V2X仿真測試平臺技術研究

張瑩，楊波，李學慶，馮其高，蔡之駿

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510000；2.山東大學軟件學院，山東 濟南 250100）

0 引言

隨著汽車數量飛速增長，交通安全事故急劇上升，道路擁堵等問題愈發嚴重，V2X技術逐漸成為行業研究熱點，通過車聯網實現車路人互聯，可以顯著提高行車安全，優化交通狀況，減少汽車能耗[1]。全國通信標準化技術標委會（CCSA）、全國汽車標準化技術委員會和全國智能運輸系統標準化技術委員會等組織均在積極制定V2X相關標準，而具備V2X功能的車載產品（OBU）也已基本完成了功能開發。

當前，各車廠正在準備進行V2X OBU的量產，中國信息通信研究院也通過示范運行等活動對各車廠的OBU進行了消息一致性測試[2]。OBU的正式量產除了需要滿足一致性測試以外，還需包括功能測試，但行業內對OBU功能的測試方法和標準仍不明確，本文著重于OBU的HIL測試臺架，通過模擬車輛和道路等信息，對OBU的通信功能和預警功能進行了完整的測試，保證量產后的駕乘體驗性[3]。

1 V2X仿真平臺

在OBU開發初期，所有的算法應該進行充分的驗證后再集成到硬件上，基于Simulink和Prescan搭建的V2X仿真平臺可以建立道路和車輛模型，在Simulink中導入V2X算法后即可進行標定和驗證，減少對硬件和通訊的依賴，提前進行算法標定和驗證。

1.1 車輛和道路模型

（1）車輛模型

針對V2X仿真技術平臺，主要從事基于車與車、車與人、車與路側單元的通信，獲取周圍車-路-人之間的信息，進行駕駛輔助的應用。根據《合作式智能交通系統 車用通信系統應用層及應用數據交互標準》構建的場景應用，主要研究車輛在預期的軌跡行駛過程中的碰撞預警問題，因此需要準確的建立整車動力學模型。如圖1所示表示二自由度車輛模型，在該模型中，前輪偏轉角δf為前輪轉角，不考慮后輪轉角?r=0,a、b為車輛質心ο1(x，y)到前、后軸的距離，?為車輛的橫擺角，則車輛的二自由度模型如圖1所示：

圖1 車輛模型

其中Cf、Cr為前車輪、后車輪的側偏剛度，ω(t)為車輛繞Z軸的橫擺角速度，m為整車質量，I為繞Z軸的轉動慣量，Vx、Vy(t)為汽車沿車輛坐標系X軸和Y軸的速度，δ(t)為前輪轉角。

（2）道路模型

V2X仿真技術測試平臺利用西門子公司的PreScan軟件進行道路模型的搭建，道路模型如圖2所示，在仿真平臺中可以搭建直道、彎道、十字交叉路口等不同道路模型。

圖2 道路模型

表1 不同場景道路模型設計

根據《合作式智能交通系統 車用通信系統應用層及應用數據交互標準》的應用場景，通過分析，不同的場景需要的道路模型如表1所示。

1.2 V2X算法導入

將車輛模型和道路模型在Simulink中進行導入并生成Simulink模塊，如圖3所示，這些模塊的輸出將作為V2X算法模型的輸入，使用Simulink開發的V2X算法模型可以直接拖入環境模型中，如圖4所示，使用輸入接口和輸出接口將算法和環境模型進行連接。

圖3 道路模型生成Simulink模塊

圖4 環境模型輸出接口與算法連接

而使用C代碼編寫V2X算法需要使用C Caller，如圖5所示，對C代碼進行封裝成為Simulink模型，如再使用輸入接口和輸出接口將算法和環境模型進行連接。

圖5 Simulink中的C Caller

2 V2X硬件在環測試平臺

OBU在裝車前應進行完整的硬件在環測試，減少實車測試的成本和風險，硬件在環測試平臺可以模擬不同的場景對OBU的軟硬件進行全功能測試。

2.1 硬件在環測試系統

硬件在環測試如圖6所示，測試系統由工控機、機柜、硬件在環控制板、CAN通信設備（CANoe）、GNSS模擬器、車機顯示屏和被測OBU組成。其中，工控機、CAN通信設備、硬件在環控制板和GNSS模擬器封裝在機柜內，硬件在環控制板與V2X盒子為搭載完整定位、V2X應用及通訊功能的設備，工控機使用車輛仿真軟件，如第1節所述的Simulink和Prescan搭建車輛模型與場景模型，模擬實時車輛數據、定位數據及RSU相關數據，并發送至硬件在控制板。該系統中，被測OBU作為主車觸發并反饋預警信息，硬件在環測試板可同時作為多個遠車及路側單元RSU，與主車配合測試預警場景；被測OBU與硬件在環控制板通過PC5接口通信。作為主車的被測OBU接受來自GNSS模擬器發送的模擬GPS信號以仿真實車環境下的GPS環境，硬件在環控制板則直接通過PCIE獲取車輛場景模型模擬的實時GPS信號。

注意到在V2X應用場景中，互相通信的V2X設備的時間必須同步，因此本文所述硬件在環測試系統中，被測OBU與硬件在環控制板均通過解析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，系統所用V2X設備均從CANoe獲取車輛速度、加速度、航向角、方向盤轉角等實時車輛數據（CAN信號）。硬件在環控制板可同時作為多個遠車和RSU進行復雜場景模擬，因此可以方便地進行場景擴充及拓展。被測OBU計算的實時預警信息通過CAN總線發送給車機顯示屏，以仿真真實的實車預警環境。

圖6 硬件在環測試系統圖

該系統基本測試流程如圖7所示：

圖7 硬件在環系統測試流程圖

2.2 硬件在環控制板

硬件在環控制板用于發射模擬環境中場景車和路側設備的消息，BSM、MAP等消息的頻率大于等于10 Hz，如果需要模擬20臺車和路側設備的話，硬件在環控制板的設計需要按照200 Hz的發射要求進行。

硬件在環控制板通過PCIE與工控機連接，獲取仿真平臺中車輛和路側設備的信息，在SoC中對這些信息按照標準進行封裝。如圖8所示，硬件在環控制板由一個SoC和4個LTE-V模組組成，SoC用于處理和工控機的交互，獲取仿真平臺中場景車和路側設備的信息。SoC通過SPI分別與4個LTE-V模組連接，LTE-V模組與V2X天線連接，將場景車和路側設備的信息通過空口對外廣播出去。

圖8 硬件在環控制板

3 實驗驗證

將OBU接入V2X仿真平臺和V2X硬件在環測試平臺進行測試驗證，可以快速地對控制參數進行調優，如圖9和圖10所示分別為基于V2X的ACC控制優化前和優化后的控制結果。參數優化后，加速度和速度的變化更加平滑，提升了ACC駕駛的舒適性，同時與場景車的距離也保持在安全的范圍內。

圖9 基于V2X的ACC控制參數優化前的速度、加速度和與前車距離

圖10 基于V2X的ACC控制參數優化后的速度、加速度和與前車距離

4 結束語

本文對V2X仿真平臺和V2X硬件在環測試平臺進行了研究，著重介紹了車輛模型建模、道路模型建模、V2X算法導入、硬件在環測試系統搭建和硬件在環控制板設計，通過模擬車輛和道路等信息，對OBU的通信功能和預警功能進行了完整的測試，保證量產后的駕乘體驗性。