傳感器在環自動泊車仿真測試系統設計

史延雷， 張小俊， 孟慶浩， 龔進峰

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

隨著汽車技術的新興發展，智能駕駛硬件、算法已成為研究熱點，越來越多的整車廠商、互聯網公司、創業公司等紛紛加入智能駕駛領域。自動泊車輔助系統(auto parking assist，APA)應用場景安全風險低，是最早實現裝車量產的駕駛輔助功能。傳統APA系統僅依靠超聲波測距雷達完成自動泊車功能應用場景受限，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以更低的場景要求、更智能的操控體驗，成為行業發展趨勢[1]。目前，許多廠商推出的自動泊車系統使用頻率低、主管體驗差市場反響一般，其中研發測試工具和測試驗證方法的局限性是制約自動泊車技術發展的主要因素。

針對自動泊車系統的測試方法中外學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劃、跟蹤算法在MATLAB建立非線性約束模型進行仿真分析，實現了對軌跡規劃結果分析與碰撞檢測；顧青等[4]、姜立標等[5]、Shin等[6]基于PreScan、Carsim等場景、動力學仿真軟件聯合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建硬件在環測試系統，通過對控制器輸入輸出信號的仿真實現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，沒有考慮傳感器特性、性能對系統功能性能的影響，造成仿真測試結果與實車運行軌跡存在較大偏差，無法應用到實車控制器量產開發階段。

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

1 測試系統架構

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

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

HIL實時仿真系統作為高性能數學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)模型及車輛動力學模型兩部分：虛擬整車模型SoftECUs用于模擬車輛電控系統除自動泊車控制器外的其他控制器邏輯狀態及CAN/Ethernet總線交互信息，主要包括車輛線控底盤相關的EPS電動助力轉向系統、ESP(electronic stability program)車身電子穩定系統模型；車輛動力學模型用于響應APA控制器基于感知數據輸出的控制指令，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、速度、加速度，構建控制器在環仿真測試環境[10]。

傳感器物理信號仿真設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、協議轉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超聲波雷達傳感器中，實現傳感器在環仿真測試環境。

2 測試系統部件設計

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模型、高效的三維虛擬交通場景建模能力、良好的實時系統支持能力以及多層級虛擬傳感器數學模型，能夠滿足自動泊車測試。通過上位機GUI(graphical user interface)建立參數化車輛動力學模型、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，構建完整的虛擬仿真測試環境，并通過測試管理軟件將相應的數學模型加載到HIL實時系統。

2.1.1 虛擬交通場景建模

針對自動泊車典型應用場景，建立參數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、兩側車輛類型/距離/角度、車位線污損等模擬各類復雜、極限測試工況，實現對車輛自動泊車控制算法適應性、魯棒性評測。同時虛擬場景可通過設置不同天氣、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境中的傳播、反射能量損耗，考慮物體的遮擋效應及物理傳播效應，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)。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。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

HIL實時仿真系統作為數學模型實時運算平臺與硬件在環接口映射連接工具，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雜的系統工程，應當在亳州市政府主導下，其它譯介主體積極配合，譯介過程中應透徹理解亳文化的內涵，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硬件在環測試系統的搭建，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的變化，對設備的電源進行控制、分配與保護等。主要用于控制KL30、KL15兩種電源狀態，KL30常電模擬車輛電池直接輸出電壓，KL15發動機點火信號對應汽車鑰匙的IGN(ignition on)狀態。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(基礎通電)、ON(全車通電)、START(啟動發動機)等不同通電狀態。同時，電源仿真模塊支持極端電氣環境仿真，如欠壓、過壓、發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送到自動泊車控制器中；超聲波雷達探頭完成超聲波發送、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送給對應控制器。因而為更加完整地測試自動泊車功能特性，設計開發了超聲波回波模擬器，模擬發送超聲波物理回波，集合虛擬場景軟件超聲波物理傳感器模型，實現超聲波傳感器在環復雜障礙物信息仿真。設計框圖如圖3所示。

圖3 超聲波回波模擬器架構設計Fig.3 Design architecture of ultrasonic echo simulator

車載超聲波雷達傳感器采用收發一體化換能器，可同時實現電壓脈沖信號轉換為聲波發送以及接收相近頻率聲波信號轉換為電能。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出的超聲波，其產生的電信號通過濾波、放大輸入到PXIe-7820 FPGA(field programmable gate array)板卡中，FPGA基于虛擬場景中障礙物距離并結合聲波速度延時特定時長后，輸出電脈沖信號經升壓中周放大后，激發換能器發送超聲波物理回波，實現障礙物距離仿真。

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復雜的電磁環境下進行高帶寬、低時延可靠傳輸，傳統視頻傳輸總線協議無法滿足需求，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傳輸協議，將攝像頭模組采集到的視頻流通過串行器轉換到屏蔽雙絞線(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并解碼輸出給視頻處理器[12]。針對該方案設計了視頻流注入板卡，實現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適配器作視頻流協議轉換器，根據攝像頭模組輸出并行總線類型開發FPGA協議轉換程序，再經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 硬件在環系統搭建

HIL硬件在環仿真測試是基于計算機數值模擬技術的虛實結合半實物仿真測試手段，以數學模型模擬代替受控對象的運行狀態，通過I/O、總線接口與被測控制系統連接，可實現對被測系統進行高效的系統級測試。傳感器在環自動泊車仿真測試系統搭建方案系統框圖如圖5所示。

圖5 傳感器硬件在環系統搭建Fig.5 Design of hardware in loop system

在Simulink中生成搭建車輛動力學模型及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，完成數學模型與硬件板卡的接口連接，仿真測試系統閉環信息流包括：SoftECUs模型仿真其他ECU邏輯行為，模擬收發車載總線數據；SoftECUs模型中EPS、ESC模型響應自動泊車控制器控制信號，將轉向、制動信號輸出到車輛動力學模型中；車輛動力學響應轉向、制動信號，實時解算車輛姿態、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、姿態實時更新三維場景，并結算虛擬傳感器模型，輸出超聲波雷達、攝像頭數據；傳感器數據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。

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環視攝像頭子系統進行仿真實驗測試驗證，在NI-Veristand測試平臺管理軟件中導入控制器車載總線DBC文件，配置Rollingcounter與Checksum邏輯算法，將關鍵總線信號與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閉環測試環境搭建。自動泊車測試過程仿真動畫結果及仿真過程車載超聲波雷達感知數據如圖6、圖7所示。

圖6 自動泊車仿真結果Fig.6 Simulation results of automatic parking test system

圖7 車載超聲波雷達傳感數據Fig.7 Waveform data of vehicle ultrasonic radar

首先，圖6(a)通過測試系統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[置位SoftECUs中BCM(body control module)車身控制器模型發出的APA開關對應的CAN總線信號]，設置檔位D檔，設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，停車并設置車輛倒車檔，自動泊車控制器將接管汽車轉向，通過圖6(d)、圖6(e)車輛姿態調整，控制車輛以計算的行駛軌跡自動執行泊車入位，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。

仿真測試系統能夠高效地完成參數化的測試用例設計，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，自動泊車能夠正常識別車位并完成自動泊車入位。該測試結果與該車型自動泊車功能規范相符。

5 結論

針對智能駕駛汽車自動泊車功能測試需求，設計搭建了超聲波雷達、攝像頭傳感器在環虛擬仿真測試系統，經實車自動泊車樣件聯合仿真實驗證實該系統的有效性。該系統可應用在樣車制造前子系統研發調試驗證過程中，貫穿控制器研發與使用生命全周期，實現高效、安全地完成各類標準、復雜工況測試驗證，在減少實車路試次數、縮短開發周期和降低成本的同時提高軟件質量，提升智能駕駛車輛自動泊車功能體驗。同時，在該系統的基礎上擴展其他種類智能傳感器信號仿真設備，可實現針對高級輔助駕駛功能、智能駕駛功能的虛擬仿真測試，具有廣闊的應用前景。