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拥有车辆硬件环路仿真的先进的驾驶员辅助系统的开发
摘要：本文提出了一种先进的驱动辅助系统（ADASs）设计和验证的新方法。通过车辆硬件（VEHIL）模拟，开发过程，特别是智能车辆的验证阶段，更安全、更便宜，而且更易于管理。在VEHIL实验室里，一辆全标配载的车辆安装在一个硬件循环仿真环境里，此环境里一个底盘测力仪用于模拟道路交互和机器人车辆来代表其他交通。在这种受控的环境下，对一种性能和可靠性进行了测试，以保证其准确性和可靠性。通过自适应巡航控制和前碰撞预警系统的测试结果，验证了该方法的工作原理和附加值。在“v图解”的基础上，阐述VEHIL在ADASs开发过程中的地位。
关键词；先进的驾驶员辅助系统;硬件循环仿真;控制器设计和验证,自适应巡航控制系统;向前碰撞警告
- 引言
仅在欧洲，每年就有4万多人受伤，140万人受伤。由于汽车相关事故。尽管在被动安全方面取得了进步，如图1所示，让乘用车变得更加安全，在被动的环境下进一步改进的安全潜力安全功能是有限的。然而，像ABS 2和ESP 3这样的主动安全系统通过协助司机驾驶他的驾驶任务来提高交通安全的可能性。此外,先进的驾驶员辅助系统（ADASs）有可能显著减少交通事故的数量。ADAS是一个使用环境传感器的汽车控制系统（如：雷达、激光、视觉），通过协助司机提高驾驶舒适度和交通安全识别和应对潜在危险的交通状况。就像一个自动干预，因此一辆装备ADAS的车辆通常被称为'智能车”。在一些调查中更详细地解释了4-7。
车辆系统可以区分为：
bull;驾驶员信息系统增加了司机的对环境的意识，例如高级路线导航系统。
bull;驾驶员警告系统积极警告司机潜在的危险，如：车道偏离警告、盲点警告和前碰撞警告（FCW）系统。此警告允许司机采取适当的纠正措施，以减轻或完全避免事件。
bull;干预系统为司机提供了积极的支持，例如自适应巡航控制（ACC）系统。ACC是一种舒适的系统，它可以保持一个固定的巡航控制速度，除非环境传感器能探测到前方的车辆。然后，ACC控制车辆以安全的距离跟随较慢的车辆.ACC的目标是超过30公里/时的速度，但目前正被扩展为在低速复杂环境下的自动纵向控制的应用，如交通堵塞和城市地区。
bull;集成安全系统。除了在碰撞中被激活的被动安全系统之外，一个碰撞前的系统还可以通过碰撞前采取主动和被动的安全措施来减轻碰撞的严重程度。最近在市场上引入了前碰撞安全措施，如刹车辅助和安全带前紧装置。
bull;完全自动化的系统是超越驾驶员辅助的下一个步骤，在控制回路中没有人工驱动。自动化的高速公路系统，使用完全自动化的客车，预计将显著地改善交通安全和吞吐量，但短期内不会考虑到这一问题。
根据几项调查，依靠于这种类型的ADAS和事故的类型ADAS可以防止高达40%的交通事故，。尽管有这样的安全潜力，但ADASs的市场渗透率已经下降。这方面的主要挑战是客户接受和理解附加价值、责任风险和监管问题。司机们还期望ADAS能满足高要求（主观的）性能，可靠性（低的假警报），和安全（低误率）。因此，必须对ADAS进行测试,能够识别和处理的各种复杂的交通情况，。不幸的是，由于成本和上市时间的限制，对ADAS原型的详尽测试通常是不可能的。不仅仅是设计，特别是对ADASs的验证需要在开发过程中不断地努力。为了解决这些问题，需要有效的方法来设计ADAS控制器，并验证它们的安全性和性能。
本文的目的是为ADASs的开发提供一种新的方法，以补充现有的开发过程。该方法由车辆硬件-回路（VEHIL）模拟组成，可以在室内实验室环境中有效和准确地测试全面装备ADAS的车辆。
本文的其余部分是按如下方式组织的。通过回顾ADASs的开发过程和最先进的测试方法，在第2部分中进一步定义了问题陈述。在第3部分中，我们介绍了VEHIL概念的工作原理和附加值，并讨论了VEHIL实验室在发展过程中的地位。这在第4节中得到了演示，在这里给出了对ACC和FCW的VEHIL测试结果。最后，第五部分给出了结论，并讨论了正在进行的研究活动。
- 设计和验证过程中的工具
在汽车工业中，安全关键控制系统的开发过程中的不同阶段通常使用“V”图连接，如图3所示。“v框图”使用“自上而下”的设计方法和“自下而上”的验证方法，尽管在实践中，这个过程并不严格遵循这个序列中的所有阶段，并经过几个迭代循环。V形图经常应用于汽车电子的开发过程中。然而，ADASs的各个发展阶段面临着一些具体的挑战。
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- ADAS发展过程中面临的挑战
在需求函数、驱动程序舒适和操作约束的条件下，ADAS的发展开始于功能需求的定义。另外，ADASs系统是需要高度可靠性的安全关键系统，包括可靠性、（故障-）安全性和容错能力。因此，危险和风险分析是用来识别安全要求的，通常以假警报的速率（当一只达不到需要的动作）和遗漏的探测（当它不能正确地检测到危险的情况时）。先进的系统以每公里10 minus;5点的速度达到一个错误的报警率，但是这仍然被认为太高了。从功能和安全需求中，生成一个系统规范来定义系统的精确操作。然而，在实践中，需求通常很难定义，并且容易被混淆，这可能导致一个不完整或不正确的规范。
随后,系统规范作为依据的顶级设计系统架构,紧随其后的是详细的模块设计(环境传感器、控制器、执行机构、驱动程序接口)。在实现单个硬件和软件模块之后，系统集成通过从其组件模块组装完整的系统来实现。在每一个集成阶段，都需要进行验证，以确定一个阶段的输出是否符合其规范，如图3所示的水平箭头所示。在组件级别上，这意味着测试环境传感器的范围、精度和跟踪能力。在更高的层次上，验证必须确保与其他子系统的集成没有任何负面的副作用。
由于验证只确认了规范的遵从性，规范中的错误可能导致产品出现问题。因此，对集成系统进行验证是非常重要的，特别是对于类型审批和认证的需求。通常，开发过程涉及到多个迭代，其中验证和验证的结果用于修改系统规范和设计，之后又进行了另一个测试周期。显然，需要减少迭代次数，并加快验证和验证的过程。由于需要快速、灵活和可重现的测试结果，各种各样的“循环”模拟工具越来越多地用于设计和验证ADAS控制器，如图3所示。在对这些工具进行了回顾之后，新的VEHIL仿真工具在这个开发过程中的位置将在第3节中得到阐明。
2.2模型-环路仿真
ADAS控制器的初始设计是由所谓的“模型-环路”（MIL）仿真所支持的，在闭环系统中，控制器的逻辑是由车辆动力学、传感器、执行器和交通环境的模型来模拟的。不幸的是，目前的仿真工具缺乏以可靠的方式测试完整的ADAS，完全集成了操作条件、传感器特性、车辆动力学和复杂的交通场景。因此，新仿真概念的出现是在参考的。PREACAN可以在虚拟环境中使用经过验证的物理传感器模型，为雷达、激光雷达和相机视觉提供可靠的MIL模拟的ADAS。对交通场景的模拟基于多代理方法，如第3部分所述。
2.3硬件环路仿真
当MIL模拟提供了足够的结果时，软件代码可以从控制系统的仿真模型中进行编译。真正的代码可以通过软件在循环（SIL）模拟中进行验证，在那里，剩余的硬件组件、车辆动态和环境都可以实时模拟。
类似于在一个SIL仿真中测试真实的软件，真正的硬件可以在一个实时的硬件（HIL）模拟中进行测试。HIL模拟由模拟和真实的组件组成（图4），也可以模拟一个真实的组件，也就是由具有相同输入和输出特征的人工组件代替。理想情况下，每个组件都不能区分在闭环配置中连接到的真实的、模拟的或模拟的组件。因此，HIL提供了模拟的灵活性，在这种情况下，使用真正的硬件提供了高可靠性。
HIL仿真的主要优点是它为安全、灵活和可靠的控制器验证提供了可重复的实验室环境。控制器的性能和稳定性可以在不受其他系统干扰的情况下进行系统的测试，并且可以通过控制的扰动和故障来测试可靠性。HIL还允许在早期开发阶段验证真实的硬件，而不需要原型车，因为任何丢失的车辆组件都可以被模拟。由于这些原因，HIL模拟比测试驱动更有效、更便宜，广泛用于车辆控制系统的开发，如ABS、发动机控制系统和半主动悬架系统。ADASs也可以在几个HIL配置中进行测试，如前所述。
如图3所示，在早期阶段，快速控制原型是通过仿真控制功能进行的。这包括在原型车辆中实现所需控制器的模型，以实现快速的概念验证、控制器测试和参数调整。接下来，硬件控制器可以在HIL仿真中对其实时行为进行测试。这个有限的HIL设置可以逐渐扩展到包括其他模块，随着车辆的集成。例如，在一个HIL仿真中，ADAS控制器可以通过仿真器和真正的传感器进行测试，并模拟所有其他组件。然而，模拟环境和真实传感器之间的复杂接口是产生传感器信号的必要条件。另一种类型的HIL仿真是一个驾驶模拟器，它为一个“圈内”的人类驾驶员创造了一个人工环境。驾驶模拟器对于对ADAS的主观评估和微调控制的设置是很有用的。
最后，完整的系统可以是真实的，包括传感器、控制器、执行器和车辆动力学。这个完整的车辆系统与路面（通过它的致动器）以及世界上其他物体形成的交通环境（通过它的传感器）相互作用。由于环境传感器应该接收到真实的输入，因此必须创建一个人工的交通环境，以在HIL模拟中测试一个装备ADAS的车辆。到目前为止，还没有这样的HIL环境来测试完整的智能车辆。
2.4驾驶测试
带有原型车辆的驾驶测试始终是验证链中的最终链接，以评估系统在实际环境中的性能，最终将在实际环境中使用。然而，控制系统设计的驾驶测试的价值是有限的，因为测试结果很难再现，而且常常是不准确的，因为测试中涉及的车辆的确切状态（如障碍位置）缺乏“基本事实”的知识。此外，这些测试通常是昂贵的、不安全的、耗时的，并且严重依赖天气条件。在下一节中，我们将提出一个解决方案，将HIL模拟的优点与驾驶测试的代表性相结合，将HIL环境从车辆级别扩展到交通级别，如图4所示。
- 车辆硬件环路（VEHIL）仿真
为了解决前一节中提到的挑战，我们提出了一种新的智能车辆系统设计和验证的方法：车辆硬件环路（VEHIL）模拟。VEHIL为在HIL环境中测试一个全面的智能车辆提供了一个解决方案。首先介绍了VEHIL概念，并获得了专利，并给出了一些初步的测试结果。本文详细介绍了VEHIL的工作原理，并在新的测试结果的基础上，讨论了在ADAS的发展过程中增加的价值和位置。
3.1 VEHIL仿真的工作原理
VEHIL组成智能车辆系统的多代理模拟器，其中一些模拟车辆被真正的车辆所取代。这些车辆在一个室内实验室里，为智能车辆形成一个人工的HIL环境。用于ADASs（雷达、激光、视觉）的环境传感器在绝对交通环境中收集相对位置数据。因此，VEHIL从一个交通场景中的对象的绝对运动到这些对象之间的相对运动，如图5（a）和（b）所示，仅使用一种固定的智能车辆和目标车辆之间的相对运动，就可以有一个控制和空间效率的环境。
模拟是通过在计算节点上的实体执行来运行的，这些节点通过一个本地区域网络连接。每个节点都有自己的运行时环境，其中也包含虚拟世界的表示。实体通过它的抽象传感器和执行器与这个虚拟世界通信。实体模拟的“引擎”是一个集成电路（数字解析器），它可以及时地调用实体的代码（即车辆模型）（与其他实体实时同步）。系统架构的实现是基于C/C 的时间关键部分，但是一个接口是建立在MATLAB/Simulink上的：由模拟模型编译的C代码可以作为实体嵌入到运行时环境中。关于这个建模概念和运行时环境的更多细节将在37中描述。
3.2 车辆模型
驾驶员输入(T(T),T制动(T)和delta;ij(T))的车辆模型定义了交通场景模拟作为时间的函数T。VEHIL场景库包含一个数据库的交通场景,如后,紧密衔接,切入,车道变化,碰撞,和次死里逃生的场景,从深入创建事故分析。在第2.2节中简要提到的PRESCAN模拟工具，在实际的VEHIL测试发生之前用于场景定义和模拟，基于相同的多代理方法。另外，预定义的轨迹（例如基准测试和认证测试）或记录的测试驱动器可以在VEHIL中被准确地复制。
3.3 车辆动力学模型的替换
以装备ADAS的车辆和其他道路用户为模型，实时仿真只能作为MIL仿真运行，即无需硬件的PRESCAN仿真。然而，方程式（6）——（23）通常不足以准确地模拟有装备的车辆。为了在一个HIL配置中测试一个真正的智能车辆，实体E 2的车辆模型被真正的车辆所取代（VUT），因此术语“车辆硬件环路”。因此，配备ADAS的VUT被安装在底盘测力器上，它提供了一种现实的负载，使车辆的执行机构（发动机，刹车系统）和传感器（车轮速度传感器）。
图8所示的底盘的动态响应，对于驱动VUT的驱动动作必须具有真实的路况，特别是在延迟时间和相位延迟方面。火星的运行频率是100Hz，这意味着延迟时间是可接受的10ms。在1Hz频率范围内，引导输入/和速度响应来控制乘客车辆的油门/刹车输入x/（T驱动 T制动）的偏航响应通常显示一个带宽。这意味着底盘至少要有5Hz的带宽，以使定位相位延迟最小化。此外，一辆客运车辆的紧急停车可以导致最大减速为10米/2。因此，底盘也必须能够实现这个目标。
这些实时的要求是通过安装四个独立的电机驱动的轮毂来实现的。底盘可以完全模拟500到3500kg的车辆质量，最高速度为250公里每公里。可调节的轴距可容纳多种车辆类型：除了客运车辆，还有卡车、公交车和其他自动导航车辆。表1总结了主要的规范。
最后，道路负载仿真模型估计了VUT状态向量C 2 x 2，VUT使用了底盘测量，并更新了虚拟世界中关联对象的状态G x 2。真正的VUT和仿真环境之间不需要进一步的交互，这样VUT就可以在真正的HIL设置中作为黑盒系统进行测试。
3.4通过一个移动基站的仿真目标替换
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