摘要：先進駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance Systems，ADAS）在汽車行業中占有重要地位，影響著未來汽車的發展趨勢。ADAS 是現代汽車的關鍵特征之一，通過整合傳感器、攝像頭和計算機視覺技術，提供了一系列駕駛輔助功能，旨在提高駕駛安全性、舒適性和便利性。本文搭建ADAS 域控制器與虛擬交通場景相結合的半實物仿真平臺，實現整車動力學模型的實時運行，模擬電控系統的輸入信號和電氣負載；采集電控系統的輸出和輸入信號，實現對實時模型的閉環控制，完成各種測試驗證和評估工作。設計的測試系統可提高測試效率、縮短測試周期、降低測試成本，能夠對實車測試中難以實現的極端工況進行測試。
2022 年，國內搭載（Advanced Driver Assistance Systems，ADAS）系統的乘用車市場滲透率比上年同期增加9.1%， 其中搭載L2 及L2+級ADAS 系統的乘用車銷量同比增長46.0%。消費者購買汽車時主要考慮汽車的安全性和舒適性[1-2]，但輔助駕駛系統在帶給人們舒適便利的同時也存在一定的風險，如發生汽車失控情況。因此， 如何科學地進行ADAS系統測試，以提高汽車的安全性能，是汽車產業發展中亟需解決的問題[3]。
本文提出一種基于Xpack4 實時系統， 包括場景模型、 整車動力學模型在內的面向ADAS 域控制器的HIL 仿真測試方案。系統采用半實物仿真技術，與純仿真相比[4-6]，能夠實時檢測系統數據，更接近實際車輛測試的情況；與實車測試相比[7-10]，能夠有效規避測試中的重復驗證、 開發周期長和高成本等問題，且能完成極限工況中的測試，提高汽車的安全性能。
ADAS-HIL 測試系統方案如圖1 所示， 測試系統主要由上位機、人機共駕輸入系統、實時仿真系統和被測域控制器等組成。在對域控制器進行功能測試時，通過實時系統運行仿真模型，再通過I/O 與被測ADAS 域控制器通信；針對汽車攝像頭的仿真，采用視頻注入方式進行原始數據流注入， 將場景仿真軟件中的傳感器模型輸出信息注入給域控制器。
圖1 ADAS 測試系統架構圖Fig.1 ADAS testing system architecture
駕駛信號的輸入可以通過人機共駕輸入系統或在上位機中直接發出駕駛信號， 使車輛模型在虛擬場景中運行， 再利用自動駕駛仿真軟件中的虛擬攝像頭采集視頻信號， 或者通過虛擬雷達采集障礙物信號來模擬實車行駛環境， 使控制器誤以為處于實車行駛的環境中， 從而達到對ADAS 域控制器測試的目的。
測試系統硬件布局如圖2 所示， 主要包括上位機、實時處理系統、IO 硬件VT 板卡、總線通信接口卡和被測域控制器等硬件。其中，實時處理系統、各測試硬件設備和負載件集成在測試機柜中；測試機柜留有用于固定安裝VT 硬件系統、 程控電源和電源控制箱等硬件。
圖2 測試機柜Fig.2 Test rack
機柜中的電源控制箱主要給機柜整體供電；程控電源則給域控制器供電；超聲波回波盒在測試中進行超聲波仿真模擬；板卡主要有電源控制板卡、模擬量板卡以及數字量板卡；故障注入單元用作測試中的CAN 總線故障注入，對地或電短路斷路；實時仿真系統主要模擬仿真時整車的運行環境。實時系統采用XPACK4 實時處理器，支持仿真實時運行時間小于等于1 ms。
ADAS 測試平臺對于數據交互的實時性要求較高， 仿真系統要將ADAS 控制器所需的傳感器信號，如毫米波雷達、超聲波雷達、攝像頭等信號通過不同的連接方式發送給ADAS 控制器，使其做出相應的控制決策，從而完成ADAS 控制系統測試環境的搭建。
傳感器信號獲取的流程如圖3 所示，通過CAN/CANFD 總線將場景仿真軟件中虛擬傳感器模型感知周圍交通環境輸出的信息注入給域控制器， 再由域控制器作出決策控制，從而實現功能觸發。
圖3 傳感器仿真Fig.3 Sensor simulation
測試系統可實時運行場景仿真模型、 車輛動力學模型，并向上位機傳輸仿真結果。同時，通過I/O軟硬件接口連接被測域控制器， 接收ADAS 控制算法發出的指令。根據系統的工作特點，測試所需要傳輸信號類別有：
（1）模擬信號：即用連續變化的物理量表示的信息，可用于電流測量，方向盤轉角、制動壓力等連續輸入量。
（2）數字信號：可用作一些功能的開關信號，如點火開關、功能開關等，用來檢測功能的狀態。
（3）CAN/LIN 信號：主要為車身各個傳感器、執行器與控制器間的交互信號。如用來實現場景仿真軟件中的虛擬傳感器與被測域控制器的交互。
測試系統的軟件設計是通過對視景仿真系統、車輛動力學實時仿真模型以及整個平臺的通信系統等進行開發設計， 實現測試時車輛在仿真場景中的動態響應以及對仿真測試結果的實時觀察和監測。
在軟件設計方面， 上位機場景仿真軟件選用CarMaker，包含場景模型、傳感器高精度物理模型、車輛動力學模型，以及提供實時運行系統、試驗管理功能；試驗管理軟件選擇CANoe 用于硬件在環測試系統的管理和控制，包含VT 板卡控制，總線仿真，故障注入和電源分配板控制。
CarMaker 可以為自動駕駛提供閉環仿真，輔助功能均可獲得所需的信息和參數。還可以通過定義的接口將自己的模型和硬件組件集成到仿真環境中。軟件自身也提供的模型包含了精準的車輛模型，如發動機、懸架、傳動和傳感器等模型；同時可通過GUI 生成道路模型、交通環境模型、駕駛員模型，以及車輛工況序列， 可以駕駛車輛進行真實有效的復雜工況仿真。
如圖4 所示，GUI 搭建的仿真場景，主要是通過ADAS 系統的功能規范及測試用例，分析相關測試場景，根據需求設置道路參數（車道曲率、車道數、車道線等）；設置目標類型（行人、不同類型車輛、自行車、摩托車等）；對周圍環境，如建筑物、基礎設施、天氣模型（如雨、雪、霧等）以及光源（如交通信號燈、太陽光路燈等）等。通過將編輯對象拖拽到編輯區域，設置成所需要的參數，能夠快速建立所需的道路模型。
圖4 測試界面Fig.4 Test interface
CANoe 作為試驗管理軟件，支持從需求分析到系統實現的整個系統的開發過程， 可以針對測試提供環境配置、測試監控、用例管理等功能。
測試環境配置：如硬件配置，提供圖形化的硬件配置功能，實現對VT 各板卡的屬性配置及板卡控制。
測試監控：提供Panel 功能，可實現數據監測及測試參數修改， 對控制器監控的功能包括控制信號的仿真、狀態監控、同步跟蹤和記錄所配置的報文及數據等。
用例管理：提供測試參數集管理的功能，實現對不同車型平臺測試參數的管理和快速切換， 以便于測試積累或復用及提升測試效率。
在建立好仿真場景、傳感器模型、整車模型后，開始對整體仿真模型進行測試， 其中，CarMaker 場景仿真模型， 整車動力學模型和需被測的域控制器運行在基于CANoe 的環境下。測試平臺可實現多種ADAS 功能測試， 如LKA 車道保持輔助、ACC 自適應巡航、ELK 緊急車道保持、APA 高級泊車輔助系統、LDW 車道偏離預警等功能的測試。
以車道保持輔助（LKA）、自適應巡航（ACC）和自動緊急制動（AEB）功能為例，驗證ADAS 硬件在環仿真的有效性。
（1）車道保持LKA 彎道仿真工況：設置車道寬度3.5 m，彎道半徑200 m，車輛車速65 km/h 勻速行駛， 從直道進入彎道， 分析車輛進入彎道偏離時LKA 是否介入，測試結果如圖5 所示。車輛從直道進入彎道發生偏離時，ADAS 控制器發出扭矩控制車輛保持在當前車道行駛， 扭矩為正表示控制車輛往左糾偏，扭矩為負表示控制車輛往右糾偏。
圖5 LKA 測試結果Fig.5 Result of LKA test
（2）自適應巡航ACC 接近靜止車輛仿真工況：設置自車初始車速65 km/h， 前車在自車正前方200 m 處，分析車輛能否減速并跟隨前車行駛，測試結果如圖6 所示。自車與前車存在風險時開始剎車，一直剎車到車速為0 km/h 左右。
圖6 ACC 測試結果Fig.6 Result of ACC test
（3）自動緊急制動AEB 仿真工況：設置自車車速65 km/h，前車靜止，分析車輛能否實現制動減速，測試結果如圖7 所示。車輛先平穩啟動， 當開啟AEB 功能后，檢測到前方有靜止車輛，車輛存在碰撞風險時AEB 功能激活，當ADAS 控制算法發出減速度進行減速，車速減速至0。
圖7 AEB 測試結果Fig.7 Result of AEB test
本文通過搭建虛擬測試場景、虛擬傳感器模型、車輛動力學模型、CAN 通訊模型等構建了ADAS 硬件在環仿真平臺， 與被測域控制器針對ADAS 中的車道保持輔助（LKA）、自適應巡航（ACC）、自動緊急制動（AEB）等功能進行了仿真測試。結果表明，該方案能很好地對ADAS 系統進行實驗驗證， 為ADAS功能測試開發提供可靠的方案。
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