求解 Altran + NI = ?

Altran于1996年创立，公司总部设在意大利罗马。30多年来，Altran一直为航空航天、汽车、国防、能源、金融、生命科学、铁路、电信等领域的重量级企业提供专业服务。作为工程和研发(ER&D)服务的全球领导者，Altran通过开发面向未来的产品和服务为客户提供了一种全新的创新方式。从概念形成到工业生产，Altran始终与客户并肩奋斗，确保项目价值链中每个环节的成功。

随着汽车逐渐向自动驾驶方向发展，越来越多的车辆需要进行硬件在环(HIL)测试，以对高级驾驶辅助系统(ADAS)进行功能验证，因为这一系统预计将在自动驾驶技术中发挥着核心作用。本文概述了Altran与NI基于传感器融合理念、合作打造的ADAS HIL，分享了初步研究工作的主要成果，并重点介绍了用于实现该应用的关键系统级元件。

1  何为传感器融合

如今，许多汽车都配备了多个高级驾驶辅助系统（ADAS），这些系统基于不同的传感器，如雷达、摄像头、激光雷达或超声波。过去，这些传感器分别执行特定功能，仅在极少数情况下才相互共享信息。驾驶员收到的信息量与使用的传感器数量成正比。如果传感器数据充足并且通信到位，就可以使用智能算法来创建自动驾驶系统。

传感器融合是将来自不同传感器的信息组合在一起，以更准确地反映汽车周围的环境。为了提高安全功能和自动驾驶系统的可靠性，传感器融合是必不可少的一个环节。


图1.汽车周围环境“视图”

2  何时使用传感器融合

传感器融合适用于所有类型的传感器。一个典型的例子是将前置摄像头和前置雷达提供的信息加以融合。摄像头只能在可见光谱下工作，不适用于雨天、浓雾、太阳眩光和黑暗等环境，但是在识别颜色（如道路标记）方面十分可靠。而雷达，即使在低分辨率下，也可用于探测距离，并且环境条件对雷达没有太大影响。

● 采用前置摄像头和雷达的传感器融合的典型ADAS功能包括：

自适应巡航控制(ACC)-这一车辆巡航控制系统能够根据交通状况调整车速。当与前方车辆的距离低于安全阈值时，速度会降低。当道路畅通或与下一辆车的距离在可接受范围内时，ACC会加速回到设定的速度。

● 自动紧急制动(AEB)-通过在特定碰撞情况下降低速度或在危急情况下以其他方式警告驾驶员来控制制动系统。

3  ADAS hil测试环境套件(AHTES)

为了验证复杂的系统，必须创造一个合适的测试环境，能够有效地为传感器提供激励信号，以对车辆在真实条件下的行为进行验证。

Altran Italia已将基于NI技术的创新型雷达目标模拟器和3D虚拟道路场景模拟器集成到HIL系统中，以生成基于场景的测试程序，该测试程序可完全同步摄像机和雷达数据，以验证传感器融合算法。


图2.ALTRAN-NI ADAS HIL测试解决方案

3D场景基于UnityTechnologies开发的一款跨平台游戏引擎——Unity3D图形引擎，可完全针对各种车道、照明条件和轨道类型等参数进行自定义配置。此外，市面上还有多种其他图形模型环境（如IPGCarmaker和TASSPreScan），用途类似。

图形引擎从置于车辆挡风玻璃上的摄像头的视角再现场景。而且场景可以根据距离地面的高度和摄像头的视场进行修改。此外，该引擎还可以在指定速度下，显示与摄像头距离设定距离的障碍物（如一辆车）。



图3.Unity图形引擎场景

对于车辆控制，图形引擎除了接收转向角信息外，还接收制动踏板和油门的位置数据。除了这些数据，PXI系统也从方向盘和踏板获取信号(LogitechG29)。动态车辆模型集成在图形引擎中，并且高度可配置。


图4.标准测试场景

根据所选的障碍场景（以上面的一些示例为起点），图形引擎会输出车辆速度以及VRTS生成射频信号所需的信息。所有输入/输出信息都通过专用协议与PXI进行交换，并可根据需要进行更改。

在此系统中，我们通过与PXI-8512/2的CAN通信，从场景生成器检索关于雷达目标（距离、雷达截面、到达角和速度）的信息。PXI-8512/2是PXI系统的一个双端口高速CAN/CAN-FD接口，以1Mbit/秒的速度传输和接收CAN总线帧。只有在连续读数时，目标相关信息发生变化，系统才会将信息发送到障碍生成器。

除了向障碍模拟器发送数据并获取踏板和转向信号外，PXI还会模拟通过专用车载网络收发雷达和摄像头的CAN消息。CAN消息会与3D虚拟场景和RF目标生成器进行同步，从而生成正确的环境来验证现代摄像头和雷达数据。

4  组件级概述

下面简要介绍了各个系统组件以及通信连接/总线：

● 雷达引擎控制装置(ECU)-雷达传感器的主要任务是探测目标，以及测量其相对于雷达主机所在车辆的移动速度和位置。雷达传感器是一种单站多通道雷达，采用76GHz频段，并配备6根固定雷达天线。该传感器可以探测到大约250米外的其他车辆。雷达配备有加热镜头，可确保即便在下雪和结冰等恶劣天气条件下，传感器也可以正常使用。目标相对速度的测量主要是利用多普勒效应（反射信号和发射信号之间的频率变化），而且可以通过时滞确定与目标的距离。ECU根据摄像头提供的信息进行传感器融合，负责控制ACC和AEB等功能。

● 摄像头ECU-摄像头ECU会获取周围环境的图像，并会提供多条信息（如与车道线和其他目标的距离）。这些信息会发送到雷达ECU进行传感器融合，但在某些情况下（如存在道路标志及需要保持车道时），摄像头ECU会单独工作。在这些情况下，ECU会通过车载CAN发送CAN消息。

● 视频场景生成器－视频场景生成器是一个仿真器，其中包含一个车辆系统，可通过CAN通信接收来自PXI-8512/2的输入并发送关于仿真环境的信息。在仿真过程中，该仿真器会生成距离、雷达横截面(RCS)、到达角、速度等雷达数据，并根据视频场景进行实时计算。通过第二个屏幕的控制面板，仿真器可以处理与PXI-8521/2的连接、更改天气条件、调整雷达位置以及更换为具有指定速度和距离的新车辆。


图5.车辆通信模拟

此模拟器是使用Unity3D图形引擎开发的，Unity3D图形引擎是UnityTechnologies开发的一款跨平台游戏引擎。该引擎采用模块化方法，可以轻松地将视频场景与每个第三方平台、插件或设备（如上图中显示的LogitechG29）相集成。


图6.ADAS HIL测试环境

在HIL系统中使用雷达目标模拟器进行测试和测量。NI系统具备灵活性、模块化特性和可扩展性，用户可以轻松地将其与其他I/O集成，作为完整HIL测试系统的一部分来满足雷达设计和测试应用的需求，而且也可使用同一个系统进行目标模拟和雷达设备测量，从而降低设备和系统测试的成本。

该系统具备以下功能：

• 通过射频测量来验证传感器性能

• 信号分析：等效全向辐射功率(EIRP)、噪声、波束宽度和频率

• Chirp分析：线性分析、过冲分析、记录和标记

• 通过雷达目标模拟器进行传感器功能验证

• 单个和多个目标

• 定距和变距

• 多个目标场景（距离、速度、大小和到达角）

• 可自定义的目标场景


图7.包含两个目标和一个到达角的系统架构

图7的系统由一个PXIe-5840矢量信号收发仪和一个mmWave射频头组成，可以生成两个具有相同到达角的目标。得益于PXI平台的灵活性，我们可以轻松地扩展系统，以模拟具有多个到达角的多个目标。

图8的配置具有四个PXIe-5840设备和四个mmWave射频头，最多可以模拟具有四个到达角的八个不同目标。


图8.包含八个目标和四个到达角的系统架构

雷达目标模拟器机箱不仅可与标准汽车总线通信（CAN或LIN）集成，也可与HIL系统所需的其他类型的工业通信相集成。该解决方案的模块化特性使汽车制造商能够测试具有多个到达角的复杂真实场景。此外，该解决方案还可自动测试新车评价规程(NCAP)规定的标准场景，从而节省了测试时间和工作量。

5  结论

Altran演示了其现在已经能够对雷达及摄像头等独立或配合工作的系统进行实验室验证。

这两个组件在确保汽车安全的重要性日益增加，因此能够在实际车辆测试之前先进行实验室测试的能力至关重要。

这种验证方法具有以下优点：

• 在样车试制之前先进行验证，以及时采取纠正措施

• 由于可以提前进行测试，因此会大大缩短总体开发时间

• 系统可全天候运行，从而降低了开发成本

• 与使用组装车相比，可以在更短的时间内以最小的成本执行非回归测试

虽然ADAS HIL测试环境套件是Altran基于NI软件和硬件开发出来用于验证和确认目的的，但其用途并不局限于这些范畴；实际上，该套件也可用来校准ECU以探索汽车测试所需的参数。

ADAS可与开关负载信号调节(SLSC)硬件等其他NIHIL硬件产品完全集成，用于标准化和路由信号、切换负载和信号调理。利用VeriStand实时测试软件，每个组件都可以集成到一个可以与实时HIL系统交互的框架中。


图9.SLSC如何融入HIL系统

在网联汽车和高级汽车技术领域，如信息娱乐测试、电池管理系统测试、V2X通信、车辆噪声和振动分析等领域，NI拥有众多行业领先的合作伙伴，并基于与这些伙伴的合作关系，不断扩展其平台的功能。


图10.联网汽车的VX2、激光雷达和GNSS

“NI系统具有灵活性、模块化特性和可扩展性等特点，因此用户能够轻松将其与其他I/O相集成，以构建完整HIL测试系统来设计和测试雷达。同时NI系统兼具目标模拟和雷达设备测量功能，使用户无需购买多个系统，从而降低设备和系统测试成本。”-- GiuseppeDoronzo，AltranItalia高级架构师