基于SCANeR軟件的硬件在環仿真平臺構建

摘要：針對ADAS控制算法開發驗證測試，搭建了集NI PXI總線、SCANeR場景軟件、視頻暗箱、VeriStand試驗管理軟件為一體的ADAS控制器硬件在環仿真平臺；詳細介紹了該平臺的架構組成及信號的傳遞途徑，并開發了多種用于模擬各種試驗工況和運行環境的標準法規測試場景；最后結合該硬件在環測試平臺，對某款ADAS控制器的LDW場景進行測試驗證，結果表明，該平臺能很好地對ADAS控制算法進行功能測試，能夠縮短企業ADAS控制算法的開發周期并降低驗證成本。

關鍵詞：ADAS控制器；SCANeR場景軟件；NI PXI總線；硬件在環

中圖分類號：U467 收稿日期：2023-09-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.021

1 前言

自動駕駛汽車是一種通過電腦系統實現無人駕駛的智能汽車，是未來無人駕駛技術實現商業化落地的附屬產品，而目前由于技術的不成熟和法律法規的限制，自動駕駛汽車大規模上路仍需時日。而先進輔助駕駛系統（Advanced Driver Assistant System），簡稱ADAS，是利用安裝于汽車上的各種傳感器，在行駛過程中收集車內外的數據、辨識靜態和動態物體，進行運算和分析并反饋給駕駛者，以幫助駕駛者察覺可能發生的危險，提高安全性的主動安全技術[1]。由于其有效地增加了汽車駕駛的安全性和舒適性，在汽車產品市場上得到了廣泛的推廣和應用，據北京恒州博智汽車研究中心估算，預計到2023年中國ADAS市場規模將達到驚人的1 206.17億元[2]。

ADAS系統具備的功能包括自動緊急制動（AEB）、前向碰撞預警（FCW）、車道偏離預警（LDW）等，國內相關機構針對ADAS系統性能評估，出臺了一系列道路測試標準，如GB/T （國家推薦標準）、JT/T（交通行業推薦標準）、i-VISTA智能汽車指數，以及根據E-NCAP進行中國本土化的C-NCAP[3]。這些標準的陸續發布，為ADAS系統的開發驗證提供了必要的指導作用，但由于利用道路測試方法完成前期功能的開發及驗證需要投入大量的人力和財力成本，因此為了縮短開發周期、節約開發成本，并提高開發質量，一種基于虛實結合的半實物仿真的測試方法被提出并應用。

目前市場上ADAS控制器在環測試方案主要有兩種，一種是基于視頻暗箱的測試方案，另一種是采用視頻注入的測試方案。前者是采用相機成像原理，通過實際視角內的圖像縮放到屏幕上，然后通過設置合理的光軸距離與安裝位置，使相機視角恰好覆蓋整個屏幕，通過電腦屏幕全屏播放場景動畫，來模擬實車所采集的圖像[4]，成本較低，能滿足對系統精度要求不高的功能測試。后者是直接將系統仿真的視頻信號通過視頻注入模塊傳輸到攝像頭[5]，可以保證視頻流信號不失真的傳入攝像頭，但由于需要定制的視頻注入模塊，且需要注入板卡，成本較高。因此可針對不同的測試需求，采用不同的測試方案搭建測試平臺，由于本文研究主要針對ADAS功能算法測試，這里采用基于視頻暗箱的形式搭建硬件在環仿真測試平臺。

2 系統架構及組成

本文研究的硬件在環仿真平臺系統方案主要基于PXI總線架構，采用開放式系統結構和產品技術，以通用的、成熟的、可靠的、實時性強的仿真測試軟件為核心，按照試驗系統的實際物理接口，建立的半物理仿真測試平臺。系統原理圖如圖1所示，主要由視頻暗箱、上位機、實時系統、駕駛模擬器、ADAS控制器五部分組成，其中，視頻暗箱由場景模型和真實攝像頭組成，用于產生圖像數據；上位機PC主要用來完成整個測試系統的試驗場景開發、控制和試驗管理；實時系統由一臺配備I/O板卡的高性能實時仿真機及其運行的各個模型組成，主要用來運行車輛模型；駕駛模擬器主要用于產生踏板力及方向盤轉角輸入；ADAS控制器作為待測對象，主要是為了接收攝像頭采集的圖像信息以及動力學信息，根據內部算法計算并作出決策指令，控制車輛按照預定的邏輯運行。

3 系統的軟硬件平臺

本系統的硬件平臺主要包括電源管理模塊、程控電源、NI PXI機箱及板卡、信號調理模塊、BOB分線箱等。由于控制器在環仿真測試過程需要大量的總線信號進行實時交互，軟件訪問硬件的能力以及模型運行的實時性、精確性，都將影響系統的整體性能，基于此對NI實時處理器及板卡進行了選型，具體如下：實時處理器NI PXIe-8840 Quad-core RT、控制器機箱PXIe-1088、模擬量輸出板卡PXIe-6738、FPGA板卡PXI-7841R、6通道CAN通信板卡PXIe-8510，其裝配如圖2所示。

基于3D軟件設計了視頻暗箱三維模型，如圖3所示，其作用是保證圖像感知系統能清晰采集上位機場景軟件搭建的虛擬場景信息，在實驗室環境下實現對感知決策系統的功能驗證。該視頻暗箱主要由外圍框架、視頻顯示器、凸透鏡、導軌和攝像頭固定調節支座等組成。所設計的攝像頭固定調節支座可以進行上下、左右、前后和俯仰等多自由度的細微調整，凸透鏡的位置也可以進行前后和上下位置調節，使測試之前的狀態更加穩定可靠。同時暗箱里面的所有信號、電源等都通過暗箱提供的接口轉接出來，方便連線。

軟件平臺主要集成在上位機PC中，主要由場景開發軟件SCANeR、試驗管理軟件VeriStand、Matlab/Simulink以及與NI實時系統相關的驅動程序等組成。其中SCANeR是為駕駛模擬器設計的軟件工具，提供了構建真實虛擬世界所需的工具和模型，包括道路、車輛動力學、交通參與者、傳感器、駕駛模擬器驅動等，并能夠實時記錄仿真數據，采集車輛動力學參數，交通參數，環境參數，駕駛員操作參數等信息[6]，同時還可以基于腳本快速生成交通場景；Veristand是NI推出的用于快速建立硬件在環測試系統的管理軟件，通過它可以把模型接口與板卡資源關聯，組成實時仿真系統[7]。這里利用VeriStand管理軟件將動力學模型快速部署到NI實時系統，并基于Matlab/Simulink軟件搭建的UDP通信模型及VeriStand中Custom Device模塊構建的自定義模型，實現NI實時系統與交通場景的信號交互，其中VeriStand和UDP模型如圖4和圖5所示。

軟硬件的信號交互主要以太網的通信方式，其中實時系統與上位機PC通過LAN口連接，試驗管理軟件VeriStand在PC機環境下將整車模型下載至HIL系統硬件實時系統上來模擬受控對象的運行狀態，并通過Custom Device模塊直接控制I/O接口，實現SCANeR場景軟件與實時系統以及被測控制器的信號交互，同時利用VeriStand可以完成對整個仿真測試變量的監控、試驗數據的處理和分析等；被測控制器與實時系統采用CAN總線的方式通信，借助VeriStand進行DBC文件的導入和配置，通過CAN板卡與被測控制器連接，可以將車輛的狀態信息輸入給控制器，作出目標及車道線信息識別，以及控制指令反饋至上位機、實時系統，從而實現上KJoz4maROy+bPCIxTN7Kfw==位機、實時系統和被測控制器三者之間的信號交互。

4 在環仿真試驗

通過對E-NCAP 2020標準進行梳理，總結了3類試驗測試場景，包括車車場景C2C、車與弱勢交通參與者場景VRU、車道輔助系統場景LSS，并利用SCANeR場景軟件搭建包含AEB、FCW、LDW/LKA等多種驗證ADAS功能算法的測試場景，共計500個，其中LSS部分場景如圖6所示。

為驗證該硬件在環仿真測試平臺的有效性，以某款ADAS控制器為測試對象，如圖7所示，對其功能算法進行驗證。這里展示了LDW場景的測試，其中車輛左右兩側為虛線，車輛按照預設的軌跡行駛，待車輛穩定行駛后，通過設置SCANeR中的Trigger模塊設置觸發車輛偏離車道，觀察控制器是否作出提醒指令，這里提醒指令以文字形式在上位機場景軟件中顯示。圖8是車道偏離（Lane Departure Warning，LDW）的SCANeR場景運行界面，經驗證在車輛偏離車道時，ADAS控制器會觸發預警信號，提醒駕駛員偏離車道。

5 結語

本文針對ADAS控制算法的測試，首先搭建了一種ADAS控制器硬件在環仿真平臺，該平臺能將NI PXI總線、SCANeR場景軟件、視頻暗箱、VeriStand試驗管理軟件融為一體；然后闡述了該平臺的架構及信號傳遞途徑；最后結合該平臺對某款ADAS控制器的LDW場景進行了驗證。結果表明：該平臺能很好地測試ADAS控制算法，能夠縮短企業ADAS控制算法的開發周期，同時降低驗證成本。

參考文獻：

[1]李瑩.ADAS領域專利狀況分析[J].河南科技，2017（10）：45-47.

[2]馬桂濤.基于模型的ADAS虛擬仿真測試平臺研究[D].北京：北京交通大學，2022.

[3]何班本，程梁柱，夏鈺璋，等.高級駕駛輔助系統測試淺析及評價模型[J].汽車文摘，2022（2）：58-62.

[4]李石.采用攝像頭傳感器的高級駕駛輔助系統硬件在環測試研究[J].機械工程師，2019（9）：87-89.

[5]曹桂榮.帶ADAS功能的整車電器功能硬件在環測試系統研究[J].內燃機與配件，2019（17）：93-98.

[6]楊爍，王雪松，王艷麗，等.基于SCANeR快速道路建模的程序化方法[J].實驗技術與管理，2021，38（1）：44-47.

[7]戎輝，張明路，張小俊.基于Veristand的硬件在環測試系統設計[J].科學技術與工程，2016，16（8）：167-170.

作者簡介：

屈亞洲，男，1992年生，工程師，研究方向為智能網聯汽車信息安全及場景仿真測試。