DYNA4助力ADAS ECU开发与测试

汽车安全 3年前 (2021) admin

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随着汽车电子的飞速发展，汽车的智能化越来越受到用户的喜爱。为了满足用户的需求，作为车辆智能化的一部分驾驶员辅助系统（ADAS）也受到各大OEM的追捧。ADAS是把汽车技术、传感器技术、信息融合技术和自动控制等相关技术运用于环境感知、姿态判断、路径规划及相关决策于一体的复杂控制系统。由于ADAS系统要求非常高，需要与不同类型的传感器实时进行数据交换（比如摄像头、激光雷达、雷达、车载总线、GPS等），因此ADAS系统的开发也面临着很多挑战，比如诸多传感器的同步、数据延时预估、融合算法的迭代。为了应对这些挑战，DYNA4模型软件为开发者提供全流程支持，包括MiL-SiL-HiL和虚拟化测试，帮助开发者不断迭代和完善算法（图1）。

图1

DYNA4支持开发全流程

#车辆动力学模型#

ADAS开发和测试首先需要精确的车辆动力学模型作为ADAS控制器的被控对象，从而实现对ADAS策略的验证和仿真。DYNA4提供高精度的车辆动力学模型（图2）。

该模型包括底盘系统、发动机模型、冷却系统、制动系统、传动系统、转向系统及各种必要的电气系统。得益于DYNA4的模块化组成，用户可以根据需求自行替换和编辑。DYNA4车辆动力学模型经过25年以上诸多客户的工程验证，满足不同客户的需求。DYNA4提供复杂的高精度模型，比如每个轴可达30自由度，除了可以在模型中设置参数之外，用户还可以通过图形用户界面快速简单地设置模型参数，便于模型参数化（图3）。

图2 | 车辆动力学模型

图3 | 模型参数配置界面

DYNA4中的众多模块都是开放的，用户可以看到Simulink的最底层。以驾驶员模型为例（图4），可以看到驾驶员模型相关信息，方便用户进行二次开发，同时可以根据预瞄时间、预瞄距离等参数，定义不同年龄段、开车熟练度的驾驶员模型供用户选择，对需要测试的控制器进行相关的逻辑测试。目前DYNA4提供5种不同类型的驾驶员供用户选择（图5）。为了满足L3及以上级别的自动驾驶，很多车型都配有DMS（Driver Monitor System），为了对DMS进行测试，更加精确的驾驶员模型也是必不可少的。DYNA4可以提供满足客户需求的定制化开发模型，比如驾驶员模型的手臂关节、眼球位置、头部位置、嘴开闭动作等模型。DYNA4中DMS摄像头模型可以输出驾驶员图像作为ADAS控制器的输入，也可以通过播放事先录制好的驾驶员视频来实现DMS摄像头数据的仿真（图6）。

图4 | 驾驶员模型

图5 | 驾驶员类型

图6 | 驾驶员识别模型

#场景及传感器仿真#

据美国汽车协会最新研究显示，雨天会显著降低用于车辆自动刹车和车道保持的ADAS的性能。车辆的自动紧急制动系统在一些情况下无法识别前方停靠的车辆，并且车道保持系统性能也明显降低。因此ADAS测试有必要在仿真环境中模拟各种各样的复杂场景及天气情况，并通过MiL验证其算法。

一个好的场景仿真工具不仅能够为ADAS的测试验证提供丰富的场景，同时也能够为ADAS测试工程师提高工作效率。DYNA4提供的道路交通环境场景模型如图7所示：

图7 | 道路交通场景模型

除模型之外，DYNA4还提供基于Unity为引擎的高清场景动画。

有了场景模型之后，ADAS如何对各种复杂的场景进行识别呢？理想传感器模型或可配置参数的传感器模型就显得特别重要。对于ADAS控制器来说，最重要的就是接收各种传感器的数据并根据融合算法进行数据融合。DYNA4提供各种传感器模型，帮助用户快速验证融合算法。目前提供的传感器模型有激光雷达、超声波雷达、雷达和摄像头。

激光雷达

基本原理主要是基于激光束与物体表面夹角的反射强度及其材料特性所创建的模型，可以提供旋转和非旋转激光雷达传感器模型。输出模式为3D 点云作为ROS主题或Velodyne格式。

用户可以根据被仿真的实际激光雷达特性设置该模型的参数，从而使该模型输出尽量接近真实传感器的数据。DYNA4支持如下所示的激光雷达参数设置：

激光雷达扫面方式
激光雷达线数
水平视角
垂直视角
垂直分辨率
扫描频率
回波模式（目前只支持Signal Echo雷达）

DYNA4的激光雷达模型产生的点云数据可以通过UDP协议发送给被测控制器，也可以适配用户自定义的通信协议（图8）。

图8 | 激光雷达

以Hesaitech AT128E2X真实传感器为例，可以根据该真实传感器的特性进行模型参数化，然后实现如下特性：

扫描原理：旋转镜
行数：128
水平：视场：120°
垂直：分辨率：0.2°
垂直：视场：25.4°（-12.8° ~ +12.6°）
垂直：分辨率：0.2°
扫描频率：10Hz
回声方式：单次回声

摄像头

DYNA4提供可调失真（OpenCV 参数）和滤色器的模型，其输出为RGB视频流。DYNA4支持多种鱼眼摄像头模型，DYNA4摄像头模型生成渲染视频流时会考虑雾霾、下雨、下雪、光线变化等影响。每个摄像头模型都可以输出最高4K分辨率的RGB格式视频流。摄像头模型支持多种摄像头特性或故障模拟，包含：可调畸变（基于Scaramuzza模型或OpenCV）、抗锯齿、色彩、灰度和镜头污染，也支持不同的拜尔阵列，同时还可以定制开发其他的摄像头模拟功能，包含：可调焦距、暗角、色差。DYNA4摄像头生成的图像可以通过DDS或者视频输出接口（HDMI/DP）输出。DYNA4运行时，视频流还可以保存在电脑上，用于回放和分析（图9）。

图9 | 摄像头示例

超声波和雷达

对于超声波雷达，主要考虑传播和大气衰减并基于物体几何形状和材料属性的吸收和反射所创建的模型，其输出为强度深度直方图；对于雷达，主要考虑物体几何形状和材料特性的散射雷达波，根据不同的天线特性（短程、中程、长程），并基于 GPU 的傅立叶变换绘制的距离多普勒图进行模型的创建，其输出为相对速度、距离和电场强度。DYNA4支持仿真传感器的安装位置、视角大小、探测距离等参数的设定（图10）。模型可以输出为Object List并通过CAN总线或者OSI（Open Simulation Interface）发送到被测ECU。

图10 | 超声波及雷达示例

上述的理想传感器模型还可以进行定制并扩展支持如下特性:

可以模拟雷达的RCS（Radar cross section）信号

对于理想传感器模型，可以增加每个目标的检测点数量

可以增加Object List长度

如果需要仿真雷达传感器的物理信号，DYNA4可以提供基于GPU雷达的物理模型。该模型运行在单独的渲染电脑上，可以输出离散的雷达回波数据。该雷达模型可以为视角内部的所有点输出如下数据：

雷达天线和目标之间的距离
雷达和目标的相对径向速度
雷达回波的磁场强度

除此之外，DYNA4的物理雷达模型还可以支持多普勒效应的仿真，其输出的雷达物理数据可以通过多种方式传输给用户的目标识别算法。

DYNA4提供理想模型和物理模型两种超声波雷达（USS）的模型。DYAN4中理想USS模型与Radar理想模型相同。USS物理模型可以支持多目标回波仿真，其输出的信号在MATLAB中显示（图11）。

图11 | 超声波物理模型仿真结果

#实例分析#

下文以ACC为例，借助DYNA4高精度模型验证ACC的控制策略，实现MiL测试（图12）。

图12 | ACC控制策略整体模型

详细的ACC模型如图13所示，并且ACC算法为完全开源，为用户提供框架以及修改的参考逻辑。

图13 | ACC算法模型

从两个维度验证ACC的算法：一个维度是车速，另一个维度是跟车距离，跟车距离可以进行调整。经过仿真其结果如图14和图15：

图14 | ACC车速跟随输出结果

图15 | ACC距离跟随结果

不仅可以借助模型查看ACC算法的结果，也可以借助Animation动画直观地看到ACC策略的控制效果。在本例中，主车会根据算法加速接近目标车，直到接近设定的距离后保持一定的车速跟随目标车进行行驶。当目标车进行紧急制动时，主车根据策略做出判断后也会做出相应的动作。

除此之外，还可以在动画中添加需要的观测信息（图16），包括场景的ground truth、两车相对距离、实际距离以及TTC、TTL等关键参数。

图16 | 视角图

#解决方案#

假设某个ADAS ECU的需求如下：

至少6路独立的CAN/CAN FD接口

2路可编程电源输出接口（KL30/KL15）

12路PSI5输出接口（模拟超声波雷达输出）

13路LVDS（GMSL）输出接口（模拟摄像头信号输出）

2路LVDS（TI）输入接口（用于接收 ECU 图形信号并显示）

8路车载以太网接口（用于模拟雷达/网关/激光雷达信号输出）

其测试系统主要包含VT系统、实时PC、操作PC、渲染PC、CAN接口卡、车载以太网接口卡、视频注入卡、GNSS模拟器、程控电源等硬件设备。该系统中用到的主要硬件集成在两个19英寸机柜中，其连接方式如图17所示：

图17 | 解决方案框图

其中，传感器模型（包含摄像头、激光雷达、毫米波雷达）和场景模型分别运行在渲染PC上，残余总线仿真模型、整车动力学模型、理想传感器模型、测试脚本等运行在实时PC上，操作PC用来编写测试工程、显示测试过程和分析测试结果，ADAS控制器输出的视频流也会传输到操作PC上进行显示和记录。

测试系统集成效果图如图18所示：

图18 | 方案效果图

在该方案中，DYNA4摄像头模型分布在多个渲染PC上运行，每个渲染PC各装备一个高性能GPU。DYNA4的摄像头模型可以输出HDR图片，经过拜尔滤镜处理后由HDMI接口输出到GMSL输出板卡。GMSL输出板卡将视频流转换为摄像头传感器的输出类型并经由GMSL串行器输出为GMSL信号。图19所示即为DYNA4输出的经过拜尔滤镜处理的HDR图像。

图19 | HDR图像

DYNA4在仿真运行中，从OpenDRIVE高精地图中不断地读取自车的经纬度、车速、加速度等信息，并将这些信息传输到CANoe中，CANoe将这些信息打包为CAN报文或者以太网包发送给被测ECU。除此之外，CANoe还可以直接连接第三方的GNSS模拟器，通过该设备仿真GPS或者北斗等定位系统的射频信号将GNSS信息直接注入到被测对象中，从而实现完整的测试解决方案。