周勇強(qiáng),王 路,馬一超,邵 洋
(廣汽本田汽車有限公司技術(shù)部,廣州 510000)
智能駕駛汽車是一個(gè)集環(huán)境感知、決策、規(guī)劃與控制等多項(xiàng)功能于一體的綜合智能系統(tǒng)。智能駕駛汽車通過車載傳感器或網(wǎng)聯(lián)通信設(shè)備等媒介,獲取車輛行駛周邊環(huán)境信息,智能自主地做出決策并控制車輛的行駛、轉(zhuǎn)向和制動(dòng),使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛,到達(dá)預(yù)訂目的地。根據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)SAE發(fā)布于2014年提出的自動(dòng)駕駛L0遞增到L5的分級(jí)方案,該方案成為被普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)[1]。如表1所示。
表1 自動(dòng)駕駛L0~L5分級(jí)方案
在L0~L2的應(yīng)用層級(jí),先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistant System,ADAS)是用于警示或輔助駕駛員的汽車安全系統(tǒng),通過增加駕駛員可利用的信息,在必要時(shí)采取措施保障駕駛員和車輛的安全性,已逐步演化為發(fā)展最快的汽車應(yīng)用領(lǐng)域之一。
雖然ADAS技術(shù)能帶來極大的便利,但技術(shù)的安全性目前做的不完善,從2016年Uber智能駕駛車輛撞人至2018年,全球已經(jīng)發(fā)生了10余起由于自動(dòng)駕駛導(dǎo)致的事故,雖然L2、L3級(jí)別車輛已經(jīng)量產(chǎn),但要真正實(shí)現(xiàn)在道路上行駛還有一定的差距,只有通過完善的ADAS系統(tǒng)測試技術(shù),才能在產(chǎn)品投產(chǎn)前盡早發(fā)現(xiàn)問題,挖掘隱藏的功能缺陷及不合理之處,從而為汽車產(chǎn)品的品質(zhì)管理提供堅(jiān)實(shí)保障[2]。
在國內(nèi)的研究應(yīng)用方面,張可科等[3]基于攝像頭傳感器,對車輛AEB(自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng))的硬件在環(huán)仿真測試進(jìn)行了研究。劉雨佳等[4]以先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)中的LDW(車道偏離預(yù)警)功能為例,分析了的應(yīng)用場景,最后將HMI設(shè)計(jì)應(yīng)用到駕駛模擬器上進(jìn)行可用性測試。吳君等[5]通過模型優(yōu)化,將基于硬件在環(huán)臺(tái)架的測試結(jié)果與實(shí)車測試進(jìn)行對標(biāo)分析,更好地支持車輛的快速開發(fā)及智能駕駛功能測試。但總體而言,由于相關(guān)法規(guī)與測試標(biāo)準(zhǔn)仍處于編制討論階段,尚未形成完善的測試體系與標(biāo)準(zhǔn),主要依賴研究機(jī)構(gòu)與技術(shù)人員根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對智能駕駛輔助系統(tǒng)功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
本文基于國內(nèi)外已有ADAS測試方法和流程的分析,分別從不同的在環(huán)測試的流程中,總結(jié)關(guān)聯(lián)的技術(shù)原理、評價(jià)方法、軟硬件需求以及測試場景的選擇,同時(shí)結(jié)合整車制造廠所擁有的技術(shù)儲(chǔ)備,探討并建立開展ADAS系統(tǒng)測試的方法和流程。
在ADAS智能駕駛開發(fā)測試的V流程中,測試分為4個(gè)環(huán)節(jié),如圖1所示,分別為仿真測試、場地測試、封閉區(qū)域測試和道路測試。仿真測試是研發(fā)測試的主要項(xiàng)目,需要覆蓋絕大多數(shù)駕駛場景、道路類型和交通工況;場地測試時(shí)根據(jù)指定的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),使用車輛在典型的場地中進(jìn)行測試;封閉區(qū)域測試是在場地的基礎(chǔ)上增加環(huán)境、道路等因素,如封閉的汽車試驗(yàn)場;實(shí)際道路測試是最后階段的測試內(nèi)容,主要目的是評估在實(shí)際道路上駕駛時(shí)的系統(tǒng)功能,是ADAS系統(tǒng)測試的重要階段[6]。
圖1 ADAS智能駕駛開發(fā)測試V流程
仿真測試是控制系統(tǒng)算法開發(fā)測試中,十分關(guān)鍵的一步,可以對開發(fā)的算法在應(yīng)用到實(shí)車上之前進(jìn)行充分的驗(yàn)證,既能減少功能算法出現(xiàn)失誤的概率,同時(shí)提高測試效率,又能縮短開發(fā)周期,降低成本。ADAS輔助駕駛系統(tǒng)的仿真測試包含模型在環(huán)測試(Model in the Loop,MIL)、軟件在環(huán)測試(Software in the Loop,SIL)、硬件在環(huán)測試(Hardware in the Loop,HIL)[7]。如圖2所示。
圖2 X-in-Loop
模型在環(huán)(MIL)測試是用模型驅(qū)動(dòng),例如在MATLABSimulink中建立模型。在開發(fā)階段初期建模測試階段開展的仿真測試,在模型層面實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試,目的是工程師針對模型和算法開展集成測試。如圖3所示,模型在環(huán)(MIL)測試僅適用于ADAS系統(tǒng)開發(fā)初期用于建立系統(tǒng)集成架構(gòu)所開展的測試,確保模型建立符合開發(fā)要求,僅用于初始開發(fā)部門的測試。
圖3 MIL仿真代碼生成程序
軟件在環(huán)(SIL)測試是對控制策略模型轉(zhuǎn)換成為編譯C/C++代碼后開展的軟件測試,如果與模型在環(huán)測試使用相同的測試用例,測試后得到了與模型在環(huán)測試相同的結(jié)果,則生成的編譯代碼和生成代碼的模型是一致的,其測試意義在于確認(rèn)代碼生成過程中,是否存在錯(cuò)誤[8]。軟件在環(huán)(SIL)測試適用于仿真代碼與目標(biāo)程序語言之間的轉(zhuǎn)換確認(rèn),并未涉及實(shí)車或?qū)嶓w零件的測試。
硬件在環(huán)(HIL)測試是一種半實(shí)物仿真系統(tǒng),由實(shí)際的控制器和虛擬的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型,模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài),通過輸入/輸出(I/O)接口與控制器連接,對控制器開展系統(tǒng)的測試,從而確認(rèn)控制器能否在真實(shí)環(huán)境中使用[9]。如圖4所示,開展硬件在環(huán)(HIL)測試,硬件方面需要搭建場景模擬器、感知模擬器和執(zhí)行器及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),軟件方面需要搭配匹配的控制程序,針對整車制造廠而言,感知機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器和控制器是有能夠投入量產(chǎn)的零件,是不需要單獨(dú)構(gòu)建。而場景方面是比較缺乏,需要付出極大成本。故從成本和收益的角度而言,整車制造廠開展硬件在環(huán)(HIL)測試主要受到了場景模擬的限制。
圖4 含轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)
為了提供真實(shí)的交通環(huán)境,ADAS系統(tǒng)測試需要在整車上完成。實(shí)車測試主要分為封閉區(qū)域測試和開放道路測試。封閉區(qū)域測試目前有封閉場地測試和實(shí)驗(yàn)室測試。
1.2.1 封閉場地測試
封閉試驗(yàn)場地測試為封閉交通環(huán)境下進(jìn)行的試驗(yàn),通常在預(yù)設(shè)的封閉環(huán)境中進(jìn)行。測試形式包括人工城市、試驗(yàn)跑道以及半虛擬化測試。人工城市Mcity是世界上第一個(gè)針對智能駕駛汽車技術(shù)測試而設(shè)計(jì)的受控測試環(huán)境[7],由美國密歇根大學(xué)在2015年在工廠基礎(chǔ)上改建而成,如圖5所示。由40個(gè)建筑元素組成,包括隧道、橋梁、高速公路,可以進(jìn)入人行道交叉口的仿生機(jī)器人。除天氣狀況外,所有測試條件都是可重復(fù)再現(xiàn)的。然而建設(shè)測試專用的人工城市成本較高且耗時(shí)較長,而且車輛必須保證完備功能。
圖5 美國密歇根大學(xué)Mcity受控測試場地
1.2.2 實(shí)驗(yàn)室測試
實(shí)驗(yàn)室測試是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展整車在環(huán)測試,通過設(shè)定場景引發(fā)外部環(huán)境和傳感器信號(hào)變化,從而完成對于智能駕駛輔助系統(tǒng)的功能測試。根據(jù)測試條件可劃分為侵入性和非侵入性兩種。
侵入性測試方法會(huì)進(jìn)行車輛構(gòu)造的改動(dòng),常見方式是斷開ECU單元并直接將相關(guān)數(shù)據(jù)連接注入到數(shù)據(jù)總線當(dāng)中,從而獲得車輛針對這些數(shù)據(jù)的反饋操作。如圖6所示,在測試實(shí)驗(yàn)室中,將車輛放置在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上,使用相對于受測車輛產(chǎn)生移動(dòng)的實(shí)體對象模擬試驗(yàn)場景[10]。
圖6 針對自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測試場景
非侵入性測試也可采用虛擬仿真環(huán)境的輸出設(shè)備(如視頻顯示屏、障礙實(shí)體等),為車輛傳感器提供輸入信息模擬真實(shí)環(huán)境。測試者可以完成特定道路的創(chuàng)建,定義車道數(shù)量、道路坡度水平、周圍樹木、其他車輛與行人。駕駛仿真模擬器經(jīng)過動(dòng)力學(xué)計(jì)算輸出場景信號(hào),經(jīng)過設(shè)備轉(zhuǎn)化,輸入車輛的相應(yīng)傳感器設(shè)備中,從而使受測車輛產(chǎn)生相應(yīng)作動(dòng)。格拉茨工業(yè)大學(xué)的Michael E Gadringer教授等[11]基于該方法搭建完成“Driving Cube”項(xiàng)目,該項(xiàng)目將整車置于接入仿真環(huán)境的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上,通過虛擬環(huán)境的傳感器仿真輸出數(shù)據(jù),為實(shí)車傳感器的感知提供信息,模擬實(shí)際運(yùn)行測試場景。
1.2.3 開放道路測試
開放道路測試是在社會(huì)道路上開展ADAS測試的方式,主要借助道路上的交通標(biāo)識(shí)牌、車道線、紅綠燈和往來的車輛,開展實(shí)車測試的方式[12]。
針對整車制造商最適合開展ADAS的測試形式即為開放道路測試,其優(yōu)點(diǎn)在于,無需專門搭建測試硬件。且無需準(zhǔn)備專門的試驗(yàn)場景,從社會(huì)道路的典型場景中選取即可,故試驗(yàn)成本低。同時(shí)由于社會(huì)道路的交通條件存在諸多不確定性,存在開發(fā)人員未考慮到的情形,試驗(yàn)有利于發(fā)現(xiàn)ADAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷[13]。
但也存在一定缺點(diǎn),由于實(shí)際交通場景多變,測試條件的可重復(fù)性低,難以通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得統(tǒng)一結(jié)論。同時(shí)進(jìn)行實(shí)車測試ADAS功能無法正常作用時(shí),有發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。
本文基于行業(yè)內(nèi)ADAS測試的開展總結(jié),提出一種開放道路測試方案,其中包含有針對TSR(交通標(biāo)識(shí)識(shí)別)、LKAS(車道保持系統(tǒng))、LDWS(車道偏離預(yù)警系統(tǒng))和LSF(低速跟隨系統(tǒng))的開放道路測試方案。
(1)TSR功能測試方案
針對TSR(交通標(biāo)識(shí)識(shí)別)的開放道路試驗(yàn),主要為開展常規(guī)交通標(biāo)識(shí)和其他標(biāo)識(shí)的識(shí)別。如表2所示。
表2 交通標(biāo)識(shí)識(shí)別
(2)LKAS/LDWS功能
針對LKAS(車道保持系統(tǒng))和LDWS的開放道路試驗(yàn),主要為車道識(shí)別、輔助駕駛功能、車道偏離報(bào)警功能共同開展。如表3所示。
表3 LKAS/LDWS標(biāo)識(shí)識(shí)別
(3)LSF(低速跟隨系統(tǒng))
針對LSF(低速跟隨系統(tǒng))開放道路試驗(yàn),主要為加/減速感覺評價(jià)、停車距離評價(jià)、跟車距離評價(jià)項(xiàng)目。如表4所示。
本文總結(jié)了近年來針對智能駕駛輔助系統(tǒng)測試的相關(guān)研究,針對汽車行業(yè)內(nèi)存在多種驗(yàn)證智能駕駛輔助系統(tǒng)的測試方法和技術(shù)進(jìn)行介紹。通過總結(jié)行業(yè)內(nèi)開展ADAS測試的技術(shù)路線,針對整車制造廠,本文提出ADAS開放道路測試方案,開展多車型的實(shí)車試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果和市場表現(xiàn)表明測試方案的有效性。
然而,隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展,整車在環(huán)測試仍無法滿足所有智能駕駛系統(tǒng)的測試需求,眾多自動(dòng)駕駛解決方案提供商借助開放的道路測試條件對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實(shí)車檢測與驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)保證未來智能駕駛車輛的品質(zhì)要求,要求整車廠商在落實(shí)推進(jìn)智能駕駛整車在環(huán)試驗(yàn)測試技術(shù)的同時(shí),也要緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢,根據(jù)政策標(biāo)準(zhǔn),積極推進(jìn)整車開放道路測試的開展。