李明明 王吟松 盛鑫

星覓（上海）科技有限公司 上海市 201804

1 引言

V2X技術(shù)將“人、車、路、云”等交通參與要素有機(jī)地聯(lián)系在一起，不僅可以支撐車輛獲得比單車感知更多的信息，促進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用；還有利于構(gòu)建一個(gè)智慧的交通體系，促進(jìn)汽車和交通服務(wù)的新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展。在國家的發(fā)展戰(zhàn)略[1]、各部委的建設(shè)指南[2-3]以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]指導(dǎo)下，V2X的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也逐步完善并發(fā)布，V2X行業(yè)得以蓬勃發(fā)展。

隨之而來的V2X測(cè)試需求也越來越多，鑒于實(shí)車測(cè)試諸多問題，仿真測(cè)試的重要性日益凸顯。有一些學(xué)者或研究機(jī)構(gòu)，提出基于PreScan或CarMaker在Simulink中搭 建車輛模型的V2X硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)方案，以及根據(jù)實(shí)際測(cè)試場景選擇能夠反映車輛移動(dòng)特性的車輛移動(dòng)模型來進(jìn)行V2X的仿真測(cè)試。整體來說當(dāng)前生成V2X仿真測(cè)試所需的數(shù)據(jù)對(duì)其他軟件具有一定的依賴性，且操作復(fù)雜，所需技術(shù)門檻高，并忽略了道路的實(shí)際線形對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響；或者具有一定的局限性，僅能模擬一些軌跡下的V2X數(shù)據(jù)信息。

本文在考慮實(shí)際道路線形規(guī)律的前提下，并結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)特性，提出基于Bezier曲線的V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成方法。在保證高效生成模擬車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)的前提下，無依賴性、且符合車輛在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及特點(diǎn)。最后，通過軟件封裝及界面設(shè)計(jì)，形成可視化且易操作的界面型V2X測(cè)試數(shù)據(jù)生成軟件，大大降低操作復(fù)雜度及使用的門檻，有助于V2X仿真測(cè)試的快速開展，推動(dòng)V2X的快速發(fā)展及大規(guī)模落地。

2 V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成過程及應(yīng)用

本V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成方法是基于經(jīng)緯度點(diǎn)信息以及道路線形的特點(diǎn)進(jìn)行分段軌跡擬合，并在相鄰兩段連接處通過Bezier曲線的應(yīng)用，使得整個(gè)曲線的擬合符合車輛的實(shí)際行駛特性。再根據(jù)所需仿真的場景并根據(jù)V2X的車輛基本安全消息（Basic Safety Message，BSM）內(nèi)容進(jìn)行車輛運(yùn)行狀態(tài)及車輛操作信息的設(shè)置，最終生成可用于仿真測(cè)試V2X場景的模擬數(shù)據(jù)。本V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成方法流程如圖1所示。

圖1 V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成方法流程圖

本文的核心內(nèi)容在于分段軌跡擬合、Bezier的應(yīng)用確保分段軌跡連接處的平順性以及基于車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特性設(shè)計(jì)車輛行駛狀態(tài)并輸出車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)。車輛行駛軌跡點(diǎn)的獲取可通過采集實(shí)車的行駛軌跡或地圖上拾取一系列點(diǎn)實(shí)現(xiàn)；經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)平面坐標(biāo)，是為降低算法的復(fù)雜度做準(zhǔn)備；最終的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，為滿足BSM消息中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)格式。

2.1 分段擬合軌跡

對(duì)整段軌跡進(jìn)行擬合，會(huì)出現(xiàn)軌跡點(diǎn)與擬合曲線間存在較大偏差問題。本文采用分段擬合的方案解決此問題。

2.1.1 選取單次擬合點(diǎn)

從參與擬合的第一個(gè)點(diǎn)開始查找沿X和Y方向上的單向最大點(diǎn)數(shù)，如圖2所示，具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖2 單向最大點(diǎn)數(shù)示意圖

（1）散點(diǎn)A-L進(jìn)行描述單向最大點(diǎn)數(shù)，如圖2所示，單向點(diǎn)數(shù)算法如下：

若N_1_x（/y）≥N_2_x（/y），則計(jì)算 滿 足N_i_x（/y）≥N_i+1_x（/y）的i最大值，i∈[2，n];

若N_1_x（/y）≤N_2_x（/y），則計(jì)算 滿 足N_i_x（/y）≤N_i+1_x（/y）的i最大值，i∈[2，n];

x（/y）方向的單向最大點(diǎn)數(shù)max_direc_x（/y）=i+1。

（2）由圖中散點(diǎn)的分布情況，可知散點(diǎn)坐標(biāo)情況如下：

A_x＜B_x＜C_x＜D_x＜E_x＜F_x＜G_x＜H_x＜I_x＜J_x＞K_x＞L_x;

A_y＜B_y＜C_y＜D_y＞E_y＜F_y＜G_y＜H_y＜I_y＜J_y＜K_y＞L_y;

（3）在X方向上A-＞J 10個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值是單向變化的，故max_direc_x=10；同理，max_direc_y=4；故max_direc=max（max_direc_x，max_direc_y）=10。

2.1.2 單向最大點(diǎn)數(shù)的函數(shù)擬合

根據(jù)實(shí)際道路設(shè)計(jì)原理，設(shè)定擬合函數(shù)的階次不超過4階，選取出滿足設(shè)定偏差且點(diǎn)數(shù)最多的擬合。如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖3 單向最大點(diǎn)數(shù)擬合示意圖

（1）以2.1.1中求出的單向最大點(diǎn)數(shù)max_direc即A-J點(diǎn)進(jìn)行擬合；

（2）逐個(gè)增加點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行1-4階的軌跡擬合，如圖3中灰色線、綠色線、橙色線和藍(lán)色線分別為1、2、3和4階擬合曲線;

（3）計(jì)算擬合點(diǎn)與擬合軌跡的差值，如圖3的藍(lán)虛線，并選取最大差值≤可接受的偏差值且參與擬合點(diǎn)數(shù)最多的擬合，如圖3中橙色A-G點(diǎn)的3階擬合。

2.1.3 完成分段擬合

從上次擬合軌跡最后一個(gè)點(diǎn)的下一個(gè)點(diǎn)開始，重復(fù)2.1.1和2.1.2中的步驟，直至所有點(diǎn)均參與了擬合。如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖4 軌跡擬合起點(diǎn)選取及結(jié)束擬合條件

（1）圖4中G點(diǎn)為上段擬合結(jié)束點(diǎn)，其下一個(gè)點(diǎn)H作為本段擬合的起始點(diǎn)；

（2）循環(huán)小節(jié)2.1.1，即Y方向的單向最大點(diǎn)為H-L max_direc_y=5個(gè)點(diǎn)；故單向最大點(diǎn)數(shù)max_direc = max_direc_y=5，且自變量坐標(biāo)為Y軸；

（3）循 環(huán) 小 節(jié)2.1.2，對(duì)H-L 5個(gè) 沿Y方向的單向變化點(diǎn)進(jìn)行軌跡擬合；

（4）直至最后一個(gè)點(diǎn)L或倒數(shù)第二個(gè)點(diǎn)K已經(jīng)參與擬合，則分段擬合完成。

2.2 Bezier曲線連接分段的擬合

應(yīng)用三階Bezier對(duì)相鄰兩段擬合軌跡的連接處進(jìn)行連接，保障相鄰兩段擬合軌跡的連續(xù)可導(dǎo)性。如圖5所示，具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖5 三階Bezier曲線4個(gè)定點(diǎn)選取示意圖

（1）選取前段擬合曲線L1的終點(diǎn)B作為Bezier曲線的第一個(gè)定點(diǎn)，后一段曲線L2的起點(diǎn)C作為Bezier曲線的第四個(gè)定點(diǎn)；

（2）做輔助射線BE和FJ，BE為與L1曲線相切于B點(diǎn)的射線，方向?yàn)檐壽E的駛向；同理FJ為與L2曲線相切于C點(diǎn)的射線，方向?yàn)檐壽E的駛向；

（3）自B點(diǎn)起在BE射線的方向上選取一點(diǎn)E作為Bezier的第二個(gè)定點(diǎn)；

（4）自C點(diǎn)起向FJ射線的反方向上選取一點(diǎn)F，作為Bezier的第三個(gè)定點(diǎn)；

（5）根據(jù)B點(diǎn)坐標(biāo)（X_B，Y_B），E點(diǎn)坐標(biāo)（X_E，Y_E），F(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)（X_F，Y_F）以及C點(diǎn)坐標(biāo)（X_C，Y_C），求得Bezier曲線的方程為：

其中，t∈[0，1]

（6）計(jì)算Bezier曲線的起點(diǎn)到終點(diǎn)的弦長Lchord（直線長度）和弧長Larc，并將（弧長-弦長）/弦長的值Real_rate與可接受偏差A(yù)ccept_rate進(jìn)行比較；

（7）若Real_rate小于Accept_rate，則接受此Bezier曲線作為前后兩段軌跡的連接曲線。若Real_rate大于Accept_rate時(shí)，則調(diào)整Bezier第二點(diǎn)和第三點(diǎn)位置，調(diào)整方法為逐漸縮短第一點(diǎn)和第二點(diǎn)以及第三點(diǎn)和第四點(diǎn)之間的距離。

2.3 生成車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)定的初始速度以及分段行駛狀態(tài)，輸出以設(shè)定頻率的與實(shí)際行車數(shù)據(jù)相符的車輛坐標(biāo)（平面坐標(biāo)）、速度、加速度、航向角、橫擺角速度等車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)。如圖6所示，具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖6 車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)示意圖

（1）計(jì)算車輛行駛軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)：S=V0*t+0.5*a*t2；V=V0+a*t;

其中：V0為車輛初速度；V為當(dāng)前車速，a為車輛加速度，t為時(shí)間，S為車輛當(dāng)前累計(jì)行駛路程。

根據(jù)曲線長度計(jì)算公式，求軌跡點(diǎn)的平面坐標(biāo)（bx，by）；

（2）如圖6中假設(shè)點(diǎn)a（綠色點(diǎn)）為上一幀軌跡點(diǎn)的位置，b（紅色點(diǎn)）為當(dāng)前軌跡點(diǎn)的位置，則當(dāng)前位置的行駛狀態(tài)參數(shù)：

航向角為：γ（黃色虛線所示角度）；橫擺角速度為：φ=（β-α）/t;

α為過a點(diǎn)的切線與X軸的夾角，β為過b點(diǎn)的切線與X軸的夾角；

（3）計(jì)算所有軌跡點(diǎn)上的車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括但不限于以下內(nèi)容：

點(diǎn)平面坐標(biāo) 航向角 速度 加速度 橫擺角速度 ……

將上表中數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo)，并結(jié)合其他車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼生成用于仿真測(cè)試V2X場景的BSM模擬信息。

3 界面化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成方法實(shí)現(xiàn)車輛BSM數(shù)據(jù)制作，并按時(shí)序生成BSM數(shù)據(jù)文件，供V2X仿真測(cè)試使用。如圖7所示，具體操作流程如下：

圖7 V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)流程圖

（1）選擇軌跡生成方式。即車輛行駛路徑點(diǎn)，支持三種方式：選擇現(xiàn)有樣本軌跡數(shù)據(jù)、導(dǎo)入實(shí)車軌跡數(shù)據(jù)以及手動(dòng)繪制行車軌跡。

（2）生成軌跡信息。此階段包含兩部分內(nèi)容：顯示軌跡點(diǎn)和擬合軌跡；因此此部分是核心算法的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容。圖8為生成的軌跡信息示例。

圖8 生成軌跡信息

（3）添加車輛信息。支持兩種方式：從已有車輛庫中直接選擇，或新增車輛信息。新增車輛信息時(shí)，需編輯車輛的基本信息（車輛的屬性-HV/RV、車輛ID、車輛匹配的軌跡、車輛類型、車輛尺寸、車輛上OBU天線的位置等信息）。

（4）編輯行車數(shù)據(jù)。首先，選定一個(gè)已經(jīng)添加的車輛；其次，設(shè)計(jì)此車輛的分段行駛路段；最后，逐條編輯軌跡分段行車數(shù)據(jù)（上下游節(jié)點(diǎn)車速、下游節(jié)點(diǎn)持續(xù)靜止時(shí)長、加減速狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)、車燈狀態(tài)、特殊狀態(tài)等）。

（5）導(dǎo)出行車軌跡數(shù)據(jù)。用戶根據(jù)測(cè)試需求，選擇“導(dǎo)出車輛”以及“數(shù)據(jù)頻率”，即可導(dǎo)出目標(biāo)車輛的行車軌跡數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)與展望

本文提出一種基于Bezier曲線的V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成方法，解決實(shí)車測(cè)試過程中存在操作復(fù)雜、危險(xiǎn)性高、高成本、效率低以及難以復(fù)現(xiàn)等問題。該系統(tǒng)不依賴交通仿真軟件，采用自研的車輛軌跡擬合算法，解決軌跡擬合過程中的偏差偏離較大、分段擬合不連續(xù)等問題，以及生成滿足車輛行駛動(dòng)力學(xué)的車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)。

在本文研究的V2X仿真測(cè)試軌跡數(shù)據(jù)生成方法中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)生成模擬的V2X BSM消息，后續(xù)還將繼續(xù)實(shí)現(xiàn)生成V2X國標(biāo)一階段應(yīng)用場景里面提到的RSM、RSI、SPAT、MAP等其他V2X消息類型，以及生成V2X國標(biāo)二階段應(yīng)用場景里面提到的所有V2X消息類型。