范学兵，汪科任，刘虹葳
（威马汽车成都研究院智能驾驶中心，四川 成都 610101）
据国家统计局相关分析，截至2019年，国内民用汽车的保有量已达2.5亿辆，传统汽车带来的人-车-路问题不断突出，每年约有135万人在交通事故中不幸遇难。针对该问题，自动驾驶汽车提出了“零事故”的安全目标[1]，可有效解决以上安全问题。自动驾驶汽车的“零事故”是以严格的安全测试为前提的，该测试目前主要分为自动驾驶道路测试和虚拟仿真测试两种测试技术路线[2]。然而相关研究指出：要完全实现自动驾驶，需进行至少142亿km以上的道路测试，才能以95%的置信度说明相较于人类驾驶自动驾驶汽车可降低20%的事故死亡率[3]。所以为满足自动驾驶的准入需要，道路测试几乎是不可能完成的任务（考虑成本和时间）。幸运的是，随着计算机通讯技术、渲染技术的发展和芯片算力等的提高，虚拟仿真技术也有了突飞猛进的发展，并成为自动驾驶汽车算法开发以及功能验证的重要技术手段。密西根大学彭教授指出：大部分测试工作可采用虚拟仿真测试完成，其可覆盖99%的测试工作。综上可知：汽车虚拟仿真技术对促进高级辅助驾驶以及自动驾驶技术的落地有着至关重要的作用。
在汽车领域，虚拟仿真技术目前主要分为2大领域：对于零部件供应商，虚拟仿真技术常用于应用层算法开发与功能验证；
对于主机厂，虚拟仿真技术常用于产品功能验收、回归测试、不同软件版本性能测试等。基于此，本文介绍了一种基于VTD（Virtual Test Driving）平台的模型在环测试方案，详细说明了该方案的工作原理。考虑到虚拟仿真测试中，多以碰撞相关指标作为测试的评价指标，故以AEB（Autonomous Emergency Braking）算法为例，采用CCRm为测试场景对AEB算法进行功能验证，以此说明该方案的可行性。
本文行文结构如下：首先分模块说明了该平台相关零部件；
然后对其集成的方案进行了相关原理说明；
最后通过自行搭建的AEB相关算法模型进行了简单的测试，以验证该套方案的可行性。
通常模型在环测试（Model In The Loop，MIL）系统由被测算法模型+虚拟车辆动力学模型+虚拟场景+上位机管理软件等组成。由于大多L2+以上的高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System，ADAS）算法引入了摄像头与雷达的传感器融合算法，针对虚拟场景仿真对图像的渲染就提出了更高的要求，故本文采用的MIL测试工具链为：被测算法模型采用Simulink集成，虚拟车辆动力学模型由Carsim集成，虚拟场景由VTD集成，上位机管理软件由ECUtest集成。
1.1 软件工具
针对仿真软件Carsim和Simulink的相关内容介绍，文献[4]等已经进行了详细说明，故不在此赘述。本文仅对VTD和ECUtest的相关内容进行简要说明。场景仿真软件VTD是MSC公司开发的一款专门用于汽车和铁路领域的虚拟仿真引擎，能很好地兼容OpenDrive、OpenCRG和OpenScenario三大标准，并自带简单的车辆动力学模型和完美传感器，具有强大的图像渲染功能，能较好地支持L2+以上的ADAS仿真测试。其优势在于：针对L2+以上的复杂场景建模具有较好的支持性和扩展性，由于其能很好地兼容Linux实时操作系统，故具有较好的实时性。
自动化测试软件ECUtes是MIL和HIL测试领域一款较为成熟和常用的仿真测试软件，主要代替人工对其余测试仿真软件进行自动化启动、记录和停止仿真等。如可将虚拟仿真场景软件VTD、车辆动力学仿真软件Carsim、上位机监控软件Veristand等进行集成，并基于该平台进行自动化测试用例的编写，生成测试报告等。
1.2 仿真平台说明
目前主流MIL系统的拓扑结构如图1所示，其中Veristand作为中间件，可根据需要选择是否使用该软件。
图1 MIL系统拓扑结构
本文将测试仿真软件ECUtest定义为上位机，将动力学仿真软件Carsim和Simulink以及场景仿真软件VTD定义为下位机。
2.1 上位机软件集成（ECUtest）
ECUtest主要进行Carsim、VTD和Simulink相关端口的配置，其中需特别注意的是：需保证Carsim在Simulink之前启动，Simulink需配置成MIL模式（而不是SIL模式），VTD中需正确配置SSH协议（Secure Shell）。
2.2 下位机模型集成
Carsim中主要针对车辆悬架、底盘和制动等相关参数进行设置。同时需配置与Simulink相关的接口，考虑到这里主要进行AEB算法的仿真，故仅配置了转向和制动2个输入接口，而输出接口需尽量包括车辆姿态的完整动力学相关参数。
Simulink中主要进行算法的建模和仿真，与AEB相关的算法模型可参考文献[5]等，这里不再赘述。
VTD中主要进行场景环境建模以及通讯方式的配置，本文采用UDP（User Datagram Protocol）的通讯方式。
2.3 VTD场景生成
如上文所述，VTD能很好地支持OpenDrive和OpenScenario等相关ADAS仿真格式标准，建模也是围绕其相关标准而展开，首先在VTD中的RoadDesigner中建模生成仿真场景所需的路网结构，如图2所示。然后在Scenario editor中导入相应的OpenDrive格式的文件，便可生成符合OpenScenario格式标准的动态场景库文件，如图3所示。最后通过VTD中IG模块的渲染，便可生成最终的AEB仿真场景，如图4所示。
图2 路网拓扑结构
图3 动态场景拓扑结构
图4 仿真场景
相关参数：本车为威马自研的某款车型，初始速度为40 km/h；
兔子车为VTD车辆库中的某车辆，静止；
两车相距50 m，碰撞模式为100%正面碰撞，AEB相关功能已开启。在ECUtest中编写好相应的Test case、Trace analysis、Signal recording和Test report，Simulink中相关AEB算法模型如图5所示。
图5 AEB Simulink算法模型
仿真结束后打开测试报告可见相关仿真数据，如图6所示。
图6 AEB仿真结果
通过图6可知，当车辆以一定初始速度开环运行时，由于地面摩擦阻力以及风阻力的存在，车辆以一定的速率减速运动，当与前车的碰撞时间小于2.8 s时，前向碰撞预警标志置1，由于此时驾驶员并未采取制动措施，此时车辆继续行驶，触发AWB标志置1，相应的此时车辆会有短暂的制动，当AWB不足以避让前方车辆时将触发AEB制动，最大程度地减小碰撞风险。综上可知：ECUtest能正确记录整个仿真过程的相关数据，并可以以图片的形式对AEB中相关参数进行呈现，很好地展示了整个动态仿真过程。采用基于虚拟仿真软件VTD、ECUtest、Carsim和Matlab/Simulink搭建的MIL测试系统能自动化地进行ADAS相关算法的场景测试，加快测试速度。
本文基于虚拟测试仿真平台VTD，联合车辆动力学软件Carsim、控制算法仿真软件Matlab/Simulink和自动化测试软件ECUtest搭建了一套完整的模型在环仿真测试系统，并以CCRm为标准场景，检验AEB算法的功能，实现了无实物的功能测试，缩短了产品开发的成本，加快了产品的迭代速度。
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