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

前言

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)與HiL測試平臺(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，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景中才能測試，而使用低成熟度的軟件進(jìn)行實(shí)際的道路場景測試是非常危險(xiǎn)且代價(jià)高昂的。HiL硬件在環(huán)測試平臺(tái)本質(zhì)上是一種仿真的測試平臺(tái)，允許低成熟度的軟件在仿真場景中進(jìn)行測試的同時(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)測試平臺(tái)的測試對象是控制器，傳感器信號、執(zhí)行器信號以及其他通訊和負(fù)載信號由HiL測試平臺(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測試平臺(tái)架構(gòu)

典型的HiL測試平臺(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，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的開路、短路、接地、接電源等故障;信號調(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測試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能包括：功能測試、性能測試、網(wǎng)絡(luò)測試、標(biāo)定、故障注入、診斷。 HiL測試的使用場景是ASPICE過程中的SYS.5系統(tǒng)合格性測試，在系統(tǒng)的軟硬件集成完畢以后對其進(jìn)行的合格性檢查。當(dāng)然，這種測試不是一次性的，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試。

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ASPICE過程參考模型

對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測試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試，匹配CI/CD流程中的持續(xù)測試(continuous testing)的要求，能更及時(shí)地處理不斷產(chǎn)生的測試需求。

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CI/CD開發(fā)模式

對于實(shí)時(shí)性和同步性要求高的測試也應(yīng)該優(yōu)先考慮使用HiL測試，因?yàn)镠iL測試引入了實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)作為模型運(yùn)行和信號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)鐘信號保障同步性。

HiL測試的優(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，使用仿真的場景來避免帶有危險(xiǎn)性的測試過程;

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

復(fù)用性，測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)硬件或場景搭建的費(fèi)用;

測試覆蓋度高，參數(shù)化的測試配置，能夠最大限度地覆蓋測試要求;

交互性，良好的人機(jī)交互易于測試人員操作使用。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)HiL測試平臺(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是測試對象，而傳感器和執(zhí)行器則是需要仿真的，HiL測試平臺(tái)的架構(gòu)如下圖：

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自動(dòng)駕駛系統(tǒng)HiL測試平臺(tái)

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

上位機(jī)運(yùn)行場景仿真程序并調(diào)度傳感器進(jìn)行場景的感知，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、信號燈、路牌等交通元素，主車在其中行駛就形成了特定的場景;

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

域控制器對感知信號進(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；

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

場景仿真程序接收位姿信號，實(shí)時(shí)調(diào)整場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/測試用例的標(biāo)準(zhǔn)判斷測試的成敗。

另外，上位機(jī)搭載了測試自動(dòng)化軟件，可實(shí)現(xiàn)測試過程的自動(dòng)化;故障注入、信號調(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;視頻注入是將場景仿真軟件生成的視頻信號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：暗箱仿真和信號注入。暗箱仿真是指將虛擬場景中的毫米波雷達(dá)模型信息進(jìn)行分析計(jì)算，控制待測雷達(dá)發(fā)送雷達(dá)信號給雷達(dá)目標(biāo)模擬器，模擬器接收信號，加入延時(shí)后再發(fā)送與接收信號相同振幅、頻率和周期的信號給暗箱中的真實(shí)雷達(dá)，雷達(dá)直接將信號發(fā)送給域控制器。信號注入是指在場景仿真軟件的車輛模型中加入待測雷達(dá)的模型，然后在測試中將雷達(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。場景仿真完成的任務(wù)是根據(jù)測試規(guī)范中的要求，通過對各類交通參與者、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)的測試場景。

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動(dòng)力學(xué)仿真同場景仿真一樣，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)模型跟場景模型聯(lián)合仿真，讓車輛在場景中跑起來。 ?

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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的輸入和車身姿態(tài)的反饋。測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)化為駕駛控制信號輸入給仿真場景中的主車;主車的動(dòng)力學(xué)模型對駕駛操作進(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：高迭代速度和高測試覆蓋度。傳統(tǒng)的測試手段費(fèi)時(shí)耗力，而HiL測試平臺(tái)憑借仿真的測試環(huán)境和參數(shù)化的測試配置，能夠快速響應(yīng)高強(qiáng)度大范圍的測試需求，是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測試的不二選擇。

編輯：黃飛

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