自動駕駛系統的相關測試方法探討

摘要：近年來自動駕駛技術及高級駕駛輔助系統（ADAS）已經逐步量產并應用在車端，這就需要開發對應的精細化車輛測試方法，從而驗證此類系統的質量和可靠性。探討了用于驗證高級駕駛輔助系統、主動安全和自動駕駛系統的系列測試方法。首先，闡述了X-in-loop測試的相關方法，如模型在環、軟件在環、硬件在環、車輛在環等內容；然后，具體討論了實車測試驗證方法，如開放道路測試和封閉試驗場測試等；最后，介紹了使用基于虛擬測試駕駛的混合測試方法，具體闡述了其實現過程。

關鍵詞：自動駕駛；測試方法；測試驗證

中圖分類號：U461.91 收稿日期：2024-08-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.017

1 前言

隨著自動駕駛技術的飛速發展 ，現有汽車越來越多地擁有更先進的主動安全系統，已經顯著減少了對駕駛員操作汽車的需求[1]。目前，自動駕駛系統主要基于軟件在環（SIL）和硬件在環（HIL）方法進行開發，而道路測試由測試駕駛員在測試場地及公共道路上完成[2]。由于道路測試存在無法創建大量的測試用例、測試過程中需要人為駕駛以及不能完整復現的問題，因此引入實驗室測試方法[3]。在實驗室測試中可以創建測試用例，從而在相同的條件下進行多次測試，能夠對汽車的系統性能進行量化對比，并根據規定的程序和測試標準進行測試認證[4]。

目前，實驗室測試（通常稱為車輛在環測試）主要集中于單個系統的測試。為了創建一種能夠同時測試多個系統的測試系統，引入了在實驗室中模擬外部世界的測試系統，通過這類虛擬混合測試方法，可以對ADAS或自動駕駛系統就可以進行全面的測試[5-7]。

2 X-in-the-loop測試

X-in-the-loop是一種命名約定，其中X表示被測對象，包括模型在環（model in the loop，MIL）、軟件在環（model in the loop，SIL）、硬件在環（hardware in the loop，HIL）、車輛在環（vehicle in the loop ，VIL）。由于測試不是一次性的過程，而是一個循環的迭代過程，所以它被稱為循環測試。當然，并不是所有的步驟都必須執行，這取決于系統的具體情況和復雜性。

2.1 模型在環

系統開發的第一步是基于模型在環，其中設計的系統以模型的形式在建模工具中創建，例如在MATLAB-Simulink中進行建模，通過通用組件可以創建系統運行的模型。因此，可以在設計系統時不需要輸入依賴于編程語言的實現細節。此外，有了這樣一個模型，就可以使用Simulink Coder或Target Link等特定語言自動生成代碼。如圖1所示，測試模型涉及到向模型提供一組模擬信號，并檢查其響應。

2.2 軟件在環

在軟件在環開發測試中，測試對象為用特定編程語言編寫的代碼，如C++。可以通過其輸入提供適當的人工或獲取的數據來測試此代碼，也可以從專用硬件抽象出特定的編程語言來驗證算法的正確性。

2.3 硬件在環

在完成軟件在環測試后，在循環測試中已有執行的硬件，其中軟件已在專用硬件上測試，但尚未在專用環境中測試。這意味著所有其他的交互模塊硬件都必須進行測試驗證，這是汽車測試中常見的測試類型，因為通常所設計設備的制造商只負責一種設備，無法訪問其他交互設備。如圖2所示，在HIL測試中車輛的電子控制單元（ECU）負責監控各種輸入數據（如制動、換擋等）和各種運行狀態（加速、打滑、油耗等），并根據預先設計的程序計算各種傳感器發送的信息，經過處理后，將所有參數發送給相關執行器，執行各種預定的控制功能。但由于未接入道路環境，無法在真實環境中與其他設備進行交互測試。因此，設備在真實環境下有可能無法正常工作。

2.4 車輛在環

車輛在環作為測試的最終環節，可以在實驗室中測試一項完整的汽車響應，如給車輪施加正確的扭矩，模擬在山上行駛或其他交通阻力。此外，汽車傳感器還會使用各種類型的設備來輸入信號，這些設備與負責虛擬試駕的駕駛模擬器一起工作。這種測試方法往往可以在開環測試和閉環測試中完成。

2.4.1 開環測試

當被測系統獲取到外部輸入信號，但其響應不會反饋到模擬器時，這種測試方式稱為開環測試。出于這個原因，在仿真中沒有關于汽車響應的信息。以車輛視覺檢測為例，第一步是在真實的試駕過程中錄制視頻，然后在模擬器中進行相同的試駕測試，最后將汽車從虛擬驅動器中分離出來并添加到錄制的影片中，如圖3所示。測試包括將添加車輛的視頻發送到攝像機，并分析ECU是否檢測到其他車輛。

2.4.2 閉環測試

當被測試系統的響應可以反饋到模擬器時，這種模式稱為閉環測試，閉環測試中可以獲取到汽車在仿真中的真實響應，閉環測試為被測系統提供了一個交互式的模擬環境。

2.5 其他方法

除了上面描述的一般方法之外，還有一些其他更具體的方法，以評估在特定情況下可能的行為或與車輛安全系統的交互情況。

2.5.1 駕駛員在環

除了測試車輛本身的系統性能，還可以測試駕駛員在駕駛汽車時的行為（圖4）。駕駛員在環（Driver-in-the-loop）在測試過程中可以獲得駕駛員在某些情況下的行為信息，從而更好地設計車內的系統。此外，還可以獲得駕駛員與其他設備的交互信息，如測試駕駛員在與智能燈配合下剎車時的反應時間。當然，駕駛員可以在不同的環境中進行測試。當駕駛員的行為在完全虛擬的環境中測試時，可以通過使用VR眼鏡等進行模擬。比較起來，最準確的依然是真實試駕，它給出了更為精確的結果和確定性。

2.5.2 行人在環

行人在環（Pedestrian-in-the-loop）通過觀察不同情況下的行人，可以評估行人與車輛的交互行為。如圖5和圖6所示，測試人員頭上戴著VR眼鏡，其中顯示了虛擬場景，其任務是在合適的時刻進入人行橫道，檢查車輛的緊急制動算法是否正常工作。

3 車輛實車測試方法

為了更可靠地測試車輛性能，還需要在真實環境中進行車輛測試。實車測試主要包括開放道路測試和封閉試驗場測試。

3.1 開放道路測試

開放道路測試是測試自動駕駛和主動安全系統最主要的方法之一。開放道路測試的優勢是測試結果相對可靠、測試方法具有針對性，其缺點是測試條件的可重復性低，基本上是不可重現的。其次，車輛必須完成全功能部署，所以這些測試必須在產品開發結束后進行，這就延長了開發時間。此外，在公共道路上進行測試是不方便且耗時的，也受限于相關法規的要求。

3.2 封閉區域測試

除了開放道路測試，還有專門為測試而建立的封閉區域道路和基礎設施，這類測試統稱為封閉區域測試。

3.2.1 測試試驗場

為了使得測試更加高效，可以建立專業化的測試試驗場。如圖7所示，美國Mcity由40個建筑單元組成，包括隧道、橋梁、四車道高速公路等場景，還有可以進入人行橫道的機械行人，且配備了標準的道路標志和交通燈。在這種條件下進行測試有很多優勢，比如可以在不威脅其他道路使用者的條件下進行測試。除天氣條件外，所有的測試條件都是可重現的。

3.2.2 半虛擬測試

將虛擬仿真環境與真實測試相結合也是一種常見做法。測試時將整個真實道路環境映射到仿真中，然后測試車將其位置發送給模擬器，模擬器將數據以適當的格式返回。這些信息直接發送給雷達的處理單元，并觸發主動安全系統，測試過程可以在沒有道路使用者的仿真道路上進行。在這種混合駕駛中，駕駛員可以配備護目鏡，通過模擬器生成的元素來增強現實。

半虛擬測試的另一種方法是在虛擬道路上測試，這種方法的優勢在于，駕駛員在進行虛擬測試的同時，可以體驗到所有相關的反饋力。

4 結語

隨著自動駕駛技術加速迭代，離線測試需求也隨之激增，如何通過多種測試方法高效驗證車輛性能成為測試中的突出問題。本文總結歸納了X-in-loop測試的方法，對模型在環、軟件在環、硬件在環、車輛在環等測試方法進行了探討，并介紹了實車測試方法，對道路測試和封閉實驗場測試方法進行具體分析，研究結論可以為ADAS、主動安全和自動駕駛系統的有效驗證和測試提供參考。

參考文獻：

[1]董倩茹，谷遠利，李鵬輝，等.面向自動駕駛仿真測試的高速公路可解釋性切入邏輯場景模型構建[C]//2024世界交通運輸大會（WTC2024）論文集（水上運輸與交叉學科）.中國公路學會，中國航海學會，中國鐵道學會，中國航空學會，中國汽車工程學會，2024：9.

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作者簡介：

向世林，男，1985年生，工程師，研究方向為主動安全及自動駕駛測評研究、汽車整車性能測試等。