基于DYNA4和CANoe的ADAS車輛在環(huán)（Vehicle In the Loop）測試方案

01.

背景與整體方案架構(gòu)

隨著汽車電子軟件系統(tǒng)的飛速發(fā)展，高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS系統(tǒng)）越來越獲得消費(fèi)者的重視。如何在研發(fā)的各個(gè)階段對ADAS系統(tǒng)進(jìn)行測試，成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。

在當(dāng)前的開發(fā)流程中，硬件在環(huán)（HIL）測試已經(jīng)廣泛普及，開發(fā)人員習(xí)慣在域控制器軟件和硬件初步開發(fā)完成后先在HIL臺架進(jìn)行測試，進(jìn)行軟件和硬件Bug的篩查，然后在實(shí)車上對ADAS功能進(jìn)行最終的性能測試。實(shí)車測試的成本非常昂貴，一方面是測試人員的人力成本，一方面是試驗(yàn)場地和設(shè)備的租賃費(fèi)用。因此頻繁展開實(shí)車測試會(huì)導(dǎo)致開發(fā)成本的快速上升。

在這種背景下，車輛在環(huán)（VIL）的概念應(yīng)運(yùn)而生。如果在仿真軟件中虛擬化測試場景，而車輛依舊由駕駛員操控，實(shí)際行駛在開闊的安全場地中，則可以節(jié)省租賃和布置試驗(yàn)場地的成本，并最大程度上保留對性能測試的精準(zhǔn)度。同時(shí)，虛擬場景可以最大程度地還原法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以用于最終性能測試前的摸底測試。

針對車輛在環(huán)的測試需要，Vector提供基于DYNA4、CANoe軟件和VN系列總線接口卡硬件的整體解決方案。

DYNA4是一款成熟的車輛動(dòng)力學(xué)及場景仿真軟件，提供以下功能：

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高精度的參數(shù)化車輛動(dòng)力學(xué)模型；

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基于OpenDRIVE和OpenSCENARIO標(biāo)準(zhǔn)的場景仿真；

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多種理想傳感器和物理傳感器模型；

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基于Simulink的開放式模型接口；

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基于DYNYanimation的高精度3D模型渲染。

關(guān)于DYNA4軟件的特性可以參考往期文章：DYNA4新版本R9正式發(fā)布

基于這些特性，Vector的VIL測試方案如下圖所示：

圖1：VIL系統(tǒng)圖解

1.

主車：需要將ADAS域控制器暴露在外，由總線接口卡接入診斷與標(biāo)定接口，以及部分通過總線進(jìn)行注入的傳感器接口；

2.

RTK車載單元：安裝在車輛的固定位置，測試人員需要記錄下RTK設(shè)備與車輛前保險(xiǎn)杠之間的距離以用于場景標(biāo)定；

3.

RTK基站:布置在試驗(yàn)場地。RTK基站設(shè)置后，測試人員需要使用基站標(biāo)定坐標(biāo)系的功能對RTK坐標(biāo)系進(jìn)行初始化；

4.

CANoe軟件:運(yùn)行在工控機(jī)中，負(fù)責(zé)診斷、標(biāo)定和總線仿真，并能夠調(diào)用DYNA4+DYNA animation；

5.

總線接口卡：硬件通訊接口，能夠仿真和測量CAN、CAN FD、FlexRay、Ethernet等總線協(xié)議;

6.

工控機(jī)：接入NVIDIA高性能顯卡。在工控機(jī)中，DYNA4通過編譯成DYNA4-Export Package的方式，在CANoe中運(yùn)行，并且能夠調(diào)用DYNAanimation，實(shí)時(shí)發(fā)送渲染指令。工控機(jī)和其余設(shè)備通過支架固定在車內(nèi)，由車載供電系統(tǒng)進(jìn)行供電；

7.

視頻注入硬件：將視頻注入給ECU，支持FPD-Link和GMSL協(xié)議。仿真場景渲染出的視頻Raw Data通過注入硬件轉(zhuǎn)換為ECU需要的格式，并通過視頻同軸線纜傳輸給ECU；

8.

DSI3注入硬件：支持將Object List轉(zhuǎn)化為DSI3信號，用于物理模擬超聲波雷達(dá)的探測結(jié)果；

9.

DYNA4軟件：進(jìn)行場景渲染和理想傳感器Object List生成。

02.

VIL測試場景構(gòu)成

在ADAS測試過程中，一個(gè)測試場景通常由以下部分構(gòu)成：

1.

主車

在傳統(tǒng)HIL測試中，主車行為由仿真的駕駛員模型控制，在功能激活時(shí)由真實(shí)ECU發(fā)出指令接管，所有指令由車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果將會(huì)被實(shí)時(shí)渲染在場景中。而在VIL環(huán)境中，車輛在場景開始時(shí)由真實(shí)駕駛員控制，然后在功能激活時(shí)由真實(shí)ECU接管控制，控制指令的反饋不經(jīng)過車輛模型，而是直接體現(xiàn)在真實(shí)世界中，通過RTK設(shè)備進(jìn)行位置和姿態(tài)的記錄。如何將真實(shí)世界中的車輛位置姿態(tài)反饋在渲染出的虛擬場景中是車輛在環(huán)測試系統(tǒng)面臨的第一個(gè)關(guān)卡。

DYNA4軟件同時(shí)擁有動(dòng)力學(xué)模型模塊以及場景仿真模塊，同時(shí)客戶也可根據(jù)需求只使用動(dòng)力學(xué)模塊或是場景仿真模塊。當(dāng)只使用DYNA4的場景仿真模塊時(shí)，車輛動(dòng)力學(xué)模型由外部提供。外部車輛動(dòng)力學(xué)模型的方案完美符合VIL測試系統(tǒng)的需求。在VIL測試過程中，DYNA4的自由車輛動(dòng)力學(xué)模塊將被屏蔽，來自RTK設(shè)備所測量的相對位移和相對速度、加速度以及車輛姿態(tài)的結(jié)果會(huì)被直接接入場景模塊，由DYNAanimation進(jìn)行3D渲染。通過將RTK坐標(biāo)系中的位置進(jìn)行坐標(biāo)換算為DYNA4世界系統(tǒng)中的坐標(biāo)，就可以將車輛真實(shí)位置反饋在虛擬場景中。

RKT設(shè)備所獲得的相對位置（X、Y、Z方向）、速度（X、Y、Z方向）、加速度（X、Y、Z方向）和姿態(tài)（橫擺角Yaw，俯仰角Pitch，側(cè)傾角Roll）也會(huì)通過CAN總線或是RTK供應(yīng)商要求的通訊協(xié)議，傳遞給CANoe軟件，然后在CAPL腳本中經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最終傳輸給OpenSCENARIO控制器。OpenSCENARIO控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算場景中Ego車輛和交通參與者車輛（GVT）/行人（VRU）的軌跡并由DYNAanimation進(jìn)行3D渲染。

圖2：坐標(biāo)系之間關(guān)聯(lián)

2.

交通參與者

在測試中，交通參與者，比如人、車、自行車、電動(dòng)自行車、摩托車，也需要渲染在3D場景中，并能夠被攝像頭模型或者雷達(dá)模型等傳感器捕捉到，從而將結(jié)果輸出至ECU中。DYNA4提供兩種交通參與者的仿真方法：一種是在OpenSCENAIO中建立預(yù)定義軌跡，一種是在仿真過程中實(shí)時(shí)給定參與者的位置和姿態(tài)。

1)、在OpenSCENARIO場景描述文件中預(yù)定義軌跡

在一個(gè)特定的場景中，交通參與者的行為通常是被定義好的，每一個(gè)行人、車輛都被定義好了相對Ego自車的行動(dòng)軌跡，在OpenSCENARIO中將這些行為的集合稱之為Story。

在Storyboard中，可以定義行人與車輛相撞，也就是同一時(shí)間到達(dá)同一個(gè)地理位置的行為。

在HIL測試中，Ego車輛的軌跡來自于車輛動(dòng)力學(xué)模型的輸出，而在VIL環(huán)境中，來自外部設(shè)備記錄的車輛位置姿態(tài)也同樣會(huì)在場景中生效。也就是說，基于給定的車輛位置和速度，DYNA4 中的OpenSCENARIO控制器將會(huì)計(jì)算出交通參與者將在何時(shí)啟動(dòng)，以和Ego車輛完成碰撞預(yù)期。

在OpenSCENARIO中，所有參與者的位置都是以路網(wǎng)（高精地圖）作為基準(zhǔn)的。

在這種情況下，DYNA4支持OpenDRIVE地圖的導(dǎo)入，在OpenSCENARIO中可以將交通參與者通過指定路網(wǎng)中的道路的Id、車道的Id、縱向偏移ds和橫向偏移dt便可精準(zhǔn)將交通參與者或者Ego車輛放置在指定位置。

圖3：Ego車輛位置初始化

進(jìn)一步，行人或者車輛的軌跡被定義為Route（按照OpenDRIVE中定義的車道行駛），或者Trajectory（不按照車道而是按照路徑點(diǎn)進(jìn)行行駛）。

更進(jìn)一步，通過仿真時(shí)間，或是對Ego車輛位置、速度的約束可以設(shè)置StartTrigger激活交通參與者的Story，讓其按照預(yù)定義的路徑行動(dòng)（比如設(shè)定仿真開始后10秒，行人開始橫穿馬路）。

圖4：交通參與者路徑

2）、通過Traffic接口實(shí)時(shí)渲染

在DYAN4場景中，對交通參與者的行為定義除了由OpenSCENARI控制器進(jìn)行控制之外，還支持添加用戶自定義路徑的額外交通參與者。這種方案可以用于回放試驗(yàn)場記錄的場景，可以用于和第三方的交通流仿真軟件（如SUMO）進(jìn)行聯(lián)合仿真。

如圖5所示的DYNA4 Traffic模塊所示，模型中的SXRefValueFlag和SXRefValue是記錄每個(gè)交通參與者在DYNA4坐標(biāo)系X方向的控制標(biāo)志位和控制數(shù)值，比如用戶已經(jīng)在OpenSCENARIO描述文件中定義了2名行人，那么數(shù)組的第3位就可以用來控制額外的交通參與者。

假設(shè)給定Flag為101和SXRefValue為100，則可以將交通參與者設(shè)置到DYNA4世界坐標(biāo)X=100的位置處。

圖5：DYNA4交通參與者控制模塊

圖6：與CANoe交互示例

3）、傳感器輸出

如圖1所示，在實(shí)際測試中，測試車輛中的真實(shí)ADAS控制器和毫米波雷達(dá)（Radar）傳感器的部分總線會(huì)被連接至Vector總線接口卡，這些總線中的控制器狀態(tài)信息和傳感器同步信息會(huì)被CANoe軟件讀取并用于后續(xù)仿真。

同時(shí)，經(jīng)過DYNA4交通傳感器篩選后的目標(biāo)物列表也會(huì)發(fā)送給ADAS控制器。毫米波雷達(dá)的目標(biāo)物可以通過總線直接傳輸，超聲波雷達(dá)（USS）則可以通過Vector的USS注入硬件按照DSI3協(xié)議格式發(fā)送給ECU。

對于攝像頭的仿真，場景經(jīng)過3D渲染后產(chǎn)生的畫面會(huì)通過DYNAanimation中配置的攝像頭模型進(jìn)行處理后，由視頻注入硬件將ECU所需格式的視頻流（GMSL或FPD-Link）傳輸給ECU。ADAS控制器會(huì)根據(jù)收到的傳感器數(shù)據(jù)判斷碰撞風(fēng)險(xiǎn)，作出剎車動(dòng)作，制動(dòng)效果同樣會(huì)通過RTK設(shè)備的記錄從而傳輸給DYNA4進(jìn)行渲染，測試人員可以在DYNA4界面中看到完整的緊急制動(dòng)功能激活過程。

此外，DYNA4提供多種傳感器模型以適配多種用戶方案，同時(shí)支持用戶自定義數(shù)據(jù)格式的定制化開發(fā)。針對攝像頭傳感器，Vector可以針對客戶提供的畸變參數(shù)或者自定義畸變模型來定制化開發(fā)仿真插件，并在DYNA4配置界面直接使用。針對USS傳感器，Vector也提供傳感器模型以及DSI3協(xié)議仿真硬件接口。

03.

測試流程與結(jié)果

1）、場景初始化

與HIL硬件在環(huán)測試不同的地方在于，雖然OpenSCENARIO中定義的交通參與者位置會(huì)直接在場景中預(yù)定義，但Ego車輛的位置和姿態(tài)則完全由外部輸入控制，也就是說為了保證碰撞場景的實(shí)現(xiàn)，Ego車輛在場景中需要初始化在特定的位置上。

DYNA4 OpenSCENARIO場景模塊支持Python腳本模塊的導(dǎo)入，可將OpenSCENARIO中定義的Variable和CANoe中的System Variable橋接起來，從而讀取OpenSCENARIO的設(shè)定值并導(dǎo)入到DYNA4模型中進(jìn)行渲染。

圖7：Scenario Engine中的Python腳本

圖8：OpenSCENARIO中的變量關(guān)聯(lián)

舉例如下：

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通過bind_signal_source接口將OpenSCENARIO中的Variable綁定到System Variable橋中；

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通過VariableAction接口將OpenSCENARIO中預(yù)定義的Parameter值傳導(dǎo)給Variable；

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DYNA4接收到初始化指令，按照系統(tǒng)變量中的坐標(biāo)值初始化自車，根據(jù)OpenSCENARIO中交通參與者的參數(shù)初始化交通參與者。

2）、自車啟動(dòng)

駕駛員通過加速踏板、制動(dòng)踏板和方向盤操控自車，自車的行為會(huì)通過RTK設(shè)備測量，結(jié)果會(huì)通過總線傳給CANoe，再關(guān)聯(lián)到DYAN4中進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。

3）、實(shí)現(xiàn)碰撞點(diǎn)

交通參與者會(huì)通過自車的位置和速度，在定義的時(shí)刻開啟運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)碰撞。

4）、分析結(jié)果

測試結(jié)束后，測試數(shù)據(jù)會(huì)被記錄以用于后續(xù)分析：

RTK設(shè)備的總線記錄文件中會(huì)記錄自車的位置、速度信息；

DYNA4中的Traffic Sensor模塊會(huì)記錄目標(biāo)物和自車之間的相對距離、相對速度、相對加速度、TTC；

XCP接口讀取到的ECU內(nèi)部變量，可以記錄控制器內(nèi)部算法運(yùn)行的結(jié)果；

DYNAanimation中可以進(jìn)行仿真畫面的回放。

總體效果如下：

總結(jié)與展望

基于CANoe軟件和DYNA4軟件可以實(shí)現(xiàn)車輛在環(huán)仿真的基本框架，同時(shí)具有很強(qiáng)的可拓展性，后續(xù)可以基于基礎(chǔ)框架，進(jìn)一步拓展。后續(xù)拓展的可能性有：

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定制化傳感器模型：例如圖像傳感器，DYNA4團(tuán)隊(duì)可以基于客戶參數(shù)定制化畸變模型；

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多種傳輸協(xié)議：CANoe軟件支持多種總線協(xié)議，如CAN、LIN、FlexRay、Ethernet等，還可以根據(jù)客戶需求集成DDS、ZMQ等傳輸協(xié)議。

Vector致力于在ADAS測試領(lǐng)域努力滿足客戶和行業(yè)的測試需求，提供高質(zhì)量的一站式服務(wù)。