淺述基于超聲波傳感器的仿真測試

測試需求

自21世紀初以來，超聲波傳感器已被廣泛應用于汽車，為駕駛員提供障礙物距離信息的反饋。這一領域的發(fā)展方興未艾，現(xiàn)在這些傳感器也是自動泊車應用中的關(guān)鍵傳感組件。由于超聲波傳感器的數(shù)量、安裝位置、物理形狀、油漆顏色不一和超聲波特性的變化，使其測試變得比較困難。然而，超聲波傳感器不僅能夠收集信息，有助于實現(xiàn)近場監(jiān)控的感知融合，還在實現(xiàn)L3、L4和L5級自動駕駛方面發(fā)揮著重要作用，因此需要進行徹底的測試。

dSPACE開發(fā)了一個測試系統(tǒng)，即超聲波傳感器測試系統(tǒng) （Lab），通過OTA方式激勵超聲波傳感器。系統(tǒng)在運行時不需要任何運動組件。被測設備（DUT）可以進行黑盒測試， 并結(jié)合dSPACE ASM 超聲波傳感器模型實現(xiàn)動態(tài)測試，該模型通過射線計算仿真虛擬環(huán)境中的障礙物檢測。

這個系統(tǒng)還可以與其它dSPACE仿真選項（如攝像頭和雷達）結(jié)合使用。

左右滑動

系統(tǒng)概述

超聲波傳感器測試系統(tǒng) （Lab）通常由運行ASM 車輛動力學和交通場景模型的實時SCALEXIO處理單元、執(zhí)行dSPACE收發(fā)器底層信號處理的高性能FPGA板卡和讀取ECU輸出的通信網(wǎng)絡組成。

在DUT傳感器和ECU之間無需信號破解或修改，這意味著通信協(xié)議不必開放，DUT系統(tǒng)可被視為黑盒進行測試。

當DUT傳感器發(fā)射超聲波脈沖包進行距離測量時，脈沖包由dSPACE收發(fā)器捕獲后處理。經(jīng)過與仿真距離成比例的延時后，dSPACE收發(fā)器向DUT傳感器返回一個超聲波脈沖。

超聲波傳感器測試系統(tǒng) （Lab）

測試系統(tǒng)提供獨立版本或集成在SCALEXIO定制化系統(tǒng)中?，F(xiàn)有的dSPACE底盤硬件在環(huán)仿真機柜就可以擴展此汽車超聲波傳感器測試系統(tǒng)。

如果您想將ECU放置在機柜外部，為了方便起見，ECU通過安裝在機柜前面板的BNC接插件，經(jīng)過內(nèi)部走線與超聲波傳感器相連，從而便于電氣信號檢查。

即使尺寸僅為555 x 560 x 340 mm，此dSPACE超聲波測試系統(tǒng)也支持多達12個傳感器。

dSPACE接收器和信號發(fā)生器通過OTA（over the air）方式與真實的超聲波泊車傳感器連接，超聲波傳感器借助于傳感器夾固定，并與外部干擾隔離。而dSPACE實時系統(tǒng)與超聲波傳感器測試系統(tǒng)（Lab）是相對獨立的。

軟件概述

在dSPACE實時系統(tǒng)上運行的程序包括兩個部分：SCALEXIO Processing Unit及FPGA應用。

SCALEXIO Processing Unit運行ASM超聲波傳感器模型、ASM 交通模型以及與FPGA應用通訊的接口模型。

FPGA應用程序包含底層邏輯，即I/O的接口。不包含有關(guān)測量周期和模式的信息。

處理單元和FPGA板卡之間的接口主要用于對FPGA應用程序進行參數(shù)化，監(jiān)控FPGA的底層信號以及計算得到的超聲波特性，如頻率。

ASM 超聲波傳感器模型的特點

ASM超聲波傳感器模型提供了真實的回波計算，用于OTA仿真。同一個模型也可基于軟件在環(huán)仿真進行測試和算法開發(fā)，為客戶提供不同開發(fā)階段間無縫集成的解決方案。該模型通過計算優(yōu)化，可直接在SCALEXIO Processing Unit實時運行，而不需要使用額外的GPU。

傳感器模型提供了許多特性，以盡可能接近真實世界的行為。其特點包括：

1. 逼真且易于參數(shù)化的識別對象

ASM 超聲波傳感器模型的識別對象逼真且易于參數(shù)化。其由輪廓線及其高度來定義，具備六個自由度，可以用于任何場景。

2. 直接和間接（交叉）回波

對于直接回波，使用同一個傳感器進行超聲波的發(fā)送和接收。對于間接回波（通常稱為交叉回波），回波的發(fā)送者和接收者是不同的。間接回波為ECU提供附加信息，因此通常需要有效檢測。ASM超聲波傳感器模型計算每個傳感器的直接和間接回波。

3. 多次回波

現(xiàn)代超聲波傳感器可以檢測和處理來自一個或多個物體的多次回波。ASM超聲波傳感器為每個對象以及每個發(fā)送周期的多個對象提供真實的多次回波。

FPGA應用的自由度

基于FPGA的應用，dSPACE系統(tǒng)可以仿真真實回波的四個屬性參數(shù)：

飛行時間（ToF）

超聲波測距是基于波傳播時間的。波來回傳播的時間與距離成正比。環(huán)境條件，特別是溫度，會影響空氣中的波速，可將其作為影響因子引入到動態(tài)模型（仿真）的距離計算中，或使用溫箱（物理）方案。

振幅

根據(jù)障礙物的位置、角度和特性，一部分能量反射后會被DUT傳感器檢測到，另外的能量要么被吸收，要么被反射到其他方向。對回波振幅的操作提供了仿真真實回波情況的可能性。

頻率

基于FPGA應用，支持典型汽車應用范圍內(nèi)的固定和調(diào)制頻率。

脈沖數(shù)

DUT傳感器檢測到的波的脈沖數(shù)可能會變化，借助于FPGA的應用可以仿真這一特性。

系統(tǒng)運行時，頻率和脈沖數(shù)可能無法實時操作。

應用示例：停車位測量（PSM）

超聲波傳感器測試系統(tǒng)（Lab）和ASM超聲波傳感器模型的眾多應用之一是停車位檢測（PSM）系統(tǒng)的驗證。這一系統(tǒng)測量縱向或橫向停車位的寬度，并啟動停車操作。這樣的場景可以通過dSPACE ModelDesk進行定義，也可以用dSPACE MotionDesk和dSPACE ControlDesk實現(xiàn)實時可視化。超聲波傳感器測試系統(tǒng)（Lab）根據(jù)模型實時計算的動態(tài)回波行為，對DUT超聲波傳感器進行激勵。

左右滑動

當DUT傳感器的距離測量被觸發(fā)時，dSPACE傳感器會捕捉并分析波形的特性，如頻率和振幅。同時，啟動計時器，當飛行時間達到ASM 超聲波傳感器模型計算的回波距離對應的時間時，dSPACE信號發(fā)生器會觸發(fā)一個特性匹配的回波信號。

優(yōu)點

dSPACE 超聲波傳感器測試系統(tǒng)（Lab）和ASM 超聲波傳感器模型有機結(jié)合之后，能夠通過OTA方式對各種場景進行精確且可復現(xiàn)的仿真和測試。將ASM超聲波傳感器模型集成到dSPACE工具鏈中，可以方便直觀地對場景進行參數(shù)化，并在MotionDesk中實現(xiàn)生動的可視化。

超聲波傳感器測試系統(tǒng)（Lab）提供了一個解決方案，用于測試真正的泊車ECU和超聲波傳感器，并且無需破解或移動組件，能夠輕松集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。測試系統(tǒng)尺寸緊湊，既可以獨立使用，也可以作為一個組件集成到全尺寸系統(tǒng)中。針對多傳感器融合的ADAS/AD應用測試，也可在此基礎上擴展其他dSPACE傳感器仿真選項，例如攝像頭、激光雷達和雷達。

編輯：jq