崔 振，趙一凡，孟祥虎

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 212000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，人們對汽車的功能要求日益提升。近些年，隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展，高級駕駛輔助和自動駕駛成為各大主機(jī)廠和科研院所的研究熱點(diǎn)[1-5]。而傳統(tǒng)的實(shí)車測試局限性太大，測試?yán)锍毯蜏y試周期長、場景復(fù)雜且危險(xiǎn)場景難以復(fù)現(xiàn)、測試效率低下，因此虛擬仿真顯得尤為重要。PreScan仿真平臺、仿真環(huán)境模型易于搭建，可操作性強(qiáng)，自定義程度較高，已被廣泛應(yīng)用于高級駕駛輔助（ADAS）和自動駕駛技術(shù)開發(fā)與測試中[6-8]。

1 測試環(huán)境搭建思路

基于PreScan仿真平臺可以搭建環(huán)境和建筑物模型，設(shè)置車輛動力學(xué)參數(shù)，開發(fā)基于雷達(dá)、攝像頭等傳感器的自動駕駛系統(tǒng)，并通過PreScan和MATLAB/Simulink的耦合來完成車輛控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、仿真環(huán)境可視化等。

2 測試園區(qū)仿真場景搭建

2.1 道路模型搭建

通過PreScan搭建仿真場景過程中，道路和建筑物模型搭建以及參數(shù)設(shè)置是虛擬場景仿真的基礎(chǔ)。道路要依據(jù)現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行搭建，根據(jù)采集的路況信息和實(shí)際情況進(jìn)行道路、車道線、路面標(biāo)志以及交通信號燈指示牌等模型搭建。

根據(jù)實(shí)際情況將道路屬性設(shè)置為：車道數(shù)為3，車道寬度為3 m，路面厚度為0.1 m，道路方向和長度以及位置信息根據(jù)實(shí)際情況而定。設(shè)置道路位置信息時(shí)根據(jù)兩點(diǎn)確定整個(gè)虛擬環(huán)境 的坐標(biāo)系，通過RTK測試得到A、B兩個(gè)路口的實(shí)際經(jīng)緯度坐標(biāo)為Lat： N 34°10′24.12′′，Lon ： E 117°13′18.6′′和 Lat： N 34°10′24.94′′，Lon ： E 117°13′27.2′′。將 A、B兩個(gè)路口的經(jīng)緯度坐標(biāo)按照實(shí)際值設(shè)置完成后，可以得到其在PreScan GUI中的屏幕坐標(biāo)，根據(jù)屏幕坐標(biāo)計(jì)算出道路傾斜度為6.64321925°，且與實(shí)際道路一致。

2.2 外部建筑物模型搭建

為了提高場景環(huán)境的真實(shí)度，需要建筑物模型更接近現(xiàn)實(shí)場景，利用軟件Sketchup進(jìn)行建筑物模型搭建，完成后通過PreScan中工具（MPT）箱進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并導(dǎo)出PreScan需求的.pgmb格式，然后導(dǎo)入到PreScan模型庫中。由于建筑物建模工作量大，可以在Sketchup自帶的3D模型庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。

根據(jù)實(shí)際環(huán)境，以廠區(qū)內(nèi)部實(shí)際道路進(jìn)行建模，首先確定實(shí)際道路尺寸、車道數(shù)以及路面標(biāo)志等，根據(jù)GPS坐標(biāo)信息設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將每個(gè)點(diǎn)與實(shí)際位置進(jìn)行匹配。最終建成了與實(shí)際三維尺寸一致的廠區(qū)建筑物模型虛擬環(huán)境。如圖1所示，展示了GUI中搭建的測試園區(qū)內(nèi)部主干道和建筑物仿真場景，進(jìn)行了VieViewer可視化場景與實(shí)際場景的對比。

圖1 仿真環(huán)境與真實(shí)環(huán)境

PreScanGUI在車輛模型的Object configuration中給出了車輛詳細(xì)的屬性參數(shù)，在進(jìn)行縱向控制仿真時(shí)一般采用簡單的2D模型，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置最大制動壓力、車身質(zhì)量、軸距、輪胎半徑、質(zhì)心位置等參數(shù)，更多詳細(xì)參數(shù)如發(fā)動機(jī)動力曲線和變速箱換擋邏輯，在PreScan MPT工具箱中可以詳細(xì)設(shè)置。

3 PreScan與Simulink聯(lián)合仿真

3.1 自動駕駛循跡運(yùn)動控制

自動駕駛循跡運(yùn)動控制是自動駕駛中最常用到的功能，可以使車輛實(shí)現(xiàn)沿著給定路線自動行駛，在無人碼頭港口、礦區(qū)等特定封閉場景下具有很大的應(yīng)用空間[9-10]。在PreScanGUI中對車輛添加運(yùn)動軌跡，或者導(dǎo)入運(yùn)動軌跡文件，設(shè)置車輛運(yùn)動學(xué)模型參數(shù)，給定車輛參考質(zhì)量、初始速度、最大加速度、最大制動壓力等參數(shù)，設(shè)置車輛在軌跡上的速度限制。在Simulink仿真控制平臺中，可以通過車輛自身動力學(xué)模型輸出測試園區(qū)軌跡和測試園區(qū)任一點(diǎn)GPS坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)。如圖2所示為車輛在測試園區(qū)內(nèi)的運(yùn)動軌跡。

圖2 車輛運(yùn)動軌跡

從圖2可以看出，車輛在循跡運(yùn)動過程中根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行運(yùn)動，在道路彎道轉(zhuǎn)向處由于速度較高會導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)動軌跡存在一定的過度轉(zhuǎn)向，與實(shí)際駕駛體驗(yàn)一致。

3.2 自動剎車輔助系統(tǒng)（AEB）仿真

自動剎車輔助系統(tǒng)主要利用Radar傳感器識別前方物體類型、行人或車輛移動速度、航向角、障礙物與本車距離等。自動剎車輔助系統(tǒng)通過Radar毫米波雷達(dá)探測到數(shù)據(jù)，并在Simulink控制平臺中進(jìn)行處理；通過控制車輛動力學(xué)模型的油門開度和剎車力度對車輛進(jìn)行縱向控制，使車輛在識別到前方障礙物的類型和速度后能夠進(jìn)行主動避讓，且不會影響車輛行駛。

搭建PreScan與Simulink的聯(lián)合仿真模型，通過State flow狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遷移，利用Ladar傳感器檢測到車距、障礙物類型和前方緊急剎車安全距離三者并進(jìn)行縱向控制。State flow模塊輸入量為前方障礙物類型、速度、距離、剎車力度、預(yù)警速降和安全距離。

當(dāng)前方為靜止物體時(shí)的安全距離根據(jù)當(dāng)前車輛瞬時(shí)車速和自車最大減速度設(shè)置，設(shè)置最小間距為2 m的情況下，搭建安全距離模型[4]，公式如下：

其中：dbr為安全距離；Vins為本車檢測到物體時(shí)的瞬時(shí)車速；t0為制動器延遲時(shí)間，為0.1 s；d0為最小間距，為2 m；a為本車最大減速度。

當(dāng)前方為動態(tài)目標(biāo)時(shí)，可根據(jù)公式（2）的安全距離表達(dá)式搭建Simulink算法模塊。

其中：dbr為安全距離；V1為本車初始車速；V2為緊急制動階段的初始速度（速降為初始速度差的30%）；Vfro為前車車速；Vrel為相對車速；t1為預(yù)警時(shí)間，為1.5 s；t2為柔和制動時(shí)間，為3 s；t0為制動器延遲時(shí)間，為0.1 s；k為速降系數(shù)，V1＞50時(shí)k為0.3，V1＜50時(shí)k為0.2；d0為最小間距，為2 m。由此可得：

圖3展示了自車初始速度為60 km/h、前車初始速度為10 km/h時(shí)自車速度變化曲線。可以看出：第一階段為預(yù)警減速階段，減速度較小，屬于柔和制動階段；第二階段以較大減速度減速到與前車速度保持一致，可有效避免車輛碰撞危險(xiǎn)。

圖3 自車速度變化曲線

4 結(jié) 語

本文搭建了基于PreScan的虛擬仿真平臺，包含道路、車道線、紅綠燈、路側(cè)建筑等場景要素，得到了與實(shí)際測試場景一致的測試環(huán)境，并用于自動駕駛循跡控制仿真，驗(yàn)證了研究方法的可行性與有效性。結(jié)合PreScan與Simulink建立了自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）的控制模型，并驗(yàn)證了控制策略的有效性，可以用于后續(xù)的仿真測試研究，加快技術(shù)開發(fā)與迭代速度。