邢星飛， 翟洪濤， 鄭英東， 張志強(qiáng)

（中汽研汽車檢驗中心（天津） 有限公司， 天津 300300）

近年來， 智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)已成為汽車行業(yè)研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)， 同時互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等競相加入， 成為高新技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。 為推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展進(jìn)程， 研究相應(yīng)測試技術(shù)、 評價體系的工作勢在必行。 智能網(wǎng)聯(lián)汽車集 “感知、決策、 控制、 執(zhí)行” 功能于一體， 其中， 感知系統(tǒng)使車輛獲取外界環(huán)境交通信息， 而毫米波雷達(dá)又作為該系統(tǒng)的重要傳感器， 因此研究測試毫米波雷達(dá)的真實(shí)性、 準(zhǔn)確性等變得尤為重要。

基于毫米波雷達(dá)的智能駕駛系統(tǒng)已得到各車企廣泛應(yīng)用， 如自動緊急制動AEB、 自適應(yīng)巡航控制ACC， 為車輛行駛提供安全保障。 硬件在環(huán)測試憑借成本低廉、 操作靈活等特點(diǎn)成為前期開發(fā)的重要一環(huán)， 其通過I/O口、 CAN線等實(shí)現(xiàn)與攝像頭、 毫米波雷達(dá)、 控制器等相連完成虛擬測試系統(tǒng)搭建， 可以在預(yù)先設(shè)定的場景中對智能網(wǎng)聯(lián)汽車控制算法進(jìn)行測試。 目前有National Instruments （NI）、 DENSO、dSPACE等建立起了毫米波雷達(dá)在環(huán)仿真模擬器， 提供了很好的試驗工具手段與經(jīng)驗借鑒。 然而當(dāng)前研究更加關(guān)注于模擬目標(biāo)數(shù)量、 距離方面， 針對目標(biāo)物反射特性投入較少， 存在目標(biāo)物RCS （Radar Cross Section雷達(dá)反射截面）常量化， 仿真結(jié)果與實(shí)際道路測試結(jié)果存在較大差異等局限。 因此毫米波雷達(dá)在環(huán)測試平臺需要進(jìn)一步優(yōu)化才能滿足未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試要求。

基于此， 本文結(jié)合目標(biāo)物反射特性搭建出毫米波雷達(dá)在環(huán)測試系統(tǒng)， 使用CarMaker軟件與dSPACE雷達(dá)目標(biāo)模擬器等對車輛控制器性能進(jìn)行測試， 并結(jié)合實(shí)車測試對本文建立的毫米波雷達(dá)虛擬在環(huán)測試平臺進(jìn)行驗證。

1 目標(biāo)物反射特性分析

1.1 雷達(dá)反射截面分析

RCS是度量目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的一種物理量， 可以定量地表征目標(biāo)對電磁波反射能力。 關(guān)于雷達(dá)接受天線方面， 通常假設(shè)存在一個等效的接受面積，該等效的接受面積乘以入射波功率密度便等于雷達(dá)接受功率。 因此， RCS是目標(biāo)物針對接受天線 “等效接受面積”的擴(kuò)展， 是雷達(dá)針對目標(biāo)物一種假想等效面積。

雷達(dá)反射截面積可以用平方米來表示， 也可以用分貝平方米表示 （dBsm）， 兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

考慮到目標(biāo)物尺寸遠(yuǎn)大于雷達(dá)波長， 目標(biāo)物總的反射場可以由多個分散的強(qiáng)反射源疊加計算。 由于目標(biāo)物表面反射的相位存在隨機(jī)變化的情況， 式 （1） 中的RCS值也將隨著入射角改變而動態(tài)變化， 甚至可能出現(xiàn)較小的入射角變化， 目標(biāo)物的RCS值出現(xiàn)數(shù)量級的改變。 因此亟需建立起不同角度的目標(biāo)物RCS， 盡量真實(shí)還原實(shí)車測試場景。

1.2 目標(biāo)物RCS包絡(luò)圖

目標(biāo)物RCS的動態(tài)變化、 外部空間環(huán)境等因素可引起雷達(dá)接受功率改變， 基于雷達(dá)接受功率與目標(biāo)物RCS之間的數(shù)學(xué)關(guān)系， 建立起雷達(dá)接受功率變化模型， 其中雷達(dá)接受功率可表示為：

式中： P——傳播功率； R——目標(biāo)物與雷達(dá)之間的相對距離； G——天線增益； λ——毫米波波長； σ——目標(biāo)物的RCS。

當(dāng)目標(biāo)物對雷達(dá)發(fā)射的電磁波反射后， 該電磁波便攜帶了目標(biāo)物的反射特性信息。

根據(jù)公式 （2）， σ與接受功率P， 同雷達(dá)相對縱向距離R存在等式關(guān)系， 因此在實(shí)際的毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器仿真中， 是通過控制毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器的發(fā)射天線的功率來模擬目標(biāo)物反射情況， 使得被測毫米波雷達(dá)傳感器探測到的接受功率與目標(biāo)物的實(shí)際RCS值相符， 配合毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器的天線轉(zhuǎn)動進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在不同角度下RCS的實(shí)時動態(tài)更新。

為獲取目標(biāo)物不同角度的RCS值， 本文選取76GHz真實(shí)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)信息， 為硬件在環(huán)仿真測試提供支撐。 目標(biāo)物靜止放置于測試場地， 測試車輛以10km/h速度從遠(yuǎn)處逐漸靠近目標(biāo)物， 定義測試車輛與目標(biāo)物 “頭對頭” 時的角度為0°， 每30°順時針方向旋轉(zhuǎn)目標(biāo)物的朝向， 測試方法如圖1所示。

圖1 目標(biāo)物RCS測試方法

依據(jù)上述測試方法便可得到關(guān)于目標(biāo)物不同角度的RCS數(shù)據(jù)斷點(diǎn)， 編輯設(shè)置虛擬目標(biāo)物信息導(dǎo)入到CarMaker軟件， 便可構(gòu)建出如圖2所示的行人、 車輛、 踏板式二輪車的RCS包絡(luò)圖。

圖2 RCS設(shè)置界面及不同目標(biāo)物RCS包絡(luò)圖

2 毫米波雷達(dá)在環(huán)測試系統(tǒng)

2.1 毫米波雷達(dá)在環(huán)虛擬測試系統(tǒng)

相比于軟件仿真， 該測試平臺基于Carmaker場景信息通過驅(qū)動天線電機(jī)改變發(fā)射角度， 利用雷達(dá)回波發(fā)生器（ARSG） 產(chǎn)生電磁波信號傳送給真實(shí)的雷達(dá)。 同時將控制器通過I/O口與dSPACE機(jī)柜相連， 編輯不同的測試用例，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被測對象系統(tǒng)的、 全面的硬件在環(huán)仿真測試， 其測試原理如圖3所示。

圖3 毫米波雷達(dá)在環(huán)虛擬測試平臺

首先， 毫米波雷達(dá)安裝在暗室臺架上發(fā)射電磁波信號，部分信號被收發(fā)天線接收， 其余信號被暗室內(nèi)的吸波材料吸收。 接收的信號降頻后被數(shù)據(jù)處理器分析， 通過對信號延時和多普勒頻移等， 生成包含目標(biāo)物距離、 速度、 角度以及反映目標(biāo)物特性RCS的信號， 同時驅(qū)動轉(zhuǎn)盤等執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 來模擬發(fā)射真實(shí)的電磁波信號。 雷達(dá)接收到虛擬目標(biāo)信息后， 通過CAN通信的方式傳遞給控制器， 控制器經(jīng)過算法計算得出控制指令， 再通過CAN總線發(fā)回dSPACE實(shí)時機(jī)柜， 驅(qū)動虛擬車輛模型， 進(jìn)而搭建出閉環(huán)的毫米波雷達(dá)在環(huán)測試系統(tǒng)。

2.2 毫米波雷達(dá)在環(huán)實(shí)車測試系統(tǒng)

實(shí)車測試系統(tǒng)由載有毫米波雷達(dá)的測試車輛、 陀螺儀RT3000及機(jī)器人控制器組成， RT3000可以獲得試驗車輛的位置、 速度、 偏航角等信息， 同時可以利用控制器計算出試驗車與目標(biāo)物的相對距離、 速度等。 這套設(shè)備具有高精度、 低時延的特點(diǎn)， 經(jīng)常用來驗證攝像、 雷達(dá)等傳感器和ACC、 AEB等控制器。

該實(shí)車測試系統(tǒng)原理為： 載有毫米波雷達(dá)的測試車輛按設(shè)定的測試用例行駛， 利用陀螺儀和控制器獲取本車與目標(biāo)車輛的相對距離、 速度等數(shù)據(jù)信息， 并記錄AEB、ACC等功能觸發(fā)前后本車的速度、 減速度變化曲線等。 測試原理如圖4所示。

圖4 毫米波雷達(dá)在環(huán)實(shí)車測試原理

3 仿真與實(shí)車對比測試驗證

為驗證毫米波雷達(dá)虛擬在環(huán)測試平臺的可行性， 本文利用德國IPG公司開發(fā)的CarMaker軟件搭建仿真測試場景，利用dSPACE毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器來仿真目標(biāo)物動態(tài)信息。 同時為了更好地對比驗證效果， 結(jié)合實(shí)車在相同的測試環(huán)境下進(jìn)行比較， 來驗證虛擬測試平臺的可信性。

3.1 行人橫穿測試驗證

本文結(jié)合ADAS控制器的AEB、 ACC等功能展開測試，控制器和傳感器硬件均由國內(nèi)某主機(jī)廠提供。 測試用例選擇CCRT （中國汽車消費(fèi)者研究與評價規(guī)程） 中行人橫穿的場景， 如圖5所示。 試驗車輛設(shè)置車速為40km/h， 當(dāng)試驗車輛與行人軌跡TTC為3.6s時， 行人以5km/h速度出發(fā)， 來驗證車輛的識別與響應(yīng)能力。 記錄試驗車輛相對縱向距離、本車車速、 本車與行人相對速度變化情況， 并與實(shí)車測試結(jié)果進(jìn)行對比驗證， 試驗驗證結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖5 行人橫穿測試場景示意圖

圖6 相對縱向距離變化曲線圖

圖7 本車車速變化曲線圖

圖8 本車與行人相對速度變化曲線圖

根據(jù)測試結(jié)果， 在行人橫穿的場景下， 車輛AEB功能可正常作用， 表明車輛可識別目標(biāo)物并減速制動， 虛擬測試可較好地反映實(shí)車測試結(jié)果， 但由于行人橫穿的突發(fā)性導(dǎo)致車輛未能提早制動。 根據(jù)相對縱向距離變化圖可知，車輛與行人發(fā)生了碰撞， 發(fā)生碰撞時虛擬測試的相對碰撞速度為10.4m/s， 發(fā)生碰撞時實(shí)車測試的相對碰撞速度為10.2m/s。 其中， 本車車速、 前車與行人的相對車速變化曲線在虛擬與實(shí)車測試中表現(xiàn)相對一致。

3.2 前方車輛慢行測試驗證

為驗證前方目標(biāo)物為車輛時的測試效果， 試驗車輛以60km/h速度駛向20km/h慢行的目標(biāo)車輛， 分別記錄試驗車輛相對縱向距離、 本車車速、 本車與前車相對速度變化情況， 并與實(shí)車測試結(jié)果進(jìn)行對比驗證， 試驗驗證結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 相對縱向距離變化曲線圖

圖10 本車車速變化曲線圖

圖11 本車與前車相對速度變化曲線圖

根據(jù)測試結(jié)果， 在前車20km/h慢行后車60km/h跟隨情況下， 車輛ACC功能可正常開啟并作用， 虛擬測試可較好地反映實(shí)車測試結(jié)果。 其中， 達(dá)到穩(wěn)定跟車時虛擬測試的相對縱向距離為12m， 實(shí)車測試為14m； 并且本車車速、 前車與本車的相對車速變化曲線在虛擬與實(shí)車測試中比較吻合。

3.3 前方二輪車慢行測試驗證

為驗證前方目標(biāo)物為二輪車時的測試效果， 試驗車輛以80km/h速度駛向30km/h慢行的二輪車， 分別記錄試驗車輛相對縱向距離、 本車車速、 本車與目標(biāo)二輪車相對速度變化情況， 并與實(shí)車測試結(jié)果進(jìn)行對比驗證， 試驗驗證結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 相對縱向距離變化曲線圖

圖13 本車車速變化曲線圖

圖14 本車與二輪車相對速度變化曲線圖

根據(jù)測試結(jié)果， 在二輪車30km/h慢行后車60km/h跟隨情況下， 車輛ACC功能可正常作用， 表明車輛可識別目標(biāo)物并減速跟車， 虛擬測試可較好地反映實(shí)車測試結(jié)果。 其中， 達(dá)到穩(wěn)定跟車時虛擬測試的相對縱向距離為16m， 實(shí)車測試為18.9m； 并且本車車速、 前車與目標(biāo)物的相對車速變化曲線在虛擬與實(shí)車測試中相對吻合， 驗證了該虛擬測試平臺具有可行性。

4 結(jié)論

本文首先分析毫米波雷達(dá)目標(biāo)反射特性， 繪制出了不同類型目標(biāo)物不同角度下的RCS包絡(luò)圖。 同時聯(lián)合CarMaker、dSPACE搭建了毫米波雷達(dá)在環(huán)測試平臺， 聯(lián)合陀螺儀、 控制器等搭建了實(shí)車測試平臺， 并結(jié)合CCRT評價規(guī)程中的測試用例針對ADAS控制器進(jìn)行對比測試。 試驗結(jié)果表明， 虛擬測試平臺的車輛動態(tài)響應(yīng) （與目標(biāo)物的相對縱向距離、本車車速、 相對速度變化等） 可很好地反映實(shí)車測試結(jié)果，驗證了該虛擬測試平臺具有可行性。