支持ADAS功能開發的仿真平臺搭建

唐野　劉世東

摘 要：本文針對傳統電子電氣架構在面對先進駕駛輔助系統（ADAS）時的不足，通過構建整車多域式的電控方案，設計支持ADAS功能開發的仿真平臺。該平臺以邏輯單元的形式，通過分析ADAS功能的需求定義，實現車輛縱向和側向運動的耦合控制。為驗證平臺的合理性及有效性，以交通擁堵輔助（TJA）功能為例，結合車輛動力學軟件進行分析驗證。仿真結果表明，ADAS功能得到正確響應，仿真平臺符合預期設計。

關鍵詞：仿真平臺;主動安全;運動集成

1 前言

1.1 開發背景

伴隨著人工智能、傳感技術、通訊技術及移動互聯的快速發展，人們需求的不斷變更，推動汽車從單一的交通工具，向智能移動空間進行轉型，汽車屬性得到了重新定義與賦能。傳統的整車電控系統，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，因運算能力有限、通訊鏈路過長、網絡負載率高和帶寬不足等問題，嚴重制約了ADAS功能的快速發展。鑒于此，域控制器（Domain Control Unit，DCU）的設計得以廣泛應用，不同于傳統的分布式E/E架構，整車電控系統以域的形式被重新劃分，如：動力域、底盤域、車身域和主動安全域等，架構如圖1所示。

1.2 研究意義

實現多域電子電氣架構下的仿真平臺搭建，具有重大意義。一方面，主機廠和零部件供應商可以在同一套架構下進行功能開發，避免出現邏輯重疊或信號失配等問題，降低系統冗余程度，加速整車研發周期，同時也為后續電控系統的功能升級和擴展提供基礎。另一方面，該平臺可以作為白盒化的測試工具，通過場景搭建和開/閉環信號交互等方式，進行單元測試和系統集成測試，以驗證電控系統中其他控制器的邏輯關系，在設計過程中對風險進行提前甄別，最終優化整車性能。

2 實施方案

2.1 主動安全域系統構成

ADAS功能主要圍繞“感知+決策+控制”的思路進行開發。其中，感知系統通過雷達、攝像頭等車載傳感器，對周圍環境和車輛狀態進行探測，輸出車輛和行人大小、速度、位置以及其他交通燈、交通標識、道路坡路、道路曲率等交通信息。決策系統，在含主動安全功能的整車中，扮演著駕駛員的角色。通過獲取感知系統輸出的交通信息和駕駛員自身動作，進行功能邏輯判斷和優先級仲裁，在系統安全閾值的范圍內，輸出車輛期望的姿態變化值。控制系統，一般指車輛的轉向、檔位、驅動和制動等執行機構，保證決策系統發出的請求值能夠得到有效地響應和執行。

2.2 控制器邏輯單元

針對主動安全功能所應用的不同典型場景，設計控制器包含以下邏輯單元：

縱向控制單元，可實現自動緊急剎車、自適應巡航等功能。該邏輯單元通過前向雷達或前向攝像頭，輸出同車道方向車輛的位姿變化關系，計算目標加速度，對車輛驅動和制動相關子系統進行閉環控制，以保證相鄰汽車之間有足夠的安全距離，并實現車輛定速行駛。

側向控制單元，可實現車輛保持輔助、車道偏移預防等功能，一般需通過前向攝像頭識別車道線等環境信息，計算當前道路曲率及側向偏移量，基于二自由度車輛動力學模型或預瞄點規劃，計算目標行駛軌跡并輸出目標轉角或力矩值至轉向子系統。

功能仲裁單元，可處理人機共駕過程中主動安全功能的激活、抑制和狀態跳轉等情況。例如，當車道保持輔助功能激活時，駕駛員施加一個同向的方向盤轉角，此時功能仲裁單元應對駕駛員意圖進行解析，并協調測試控制單元輸出新的力矩值，以保證車輛不發生較大的偏航。此外，當多個主動安全功能同時觸發時，該邏輯單元需根據功能定義、功能安全等級，仲裁分析當前車輛執行動作的優先級，并輸出相應的功能控制信號。

預警單元，以碰撞時間（Time to Collision，TTC）等安全閾值計算為主。常見的預警功能包括前向碰撞預警和車輛變道預警等。當駕駛員長時間脫手、閉眼或車輛有可能發生碰撞時，控制器觸發報警信號控制音箱蜂鳴、方向盤抖動，以聽覺或觸覺的方式提示駕駛員接管車輛并進行轉向、制動等避撞動作，及時避免交通事故發生。

數據融合單元，主要對多傳感器輸出的目標級信息進行處理運算。一般而言，車載傳感器會因路面、光照和天氣等因素產生較大的數據波動。針對復雜的主動安全功能動態駕駛任務，域控制器需要實現雷達、雙目攝像頭、慣導和GPS等多傳感器的目標識別和數據融合，匹配深度學習算法，對所探測目標類型（如：成年人、兒童、自行車和樹木）和目標間位姿關系（如：位移、速度和角度）進行信息互補和優化處理，最終生成一致性的環境信息，供其他邏輯單元進行決策控制。同時，該邏輯單元的設計也為后續整車功能升級、系統冗余備份提供基礎，最大程度地保證了主動安全功能的舒適性和安全性。

2.3 仿真平臺搭建

為實現主動安全功能的正向開發，采用基于模型的設計方法，設計功能狀態機，并在Matlab/Siumlink環境下完成功能的控制策略編寫。結合上節設計的邏輯單元，構建支持ADAS功能開發的仿真平臺如圖3所示，該平臺包含發動機控制EMS、縱向控制EPS、檔位控制TCU、主動安全控制ADAS、人機交互控制HMI、側向控制ESP等多個模塊，模塊間通過虛擬總線BUS進行互聯，具備完整的信號交互接口。車輛動力學模型輸出如輪速、方向盤轉角、主缸壓力等車輛狀態信號，實現ADAS系統的閉環控制。

3 仿真測試驗證

仿真平臺中所包含的功能模型需通過測試，方可對其控制邏輯進行合理性驗證。為此，采用CarSim車輛動力學軟件作為仿真工具，車輛參數配置如圖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，通過對行駛方向及相鄰車道的實時環境監測，自動實現縱向及側向控制的駕駛輔助功能，功能速度限值一般為0-60kph。