王潤民 趙祥模 徐志剛 王文威 承靖鈞

（1.長安大學 陜西省車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測試技術(shù)工程研究中心，西安 710064；2.長安大學 交通運輸部認定自動駕駛封閉場地測試基地，西安 710018）

主題詞：自動駕駛 虛擬仿真 整車在環(huán) 道路模擬 傳感器模擬

1 前言

試驗測試是從功能、性能、安全、穩(wěn)定和魯棒性等方面推動自動駕駛技術(shù)研究、保證自動駕駛安全可靠、促進自動駕駛產(chǎn)品不斷迭代進步的有效技術(shù)手段。近年來，我國及美、歐、日等發(fā)達國家或地區(qū)通過建設封閉或半開放式自動駕駛測試/示范區(qū)、依托社會公共道路有序開放自動駕駛測試道路等方式大力推進自動駕駛實車道路試驗環(huán)境的構(gòu)建。然而，受試驗場景構(gòu)建難度、人機混駕安全風險、試驗成本、試驗數(shù)據(jù)收集難度及可重復性等因素的影響，僅依靠實車道路試驗難以滿足自動駕駛的研究及測試需求。除實車道路測試外，軟件仿真也是開展自動駕駛技術(shù)研究的重要技術(shù)手段，具有風險低、周期短、成本低的優(yōu)勢。但軟件數(shù)字仿真存在道路及傳感器仿真保真度差、車輛動力學模型建模難度大等問題，仿真結(jié)果高度依賴所建模型的完備程度，因此主要用于功能測試階段，以實現(xiàn)對自動駕駛決策及控制算法的驗證。

在上述背景下，基于整車在環(huán)（Vehicle-In-the-Loop，VIL）的虛擬仿真測試成為充分利用實車道路測試與軟件仿真優(yōu)勢并彌補其不足的重要技術(shù)手段。整車在環(huán)仿真測試是指將自動駕駛汽車整車置于模擬仿真環(huán)路中進行測試，即車輛控制采用真實的規(guī)劃決策系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)，道路路面通過多自由度轉(zhuǎn)鼓平臺等模擬，交通場景等則通過仿真軟件建模、數(shù)據(jù)回放輸入等方式仿真。基于轉(zhuǎn)鼓平臺的整車在環(huán)仿真測試將被測車輛置于室內(nèi)布設的轉(zhuǎn)鼓平臺上，既可以保證測試對象的真實度，又可以充分利用軟件仿真中交通場景柔性多樣化的優(yōu)勢，從而在保證測試結(jié)果符合車輛實際工況的同時加速測試進程、降低成本、提高效率。Galko等提出了基于轉(zhuǎn)鼓平臺的高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，由于轉(zhuǎn)鼓平臺機械結(jié)構(gòu)的限制，在測試時被測車輛前輪被物理拆卸，虛擬車輛橫向控制的轉(zhuǎn)向只能通過USB操縱桿以與駕駛模擬器相似的方式實現(xiàn)。Gietelink 等提出的車輛硬件在環(huán)測試系統(tǒng)將裝備ADAS 的車輛固定在轉(zhuǎn)鼓平臺上，用轉(zhuǎn)鼓平臺模擬道路交互，用機器人車輛代表其他交通流，這種方式由于轉(zhuǎn)鼓平臺的限制，并未涉及被測車輛的橫向控制性能測試。因此，目前基于轉(zhuǎn)鼓平臺的自動駕駛整車在環(huán)測試平臺雖然在自動駕駛決策方法驗證及ADAS 性能測試等方面取得了一定的研究進展，但在自動駕駛感知能力測試及基于道路路面精確模擬的控制執(zhí)行能力測試等方面依然存在較大局限。

基于上述考慮，本文面向自動駕駛研發(fā)需要，提出一種基于多自由度轉(zhuǎn)鼓平臺的自動駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測試平臺設計方案，重點闡述道路模擬子系統(tǒng)與傳感器模擬仿真子系統(tǒng)的設計，并以自動駕駛車輛自適應跟馳及避撞場景為典型應用案例對設計的仿真測試平臺進行驗證。

2 仿真測試平臺總體結(jié)構(gòu)

本文針對自動駕駛整車在環(huán)測試需求，研究構(gòu)建了一種基于多自由度轉(zhuǎn)鼓平臺的自動駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測試平臺，平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，包含被測車輛、道路模擬子系統(tǒng)、虛擬場景子系統(tǒng)、傳感器模擬仿真子系統(tǒng)、測試平臺測控系統(tǒng)及測試管理平臺等。

圖1 自動駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測試平臺總體結(jié)構(gòu)

道路模擬子系統(tǒng)主要由3自由度轉(zhuǎn)鼓臺組成，可為被測車輛提供逼真的道路環(huán)境，確保被測車輛的運行環(huán)境接近實際的道路交通狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)內(nèi)部的伺服電機，可以對轉(zhuǎn)向隨動角、路面阻力、道路俯仰角、道路翻滾角進行調(diào)整，從而與虛擬場景中道路工況匹配。

虛擬場景子系統(tǒng)主要由PreScan 虛擬仿真平臺組成，包含車輛動力學模型、道路模型、交通環(huán)境模型、駕駛員模型、無線通信模型以及激光雷達、毫米波雷達、相機、超聲波雷達、衛(wèi)星定位、慣性導航等各類車載傳感設備模型，通過組合各模塊的方式為測試平臺提供逼真的虛擬場景、測試工況以及車載傳感器的感知信息。

傳感器模擬仿真子系統(tǒng)主要包含雷達暗箱、相機暗箱、矢量信號源等，傳感器模擬仿真子系統(tǒng)可以獲取虛擬場景系統(tǒng)中車載傳感器在測試場景庫中所感知到的環(huán)境信息，依據(jù)真實的傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議生成載有感知數(shù)據(jù)關鍵信息的回波信號，并輸入被測車輛的決策控制算法中。

測試平臺測控系統(tǒng)作為仿真測試平臺下位機，負責接收測試管理平臺的任務，并向傳感器模擬仿真子系統(tǒng)、被測車輛等發(fā)送控制指令，以實時構(gòu)建所需的測試場景，并采集多種測試數(shù)據(jù)。

測試管理平臺作為仿真測試平臺的上位機，進行測試全過程的管理服務，包括接收工作人員配置的任務、向虛擬場景子系統(tǒng)發(fā)送控制指令加速生成測試場景、同步和收集各類測試數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、測試評價等功能。

基于上述模塊設計的測試平臺工作模態(tài)如圖2 所示。測試過程中，工作人員通過測試管理平臺生成測試任務并下發(fā)測試指令；接收到測試指令后，虛擬場景子系統(tǒng)生成測試場景并發(fā)送至測試平臺測控系統(tǒng)，用于模擬仿真測試場景的構(gòu)建，同時發(fā)送至三維場景展示平臺，實現(xiàn)測試過程中的人機交互，使測試者直觀地感知到測試狀態(tài)；測試平臺測控系統(tǒng)依據(jù)接收到的測試任務和測試場景數(shù)據(jù)，下發(fā)指令控制道路模擬子系統(tǒng)實時構(gòu)建模擬道路路面工況，控制傳感器模擬仿真子系統(tǒng)同步生成載有虛擬場景感知信息的傳感器模擬仿真信號，并將其作為被測車輛決策控制算法的數(shù)據(jù)輸入。此外，測試過程中，被測車輛與道路模擬子系統(tǒng)的車載數(shù)據(jù)采集裝置會將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至測試管理平臺，測試管理平臺依據(jù)各類數(shù)據(jù)及內(nèi)置的測試評價模塊出具測試結(jié)果。

圖2 仿真測試平臺工作模態(tài)

3 道路模擬子系統(tǒng)設計

道路模擬子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)、阻力加載系統(tǒng)、動態(tài)模擬系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)在完成被測車輛轉(zhuǎn)向跟隨的同時，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向角度的測量。阻力加載系統(tǒng)主要實現(xiàn)道路阻力模擬，模擬不同道路摩擦因數(shù)，使得被測車輛的行駛阻力更加接近實際道路情況。動態(tài)模擬系統(tǒng)通過調(diào)整測試臺架的俯仰角和翻滾角實現(xiàn)道路結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬。

圖3 道路模擬子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)主要由檢測傳感器、數(shù)據(jù)處理器、轉(zhuǎn)向臺、伺服電機系統(tǒng)及無線通信模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示?；诎惭b于轉(zhuǎn)向臺的激光距離傳感器和被測車輛轉(zhuǎn)向盤上的陀螺儀可以實現(xiàn)被測車輛的實時轉(zhuǎn)向檢測，其工作流程為：單片機將激光距離傳感器檢測到的被測車輛車輪轉(zhuǎn)角和陀螺儀檢測到的被測車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角經(jīng)過構(gòu)建的模糊PID控制算法處理后，生成控制驅(qū)動器的符號脈沖和方向脈沖，從而實現(xiàn)通過控制伺服電機帶動轉(zhuǎn)向機構(gòu)跟隨被測車輛的轉(zhuǎn)向而轉(zhuǎn)動的目的。

圖4 轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于上述思路設計的轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其隨動控制基本原理為：根據(jù)檢測傳感器采集到的位置指令控制電機轉(zhuǎn)動，電機經(jīng)過減速器降速增矩，帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪通過同步帶帶動大齒輪及轉(zhuǎn)向臺轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向隨動。

圖5 轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，主控芯片實現(xiàn)對伺服電機驅(qū)動器的連接控制。給定目標轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)向角之差的倍數(shù)和轉(zhuǎn)角差變化率d/d構(gòu)成滑模面，滑模面及滑模面變化率d/d的乘積構(gòu)成模糊控制器的輸入，經(jīng)過模糊控制器運算后產(chǎn)生滑?？刂破鞯膮?shù)Δ。伺服驅(qū)動器接收到滑?？刂破鞯妮敵鲋噶詈笠罁?jù)設定的比例增益、前饋增益和積分增益完成對三環(huán)的控制，實現(xiàn)給定位置的響應。

圖6 轉(zhuǎn)向隨動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 阻力加載系統(tǒng)

車輛的運動狀態(tài)與所受到的道路摩擦阻力直接相關，不同路面的附著系數(shù)會提供不同的道路阻力，從而對自動駕駛汽車的決策控制算法構(gòu)成較大的考驗。為實現(xiàn)對自動駕駛的充分測試，道路模擬子系統(tǒng)需具備不同道路摩擦因數(shù)的模擬能力。因此設計了道路阻力模擬加載系統(tǒng)，其主要實現(xiàn)道路摩擦阻力、車輛平動慣量以及風阻等參數(shù)的模擬，其中平動慣量和風阻均可通過調(diào)整道路摩擦阻力實現(xiàn)。其具體控制流程如圖7所示。

圖7 道路阻力模擬控制流程

測試過程中，測試平臺測控系統(tǒng)將被測場景中的道路阻力參數(shù)發(fā)給伺服電機底層控制模塊，實現(xiàn)滾筒對輪胎的道路阻力加載。將控制模塊的上位機指令值與力矩檢測裝置檢測到的力矩作差后，所得的結(jié)果通過PID控制器計算后將控制指令發(fā)送給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器將依據(jù)設定好的三環(huán)控制參數(shù)實現(xiàn)對輪胎阻力的加載，從而實現(xiàn)測試場景中道路阻力的加載。

3.3 動態(tài)模擬系統(tǒng)

動態(tài)模擬系統(tǒng)主要實現(xiàn)測試場景中道路路面的坡度和斜率，確保被測車輛在測試過程中的運動狀態(tài)更加接近實際情況。動態(tài)模擬系統(tǒng)主要由俯仰角控制模塊和翻滾角控制模塊組成，兩者的運動均由伺服電機帶動，其控制結(jié)構(gòu)和原理如圖8所示。其中運動學正解算法是將當前的位姿參數(shù)與目標位姿參數(shù)求差，經(jīng)過比例系數(shù)放大后作為運動學反解的反饋信號。

圖8 道路模型模擬系統(tǒng)控制原理

4 傳感器模擬仿真子系統(tǒng)設計

4.1 毫米波雷達在環(huán)測試子系統(tǒng)

毫米波雷達測試可以分為射頻信號性能測試和功能測試，本文設計的測試平臺聚焦于功能測試，即驗證毫米波雷達模塊是否滿足開發(fā)需求。與實車道路測試相比，基于硬件在環(huán)的測試方法具有較高的可重復性，也可以在保證測試真實度的同時提升極端場景測試的安全性。

毫米波雷達在環(huán)測試子系統(tǒng)主要由毫米波雷達信號處理單元、雷達轉(zhuǎn)臺、被測雷達、吸波材料、雷達暗箱等組成。通過控制信號處理單元中的雷達目標模擬器（TX）和矢量信號收發(fā)儀（Vector Signal Transceiver，VST）模塊，可以實現(xiàn)不同距離和速度條件下雷達信號的模擬。轉(zhuǎn)臺帶動被測毫米波雷達轉(zhuǎn)動實現(xiàn)不同角度信號的模擬，吸波材料可以吸收干擾信號以減少對測試過程的影響。毫米波雷達在環(huán)測試子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作流程如圖9所示。

圖9 毫米波雷達在環(huán)測試子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測試流程

系統(tǒng)可通過LabVIEW可視化人機界面實現(xiàn)對面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展（PCI eXtensions for Instrumentation，PXI）系統(tǒng)的編程控制，包含對可變延遲發(fā)生器（Vari?able Delay Generator，VDG）的時延和TX 發(fā)射功率的控制。VST 模塊主要實現(xiàn)對目標數(shù)量、多普勒效應模擬值、測試距離、橫截面積、目標速度等參數(shù)的模擬。毫米波雷達信號通過被測車輛控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，CAN）信號與PXI 系統(tǒng)連接，由于測試暗室安裝距離限制，仿真目標的距離為安裝距離與仿真距離之和。

4.2 相機在環(huán)測試子系統(tǒng)

為實現(xiàn)自動駕駛車載感知能力測試，將相機、高清顯示器置于暗箱內(nèi)，構(gòu)建相機在環(huán)測試子系統(tǒng)。測試時顯示器實時播放被測車輛主視角的測試場景視覺信息，置于顯示器前的相機將采集到的測試場景數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)絡傳輸給被測車輛處理。相機支架設計成導軌結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整攝像頭的高度、左右位移以及前后距離，確保攝像頭采集的畫面角度與實際情況一致。相機在環(huán)測試子系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 相機在環(huán)測試暗箱

相機在環(huán)測試原理如圖11所示。測試過程中的圖像轉(zhuǎn)換主要涉及虛擬場景轉(zhuǎn)換到屏幕和相機對屏幕信息的成像。測試場景中的交通環(huán)境信息在顯示器上以影像形式展示是將三維模型信息表達為二維信息的過程。由于景深信息的丟失，對于相機的靶平面來說，虛擬仿真交通場景與硬件在環(huán)感知場景的成像類似。在此過程中需要確保通過調(diào)節(jié)導軌的參數(shù)，使得相機視角能夠覆蓋屏幕，并通過相應的算法調(diào)節(jié)靶平面接收到的信號強度，確保該過程的數(shù)據(jù)保真。

圖11 攝像頭在環(huán)測試原理

5 平臺集成及測試流程設計

基于上述設計思路，試制并集成開發(fā)了首套自動駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測試平臺，其整體概貌及道路模擬子系統(tǒng)、毫米波雷達在環(huán)測試子系統(tǒng)、相機在環(huán)測試子系統(tǒng)實物如圖12所示。

圖12 仿真測試平臺實物

此外，開發(fā)了測試管理軟件，形成便于交互的測試系統(tǒng)，上位機主界面如圖13所示，可以實現(xiàn)測試平臺參數(shù)設置、測試場景數(shù)據(jù)生成、測試任務加載、測試場景加速生成、測試評價等功能。

圖13 測試管理軟件主界面

基于測試管理軟件構(gòu)建了標準化測試流程，如圖14所示。注冊登錄過程中，被測車輛駛?cè)氪龣z區(qū)，測試平臺開始自檢，判斷是否存在故障信息，然后調(diào)節(jié)臺架軸距，鎖死滾筒和轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)，確保被測車輛可順利駛?cè)肱_架。注冊標定主要實現(xiàn)虛擬測試場景與實物測試臺架的耦合標定，通過每個測試場景前的直行路段運行實現(xiàn)。測前校準主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)角參數(shù)設置、滾筒測速和阻力模擬。

圖14 測試流程

6 典型應用案例測試驗證

為驗證本文構(gòu)建的虛擬仿真測試平臺的有效性，本文對自動駕駛車輛自適應跟馳及避撞場景進行測試，通過毫米波雷達模擬仿真暗箱實現(xiàn)對測試場景中的前車速度及其與測試車的距離、角度和雷達散射截面積（Radar Cross Section，RCS）的模擬，最大程度地保證自動駕駛整車在環(huán)測試的真實度。

用于測試的自動駕駛汽車具有自適應巡航（Adap?tive Cruise Control，ACC）和自動緊急制動（Autonomous Emergency Breaking，AEB）功能。當與前車的預期碰撞時間大于緊急制動碰撞時間時，被測車輛啟用ACC模式；當碰撞時間小于緊急制動碰撞時間時，啟用AEB模式。如果AEB 模式未能避免車輛發(fā)生碰撞，測試結(jié)束，否則重新啟用ACC模式，繼續(xù)測試。

被測車輛的AEB算法基于車輛間的相對運動關系構(gòu)建，主要設計思路是先根據(jù)基于時距的安全距離模型對當前車輛的行駛狀態(tài)進行判斷，并根據(jù)不同車速和不同碰撞時間（Time to Collision，TTC）閾值制定車輛的報警和分級制動策略，然后根據(jù)制定的控制策略確定車輛控制模型的控制輸入。

為兼顧高速和低速條件下的不同工況，以車速、TTC、期望減速度3個參數(shù)對被測車輛的AEB 控制算法進行方案制定。對于車速，分為3 種工況：車速小于30 km/h 為低速行駛工況，車速在30～70 km/h范圍內(nèi)為中速行駛工況，車速大于70 km/h為高速行駛工況。設定的3個TTC閾值和期望減速度分別為：1.1 s、1.6 s、1.9 s和-4 m/s、-6 m/s、-8 m/s。進行實車測試時，雷達硬件在環(huán)測試系統(tǒng)用于模擬測試場景中車輛的運動狀態(tài)，被測車輛的RCS設置為0.9 m，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為25 Hz。

隨機抽取測試樣例輸入到集成的整車在環(huán)虛擬測試平臺中，毫米波雷達在環(huán)測試子系統(tǒng)根據(jù)場景生成指令生成毫米波模擬仿真信號，道路模擬子系統(tǒng)實時記錄被測車輛的速度信息，得到的實車跟馳曲線如圖15所示。測試結(jié)果的跟隨特性表明，利用搭建的整車在環(huán)虛擬測試平臺可以有效地保留被測車輛控制表現(xiàn)的真實性。

圖15 跟隨特性測試結(jié)果

圖16 所示為低速工況下，通過分析毫米波雷達回波信號所得的回波能量損失、與目標車的距離和相對速度曲線。在測試過程中，目標車輛始終保持15 km/h 的速度，被測車輛由靜止開始跟馳，當目標車輛緊急制動至停止后，被測車輛隨后觸發(fā)AEB并最終停車。

圖16 毫米波雷達回波信號

由圖16可知：測試開始階段，毫米波雷達由初始狀態(tài)感知到目標車輛的相對速度與距離，由于此過程被測車輛需執(zhí)行ACC 算法并逐漸加速，因此回波信號的能量損失存在較小的波動；隨著被測車輛速度的提升，其與目標車輛的距離逐漸縮小并趨于穩(wěn)定，實現(xiàn)跟馳功能。此過程中，被測車輛的跟車距離穩(wěn)定在18～22 m，兩車相對速度基本保持為0，而毫米波雷達的能量損失也在-95～-92 dB區(qū)間內(nèi)浮動。在=60 s時，目標車緊急制動至停止，由于相對速度突變而導致能量損失驟降；隨后ACC 算法立即通過抬高油門踏板來降低車速，當預期碰撞時間小于緊急制動碰撞時間時，被測車輛執(zhí)行AEB算法并緊急制動至停止。

測試結(jié)果表明，搭建的整車在環(huán)虛擬測試平臺的毫米波雷達硬件在環(huán)測試系統(tǒng)可以實時感知場景中目標車輛的狀態(tài)，為被測自動駕駛系統(tǒng)提供高保真的原始感知數(shù)據(jù)，同時也證明了本文所采用的ACC 與AEB 算法在該測試工況下效果較好。

綜上所述，可以認為本文搭建的整車在環(huán)虛擬測試平臺可以有效支撐自動駕駛汽車整車在環(huán)虛擬仿真測試。

7 結(jié)束語

本文提出了一種基于多自由度轉(zhuǎn)鼓平臺的自動駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測試平臺設計方案，并重點闡述了道路模擬子系統(tǒng)、傳感器模擬仿真子系統(tǒng)的設計與工作原理，通過自動駕駛車輛自適應跟馳及避撞場景測試驗證了平臺的有效性。下一步將從測試規(guī)程與綜合評價方法的完善制定著手，建立健全自動駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測試方案。