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行業(yè)研究 | 基于數(shù)字孿生技術(shù)的自動駕駛VIL測評實踐

“安全”是汽車的核心理念和價值觀，對于自動駕駛車輛而言，整體的安全設(shè)計與驗證更是一項極度復(fù)雜的系統(tǒng)工程。從研發(fā)到驗證，都需要通過多種手段（模擬仿真、封閉場地、公開道路）進(jìn)行充分的功能安全和性能安全測試來證明其運行安全性。

在模擬仿真領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)的模型在環(huán)（MIL）、軟件在環(huán)（SIL）、硬件在環(huán)（HIL）等方式，中汽智聯(lián)自主研發(fā)的場地VIL（Vehicle in Loop）測試系統(tǒng)，被測對象即為真實車輛，能夠保證車輛動力學(xué)與整車控制器系統(tǒng)交互的真實性，同時通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛擬混雜場景復(fù)現(xiàn)及物理級感知信號模擬，可有效解決仿真測試置信度不夠與道路測試成本高、效率低、復(fù)現(xiàn)難的問題。

一、系統(tǒng)概述

自動駕駛VIL測試系統(tǒng)作為數(shù)字孿生技術(shù)在汽車行業(yè)的典型應(yīng)用，以真實車輛作為被測對象，通過構(gòu)建和現(xiàn)實世界一致的虛擬環(huán)境模型，借助傳感器信號模擬器和實時處理機進(jìn)行虛擬映射，同時基于高精度慣導(dǎo)組合采集真實車輛的位姿信息驅(qū)動場景更新，實現(xiàn)虛實結(jié)合下的閉環(huán)驗證。

系統(tǒng)整體由設(shè)備硬件、仿真軟件、傳感器信號模擬器、場景庫及測評體系等幾部分組成。其中硬件主要包含：1、實時處理機：用于實時模型仿真計算及硬件信號采集，具備高帶寬及可拓展特性，支持CAN/LIN/CANFD/以太網(wǎng)/FlexRay等多種車載網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；2、高精度慣導(dǎo)組合：連接實際車輛與仿真場景的橋梁。真實車輛的位姿信息需要從該系統(tǒng)獲得，通過實時處理機進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)換成仿真場景軟件要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)打包發(fā)送給仿真場景，從而驅(qū)動仿真系統(tǒng)中的車輛模型移動。結(jié)合RTK差分定位服務(wù)可達(dá)到1-2個厘米級的定位要求，保證孿生精度；3、車載供電系統(tǒng)：VIL系統(tǒng)所有硬件的“動力源”，具備便攜性、大功率、多接口、長續(xù)航等特點，確保電力的穩(wěn)定輸出及系統(tǒng)的連續(xù)運行；4、固定工裝：為避免車輛在測試過程中由于大轉(zhuǎn)角、急加急減速所造成的設(shè)備連接失效、損壞，需通過定制化工裝固定慣導(dǎo)設(shè)備主體、實時處理機、供電插排、視頻注入板卡、超聲波硬線仿真板卡等設(shè)備。在布線美觀的同時可實現(xiàn)VIL部件及工裝本體與車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的固定連接；5、圖形工作站及上位機：具備高性能的圖形渲染設(shè)備，用于實時運行場景仿真軟件；同時通過上位機（筆記本）運行試驗管理軟件，進(jìn)行測試系統(tǒng)的實時監(jiān)控與測試結(jié)果的采集評價。

軟件主要包含：1、復(fù)雜交通場景仿真軟件：根據(jù)多源異構(gòu)場景庫參數(shù)要求，用于真實交通場景建模、路網(wǎng)系統(tǒng)建模（異形交叉路口、轉(zhuǎn)彎、坡度、超高、及路邊建筑如隧道、橋梁等）、交通狀況控制等；2、試驗管理軟件：用于對實時處理進(jìn)行相關(guān)操作，具有激勵生成、數(shù)據(jù)采集以及計算通道和自定義通道換算等功能；3、模型搭建軟件：用于進(jìn)行VIL系統(tǒng)涉及的各信號交互模塊的搭建、分類、格式轉(zhuǎn)換與邏輯匹配等（如WGS84坐標(biāo)系與UTM坐標(biāo)系的虛實映射、雷達(dá)目標(biāo)字段及篩選邏輯設(shè)計）。

圖1 基于數(shù)字孿生的場地VIL測試平臺

二、車輛改裝

相比于硬件在環(huán)HIL仿真系統(tǒng)，由于場地VIL系統(tǒng)的被測對象是真實車輛。因此需對具體的智駕系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，選擇合適的形式及位置對車輛原始傳感器線束進(jìn)行改裝（破線、壓線、接線、布線、內(nèi)飾拆裝及屏蔽處理等），在保證功能實現(xiàn)的前提下盡可能減少原車線束的損壞（通過定制端子保證切面整齊、復(fù)原后穩(wěn)定性優(yōu)良）。

根據(jù)車輛自動化等級的差異，無論是分布式控制器架構(gòu)還是域控制器架構(gòu)，VIL系統(tǒng)的實現(xiàn)方案無本質(zhì)區(qū)別。一般斷開原車感知輸入后，在控制器端將傳感器信號模擬器的GMSL信號、電平信號、CAN總線信號等注入即可實現(xiàn)閉環(huán)。

圖2 接插件線束改裝

三、傳感器信號模擬器

傳感器信號模擬器主要用于車輛中攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)的感知信號模擬：

（1）視頻注入系統(tǒng)（SCMS）

基于黑箱的攝像頭在環(huán)測試和評價系統(tǒng)適合于對攝像頭識別算法作感知開環(huán)評價，且適合前、后視攝像頭的測試。如果有多個攝像頭需要同時做測試和評價，測試強光或逆光情況下控制算法的反應(yīng)；測試多目、360°環(huán)視系統(tǒng)；圖像信號級、像素級的故障注入；低延時高保真的攝像頭在環(huán)仿真測試，則適合以視頻注入的形式進(jìn)行實現(xiàn)。

SCMS的主要作用是將交通場景以及傳感器的模型轉(zhuǎn)換為視頻流輸出，其輸出視角與內(nèi)容完全由圖形工作站或?qū)崟r系統(tǒng)所運行的模型決定，SCMS只是扮演了一個視頻接口轉(zhuǎn)換的角色，將模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各種攝像頭模組的接口數(shù)據(jù)格式，例如FPD-LINK 、DVP 并行數(shù)據(jù)、LVDS等。

圖3 車載攝像頭基本原理

（2）超聲波硬線仿真系統(tǒng)

超聲波雷達(dá)主要有APA、UPA兩種，用對車位檢測和泊車實現(xiàn)。其仿真系統(tǒng)一般分為斷探頭仿真與硬線電平仿真，考慮到車輛運行過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性（震動、位移等），VIL系統(tǒng)中一般采用后者。

基本原理是接收復(fù)雜交通場景仿真軟件中超聲波雷達(dá)模型發(fā)送的CAN信號（虛擬目標(biāo)物的距離信息及探頭ID等），根據(jù)仿真的目標(biāo)距離，加入可控制的時間延遲計算后直接發(fā)送物理級電平信息至控制器端，從而實現(xiàn)對超聲波探測距離的模擬。

圖4 超聲波仿真基本原理

（3）毫米波雷達(dá)總線仿真系統(tǒng)

根據(jù)雷達(dá)的測距原理，雷達(dá)回波模擬器方案無法在場地VIL系統(tǒng)中使用，通用方法是通過CAN總線將雷達(dá)傳感器探測以及計算的毫米波雷達(dá)信號通過模型計算并通過私有總線發(fā)送給ADAS系統(tǒng)，以驗證安裝有毫米波雷達(dá)傳感器的ADAS系統(tǒng)的功能算法。

四、功能測評

場地VIL系統(tǒng)致力于縮小HIL仿真測試和實車測試之間“性能差距”，“習(xí)題集”場景庫至關(guān)重要。一般需要根據(jù)車輛的被測功能要求，結(jié)合實際采集的自然駕駛數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)數(shù)據(jù)（ISO、NCAP、CCRT）、危險事故數(shù)據(jù)（CIDAS）、經(jīng)驗數(shù)據(jù)（項目開發(fā)工程實踐）等多個維度進(jìn)行考慮，用于確保測評的覆蓋度、可靠性、合理性。

圖5 場景庫及測評體系

中汽智聯(lián)深耕場景仿真領(lǐng)域多年，已積累超過百萬公里的自然駕駛數(shù)據(jù)，構(gòu)建了從數(shù)據(jù)采集/清洗/標(biāo)注→多源場景庫體系→XIL仿真驗證的全鏈路應(yīng)用平臺。針對智能駕駛功能快速開發(fā)過程中各階段的測試需求，形成了從功能/算法-部件級-系統(tǒng)級-整車級的模型在環(huán)-軟件在環(huán)-硬件在環(huán)-整車在環(huán)的仿真驗證體系，助力企業(yè)打造更安全、更高效、更合理的測試體系。