基于硬件的車載攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)仿真測試方案

為了更加高效地完成車載前視攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)功能的測試驗證， 提出了一種車載攝像頭在環(huán)的仿真測試方案。將某量產(chǎn)車載攝像頭集成于硬件在環(huán)實時仿真系 統(tǒng)并通過 ＣＡＮ 通道實時通訊，借助場景建模軟件實現(xiàn)不同道路、天氣、能見度等仿真工況的搭建， 然后通過自 動化測試軟件，進行全局測試用例的配置，以檢測該攝像頭車道偏離 預(yù)警系統(tǒng)的性能。

結(jié)果顯示：該仿真測試方法能較好地實現(xiàn)攝像頭功能邏輯及性能測試試驗， 不同工況下攝像頭的性能差別較大，為后期該攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化及實車測試提供了參考。

先進駕駛輔助系統(tǒng)（ ＡＤＡＳ） 是汽車智能化的重要一環(huán)，包括前向碰撞預(yù)警（ ＦＣＷ） 、自 適應(yīng)巡航（ ＡＣＣ）、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（ ＬＤＷ） 等 ， 在提高行車安全、緩解交通擁堵等方面具有重要的實用意義。

其中， 車道偏離預(yù)警系統(tǒng)主要依靠車載視覺傳感器完成車道線的檢測， 當(dāng)駕駛員出 現(xiàn)無意識偏離行為時， 通過報警來引起駕駛員 的注意，以保證車輛的行駛安全。

對于車道偏離預(yù)警系統(tǒng)功能的測試驗證， 大多通過受控場地試驗來完成，但是存在人力和物力成本較大、試驗過程繁瑣且對車輛控制要求較高的不足， 尤其是一些特殊場景難以重復(fù)性再現(xiàn)。

硬件在環(huán)測試方法作為在環(huán)測試的一個重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了車輛 ＡＤＡＳ 功能 Ｖ 型開發(fā)流程中模型在環(huán)、軟件在環(huán)與整車在環(huán)的有效銜接。各種在環(huán)測試方法在 Ｖ 型開發(fā)流程中的應(yīng)用也使得車輛 ＡＤＡＳ 功能開發(fā)驗證更加系統(tǒng)高效 。國內(nèi)外研究人員在相關(guān)方面做了較多研究 。

本文則提出了一種基于 ＮＩ 實時仿真系統(tǒng)的車載攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的仿真測試方法， 通過搭建包含視頻暗箱、ＣＡＮ 通信等在內(nèi)的硬件在環(huán)仿真平臺，完成了對某量產(chǎn)車載攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)功能邏輯及性能參數(shù)的仿真測試驗證工作，找出該攝像頭存在的不足， 使其后期優(yōu)化完善更具針對性。

01、攝像頭在環(huán)測試系統(tǒng)搭建

為了完成車載攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)仿真測試研究，本文搭建了一套攝像頭在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，其主要由 ＮＩ ＰＸＩ 實時仿真系統(tǒng)、高精度車輛動力學(xué)模型、高保真場景模型、待測攝像頭、視頻暗箱、ＣＡＮ 信號模塊、可編程電源以及自動化測試軟件組成，系統(tǒng)框圖如圖 １ 所示。

Ｖｅｒｉｓｔａｎｄ 是 ＮＩ 公司針對 ＰＸＩ 實時仿真測試系統(tǒng)而開發(fā)的軟件環(huán)境， 用來配置相關(guān)板卡的輸入輸出、部署車輛動力學(xué)模型， 并完成相關(guān)參數(shù)接口的映射連接。通過該軟件設(shè)計車道偏離系統(tǒng)監(jiān)控界面從而實時監(jiān)控測試車輛相關(guān)狀態(tài)參數(shù)。

高精度動力學(xué)模型在 ＰＸＩ 實時仿真系統(tǒng)中運行， 實時再現(xiàn)仿真車輛的動力學(xué)特性。測試環(huán)境模型主要通過高保真場景建模軟件搭建， 可自由配置天氣、能見度等環(huán)境因素并模擬不同的交通狀況， 完成某些危險或難以進行重復(fù)性測試的場景再現(xiàn)，相關(guān)環(huán)境模型通過視景顯示裝置作為攝像頭的采集輸入。

為了更好地貼合測試規(guī)程要求， 避免道路兩側(cè)其他物體的干擾， 基本環(huán)境效果如圖 ２ 所示；攝像頭采集部分包含待測攝像頭、視景顯示及暗箱，通過實時拍攝場景模型畫面完成對車道信息的采集，如圖 ３ 所示；可編程電源則為攝像頭上下電提供電源支持；自動化測試用例及流程配置主要通過自動化測試軟件實現(xiàn)， 同時結(jié)合 ＣＡＮ 信號分析工具， 完成對車道線識別以及車道偏離預(yù)警信號的提取與分析。

測試時， 車速信息由 高精度動力學(xué)模型通過ＣＡＮ 通道發(fā)送至攝像頭以激活車道偏離系統(tǒng)。暗箱中的待測攝像頭實時拍攝環(huán)境模型所展示的場景畫面并完成車道線信息的采集。如圖 ４ 所示，可以直觀監(jiān)測到環(huán)境狀況以及車道線識別情況，如果車道線被檢測到且沒有報警， 則檢測到的車道線為綠色，報警時為紅色。

同時，將車道識別信息或偏離預(yù)警信息發(fā)送至使用 Ｖｅｒｉｓｔａｎｄ 所設(shè)計的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控界面，控制攝像頭的供電、發(fā)動機點火及 ＬＤＷ 系統(tǒng)的開關(guān)，監(jiān)控車輛的速度、航向角、與車道線的距離及是否 報警等信息， 便于實時了 解車輛及ＬＤＷ 系統(tǒng)的工作狀態(tài)， 如圖 ５ 所示。

自動化測試軟件則按照所編寫的測試用例調(diào)配環(huán)境模型參數(shù)并實時監(jiān)測車輛和攝像頭的狀態(tài)信息， 實現(xiàn)不同測試流程的切換及測試結(jié)果的判斷。

02、測試試驗流程設(shè)計

在對具有車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的量產(chǎn)攝像頭進行測試時，要重點關(guān)注其車道識別及偏離報警的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，可參照中國汽車工程研究院股份有限公司（ 簡稱中國汽研） 國家智能汽車集成系統(tǒng)試驗區(qū)（ ｉ － ＶＩＳＴＡ） 發(fā)布的《車道偏離預(yù)警系統(tǒng)試驗規(guī)程》進行標(biāo)準(zhǔn)性能試驗。

同時， 參照其功能定義完成功能邏輯測試， 更進一步分別設(shè)計不同天氣、路面積水、能見度等情況下的環(huán)境模型，實現(xiàn)更深入的環(huán)境適應(yīng)性測試。最后， 借助自動化測試軟件快速高效地依次完成所設(shè)計的性能試驗、功能邏輯試驗及環(huán)境適應(yīng)性試驗。

２．１性能試驗

性能試驗是中國汽研針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)布的中國智能汽車指數(shù)體系中的重要試驗。本文參照該體系中的《車道偏離預(yù)警系統(tǒng)試驗規(guī)程》對待測攝像頭進行測試， 檢驗標(biāo)準(zhǔn)工況下其基本性能表現(xiàn)。該試驗規(guī)程設(shè)計試驗工況如表 １ 所示， 車道偏離試驗方法示意圖如圖 ６ 所示。

２． ２功能邏輯試驗

功能邏輯試驗重點關(guān)注攝像頭的邏輯狀態(tài)，檢測其在要求條件下能否實現(xiàn) ＬＤＷ 系統(tǒng)不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯如圖 ７ 所示。

在該試驗中， 利用可編程電源模塊對攝像頭進行供電，通過實時系統(tǒng)的模擬信號板卡設(shè)計系統(tǒng)狀態(tài)邏輯圖中的各種狀態(tài)供電情況測試用例，分別設(shè)置并控制電源開關(guān)、發(fā)動機點火開關(guān)、ＬＤＷ系統(tǒng)開關(guān)以及車速等參數(shù)來驗證其狀態(tài)邏輯切換是否合理。

主要針對攝像頭上下電、系統(tǒng)開啟 ／關(guān)閉、系統(tǒng)激活 ／退出 ３ 種邏輯轉(zhuǎn)換進行測試， 具體試驗工況如表 ２ 所示。

２． ３ 環(huán)境適應(yīng)性試驗

性能試驗中天氣狀況良好， 針對典型工況對攝像頭的基本功能進行試驗。環(huán)境適應(yīng)性試驗重點關(guān)注不同天氣環(huán)境下攝像頭車道識別及偏離報警的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。

在環(huán)境適應(yīng)性試驗中， 道路結(jié)構(gòu)、車道線規(guī)格以及偏離速度等與性能試驗一致，主要增加不同的天氣環(huán)境模型， 模擬實車試驗中較難重復(fù)性驗證的雨雪霧等天氣狀況以檢測其識別率，不同天氣環(huán)境模型如圖 ８ 所示。

２． ４ 自動化測試用例設(shè)計

針對攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)進行不同工況的測試，一方面要兼顧不同工況的測試與監(jiān)控， 另一方面要在保證測試準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上提高測試效率。本文借助自 動化測試軟件編制不同測試工況的測試流程及評價標(biāo)準(zhǔn)， 提高其測試效率。

在測試過程中，自 動化測試軟件按照編制的測試用例依次調(diào)用不同試驗工況的環(huán)境模型， ＮＩ 實時仿真系統(tǒng)中的攝像頭信號及車輛狀態(tài)信息也接入該軟件，從而實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)信息的實時監(jiān)測， 并判斷其是否通過測試標(biāo)準(zhǔn)要求。

自動化測試用例設(shè)計如圖 ９ 所示。以左彎道高速左偏離工況為例， 試驗開始部分主要是加載車輛動力學(xué)模型和仿真環(huán)境模型， 并開始記錄相關(guān)參數(shù)；攝像頭參數(shù)設(shè)置主要是對標(biāo)攝像頭的安裝位置及視角等參數(shù)；環(huán)境參數(shù)設(shè)置主要控制環(huán)境模型的天氣、道路等狀況；

然后根據(jù)攝像頭輸出的 ＣＡＮ 報文獲取攝像頭 ＥＣＵ 的狀態(tài)信號， 判斷ＬＤＷ 系統(tǒng)是否正常激活；如果系統(tǒng)正常激活則進入報警信號監(jiān)測， 通過 ＣＡＮ 報文信號判斷車道偏離時是否產(chǎn)生報警信號；

監(jiān)測到報警信號后立即進行下一步， 讀取車輛的橫向偏離速度判斷其是否處于規(guī)定的速度范圍內(nèi)， 最后終止該工況并自動進入下一工況進行測試。以此方法設(shè)計全局測試用例，涵蓋基本功能邏輯試驗、性能試驗以及環(huán)境適應(yīng)性試驗，并生成所需測試報告， 實現(xiàn)車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的自 動化測試。

03、測試結(jié)果及分析

３．１性能試驗

在性能試驗中，每種測試工況測試４ 次，直道可重復(fù)性試驗共進行 １６ 次，測試結(jié)果如表 ３ 所示。

測試中，直線低速、高速偏離工況全部正常通過，結(jié)果如圖 １０、１１ 所示， 當(dāng)車輪輪距在 － ０． １ ～０． １ ｍ 范圍時，均可及時產(chǎn)生報警信號。

進行左偏離試驗時重點關(guān)注左輪與左側(cè)車道線的距離以及在規(guī)定距離范圍內(nèi)是否有報警信號產(chǎn)生， 如果有報警信號產(chǎn)生則要驗證其橫向偏離速度是否處于規(guī)定的速度區(qū)間內(nèi)， 右偏離時則重點關(guān)注右輪與右側(cè)車道線的距離，同時監(jiān)測報警信號、橫向偏離速度及報警時車輪距等信息。

圖中縱軸為信號軸，未標(biāo)明量綱， 數(shù)
值可分別用于報警信號、輪距和偏離時的橫向速度， 報警信號為 ０ － １ 信號， 輪距單位為 ｍ，偏離速度單位為 ｍ／ｓ， 并對其取絕對值。本節(jié)其他信號圖與此相同。

彎道可重復(fù)性試驗共進行 ３２ 次， 測試結(jié)果如表 ４ 所示。

低速左／右偏離工況均能全部通過， 未作具體分析。高速偏離工況中左彎道右偏離和右彎道左偏離時攝像頭識別效果不佳，在 ４ 次試驗中均有 １次未能及時報警，車道偏離系統(tǒng)測試信號如圖 １２、１３ 所示。

圖 １２（ ａ） 為左彎道高速左偏離工況， 左輪距約為 ０ 時正常報警。圖 １２（ ｂ） 為左彎道高速右偏離工況，當(dāng)車輛右側(cè)偏離時車道線識別不穩(wěn)定導(dǎo)致其未能正常報警。圖 １３（ ａ） 為右彎道高速右偏離工況，在右輪距約等于 ０ 時正常報警。

圖 １３（ ｂ）為右彎道高速左偏離工況， 出現(xiàn)了與左彎道高速右偏離相同的情況。從攝像頭實時畫面來看，２ 個未報警工況中車輛發(fā)生偏移時， 相對運動導(dǎo)致彎道車道線圓弧快速偏向車輛一側(cè)， 識別效果較差且不穩(wěn)定。

通過性能試驗， 對待測攝像頭在典型工況中的基本性能結(jié)果進行了驗證分析。其中直道工況中，道路結(jié)構(gòu)簡單，車道線均可有效識別并在偏離時及時報警；彎道工況中， 車道線識別不穩(wěn)定， 特別是在左彎道高速右偏離及右彎道高速左偏離兩種高速反向偏離工況中， 不能及時報警， 為后期實車驗證及攝像頭算法優(yōu)化提供依據(jù)， 提高產(chǎn)品開發(fā)及測試效率。

３． ２ 功能邏輯試驗

攝像頭上下電測試時， 蓄電池電源和 ＬＤＷ 系統(tǒng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)， 車輛靜止， 控制發(fā)動機點火信號的開閉來檢測 ＬＤＷ 系統(tǒng)的狀態(tài)。如圖 １４ 中虛線框所示， （ ａ） 中 設(shè)置發(fā)動機點 火信號為開，ＬＤＷ 系統(tǒng)狀態(tài)變?yōu)?１， 即待機狀態(tài)；（ ｂ） 中設(shè)置發(fā)動機點火信號為關(guān)，ＬＤＷ 系統(tǒng)狀態(tài)變?yōu)?０， 即斷開狀態(tài)。測試結(jié)果表明， 攝像頭上下電切換滿足測試要求。

ＬＤＷ 系統(tǒng)開關(guān)測試時信號如圖 １５ 所示，其中（ ａ） （ ｂ） 工況下， 車輛均處于靜止?fàn)顟B(tài)， 蓄電池電源和發(fā)動機點火信號處于開啟 狀態(tài)， ＬＤＷ 系統(tǒng)開關(guān)信號為脈沖信號， 下降沿觸發(fā)。（ ａ） 中， ＬＤＷ 系統(tǒng)處于關(guān)閉 狀態(tài)， ＬＤＷ 系 統(tǒng)開關(guān)未 開啟， 設(shè)置ＬＤＷ 系 統(tǒng)開關(guān)為 開啟， 如 虛 線 框內(nèi) 變化所示，ＬＤＷ 狀態(tài)變?yōu)?１，即待機狀態(tài)。

（ ｂ） 中， ＬＤＷ 系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，ＬＤＷ 系統(tǒng)開關(guān)開啟， 設(shè)置 ＬＤＷ 系統(tǒng)開關(guān)為關(guān)閉， ＬＤＷ 系 統(tǒng)狀態(tài)變?yōu)?０， 即關(guān)閉狀態(tài)。（ ｃ） 中，設(shè)置車輛速度為 ６５ ｋｍ／ｈ， ＬＤＷ 系統(tǒng)狀態(tài)變?yōu)?２， 即激活狀態(tài)， 此時關(guān)閉 ＬＤＷ 系統(tǒng)開關(guān)，如虛線框內(nèi)變化所示， ＬＤＷ 系統(tǒng)狀態(tài)變?yōu)?０，即關(guān)閉狀態(tài)。

測試結(jié)果表明， ＬＤＷ 系統(tǒng)開關(guān)可以滿足要求，控制 ＬＤＷ 系統(tǒng)狀態(tài)切換。ＬＤＷ 系統(tǒng)激活 ／退出測試結(jié)果如圖 １６ 所示，（ ａ） 中，當(dāng)縱向車速達(dá)到 ６０ ｋｍ／ｈ 時， 如虛線框內(nèi)變化所示， 激活狀態(tài)發(fā)生突變， ＬＤＷ 系統(tǒng)激活；

（ ｂ） 中，當(dāng)縱向車速達(dá)到 ５５ ｋｍ／ｈ 時， 激活狀態(tài)發(fā)生突變， ＬＤＷ 系 統(tǒng)處于待機狀態(tài)。測試結(jié)果表明，當(dāng)車輛速度發(fā)生變化時， 雖激活狀態(tài)信號有稍許延遲， 但 ＬＤＷ 系 統(tǒng)能夠自 動激活或者退出激活，滿足要求。

３． ３ 環(huán)境適應(yīng)性試驗

進行環(huán)境適應(yīng)性測試時， 將測試環(huán)境復(fù)雜化，重點驗證路面積水、雨雪霧等工況下攝像頭的識別效果。其中， 當(dāng)路面存在積水時極易導(dǎo)致攝像頭的車道識別功能出現(xiàn)誤判， 進而嚴(yán)重干擾車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的正常工作。

主要表現(xiàn)在攝像頭誤把積水識別為車道， 在整個動態(tài)測試中車道線識別跳動較為嚴(yán)重，如圖 １７ 所示。圖 １７（ ａ） 為攝像頭在環(huán)仿真存在路面積水的工況下攝像頭誤識別車道線的實時畫面， 在整個試驗過程中識別誤差較大；

圖 １７（ ｂ） 是實車測試車道偏離預(yù)警系統(tǒng)時出現(xiàn)的虛警情況， 與仿真工況一致。在霧天環(huán)境下，攝像頭仍能較好識別， 不做過多闡述；而在雨雪天氣中，因為難以仿真雨雪落在攝像頭鏡頭上的工況，所以重點關(guān)注當(dāng)車速較快或雨雪較大而車輛與雨雪的相對運動導(dǎo)致飄落的雨雪近似成一條直線的情況， 分別設(shè)置不同的車速和雨雪量進行試驗，結(jié)果表明有較小概率造成誤識別， 但仍是攝像頭優(yōu)化時的考量因素。

結(jié)束語

基于硬件在環(huán)仿真平臺對車載攝像頭車道偏離預(yù)警系統(tǒng)進行了在環(huán)仿真測試方法研究， 針對某量產(chǎn)車載攝像頭設(shè)計了從其基本功能邏輯到其具體性能的測試用例， 并完成了仿真測試。

在硬件在環(huán)測試中發(fā)現(xiàn)了其在彎道工況中高速反向偏離時容易出現(xiàn)車道識別丟失、虛警或者不報警的情況，特別是在存在積水的路面上行駛時， 車道線識別跳動較大，誤警較多， 與實車車道偏離系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)情況一致， 如不及時優(yōu)化則容易影響駕駛員駕乘判斷及體驗。

試驗結(jié)果證明，基于硬件在環(huán)仿真平臺的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)仿真測試方法能夠高效、安全且可重復(fù)性地完成相關(guān)測試驗證， 發(fā)現(xiàn)存在的不足，為后期攝像頭算法優(yōu)化及實車試驗提供參考，便于更加快速發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

在對攝像頭進行更進一步的性能測試的試驗中，雖然模擬出了雨雪霧天氣環(huán)境， 但是無法有效模擬雨滴或雪花落在攝像頭采集鏡頭上時的情況，故在后期研究中將重點關(guān)注該問題并尋找更加科學(xué)的解決方法， 從而提高該仿真測試方法的覆蓋度、逼真度。
編輯：hfy