曾杰

（重慶車輛檢測研究院；汽車主動(dòng)安全測試技術(shù)- 重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）可以協(xié)助駕駛員提高行車安全性和駕駛舒適性，被認(rèn)為是提升出行效率、解決交通事故頻發(fā)問題的有效措施[1-2]。駕駛輔助系統(tǒng)依靠傳感器采集車輛行駛四周的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境目標(biāo)威脅而作出橫向、縱向控制，可有效降低道路交通事故發(fā)生的概率[3]。傳統(tǒng)的場地測試是以假人、假車、環(huán)境模擬器等測試設(shè)備構(gòu)建有限測試場景[4]，測試決策控制算法的合理性和控制算法與車輛匹配的優(yōu)劣。駕駛輔助系統(tǒng)連續(xù)感知、決策、執(zhí)行，全天候持續(xù)運(yùn)行，傳統(tǒng)測試評(píng)價(jià)手段已難有效覆蓋自動(dòng)駕駛新特征[5]。智能駕駛輔助系統(tǒng)在開發(fā)的過程中，每一階段功能和性能的測試評(píng)價(jià)將通過多樣化的試驗(yàn)結(jié)果相互組合印證，需要進(jìn)行實(shí)車道路測試、公開道路測試，功能安全測試、信息安全測試、仿真測試等，硬件在環(huán)仿真測試平臺(tái)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車“V”型開發(fā)過程中不可缺少的工具鏈。

1 駕駛輔助系統(tǒng)功能及傳感器原理

1.1 駕駛輔助系統(tǒng)構(gòu)成和原理

汽車駕駛輔助系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)原理，如圖1 所示。目前，駕駛輔助系統(tǒng)主要裝備毫米波雷達(dá)、攝像頭、360°環(huán)視系統(tǒng)、超聲波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車（APA）、自適應(yīng)巡航（ACC）、緊急制動(dòng)（AEB）、盲區(qū)監(jiān)測（BSD）、車道保持輔助（LKA）、交通擁堵輔助（TJA）等功能，而激光雷達(dá)主要是在更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛汽車上裝備。車載傳感器感知前方道路上障礙物、車道線、交通限速標(biāo)志、行人等信息。使用攝像頭和毫米波雷達(dá)獲取前方目標(biāo)相對(duì)距離、相對(duì)速度，通過決策與控制實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航、緊急制動(dòng)、交通擁堵輔助功能[6]。攝像頭可識(shí)別前方道路車道線，計(jì)算車輛與車道線的相對(duì)位置和車道線的曲率半徑，結(jié)合車輛的底盤轉(zhuǎn)向特性，實(shí)現(xiàn)LKA 功能[7]。

圖1 典型駕駛輔助系統(tǒng)構(gòu)成及原理圖

1.2 傳感器目標(biāo)探測原理

1.2.1 毫米波雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別原理

車載毫米波雷達(dá)主要分為脈沖式和連續(xù)調(diào)頻式，由于脈沖信號(hào)在近距離探測目標(biāo)時(shí)對(duì)硬件計(jì)算速度要求較高，因此不適用于車載近距離探測目標(biāo)的需求。連續(xù)調(diào)頻毫米波雷達(dá)采用雷達(dá)波調(diào)制的方式發(fā)送探測電磁波，通過調(diào)制發(fā)射電磁波信號(hào)與雷達(dá)天線接收到的目標(biāo)反射雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行混頻，利用傅里葉變換算法對(duì)混頻信號(hào)進(jìn)行解析，可解析出雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)速度，并根據(jù)雷達(dá)接收天線陣列參數(shù)計(jì)算相對(duì)角度信息[8]。

1.2.2 攝像頭目標(biāo)識(shí)別原理

作為ADAS 的核心傳感器之一，車載攝像頭需要最大限度地適應(yīng)不同的光照條件，能夠更加快速、精確地感知路況信息，并加強(qiáng)對(duì)圖像噪點(diǎn)的抑制[9]。攝像頭和攝像頭后處理芯片端原理，如圖2 所示。攝像頭的光感原件識(shí)別外界圖像信息并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)編碼協(xié)議編碼圖像信號(hào)，通過低電壓差分信號(hào)（LVDS）傳輸方式將圖像傳輸至圖像處理芯片（ECU），經(jīng)過圖像信號(hào)質(zhì)量處理后，再傳遞至圖像處理單元（GPU），利用深度學(xué)習(xí)或機(jī)器學(xué)習(xí)算法識(shí)別圖像中不同層次目標(biāo)（道路、行人、車輛、障礙物）[10]。目標(biāo)識(shí)別效果依賴于深度學(xué)習(xí)的樣本的類型和數(shù)量，因此深度學(xué)習(xí)目標(biāo)識(shí)別的樣本需要不斷迭代和更新。

圖2 攝像頭目標(biāo)識(shí)別原理圖

1.2.3 超聲波雷達(dá)探測原理

傳感器內(nèi)的超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，由接收傳感器接收經(jīng)障礙物反射回來的超聲波，根據(jù)超聲波反射接收的時(shí)間差，由控制單元內(nèi)的CPU 處理換算成距離[11]。超聲波雷達(dá)在速度很高情況下的測量距離有一定的局限性，這是因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣群苋菀资芴鞖馇闆r的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，使用超聲波測距無法跟上汽車車距的實(shí)時(shí)變化，誤差較大。超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時(shí)，其回波信號(hào)會(huì)比較弱，影響測量精度[12]，但超聲波在短距情況下傳感器具有非常大的優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于自動(dòng)泊車的車位探測及行車盲點(diǎn)輔助。

1.2.4 激光雷達(dá)探測原理

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理，如圖3 所示，其由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，根據(jù)光線的飛行時(shí)間獲得單點(diǎn)的相對(duì)距離，并根據(jù)激光雷達(dá)基礎(chǔ)坐標(biāo)系計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)云在坐標(biāo)系的位置（x，y，z）[13]。激光雷達(dá)可直接生成帶有坐標(biāo)位置的點(diǎn)云信息，在多線激光雷達(dá)照射下可形成多點(diǎn)外輪廓，采用聚類分析、語義分割、深度學(xué)習(xí)[14]等目標(biāo)分類識(shí)別技術(shù)，建立車輛四周的道路、障礙物、行人、車道線、車輛、交通標(biāo)志等數(shù)字化模型，直接應(yīng)用于駕駛輔助系統(tǒng)的控制決策。

圖3 激光雷達(dá)探測原理圖

2 駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

典型的駕駛輔助系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試平臺(tái)框架，如圖4 所示，包含了場景建模工作站、雷達(dá)目標(biāo)模擬器、超聲波雷達(dá)信號(hào)注入、視頻暗箱、視頻注入系統(tǒng)、ADAS-ECU、駕駛模擬器、車輛動(dòng)力學(xué)模型所組成的仿真測試平臺(tái)。

圖4 駕駛輔助系統(tǒng)在環(huán)仿真測試平臺(tái)框架

硬件在環(huán)仿真典型數(shù)據(jù)傳遞過程步驟如下：

1）場景軟件將各個(gè)虛擬傳感器模型檢測目標(biāo)信號(hào)輸出至對(duì)應(yīng)傳感器模擬器。

2）各個(gè)模擬器子系統(tǒng)采用物理信號(hào)仿真的方式與真實(shí)傳感器進(jìn)行聯(lián)合仿真。

3）傳感器通過CAN/CANFD 將采集到的目標(biāo)信息輸入至ADAS-ECU。

4）ADAS-ECU 根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)模擬輸入車速、其他信息，駕駛模擬器輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、油門踏板、加速踏板信號(hào)等信息，結(jié)合傳感器目標(biāo)、車道線識(shí)別結(jié)果進(jìn)行綜合決策。

5）ADAS-ECU 輸出決策控制命令至實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的車輛動(dòng)力學(xué)模型，執(zhí)行 ACC、AEB、LKA、TJA、APA。

6）車輛動(dòng)力學(xué)模型將執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，計(jì)算出各個(gè)車輪的位置（x，y，z），并將車速、減速度、方向轉(zhuǎn)角等信息反饋至場景軟件。

7）場景軟件更新場景數(shù)據(jù)，完成新的一幀數(shù)據(jù)仿真。

2.2 雷達(dá)目標(biāo)模擬器

雷達(dá)目標(biāo)模擬器是毫米波雷達(dá)射頻信號(hào)在環(huán)仿真方案的關(guān)鍵部件。雷達(dá)目標(biāo)模擬器通過射頻天線接收端接收雷達(dá)信號(hào)后，采用傅里葉變換算法對(duì)該電磁波信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，解析雷達(dá)波信號(hào)特征，再根據(jù)場景軟件中雷達(dá)模型傳遞的被模擬目標(biāo)速度、距離、雷達(dá)截面積值（RCS），通過射頻信號(hào)技術(shù)對(duì)回波延時(shí)、多普勒頻移、信號(hào)增益/衰減3 項(xiàng)操作，完成雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)的速度、距離、RCS 值的模擬[15]。

分析連續(xù)2 束正弦波調(diào)制的雷達(dá)波信號(hào)，若物體保持靜止，對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后的結(jié)果，將會(huì)在相同的頻率f 位置出現(xiàn)峰值。雷達(dá)目標(biāo)模擬器模擬距離為D 的物體，通過計(jì)算出雷達(dá)發(fā)射與接收信號(hào)的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)距離D。若物體移動(dòng)速度為v，則連續(xù)2 次信號(hào)解析的結(jié)果存在相位差，結(jié)合2 束波發(fā)射的時(shí)間間隔，計(jì)算出所需相位差，對(duì)信號(hào)的相位進(jìn)行偏移以模擬目標(biāo)速度[16]。

雷達(dá)目標(biāo)模擬器在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要性能參數(shù)，如表1 所示，雷達(dá)目標(biāo)模擬器的工作頻段、瞬時(shí)帶寬應(yīng)大于等于被測雷達(dá)參數(shù)，模擬目標(biāo)RCS 值的范圍代表模擬目標(biāo)種類的豐富程度，而最近的目標(biāo)模擬距離直接影響測試場景的搭建。

表1 雷達(dá)目標(biāo)模擬器目標(biāo)仿真主要參數(shù)表

雷達(dá)目標(biāo)模擬器對(duì)每個(gè)雷達(dá)目標(biāo)的模擬都需要配置獨(dú)立的通道進(jìn)行信號(hào)處理，模擬目標(biāo)的數(shù)量與成本成正比，同時(shí)單方向上模擬目標(biāo)的數(shù)量過多，會(huì)造成信號(hào)干擾。與實(shí)際道路行駛時(shí)雷達(dá)探測到的目標(biāo)相比，模擬目標(biāo)的數(shù)量較少，不能真實(shí)反映汽車在道路上行駛時(shí)所處的復(fù)雜電磁波環(huán)境。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)多目標(biāo)模擬，將雷達(dá)目標(biāo)模擬器的收發(fā)天線置于環(huán)形導(dǎo)軌上，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)收發(fā)天線沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同方向的雷達(dá)模板動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬，受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能模擬的方向目標(biāo)有限。

2.3 視頻暗箱

攝像頭在環(huán)仿真的視頻暗箱，如圖5 所示。仿真方案由虛擬環(huán)境播放顯示屏、攝像頭、攝像頭調(diào)節(jié)支架及透鏡裝置三部分組成。攝像頭調(diào)節(jié)裝置可實(shí)現(xiàn)3 個(gè)移動(dòng)自由度、3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的調(diào)節(jié)與鎖止功能，同時(shí)配備攝像頭透鏡裝置，以實(shí)現(xiàn)將攝像頭與屏幕匹配。這種黑箱的方式只適合單目攝像頭，且適用的攝像頭較少、需要額外增加變焦鏡片，因此不同焦距、角度的攝像頭標(biāo)定和匹配用材料不能共用，若攝像頭后端圖像處理算法較弱，最終輸出成像效果將失真。

圖5 攝像頭在環(huán)仿真的視頻暗箱

2.4 視頻注入

攝像頭視頻流注入原理，如圖6 所示。場景仿真軟件構(gòu)建虛擬場景并進(jìn)行視景渲染，通過顯卡輸出視頻流，通過HDMIDVI 與上位機(jī)的顯卡通道相連，將采集到的視頻流輸入至視頻注入模塊中進(jìn)行處理，處理完的信號(hào)通過ECU 適配板輸出給攝像頭圖像處理、目標(biāo)識(shí)別的ECU，視頻注入攝像頭在環(huán)仿真的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）可測試強(qiáng)光或逆光情況下控制算法的反應(yīng)；

2）可測試多目、360°環(huán)視系統(tǒng)；

3）可以通過對(duì)視頻注入板卡進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)級(jí)、像素級(jí)的故障注入；

4）可實(shí)現(xiàn)低延時(shí)高保真的攝像頭在環(huán)仿真測試。

圖6 攝像頭視頻流注入原理圖

2.5 測試場景建模軟件

場景仿真軟件與車輛動(dòng)力學(xué)軟件聯(lián)合仿真可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，能夠?qū)④囕v動(dòng)力學(xué)模型與交通場景很好地融合起來，進(jìn)而彌補(bǔ)了車輛動(dòng)力學(xué)軟件在真實(shí)交通場景建模、路網(wǎng)系統(tǒng)建模及交通狀況控制方面的不足，形成整個(gè)復(fù)雜交通環(huán)境。場景仿真軟件具有強(qiáng)大的道路環(huán)境交通仿真能力，包括：

1）復(fù)雜路網(wǎng)建模，包含異形交叉路口、轉(zhuǎn)彎、坡度、超高、及路邊建筑（隧道、橋梁等）；

2）具有強(qiáng)大的交通仿真和交通規(guī)則仿真能力，包含交通流模擬、行人干擾；

3）多種天氣模式渲染（雨、雪、霧、沙塵暴等），動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)光影、HDR 渲染和路面渲染；

4）采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和接口，非常適合與第三方軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真；

5）傳感器仿真能力，包括理想傳感器和復(fù)雜傳感器，可以獲得目標(biāo)的Object List 或者模擬傳感器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

目前，商用的場景軟件功能都較為相近，性能和功能區(qū)別不夠明顯。各個(gè)場景軟件都支持Open drive 和Open scenario 格式的道路網(wǎng)絡(luò)與場景格式化導(dǎo)入。在場景軟件中建立起各個(gè)傳感器的物理模型，通過目標(biāo)列表直接注入至ADAS-ECU，可實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策、控制算法驗(yàn)證，與傳感器目標(biāo)物理信號(hào)模擬方式相結(jié)合，可解決駕駛輔助系統(tǒng)算法開發(fā)不同層級(jí)的需求。

3 未來測試技術(shù)發(fā)展預(yù)測

3.1 傳感器

通過全方位的360°環(huán)視、多雷達(dá)系統(tǒng)、高精度定位等自主感知信息獲取車輛有限距離的外部環(huán)境信息，結(jié)合5G 車路協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的路徑規(guī)劃、事故早報(bào)等功能，為高度自動(dòng)駕駛應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是多系統(tǒng)協(xié)調(diào)，多技術(shù)融合，同時(shí)存在多方面的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)前需要多維度多角度的測試評(píng)價(jià)達(dá)到置信程度。

3.2 測試技術(shù)挑戰(zhàn)

傳感器數(shù)量、類別的增多給整套自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。典型多傳感器自動(dòng)駕駛汽車，如圖7 所示。全車有6 個(gè)毫米波雷達(dá)、1 個(gè)激光雷達(dá)、6 個(gè)攝像頭、慣導(dǎo)、車路協(xié)同設(shè)備，若對(duì)所有傳感器都配置對(duì)應(yīng)的物理信號(hào)仿真模擬器，會(huì)帶來多模擬器硬件實(shí)時(shí)仿真協(xié)調(diào)性的挑戰(zhàn)和多實(shí)時(shí)系統(tǒng)之間任務(wù)解包、任務(wù)分配、信號(hào)輸出與反饋之間的同步性問題，挑戰(zhàn)現(xiàn)有的測試模型和框架。針對(duì)常見的視覺、雷達(dá)、GNSS 在環(huán)仿真，已經(jīng)有經(jīng)過大量驗(yàn)證的可實(shí)施方案。對(duì)于環(huán)視系統(tǒng)和前視攝像頭，采用視頻流注入的方式是較優(yōu)的解決方案，而激光雷達(dá)單幀仿真的點(diǎn)云數(shù)量巨大，采用物理仿真的方式很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確仿真。不同的激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)形式各異，采用激光雷達(dá)目標(biāo)模擬器方式存在較大的技術(shù)難度和通用性問題，因此針對(duì)激光雷達(dá)仿真，采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接注入目標(biāo)控制器。受制于雷達(dá)目標(biāo)模擬器的仿真原理，1 個(gè)雷達(dá)仿真子系統(tǒng)能仿真的雷達(dá)目標(biāo)數(shù)量較少，正常雷達(dá)檢測到道路上目標(biāo)至少大于8 個(gè)，因此采用信號(hào)延時(shí)的雷達(dá)仿真方式存在一定的局限性。未來針對(duì)雷達(dá)目標(biāo)模擬器采用陣列式的多目標(biāo)模擬暗箱，利用電信號(hào)高速控制雷達(dá)信號(hào)收發(fā)與目標(biāo)仿真計(jì)算，至少可實(shí)現(xiàn)16 個(gè)不同方向及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的模擬。同時(shí)在場景軟件中建立起毫米波雷達(dá)模型，將場景中背景目標(biāo)材質(zhì)的雷達(dá)反射特性進(jìn)一步細(xì)化，傳遞給雷達(dá)目標(biāo)模擬器進(jìn)行目標(biāo)仿真，貼近真實(shí)雷達(dá)環(huán)境。

圖7 未來車載環(huán)境感知傳感器布局示意圖

4 結(jié)論

目前，駕駛輔助系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試，由于視頻暗箱進(jìn)行攝像頭在環(huán)仿真的方案只能覆蓋單目攝像頭，采用視頻流信號(hào)注入至攝像頭圖像處理ECU 的方式，可以覆蓋多種類型的視覺方案的測試需求，同時(shí)具備視頻信號(hào)層的故障注入功能，但存在需針對(duì)每款攝像頭芯片模組進(jìn)行開發(fā)的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的雷達(dá)模擬器只能實(shí)現(xiàn)較少目標(biāo)模擬，多目標(biāo)陣列式雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)仿真，能夠讓雷達(dá)在環(huán)仿真測試更加貼近真實(shí)的雷達(dá)環(huán)境。