息發(fā)送給對應(yīng)控制器。因而為更加完整地測試自動泊車功能特性，設(shè)計開發(fā)了超聲波回波模擬器，模擬發(fā)送超聲波物理回波，集合虛擬場景軟件超聲波物理傳感器模型，實現(xiàn)超聲波傳感器在環(huán)復(fù)雜障礙物信息仿真。設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 超聲波回波模擬器架構(gòu)設(shè)計Fig.3 Design architecture of ultrasonic echo simulator

車載超聲波雷達傳感器采用收發(fā)一體化換能器，可同時實現(xiàn)電壓脈沖信號轉(zhuǎn)換為聲波發(fā)送以及接收相近頻率聲波信號轉(zhuǎn)換為電能。超聲波回波模擬器中集成相同頻率的超聲波換能器，并與被測超聲波雷達探頭對頂間距5 mm安裝。超聲波回波模擬器接收到超聲波雷達探頭發(fā)出的超聲波，其產(chǎn)生的電信號通過濾波、放大輸入到PXIe-7820 FPGA(field programmable gate array)板卡中，F(xiàn)PGA基于虛擬場景中障礙物距離并結(jié)合聲波速度延時特定時長后，輸出電脈沖信號經(jīng)升壓中周放大后，激發(fā)換能器發(fā)送超聲波物理回波，實現(xiàn)障礙物距離仿真。

2.4 視頻流注入

隨著智能駕駛功能對視覺圖像的依賴越來越高，要求視頻信號能夠在車內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境下進行高帶寬、低時延可靠傳輸，傳統(tǒng)視頻傳輸總線協(xié)議無法滿足需求，目前車載視頻傳輸解決方案多采用TI公司的GSML(gigabit multimedia serial link)或者MAXIM美信公司的FPD-LINK III傳輸協(xié)議，將攝像頭模組采集到的視頻流通過串行器轉(zhuǎn)換到屏蔽雙絞線(shielded twisted pair，STP)或同軸電纜(coaxial cable,COAX)進行傳輸，在視頻處理端配置相匹配的解串器完成串轉(zhuǎn)并解碼輸出給視頻處理器[12]。針對該方案設(shè)計了視頻流注入板卡，實現(xiàn)將虛擬交通場景中虛擬攝像頭傳感器捕捉到的圖像輸入自動泊車控制器中，實施方案如圖4所示。

圖4 視頻流注入方案設(shè)計Fig.4 Design of video flow injection system

虛擬交通場景軟件運行在上位機高性能圖形工作站中，場景軟件車輛坐標系下根據(jù)實車攝像頭位置、FOV、鏡頭類型配置添加虛擬攝像頭，虛擬攝像頭能夠從顯卡HDMI (high definition multimedia interface)接口同步輸出其在三維虛擬場景中捕捉的視頻流。采用NI公司的PXIe-7966FlexRIO PXI FPGA板卡配合NI-6581適配器作視頻流協(xié)議轉(zhuǎn)換器，根據(jù)攝像頭模組輸出并行總線類型開發(fā)FPGA協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，再經(jīng)過相同型號的串行器模塊直接輸出到智能駕駛域控制器中，從而實現(xiàn)虛擬場景視覺信息到被測視覺處理控制器之間的傳遞。

3 硬件在環(huán)系統(tǒng)搭建

HIL硬件在環(huán)仿真測試是基于計算機數(shù)值模擬技術(shù)的虛實結(jié)合半實物仿真測試手段，以數(shù)學(xué)模型模擬代替受控對象的運行狀態(tài)，通過I/O、總線接口與被測控制系統(tǒng)連接，可實現(xiàn)對被測系統(tǒng)進行高效的系統(tǒng)級測試。傳感器在環(huán)自動泊車仿真測試系統(tǒng)搭建方案系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 傳感器硬件在環(huán)系統(tǒng)搭建Fig.5 Design of hardware in loop system

在Simulink中生成搭建車輛動力學(xué)模型及SoftECUs模型編譯生成DLL庫文件，通過VeriStand測試管理軟件將模型加載部署到PXIe實時控制器中，并按照邏輯關(guān)系配置模型與硬件板卡輸入輸出變量進行映射連接，完成數(shù)學(xué)模型與硬件板卡的接口連接，仿真測試系統(tǒng)閉環(huán)信息流包括：SoftECUs模型仿真其他ECU邏輯行為，模擬收發(fā)車載總線數(shù)據(jù)；SoftECUs模型中EPS、ESC模型響應(yīng)自動泊車控制器控制信號，將轉(zhuǎn)向、制動信號輸出到車輛動力學(xué)模型中；車輛動力學(xué)響應(yīng)轉(zhuǎn)向、制動信號，實時解算車輛姿態(tài)、位置、速度信息并實時反饋到虛擬場景軟件中；虛擬場景軟件基于車輛位置、姿態(tài)實時更新三維場景，并結(jié)算虛擬傳感器模型，輸出超聲波雷達、攝像頭數(shù)據(jù)；傳感器數(shù)據(jù)通過視頻流注入板卡、超聲波回波模擬器輸入到自動泊車控制器中，作為智能駕駛自動/輔助控制依據(jù)。

4 仿真實驗測試

以某車型實車自動泊車控制器、配套超聲波雷達及AVM環(huán)視攝像頭子系統(tǒng)進行仿真實驗測試驗證，在NI-Veristand測試平臺管理軟件中導(dǎo)入控制器車載總線DBC文件，配置Rollingcounter與Checksum邏輯算法，將關(guān)鍵總線信號與SoftECUs模型輸入輸出映射連接，匹配視頻流注入板卡與超聲波回波模擬器實現(xiàn)閉環(huán)測試環(huán)境搭建。自動泊車測試過程仿真動畫結(jié)果及仿真過程車載超聲波雷達感知數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 自動泊車仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of automatic parking test system

圖7 車載超聲波雷達傳感數(shù)據(jù)Fig.7 Waveform data of vehicle ultrasonic radar

首先，圖6(a)通過測試系統(tǒng)電源仿真管理模型模擬車輛點火過程，車輛P檔啟動，打開車輛APA開關(guān)[置位SoftECUs中BCM(body control module)車身控制器模型發(fā)出的APA開關(guān)對應(yīng)的CAN總線信號]，設(shè)置檔位D檔，設(shè)定駕駛員模型目標車速為10 km/h，此時自動泊車控制器APA功能激活并自動探測周圍車位信息。圖6(b)、圖6(c)過程，車輛通過安裝在車身右側(cè)前部(far sensing radar 1,FSR1)與后部(far sensing radar 2,FSR2)長距超聲波雷達探測有效空閑車位，通過圖7中5～10 s兩次探測距離變化時間間隔與當前車速完成停車位長度及相對位置的測量。完成有效車位探測后，停車并設(shè)置車輛倒車檔，自動泊車控制器將接管汽車轉(zhuǎn)向，通過圖6(d)、圖6(e)車輛姿態(tài)調(diào)整，控制車輛以計算的行駛軌跡自動執(zhí)行泊車入位，最終通過判斷圖7(a)中FSR1超聲波雷達探測距離的變化，完成車輛泊車入位判斷。

仿真測試系統(tǒng)能夠高效地完成參數(shù)化的測試用例設(shè)計，以探測過程車速、車輛距離車位邊緣距離作為測試仿真實驗變量：以車位探測車速5～35 km/h 范圍、車輛距離車位邊緣距離0.2～3 m范圍為測試條件，仿真測試結(jié)果顯示在車速小于等于20 km/h時，自動泊車能夠正常啟動，車速大于20 km/h時，自動泊車無法正常啟動，車位間距在0.5～2 m范圍內(nèi)，自動泊車能夠正常識別車位并完成自動泊車入位。該測試結(jié)果與該車型自動泊車功能規(guī)范相符。

5 結(jié)論

針對智能駕駛汽車自動泊車功能測試需求，設(shè)計搭建了超聲波雷達、攝像頭傳感器在環(huán)虛擬仿真測試系統(tǒng)，經(jīng)實車自動泊車樣件聯(lián)合仿真實驗證實該系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)可應(yīng)用在樣車制造前子系統(tǒng)研發(fā)調(diào)試驗證過程中，貫穿控制器研發(fā)與使用生命全周期，實現(xiàn)高效、安全地完成各類標準、復(fù)雜工況測試驗證，在減少實車路試次數(shù)、縮短開發(fā)周期和降低成本的同時提高軟件質(zhì)量，提升智能駕駛車輛自動泊車功能體驗。同時，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴展其他種類智能傳感器信號仿真設(shè)備，可實現(xiàn)針對高級輔助駕駛功能、智能駕駛功能的虛擬仿真測試，具有廣闊的應(yīng)用前景。