高级驾驶辅助系统前视摄像头硬件在环测试

郭剑鹰 陈晓 高升

摘要：高级驾驶辅助系统可以大幅度降低交通事故，减少人员伤亡和经济损失，摄像头是该系统中的重要部件。为了在前视摄像头开发期间更早发现存在的问题，模拟路试过程中的危险工况，提出了一种基于CarMaker和VeriStand的硬件在环测试系统。应用所搭建的台架进行了大量摄像头的硬件在环功能测试，台架测试结果与实车测试结果一致，在车道偏离预警和前方碰撞预警典型工况下均能及时产生报警信号。

关键词：高级驾驶辅助系统； 前视摄像头； 硬件在环

中图分类号： U 467.5 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.005

Abstract： Advanced driver assistance system（ADAS） can significantly reduce traffic accident rate，the number of casualties and economic losses.The camera is an important part of ADAS.In order to find out problems earlier during the development of the front view camera and simulate dangerous conditions during the road test，a hardware in the loop test system based on CarMaker and VeriStand was proposed.A large amount of hardware in the loop function tests were carried out with the built platform.In typical conditions of lane departure warning and front collision warning，alarm signals can be generated in time，which is consistent with actual vehicle test results.

Keywords：advanced driver assistance system； front view camera； hardware in the loop test

引 言

高級驾驶辅助系统（advanced driver assistance system，ADAS）可以大幅度降低交通事故，减少人员伤亡和经济损失。当前主流的安全辅助驾驶系统包括车道偏离预警系统（LDW）、自动紧急制动系统（AEB）、自适应巡航控制（ACC）和前方碰撞预警系统（FCW）等[1]，而实现这些系统功能的关键部件之一是前视摄像头。前视摄像头在研制阶段往往需要进行多次的测试，以对摄像头性能和ADAS算法进行考核[2]。相比毫米波雷达和激光雷达等，摄像头最大优势在于识别目标类型，能够非常准确地识别行人、非机动车、机动车或其他障碍物，而且还能识别交通标志的具体内容[3 4]。考虑价格因素并与其他ADAS传感器相比，摄像头因成本相对低廉而更适用于ADAS系统。

由于实际道路情况异常复杂，在实际道路测试时不可能覆盖所有的场景，且一些关键场景也无法复现[5]。此外，因实际道路测试时会受到现实条件制约，导致算法无法进行快速迭代改进。鉴于这些原因使得ADAS产品开发周期大大延长，开发成本也不断增加，所以实验室硬件在环测试的方法被越来越多的厂家采用。通过该方法研究人员可以模拟部分很难实际遇到的场景，或者不断复现关键场景[6]，从而检验ADAS的可靠性。

1 硬件在环开发模型

目前国内外主流的汽车厂家在产品开发过程中均使用V模型开发模式，如图1所示，整个开发过程包括如下主要步骤：

1） 功能设计与离线仿真。根据系统需求开发和建模，建立状态流程图及算法框图；同时，利用数学建模仿真建立被控对象的功能模型，并运用计算机软件进行离线仿真，验证设计的正确性[7]。

2） 快速控制原型。将上一步骤中的算法转化为实物模型，利用实时硬件系统对控制算法进行验证。

3） 代码生成。经过离线仿真和快速控制原型已经充分验证了算法的可行性，将模型算法转化为产品代码。

4） 硬件在环仿真（HIL）。用实际的电控系统和模拟实车上真实环境的仿真模型组成闭环测试系统，进行反复大量测试，验证电子控制单元（ECU）控制策略和算法可靠性。

5） 集成测试与标定。在快速控制原型和生成代码阶段对电控系统进行初步标定，将ECU接入整车运行环境进行集成测试，以完成最终的验证、调试和标定。

采用V模型开发模式能够有效缩短开发时间，提高产品品质。硬件在环仿真测试采用仿真系统与ECU实物相结合的半实物仿真测试方法，是产品开发过程中的一个重要步骤，具有开发成本低、成型速度快、精确度高、可重复性强、安全性高等多方面优点。

2 硬件在环测试系统

2.1 系统构成

为测试基于车载前视摄像头开发的ADAS系统功能可靠性，开发了一套基于CarMaker和VeriStand的硬件在环测试系统。系统采用美国国家仪器（NI）公司VeriStand 软件搭配面向仪器系统的外设部件互连标准扩展（PXI）硬件板卡的方案，利用Veristand 管理NI硬件资源，通过实时系统运行车辆模型，完成控制器的功能测试。

系统架构如图2所示，测试台架主要由机柜、待测样件和显示器三部分组成，彼此之间通过电缆进行电气连接。机柜中有可编程电源、高性能图形工作站、PXI机箱等相关硬件，PXI机箱中运行车辆模型，运行过程中的参数和场景即时传送给待测样件[8]。显示器1上显示车辆模型运行的实时结果，显示器2则显示CarMaker软件生成的图像、摄像头处理前和处理后的图像。预先调整所显示视频的大小、位置、和视角，通过与路试数据的标定，使摄像头的视角与实际路试的视角尽量一致。

2.1.1PXI机箱

PXI机箱中包括PXI控制器、控制器局域网络（CAN）通信板卡等硬件，PXI控制器运行实时（RT）系统，内部安装VeriStand等一系列软件，车辆模型也实时运行在控制器中。CAN通信板卡实现PXI控制器和待测样件之间的通讯，将模型运行的车辆状态信息发送给待测样件，将待测样件识别出的目标、车道信息、报警信息再发送给计算机，以供观察和监测。

通过PXI机箱控制可编程电源，在测试过程中实现对样品的供电、断电和电压电流的调节。接线盒将样件的引脚引出到面板上，便于对样品的引脚信号进行测量。机柜内还有继电器，通过程序控制样件每个引脚的通路、短路和断路，还可以进行其他一些失效安全和故障注入的测试。

PXI控制器内运行的车辆动力学模型由IPG公司的CarMaker軟件提供，其包括车辆、驾驶员、道路和环境四个方面。CarMaker为硬件在环测试提供所有的信息和参数，并提供了一个闭环仿真环境，还可以将自己的模型和硬件组件通过定义的接口集成到仿真环境中。CarMaker提供变量观察窗口和车辆运动可视化服务，可以即时查看车辆运行过程中所有参数，还可以全方位多角度直观地观察测试车辆和交通车辆的运行状态。CarMaker还提供自动测试界面，可以根据设定的条件自动进行测试，并生成评估报告。

测试场景包括动态对象、静态对象和环境条件，建筑物、道路、交通标志灯等静态物体受环境条件影响，行人、机动车、非机动车等动态物体受静态物体和环境条件影响，而这些都可以在CarMaker中按照系统需求和测试需求进行个性化配置。

2.1.2高性能图形工作站

高性能图形工作站中运行场景编辑器用来构架虚拟场景，可以方便地为场景配置各种交通元素，如障碍物、交通标志、交通信号灯，并将这些原始虚拟场景输出到显示器。工作站还负责与待测样件通信，获取待测样件输出的处理结果，再将这些结果叠加到原始虚拟场景上，并将这些处理后的虚拟场景输出。通过对比原始图像和样件处理过的图像，可以对样件识别能力作直观的评判。

2.2 软件系统

除了CarMaker和VeriStand软件之外，测试过程中还会用到LabVIEW和Simulink。各软件之间关系如图3所示。

VeriStand作为主要开发环境，用来管理整车模型、工况及驾驶员模型，同时用来管理模型与硬件IO之间的映射、模型与模型之间的映射，还将用来编辑主要的测试监视界面，开发和管理测试流程[3]。

LabVIEW作为辅助开发工具，用来开发VeriStand不具备的一些功能，比如对某些设备的简单控制，数据浏览等。LabVIEW也可以用于开发调度各个软件、各个VeriStand文件。

CarMaker提供整车模型、工况模型以及驾驶员模型。在建立VeriStand项目的最初阶段，CarMaker模型会整体下载到下位机中，后续的开发都是针对模型的参数配置以及需要自定义开发的模型下载和调试。

Simulink用来开发自有控制器模型，并且将这些模型导入到VeriStand及下位机中。

3 硬件在环测试结果

测试过程中的信号流向如图4所示，计算机上运行VeriStand软件，将车辆模型部署到下位机PXI控制器中，模型运行的车辆状态等参数通过CAN板卡发送给摄像头控制器，摄像头采集显示器上的车辆运行信息，结合PXI控制器发送过来的车辆状态信息，做出目标识别、车道线识别，以及发出相应的报警信息。同时，车辆模型运行的信息上传到上位机，在上位机上VeriStand可以进行变量的控制和监控，CarMaker还可以进行三维可视化监控和测试流程的控制[6]。车辆运行的信息显示在高分辨率显示器上以供摄像头模组采集，图4亦是一个完整的闭环测试系统。

通过所搭建台架，进行了ADAS车载前置摄像头的功能测试，在HIL台架上对研发的摄像头FCW和LDW功能进行了全方位的测试。图5为测试软件界面，由四个窗口组成，图5（a）为CarMaker主界面，可以对车辆模型、交通环境、驾驶员模型和操作策略进行参数化设置。图5（b）是变量观察窗口，可以查看整个车辆模型中任意参数的值，便于观察测试过程中变量的变化曲线。图5（c）是车辆运行可视化界面，可以直观地观察被测车辆与其他车辆的运行状态。图5（d）是VeriStand操作界面，用来管理整车模型、工况和驾驶员模型，是主要的测试监测界面，可以将测试过程中的参数变化过程保存至本地存储设备中，便于后期分析。

图6为测试过程中界面截图，（a）（b）（c）（d）依次为FCW前方轿车工况、FCW前方工程车辆工况、LDW向左车道偏离单虚线工况、LDW向右车道偏离虚实线工况[9 10]。图中粗曲线为摄像头控制器发出的报警信号，其中FCW功能在前方目标车为轿车和工程车情况下均能产生前方碰撞报警信号，LDW功能在单虚线和虚实线情况下均能在恰当时机产生车道偏离预警信号。除以上几种工况之外，还对不同天气、不同车型、不同速度、不同光照、不同路面标线、直道和弯道均进行了测试。

4 结 论

测试结果显示：FCW功能下检测静态目标时，样件对前方目标距离、速度的检测和预期碰撞发生时间（TTC）的计算较为准确，但是在检测动态目标时，所检测出的相对距离与实际模拟的距离相差较大，和实车测试结果较为吻合；在测试LDW功能时，样件对不同类型车道线的检测精确度也很高，不管是直道和弯道，亦或是乡村道路和城市道路，样件都能迅速精准地识别到车道线，计算出自车距离两侧车道线的距离，及时地发出报警信号，和实车测试结果也较为吻合。

根据测试结果，优化了摄像头内部代码，上述问题得到了很好的解决。优化之后的控制器在一些比较危险的驾驶工况下，均能及时提供报警信号，为行车安全提供了很大的帮助，也为后续研发AEB和ACC功能打下了很好的基础。

参考文献：

[1] 戎辉，张明路，张小俊.基于Veristand的硬件在环测试系统设计[J].科学技术与工程，2016，16（8）：167 170.

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[8] HAKULI S，KLUIN M，GEYER S，et al.Development and validation of manoeuvre based driver assistance functions for conduct by wire with IPG carmaker[C]∥Proceedings of 2010 world automotive congress.Budapest：FISITA 2010 World Automotive Congress，2010.

[9] 樊琼剑，杨忠，冯茂岩，等.多无人机编队飞行硬件在环测试平台系统的研究[J].仪器仪表学报，2009，30（3）：503 508.

[10] 李旭，张为公.基于视觉的车道偏离报警系统的研究[J].仪器仪表学报，2008，29（7）：1554 1558.

（编辑：刘铁英）