范學(xué)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(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局相關(guān)分析，截至2019年，國(guó)內(nèi)民用汽車的保有量已達(dá)2.5億輛，傳統(tǒng)汽車帶來的人-車-路問題不斷突出，每年約有135萬(wàn)人在交通事故中不幸遇難。針對(duì)該問題，自動(dòng)駕駛汽車提出了“零事故”的安全目標(biāo)[1]，可有效解決以上安全問題。自動(dòng)駕駛汽車的“零事故”是以嚴(yán)格的安全測(cè)試為前提的，該測(cè)試目前主要分為自動(dòng)駕駛道路測(cè)試和虛擬仿真測(cè)試兩種測(cè)試技術(shù)路線[2]。然而相關(guān)研究指出：要完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，需進(jìn)行至少142億km以上的道路測(cè)試，才能以95%的置信度說明相較于人類駕駛自動(dòng)駕駛汽車可降低20%的事故死亡率[3]。所以為滿足自動(dòng)駕駛的準(zhǔn)入需要，道路測(cè)試幾乎是不可能完成的任務(wù)（考慮成本和時(shí)間）。幸運(yùn)的是，隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)、渲染技術(shù)的發(fā)展和芯片算力等的提高，虛擬仿真技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并成為自動(dòng)駕駛汽車算法開發(fā)以及功能驗(yàn)證的重要技術(shù)手段。密西根大學(xué)彭教授指出：大部分測(cè)試工作可采用虛擬仿真測(cè)試完成，其可覆蓋99%的測(cè)試工作。綜上可知：汽車虛擬仿真技術(shù)對(duì)促進(jìn)高級(jí)輔助駕駛以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的落地有著至關(guān)重要的作用。

在汽車領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)目前主要分為2大領(lǐng)域：對(duì)于零部件供應(yīng)商，虛擬仿真技術(shù)常用于應(yīng)用層算法開發(fā)與功能驗(yàn)證；對(duì)于主機(jī)廠，虛擬仿真技術(shù)常用于產(chǎn)品功能驗(yàn)收、回歸測(cè)試、不同軟件版本性能測(cè)試等?；诖耍疚慕榻B了一種基于VTD（Virtual Test Driving）平臺(tái)的模型在環(huán)測(cè)試方案，詳細(xì)說明了該方案的工作原理。考慮到虛擬仿真測(cè)試中，多以碰撞相關(guān)指標(biāo)作為測(cè)試的評(píng)價(jià)指標(biāo)，故以AEB（Autonomous Emergency Braking）算法為例，采用CCRm為測(cè)試場(chǎng)景對(duì)AEB算法進(jìn)行功能驗(yàn)證，以此說明該方案的可行性。

本文行文結(jié)構(gòu)如下：首先分模塊說明了該平臺(tái)相關(guān)零部件；然后對(duì)其集成的方案進(jìn)行了相關(guān)原理說明；最后通過自行搭建的AEB相關(guān)算法模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試，以驗(yàn)證該套方案的可行性。

1 聯(lián)合仿真軟件臺(tái)架集成

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

1.1 軟件工具

針對(duì)仿真軟件Carsim和Simulink的相關(guān)內(nèi)容介紹，文獻(xiàn)[4]等已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)說明，故不在此贅述。本文僅對(duì)VTD和ECUtest的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。場(chǎng)景仿真軟件VTD是MSC公司開發(fā)的一款專門用于汽車和鐵路領(lǐng)域的虛擬仿真引擎，能很好地兼容OpenDrive、OpenCRG和OpenScenario三大標(biāo)準(zhǔn)，并自帶簡(jiǎn)單的車輛動(dòng)力學(xué)模型和完美傳感器，具有強(qiáng)大的圖像渲染功能，能較好地支持L2+以上的ADAS仿真測(cè)試。其優(yōu)勢(shì)在于：針對(duì)L2+以上的復(fù)雜場(chǎng)景建模具有較好的支持性和擴(kuò)展性，由于其能很好地兼容Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，故具有較好的實(shí)時(shí)性。

自動(dòng)化測(cè)試軟件ECUtes是MIL和HIL測(cè)試領(lǐng)域一款較為成熟和常用的仿真測(cè)試軟件，主要代替人工對(duì)其余測(cè)試仿真軟件進(jìn)行自動(dòng)化啟動(dòng)、記錄和停止仿真等。如可將虛擬仿真場(chǎng)景軟件VTD、車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件Carsim、上位機(jī)監(jiān)控軟件Veristand等進(jìn)行集成，并基于該平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試用例的編寫，生成測(cè)試報(bào)告等。

1.2 仿真平臺(tái)說明

目前主流MIL系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Veristand作為中間件，可根據(jù)需要選擇是否使用該軟件。

圖1 MIL系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 MIL平臺(tái)模型集成

本文將測(cè)試仿真軟件ECUtest定義為上位機(jī)，將動(dòng)力學(xué)仿真軟件Carsim和Simulink以及場(chǎng)景仿真軟件VTD定義為下位機(jī)。

2.1 上位機(jī)軟件集成（ECUtest）

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

2.2 下位機(jī)模型集成

Carsim中主要針對(duì)車輛懸架、底盤和制動(dòng)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)需配置與Simulink相關(guān)的接口，考慮到這里主要進(jìn)行AEB算法的仿真，故僅配置了轉(zhuǎn)向和制動(dòng)2個(gè)輸入接口，而輸出接口需盡量包括車輛姿態(tài)的完整動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)。

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

VTD中主要進(jìn)行場(chǎng)景環(huán)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(chǎng)景生成

如上文所述，VTD能很好地支持OpenDrive和OpenScenario等相關(guān)ADAS仿真格式標(biāo)準(zhǔn)，建模也是圍繞其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而展開，首先在VTD中的RoadDesigner中建模生成仿真場(chǎng)景所需的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。然后在Scenario editor中導(dǎo)入相應(yīng)的OpenDrive格式的文件，便可生成符合OpenScenario格式標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景庫(kù)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(chǎng)景，如圖4所示。

圖2 路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 仿真場(chǎng)景

3 動(dòng)力學(xué)仿真

相關(guān)參數(shù)：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(kù)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(guān)功能已開啟。在ECUtest中編寫好相應(yīng)的Test case、Trace analysis、Signal recording和Test report，Simulink中相關(guān)AEB算法模型如圖5所示。

圖5 AEB Simulink算法模型

仿真結(jié)束后打開測(cè)試報(bào)告可見相關(guān)仿真數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 AEB仿真結(jié)果

通過圖6可知，當(dāng)車輛以一定初始速度開環(huán)運(yùn)行時(shí)，由于地面摩擦阻力以及風(fēng)阻力的存在，車輛以一定的速率減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)與前車的碰撞時(shí)間小于2.8 s時(shí)，前向碰撞預(yù)警標(biāo)志置1，由于此時(shí)駕駛員并未采取制動(dòng)措施，此時(shí)車輛繼續(xù)行駛，觸發(fā)AWB標(biāo)志置1，相應(yīng)的此時(shí)車輛會(huì)有短暫的制動(dòng)，當(dāng)AWB不足以避讓前方車輛時(shí)將觸發(fā)AEB制動(dòng)，最大程度地減小碰撞風(fēng)險(xiǎn)。綜上可知：ECUtest能正確記錄整個(gè)仿真過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，并可以以圖片的形式對(duì)AEB中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，很好地展示了整個(gè)動(dòng)態(tài)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(cè)試系統(tǒng)能自動(dòng)化地進(jìn)行ADAS相關(guān)算法的場(chǎng)景測(cè)試，加快測(cè)試速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于虛擬測(cè)試仿真平臺(tái)VTD，聯(lián)合車輛動(dòng)力學(xué)軟件Carsim、控制算法仿真軟件Matlab/Simulink和自動(dòng)化測(cè)試軟件ECUtest搭建了一套完整的模型在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)，并以CCRm為標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景，檢驗(yàn)AEB算法的功能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)實(shí)物的功能測(cè)試，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的成本，加快了產(chǎn)品的迭代速度。