基于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)HiL測(cè)試平臺(tái)

前言

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)與HiL測(cè)試平臺(tái)是“絕配”。

自動(dòng)駕駛領(lǐng)域是軟件定義汽車的現(xiàn)身說法。過去很長(zhǎng)一段時(shí)間汽車的調(diào)性常常由三大件——發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和底盤來定義，一輛車是舒適取向還是操控取向，要看三大件的技術(shù)水平和調(diào)教方式。由于傳統(tǒng)三大件的主體都是結(jié)構(gòu)件，總的來說軟件的重要性并不高。但隨著汽車智能化的發(fā)展，這種態(tài)勢(shì)變了：除了關(guān)心汽車的“腿腳”夠不夠靈活穩(wěn)健，用戶開始關(guān)心汽車的“大腦”是否智能，越來越多的整車廠也把汽車智能化水平作為賣點(diǎn)，最典型的像特斯拉，它的智能駕駛套件FSD是獨(dú)立售賣的，搭載FSD的車輛能夠?qū)崿F(xiàn)L2級(jí)自動(dòng)駕駛，代替駕駛員開車。類似FSD這一類的自動(dòng)駕駛功能模塊是純軟件的，可以與硬件解耦，實(shí)現(xiàn)跨車型兼容和OTA遠(yuǎn)程升級(jí)，就像手機(jī)APP一樣方便，而就是這樣的類似手機(jī)APP的汽車APP，定義了汽車的智能化程度。

在軟件定義汽車的大前提下，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開發(fā)的重點(diǎn)就是自動(dòng)駕駛軟件。自動(dòng)駕駛軟件不同于一般的汽車控制器軟件，它的功能驗(yàn)證需要在各種駕駛場(chǎng)景中才能測(cè)試，而使用低成熟度的軟件進(jìn)行實(shí)際的道路場(chǎng)景測(cè)試是非常危險(xiǎn)且代價(jià)高昂的。HiL硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)本質(zhì)上是一種仿真的測(cè)試平臺(tái)，允許低成熟度的軟件在仿真場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試的同時(shí)能兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，是非常實(shí)用的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)開發(fā)工具。

HiL測(cè)試平臺(tái)

HiL硬件在環(huán)仿真是一種用于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試技術(shù)。汽車的車載系統(tǒng)一般由傳感器——控制器——執(zhí)行器構(gòu)成，一般地，HiL硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試對(duì)象是控制器，傳感器信號(hào)、執(zhí)行器信號(hào)以及其他通訊和負(fù)載信號(hào)由HiL測(cè)試平臺(tái)提供，相當(dāng)于將控制器置于仿真的整車環(huán)境中。

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典型HiL測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

典型的HiL測(cè)試平臺(tái)主要由上位機(jī)、實(shí)時(shí)機(jī)、通訊模塊、IO模塊、故障注入模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、負(fù)載箱、供電系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，上位機(jī)是一臺(tái)安裝了測(cè)試軟件的電腦，人機(jī)交互是基于這臺(tái)電腦展開的;實(shí)時(shí)機(jī)是安裝了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的目標(biāo)機(jī)，仿真模型在實(shí)時(shí)機(jī)上運(yùn)行;通訊模塊提供CAN/LIN/Flexray等車載通訊資源;IO模塊提供數(shù)字/模擬的輸入輸出信號(hào)，包括電壓、電流、電平、PWM、計(jì)數(shù)、定時(shí)、觸發(fā)等;故障注入模塊提供硬線信號(hào)的開路、短路、接地、接電源等故障;信號(hào)調(diào)理模塊將IO模塊的輸入輸出調(diào)理到控制器能夠接受的范圍;負(fù)載箱給控制器的一些驅(qū)動(dòng)端口提供相應(yīng)的負(fù)載以消除相關(guān)報(bào)錯(cuò);供電系統(tǒng)給測(cè)試平臺(tái)安全供電，提供220V/24V/12V/5V/3.3V的恒壓電源以及可調(diào)電壓和功率的程控電源。 基于以上的組件，HiL測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能包括：功能測(cè)試、性能測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、標(biāo)定、故障注入、診斷。 HiL測(cè)試的使用場(chǎng)景是ASPICE過程中的SYS.5系統(tǒng)合格性測(cè)試，在系統(tǒng)的軟硬件集成完畢以后對(duì)其進(jìn)行的合格性檢查。當(dāng)然，這種測(cè)試不是一次性的，而是一個(gè)迭代的過程，每次有需求變更或者bug修復(fù)引起的系統(tǒng)升版都需要進(jìn)行新一輪的合格性測(cè)試。

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ASPICE過程參考模型

對(duì)于迭代比較頻繁的系統(tǒng)開發(fā)，則CI/CD的開發(fā)模式則更為高效。CI/CD是一種持續(xù)集成和持續(xù)交付的開發(fā)理念，HiL測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，匹配CI/CD流程中的持續(xù)測(cè)試(continuous testing)的要求，能更及時(shí)地處理不斷產(chǎn)生的測(cè)試需求。

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CI/CD開發(fā)模式

對(duì)于實(shí)時(shí)性和同步性要求高的測(cè)試也應(yīng)該優(yōu)先考慮使用HiL測(cè)試，因?yàn)镠iL測(cè)試引入了實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)作為模型運(yùn)行和信號(hào)交互的載體來解決實(shí)時(shí)性問題;同時(shí)，實(shí)時(shí)機(jī)與外設(shè)之間使用同樣的時(shí)鐘信號(hào)保障同步性。

HiL測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)在于：

便捷性，不需要完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建即可進(jìn)行測(cè)試，大大加速了系統(tǒng)開發(fā)的進(jìn)程;

安全性，使用仿真的場(chǎng)景來避免帶有危險(xiǎn)性的測(cè)試過程;

高效性，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，測(cè)試過程一鍵完成，測(cè)試用例、數(shù)據(jù)、結(jié)果統(tǒng)一管理;

復(fù)用性，測(cè)試用例是可以保存并復(fù)用的;

經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)采用部分仿真的方式，節(jié)約了相關(guān)硬件或場(chǎng)景搭建的費(fèi)用;

測(cè)試覆蓋度高，參數(shù)化的測(cè)試配置，能夠最大限度地覆蓋測(cè)試要求;

交互性，良好的人機(jī)交互易于測(cè)試人員操作使用。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)HiL測(cè)試平臺(tái)

按照自動(dòng)駕駛水平來分類，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分為低階的ADAS高級(jí)輔助駕駛(L0-L2)和AD全自動(dòng)駕駛(L3-L5)。無論是ADAS也好，還是AD也好，系統(tǒng)的整體架構(gòu)是不變的：傳感器——控制器——執(zhí)行器。 傳感器主要包括了攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等;控制器是指自動(dòng)駕駛域控制器DCU，相比于分布式ECU，DCU是多個(gè)相似領(lǐng)域的ECU功能的整合，它的特點(diǎn)是集成了高性能的域主控處理器、豐富的硬件接口資源以及強(qiáng)大的軟件功能特性，同時(shí)它的測(cè)試也相應(yīng)會(huì)更加復(fù)雜;執(zhí)行器是指駕駛車輛用到的方向盤、油門、剎車以及擋位。 真實(shí)的域控制器DCU是測(cè)試對(duì)象，而傳感器和執(zhí)行器則是需要仿真的，HiL測(cè)試平臺(tái)的架構(gòu)如下圖：

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自動(dòng)駕駛系統(tǒng)HiL測(cè)試平臺(tái)

從左至右依次是傳感器仿真模塊、待測(cè)域控制器、測(cè)試控制核心以及執(zhí)行器仿真模塊，其中測(cè)試控制核心又包含了上位機(jī)和實(shí)時(shí)機(jī)，那么HiL測(cè)試的業(yè)務(wù)流程就是：

上位機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景仿真程序并調(diào)度傳感器進(jìn)行場(chǎng)景的感知，在仿真程序中包含一臺(tái)自動(dòng)駕駛的主車和為實(shí)現(xiàn)特定自動(dòng)駕駛功能搭建的道路、信號(hào)燈、路牌等交通元素，主車在其中行駛就形成了特定的場(chǎng)景;

傳感器仿真模塊將感知到的場(chǎng)景信息以CAN或者以太網(wǎng)的通訊方式發(fā)送給域控制器;

域控制器對(duì)感知信號(hào)進(jìn)行融合和決策，確定是否激活某種自動(dòng)駕駛功能，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)；

實(shí)時(shí)機(jī)運(yùn)行動(dòng)力學(xué)仿真，將域控制器發(fā)送的控制信號(hào)解算為位姿信號(hào)，并將其反饋給場(chǎng)景仿真程序;

場(chǎng)景仿真程序接收位姿信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整場(chǎng)景中仿真車輛的位置和姿態(tài);

執(zhí)行器仿真模塊是一臺(tái)駕駛模擬器，用于模擬駕駛員的功能，在自動(dòng)駕駛功能未激活時(shí)可以駕駛車輛，在其激活時(shí)作為后備駕駛員;

記錄上述過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，即可根據(jù)功能規(guī)范/測(cè)試用例的標(biāo)準(zhǔn)判斷測(cè)試的成敗。

另外，上位機(jī)搭載了測(cè)試自動(dòng)化軟件，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程的自動(dòng)化;故障注入、信號(hào)調(diào)理、負(fù)載箱、電源管理等標(biāo)準(zhǔn)模塊默認(rèn)是包含在自動(dòng)駕駛HiL測(cè)試平臺(tái)中的，上一章節(jié)有提及，不再贅述。

傳感器的仿真包括了對(duì)攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)以及超聲波雷達(dá)的仿真，對(duì)攝像頭的仿真有兩種形式——暗箱仿真和視頻注入。暗箱仿真是指將場(chǎng)景仿真軟件生成的視頻文件呈現(xiàn)至高清顯示器上，控制真實(shí)攝像頭進(jìn)行圖像拍攝，通過圖像處理和格式轉(zhuǎn)換后反饋至域控制器;視頻注入是將場(chǎng)景仿真軟件生成的視頻信號(hào)通過顯卡傳輸至視頻注入單元，根據(jù)模擬攝像頭幀率，分辨率以及顏色空間等進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，并通過高速串行接口輸出至域控制器。暗箱仿真的形式適合單目攝像頭且攝像頭數(shù)量不多的應(yīng)用場(chǎng)景，視頻注入的形式適合雙目、魚眼攝像頭和攝像頭數(shù)目較多的場(chǎng)景。

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毫米波雷達(dá)仿真也有兩種方式：暗箱仿真和信號(hào)注入。暗箱仿真是指將虛擬場(chǎng)景中的毫米波雷達(dá)模型信息進(jìn)行分析計(jì)算，控制待測(cè)雷達(dá)發(fā)送雷達(dá)信號(hào)給雷達(dá)目標(biāo)模擬器，模擬器接收信號(hào)，加入延時(shí)后再發(fā)送與接收信號(hào)相同振幅、頻率和周期的信號(hào)給暗箱中的真實(shí)雷達(dá)，雷達(dá)直接將信號(hào)發(fā)送給域控制器。信號(hào)注入是指在場(chǎng)景仿真軟件的車輛模型中加入待測(cè)雷達(dá)的模型，然后在測(cè)試中將雷達(dá)模型的反饋通過下位機(jī)實(shí)時(shí)傳遞給域控制器。激光雷達(dá)和超聲波雷達(dá)的仿真在原理上與毫米波雷達(dá)是一致的。

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雷達(dá)暗箱仿真示意圖

場(chǎng)景仿真可以使用常用的仿真軟件來，比如Prescan、Carla、Vires VTD，來完成。場(chǎng)景仿真完成的任務(wù)是根據(jù)測(cè)試規(guī)范中的要求，通過對(duì)各類交通參與者、交通元素、基礎(chǔ)設(shè)置、自然環(huán)境、天氣條件的排列組合，搭建出相應(yīng)的測(cè)試場(chǎng)景。

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動(dòng)力學(xué)仿真同場(chǎng)景仿真一樣，也可以由成熟的工業(yè)軟件，比如Amesim，來實(shí)現(xiàn)。Amesim采用功率鍵合圖的形式，借助單個(gè)零件的組合搭建車輛的動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)仿真的主要內(nèi)容就是基于車身質(zhì)量、車身尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重心位置、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、變速箱變比、輪胎、輪轂、接觸阻力等等一系列參數(shù)建立的動(dòng)力學(xué)模型，這個(gè)動(dòng)力學(xué)模型跟場(chǎng)景模型聯(lián)合仿真，讓車輛在場(chǎng)景中跑起來。 ?

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Amesim車輛動(dòng)力學(xué)模型

執(zhí)行器的仿真工作由一臺(tái)駕駛模擬器完成，主要是駕駛控制信號(hào)的輸入和車身姿態(tài)的反饋。測(cè)試人員操作駕駛模擬器的方向盤、油門、剎車、檔桿進(jìn)行駕駛操作，這些操作轉(zhuǎn)化為駕駛控制信號(hào)輸入給仿真場(chǎng)景中的主車;主車的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)駕駛操作進(jìn)行解算得到位姿數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)再反饋給駕駛模擬器的底座。值得注意的是，如果要獲得車身姿態(tài)的反饋，駕駛模擬器需要配備6自由度的座椅。? ?

結(jié)語

軟件定義汽車的大趨勢(shì)給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開發(fā)帶來比其他車載控制器更高的要求：高迭代速度和高測(cè)試覆蓋度。傳統(tǒng)的測(cè)試手段費(fèi)時(shí)耗力，而HiL測(cè)試平臺(tái)憑借仿真的測(cè)試環(huán)境和參數(shù)化的測(cè)試配置，能夠快速響應(yīng)高強(qiáng)度大范圍的測(cè)試需求，是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試的不二選擇。

編輯：黃飛

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