一種車輛輔助駕駛功能測試的虛擬仿真方案介紹

范學兵，汪科任，劉虹葳

（威馬汽車成都研究院智能駕駛中心，四川 成都 610101）

據國家統計局相關分析，截至2019年，國內民用汽車的保有量已達2.5億輛，傳統汽車帶來的人-車-路問題不斷突出，每年約有135萬人在交通事故中不幸遇難。針對該問題，自動駕駛汽車提出了“零事故”的安全目標[1]，可有效解決以上安全問題。自動駕駛汽車的“零事故”是以嚴格的安全測試為前提的，該測試目前主要分為自動駕駛道路測試和虛擬仿真測試兩種測試技術路線[2]。然而相關研究指出：要完全實現自動駕駛，需進行至少142億km以上的道路測試，才能以95%的置信度說明相較于人類駕駛自動駕駛汽車可降低20%的事故死亡率[3]。所以為滿足自動駕駛的準入需要，道路測試幾乎是不可能完成的任務（考慮成本和時間）。幸運的是，隨著計算機通訊技術、渲染技術的發展和芯片算力等的提高，虛擬仿真技術也有了突飛猛進的發展，并成為自動駕駛汽車算法開發以及功能驗證的重要技術手段。密西根大學彭教授指出：大部分測試工作可采用虛擬仿真測試完成，其可覆蓋99%的測試工作。綜上可知：汽車虛擬仿真技術對促進高級輔助駕駛以及自動駕駛技術的落地有著至關重要的作用。

在汽車領域，虛擬仿真技術目前主要分為2大領域：對于零部件供應商，虛擬仿真技術常用于應用層算法開發與功能驗證；對于主機廠，虛擬仿真技術常用于產品功能驗收、回歸測試、不同軟件版本性能測試等。基于此，本文介紹了一種基于VTD（Virtual Test Driving）平臺的模型在環測試方案，詳細說明了該方案的工作原理?？紤]到虛擬仿真測試中，多以碰撞相關指標作為測試的評價指標，故以AEB（Autonomous Emergency Braking）算法為例，采用CCRm為測試場景對AEB算法進行功能驗證，以此說明該方案的可行性。

本文行文結構如下：首先分模塊說明了該平臺相關零部件；然后對其集成的方案進行了相關原理說明；最后通過自行搭建的AEB相關算法模型進行了簡單的測試，以驗證該套方案的可行性。

1 聯合仿真軟件臺架集成

通常模型在環測試（Model In The Loop，MIL）系統由被測算法模型+虛擬車輛動力學模型+虛擬場景+上位機管理軟件等組成。由于大多L2+以上的高級駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System，ADAS）算法引入了攝像頭與雷達的傳感器融合算法，針對虛擬場景仿真對圖像的渲染就提出了更高的要求，故本文采用的MIL測試工具鏈為：被測算法模型采用Simulink集成，虛擬車輛動力學模型由Carsim集成，虛擬場景由VTD集成，上位機管理軟件由ECUtest集成。

1.1 軟件工具

針對仿真軟件Carsim和Simulink的相關內容介紹，文獻[4]等已經進行了詳細說明，故不在此贅述。本文僅對VTD和ECUtest的相關內容進行簡要說明。場景仿真軟件VTD是MSC公司開發的一款專門用于汽車和鐵路領域的虛擬仿真引擎，能很好地兼容OpenDrive、OpenCRG和OpenScenario三大標準，并自帶簡單的車輛動力學模型和完美傳感器，具有強大的圖像渲染功能，能較好地支持L2+以上的ADAS仿真測試。其優勢在于：針對L2+以上的復雜場景建模具有較好的支持性和擴展性，由于其能很好地兼容Linux實時操作系統，故具有較好的實時性。

自動化測試軟件ECUtes是MIL和HIL測試領域一款較為成熟和常用的仿真測試軟件，主要代替人工對其余測試仿真軟件進行自動化啟動、記錄和停止仿真等。如可將虛擬仿真場景軟件VTD、車輛動力學仿真軟件Carsim、上位機監控軟件Veristand等進行集成，并基于該平臺進行自動化測試用例的編寫，生成測試報告等。

1.2 仿真平臺說明

目前主流MIL系統的拓撲結構如圖1所示，其中Veristand作為中間件，可根據需要選擇是否使用該軟件。

圖1 MIL系統拓撲結構

2 MIL平臺模型集成

本文將測試仿真軟件ECUtest定義為上位機，將動力學仿真軟件Carsim和Simulink以及場景仿真軟件VTD定義為下位機。

2.1 上位機軟件集成（ECUtest）

ECUtest主要進行Carsim、VTD和Simulink相關端口的配置，其中需特別注意的是：需保證Carsim在Simulink之前啟動，Simulink需配置成MIL模式（而不是SIL模式），VTD中需正確配置SSH協議（Secure Shell）。

2.2 下位機模型集成

Carsim中主要針對車輛懸架、底盤和制動等相關參數進行設置。同時需配置與Simulink相關的接口，考慮到這里主要進行AEB算法的仿真，故僅配置了轉向和制動2個輸入接口，而輸出接口需盡量包括車輛姿態的完整動力學相關參數。

Simulink中主要進行算法的建模和仿真，與AEB相關的算法模型可參考文獻[5]等，這里不再贅述。

VTD中主要進行場景環境建模以及通訊方式的配置，本文采用UDP（User Datagram Protocol）的通訊方式。

2.3 VTD場景生成

如上文所述，VTD能很好地支持OpenDrive和OpenScenario等相關ADAS仿真格式標準，建模也是圍繞其相關標準而展開，首先在VTD中的RoadDesigner中建模生成仿真場景所需的路網結構，如圖2所示。然后在Scenario editor中導入相應的OpenDrive格式的文件，便可生成符合OpenScenario格式標準的動態場景庫文件，如圖3所示。最后通過VTD中IG模塊的渲染，便可生成最終的AEB仿真場景，如圖4所示。

圖2 路網拓撲結構

圖3 動態場景拓撲結構

圖4 仿真場景

3 動力學仿真

相關參數：本車為威馬自研的某款車型，初始速度為40 km/h；兔子車為VTD車輛庫中的某車輛，靜止；兩車相距50 m，碰撞模式為100%正面碰撞，AEB相關功能已開啟。在ECUtest中編寫好相應的Test case、Trace analysis、Signal recording和Test report，Simulink中相關AEB算法模型如圖5所示。

圖5 AEB Simulink算法模型

仿真結束后打開測試報告可見相關仿真數據，如圖6所示。

圖6 AEB仿真結果

通過圖6可知，當車輛以一定初始速度開環運行時，由于地面摩擦阻力以及風阻力的存在，車輛以一定的速率減速運動，當與前車的碰撞時間小于2.8 s時，前向碰撞預警標志置1，由于此時駕駛員并未采取制動措施，此時車輛繼續行駛，觸發AWB標志置1，相應的此時車輛會有短暫的制動，當AWB不足以避讓前方車輛時將觸發AEB制動，最大程度地減小碰撞風險。綜上可知：ECUtest能正確記錄整個仿真過程的相關數據，并可以以圖片的形式對AEB中相關參數進行呈現，很好地展示了整個動態仿真過程。采用基于虛擬仿真軟件VTD、ECUtest、Carsim和Matlab/Simulink搭建的MIL測試系統能自動化地進行ADAS相關算法的場景測試，加快測試速度。

4 結束語

本文基于虛擬測試仿真平臺VTD，聯合車輛動力學軟件Carsim、控制算法仿真軟件Matlab/Simulink和自動化測試軟件ECUtest搭建了一套完整的模型在環仿真測試系統，并以CCRm為標準場景，檢驗AEB算法的功能，實現了無實物的功能測試，縮短了產品開發的成本，加快了產品的迭代速度。