自動(dòng)駕駛汽車硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)

雍加望，馮能蓮，陳 寧

（1. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2. 清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3. 北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與生命學(xué)部，北京 100124）

世界汽車工業(yè)發(fā)展圍繞著“安全、舒適、節(jié)能”3 大主題，正朝著“四化”趨勢(shì)發(fā)展，即智能化、電動(dòng)化、輕量化與交通網(wǎng)聯(lián)化[1-4]，而集成環(huán)境感知、高精地圖、決策控制及人工智能等技術(shù)的自動(dòng)駕駛汽車則是這一趨勢(shì)的最終核心產(chǎn)物。作為變革性技術(shù)的自動(dòng)駕駛汽車將在今后較長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)成為國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，也是當(dāng)前全球新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革的戰(zhàn)略前沿[5-8]。

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)測(cè)試與驗(yàn)證的重要平臺(tái)，具有周期短、成本低及效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，學(xué)者們?cè)谧詣?dòng)駕駛硬件在環(huán)仿真技術(shù)方面做出了大量研究。美國(guó)辛辛那提大學(xué)Ma 等提出一種網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛汽車硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，將實(shí)車集成到虛擬交通仿真環(huán)境（VISSIM 軟件）中，為自動(dòng)駕駛算法提供了豐富的虛擬仿真場(chǎng)景，并在平臺(tái)上驗(yàn)證了自適應(yīng)巡航算法的有效性[9]，隨后又驗(yàn)證了隊(duì)列感知的交叉路口信號(hào)控制方法的有效性[10]。西安交通大學(xué)Chen等提出一種新型硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)分為4 層，即車輛仿真層、虛擬傳感器層、虛擬環(huán)境層及電子控制層，平臺(tái)具有以下功能：①支持汽車動(dòng)力學(xué)模型、傳感器和虛擬環(huán)境的構(gòu)建與仿真；②實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景感知、路徑規(guī)劃、決策與車輛控制策略等性能的閉環(huán)評(píng)估；③進(jìn)一步支持控制策略從平臺(tái)到實(shí)車的快速移植[11]。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Gelbal 等提出一種用于驗(yàn)證自動(dòng)駕駛算法的硬件在環(huán)仿真器，該仿真器包括dSPACE Scalexio 實(shí)時(shí)機(jī)，CarSim 動(dòng)力學(xué)模型軟件，以及2 個(gè)用于V2X 短程通信的DSRC 設(shè)備，該仿真器最高支持L4 級(jí)高速公路場(chǎng)景下的自動(dòng)駕駛算法仿真驗(yàn)證[12]。長(zhǎng)安大學(xué)趙祥模等研發(fā)了一種基于整車在環(huán)的自動(dòng)駕駛快速測(cè)試平臺(tái)，由汽車行駛阻力模擬子系統(tǒng)、虛擬場(chǎng)景自動(dòng)生成子系統(tǒng)、虛擬傳感器模擬子系統(tǒng)、駕駛模擬器及測(cè)試記過自動(dòng)分析子系統(tǒng)等組成，可以實(shí)現(xiàn)汽車行駛阻力的實(shí)時(shí)模擬，并滿足各種場(chǎng)景下的自動(dòng)駕駛整車性能測(cè)試與評(píng)價(jià)需求[13]。

自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展對(duì)汽車控制提出了新的要求，對(duì)車輛控制衍生的安全性、舒適性及穩(wěn)定性等傳統(tǒng)性能的要求也在不斷提升。學(xué)者們研究的自動(dòng)駕駛汽車硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)更多關(guān)注于算法、虛擬場(chǎng)景及傳感器等的測(cè)試，缺少對(duì)汽車安全性、舒適性與穩(wěn)定性起到關(guān)鍵影響的底盤執(zhí)行器方面的測(cè)試與驗(yàn)證。因此，本文提出一種自動(dòng)駕駛汽車硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（AVHIL），可為自動(dòng)駕駛上層控制算法與底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開發(fā)與測(cè)試、自適應(yīng)巡航（ACC）、自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）、車道保持（LKA）等高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能開發(fā)與測(cè)試、駕駛員行為特性研究等提供實(shí)時(shí)高效的仿真平臺(tái)。

1 AVHIL 總體方案設(shè)計(jì)

AVHIL 總體框圖如圖1 所示。系統(tǒng)硬件部分主要由駕駛模擬器、上位機(jī)（主機(jī)）、域控制器（dSPACE MicroAutoBox）、下位機(jī)（PXI）、顯示器及電氣柜等組成。其中，駕駛模擬器包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)（線控制動(dòng)系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）和駕駛員操縱機(jī)構(gòu)等；顯示器包括操控顯示器與場(chǎng)景顯示器；電氣柜用于放置主機(jī)、dSPACE、PXI、動(dòng)力電池、強(qiáng)電走線及保護(hù)、信號(hào)走線及保護(hù)、連接器、操作開關(guān)等。

圖1 A VHIL 總體框圖

上位機(jī)主要運(yùn)行PreScan 軟件和人機(jī)操作界面，PreScan 一方面提供虛擬現(xiàn)實(shí)界面，為自動(dòng)駕駛提供近似真實(shí)的測(cè)試工況場(chǎng)景；另一方面為自動(dòng)駕駛提供環(huán)境感知傳感器信號(hào)，包括毫米波雷和攝像頭等。PreScan 將傳感器原始數(shù)據(jù)通過CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至域控制器；域控制器根據(jù)接收的感知信息進(jìn)行決策判斷，通過CAN 網(wǎng)絡(luò)向下位機(jī)發(fā)送制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和油門控制指令；下位機(jī)運(yùn)行CarSim 整車動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)域控制器的控制指令及底層傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)、轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，優(yōu)化軌跡跟蹤性能、穩(wěn)定性和舒適性指標(biāo)等。AVHIL 實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 A VHIL 實(shí)物圖

2 關(guān)鍵部件匹配與軟件選型

2.1 實(shí)時(shí)處理器

AVHIL 具備域控制器和下位機(jī)2 套完整的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。域控制器執(zhí)行自動(dòng)駕駛上層控制算法，需實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)包括：①動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)，通過二自由度車輛模型得到車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性表征參數(shù)（質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度、車身側(cè)偏角、輪胎滑移率等）的名義值，通過狀態(tài)觀測(cè)器估算得到車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性表征參數(shù)實(shí)際值，將名義值與實(shí)際值的偏差作為衡量動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的指標(biāo)；②路徑跟蹤性能指標(biāo)，考慮橫縱向路徑跟蹤精度，引入駕駛員預(yù)瞄―跟蹤模型，以預(yù)瞄點(diǎn)處橫向偏差作為衡量路徑跟蹤性能的指標(biāo)；③乘員舒適性指標(biāo)，考慮縱向加速度、縱向急動(dòng)度所表征的縱向舒適性與橫向加速度、橫向急動(dòng)度所表征的橫向舒適性，將二者加權(quán)得到乘員舒適性指標(biāo)；④綜合指標(biāo)，將路徑跟蹤性能、乘員舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，得到綜合駕駛性指標(biāo)。在滿足動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，以綜合指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化控制。

域控制器選用dSPACE 公司的MicroAutoBox。下位機(jī)用于系統(tǒng)信號(hào)采集及底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制，需要實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)包括：①方向盤轉(zhuǎn)角控制誤差<1°；②優(yōu)化轉(zhuǎn)角響應(yīng)時(shí)間<70 ms；③目標(biāo)轉(zhuǎn)角修正區(qū)域±5°；④制動(dòng)液壓控制精度±0.4 MPa；⑤制動(dòng)液壓建立時(shí)間<300 ms；⑥質(zhì)心側(cè)偏角<6°；⑦橫向加速度<3.6 m/s2。下位機(jī)選用NI 公司的PXI。

MicroAutoBox 選用 4 核 1401 處理器，主頻2.6 GHz，內(nèi)存4GB，配置DS1513、DS1514 和DS4342模塊，具備6 路CAN、32 路AI 口（±10 V，分辨率16位）、8 路AO 口（±10 V，分辨率16 位）及24 路DIO口（0~40 V，分辨率16 位）。上位機(jī)PXI 控制器選擇2.6GHz 4 核 PXI 系統(tǒng)嵌入式處理器（PXIe-8840 Quad-Core RT），可用于處理器密集型、模塊化儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；4GB 單通道1 600 MHz DDR3 RAM；配置PXI8512/2 板卡3 塊，可以實(shí)現(xiàn)6 路CAN 通信功能；配置PXIe-4304 板卡1 塊、PXI-6704 板卡1 塊、PXI-7841R 板卡1 塊，具備40 路模擬量輸入通道、40路模擬量輸出通道及96 路雙向數(shù)字通道。

2.2 底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)

該平臺(tái)中，控制算法周期運(yùn)算的控制指令通過各接口發(fā)送至底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩請(qǐng)求接口、轉(zhuǎn)向角度請(qǐng)求接口、制動(dòng)壓力/減速度請(qǐng)求接口。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩請(qǐng)求通過電子油門或自動(dòng)駕駛算法獲取，直接反饋至車輛動(dòng)力學(xué)模型。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙電機(jī)冗余方案，在原車型配置的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）基礎(chǔ)上，加裝主動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)，如圖3 所示。主動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)與EPS 電機(jī)互為冗余，在二者之一發(fā)生故障時(shí)，未發(fā)生故障電機(jī)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，保障線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性與可靠性。在人工駕駛模式下，EPS 實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向功能，主動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)不介入，僅在危險(xiǎn)工控或自動(dòng)駕駛介入時(shí)加以轉(zhuǎn)向修正控制；在自動(dòng)駕駛模式下，主動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向請(qǐng)求角度跟隨控制。在轉(zhuǎn)向管柱加裝轉(zhuǎn)角傳感器，其測(cè)量范圍為±750°，測(cè)量精度為0.1°。

圖3 雙電機(jī)冗余線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖4 線控制動(dòng)系統(tǒng)組成框圖

線控制動(dòng)系統(tǒng)采用電動(dòng)助力器（E-Booster）與電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)組成框圖如圖4 所示。構(gòu)型為單主缸雙通道，X 型布置，即左前輪、右后輪輪缸對(duì)應(yīng)同一制動(dòng)回路，右前輪、左后輪輪缸對(duì)應(yīng)同一制動(dòng)回路，如進(jìn)行制動(dòng)時(shí)單一回路發(fā)生泄漏，剩余回路的制動(dòng)力基本能保持正常制動(dòng)力的一半。常規(guī)工況下，制動(dòng)助力功能與制動(dòng)壓力/減速度請(qǐng)求由T-Booster 實(shí)現(xiàn)；ESC 實(shí)現(xiàn)增壓、保壓及減壓等制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)功能，調(diào)整車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以滿足動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)。當(dāng)T-Booster 與ESC 二者之一存在故障時(shí)，由未發(fā)生故障總成實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力/減速度請(qǐng)求控制。當(dāng)T-Booster 與ESC 二者均存在故障時(shí)，駕駛員踩制動(dòng)踏板的腳力通過制動(dòng)液傳遞至制動(dòng)輪缸，實(shí)現(xiàn)人力備份功能。制動(dòng)壓力控制范圍為0~12 MPa。4 個(gè)輪缸配置制動(dòng)壓力傳感器，測(cè)量范圍0~20 MPa，測(cè)量精度為1%。

2.3 軟件選型

在通信層面上，底層負(fù)載與執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)通過EDAC 接口與下位機(jī)交互，下位機(jī)與上位機(jī)之間通過網(wǎng)線與CAN 總線通信，下位機(jī)、上位機(jī)與域控制器之間通過CAN 總線通信，如圖5 所示。具體軟件選型如下：①上位機(jī)，PreScan 軟件用于設(shè)計(jì)搭建虛擬駕駛場(chǎng)景，同時(shí)為上層算法提供環(huán)境感知類傳感器信息，采用LabVIEW 軟件搭建人機(jī)交互界面；②域控制器，采用MATLAB/Simulink 軟件用于搭建自動(dòng)駕駛算法模型，并利用快速代碼生成技術(shù)將算法導(dǎo)入至MicroAutoBox；③下位機(jī)，整車動(dòng)力學(xué)模型由CarSim軟件提供，實(shí)現(xiàn)與PreScan 軟件及上層算法的聯(lián)合仿真，為其提供實(shí)時(shí)車輛參數(shù)信息，LabVIEW 軟件用于輸出控制指令并采集底層信號(hào)。

圖5 系統(tǒng)軟件組成框圖

3 AVHIL 仿真測(cè)試結(jié)果

3.1 自動(dòng)駕駛換道功能仿真實(shí)驗(yàn)

換道功能是自動(dòng)駕駛模式下的主要橫向控制工況之一，基于PreScan 軟件提供的環(huán)境及車道線信息，利用Lattice planner 算法并使用五次多項(xiàng)式方法規(guī)劃出多條換道軌跡。對(duì)于規(guī)劃出的多條換道軌跡，首先判斷是否有碰撞危險(xiǎn)，若有則予以剔除。對(duì)于安全軌跡，根據(jù)舒適性、穩(wěn)定性與節(jié)能性等多目標(biāo)確定代價(jià)函數(shù)，選取代價(jià)函數(shù)最小的軌跡作為最優(yōu)軌跡。最后，控制車輛實(shí)現(xiàn)軌跡跟隨控制。圖6 為換道工況下的方向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角變化曲線，算法可以較好地實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角跟隨控制。圖7 為換道工況下的車速及節(jié)氣門開度變化曲線。

圖6 換道工況下的方向盤轉(zhuǎn)角曲線

圖7 換道工況下的車速及節(jié)氣門開度曲線

3.2 高級(jí)駕駛輔助ACC 功能仿真實(shí)驗(yàn)

ACC 不僅可以改善車輛行駛過程的安全性而且可以適當(dāng)減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。ACC 按照駕駛員設(shè)定的車間時(shí)距，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩或制動(dòng)力來控制自車的速度和加速度，能夠跟隨目標(biāo)車加速或減速，以保證必要的安全車距。

ACC 系統(tǒng)包括3 種狀態(tài)：①關(guān)閉狀態(tài)，直接的操作均不能觸發(fā)ACC 系統(tǒng)；②等待狀態(tài)，ACC 系統(tǒng)已開啟但未介入車輛控制，此時(shí)ACC 系統(tǒng)可以被駕駛員觸發(fā)而進(jìn)入工作狀態(tài)；③工作狀態(tài)，控制本車車速或本車與前車之間的時(shí)間距。

圖8 為ACC 功能仿真實(shí)驗(yàn)過程的本車車速與前車車速變化曲線，最大車速跟隨誤差為3.6 km/h，最小車速跟隨誤差為0。式（1）中，RMSE 為車速均方根誤差，vdes(t)和vact(t)分別為t時(shí)刻的期望車速與實(shí)際車速，N為采樣點(diǎn)數(shù)，利用式（1）計(jì)算得到車速均方根跟隨誤差為1.36 km/h，本車車速控制精度較高。圖9 為ACC 功能仿真實(shí)驗(yàn)過程的制動(dòng)壓力及節(jié)氣門開度變化曲線。

圖8 本車車速與前車車速變化曲線

圖9 本車制動(dòng)壓力與節(jié)氣門開度曲線

3.3 底層執(zhí)行器性能實(shí)驗(yàn)

底層執(zhí)行器性能實(shí)驗(yàn)以E-Booster 為例。E-Booster系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)顯著影響著車輛的制動(dòng)安全性能，尤其是當(dāng)車輛處于極限工況時(shí)，因此需要對(duì)制動(dòng)壓力跟隨控制（主動(dòng)增壓控制）算法的響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試輸入信號(hào)包括階躍信號(hào)和階梯信號(hào)兩種。

圖10 為目標(biāo)壓力為6 MPa 下的主缸壓力響應(yīng)曲線及推桿行程曲線。建立目標(biāo)壓力所需要的時(shí)間大約為150 ms，壓力穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差<0.1 MPa。

圖10 E-Booster 階躍響應(yīng)特性

為測(cè)試算法階躍響應(yīng)的一致性，進(jìn)行了階梯目標(biāo)壓力信號(hào)輸入響應(yīng)測(cè)試，起始目標(biāo)壓力為3 MPa，之后目標(biāo)壓力每間隔2 s 增加1 MPa，直至8 MPa。隨后，分兩次將目標(biāo)壓力減至4 MPa，測(cè)試E-Booster 減壓特性。圖11 為階梯增壓及減壓測(cè)試結(jié)果，增壓過程中，壓力跟隨均方根誤差為0.15 MPa，算法的階梯增壓響應(yīng)性能及一致性較好；減壓過程中，雖然算法可以迅速調(diào)整并減小控制率，但主缸實(shí)際壓力降低存在一定的滯后。

圖11 E-Booster 階梯增壓及減壓響應(yīng)特性

4 結(jié)語

在自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，考慮節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本、節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、降低算法驗(yàn)證周期等前提，建立了自動(dòng)駕駛汽車硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文介紹了AVHIL 總體硬件與軟件技術(shù)方案、關(guān)鍵零部件匹配及軟件選型等內(nèi)容，通過自動(dòng)駕駛換道功能、高級(jí)駕駛輔助ACC 功能及底層執(zhí)行器性能仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了平臺(tái)的功能及性能指標(biāo)。作為有特色的教學(xué)與工程雙創(chuàng)實(shí)踐平臺(tái)，AVHIL 可以有效提升師生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)術(shù)與工程并重的復(fù)合型人才。