作者 |樓澤如 上?？匕部尚跑浖?chuàng)新研究院研發(fā)工程師
來源 |鑒源實(shí)驗(yàn)室
01引 言
自動(dòng)駕駛汽車的興起，正在重新定義汽車行業(yè)。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛汽車將會(huì)大大提升交通安全、減少事故發(fā)生、減少交通擁堵、提高公路容量等等，為人類帶來前所未有的便利。然而，由于自動(dòng)駕駛汽車需要面對(duì)復(fù)雜的交通環(huán)境和意外事件，使得自動(dòng)駕駛汽車的開發(fā)和測(cè)試頗具挑戰(zhàn)性。
傳統(tǒng)的自動(dòng)駕駛測(cè)試方法包括在實(shí)際道路上進(jìn)行封閉場(chǎng)地和公共道路測(cè)試，但這些方法都存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)和高成本。因此，自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試逐漸成為了自動(dòng)駕駛汽車開發(fā)過程中必不可少的一部分，對(duì)于提高自動(dòng)駕駛汽車的安全性、可靠性、精度和性能等方面都有著重要的意義。仿真測(cè)試不僅可以在更加安全、低成本的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，而且可以提供更多的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試情況，加速自動(dòng)駕駛汽車的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。
02自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試的重要性
自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試是一種通過仿真技術(shù)來模擬測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車的功能和性能的方法，以評(píng)估自動(dòng)駕駛汽車的可靠性、安全性和適應(yīng)性等，便于優(yōu)化自動(dòng)駕駛汽車的功能、性能和行駛體驗(yàn)。
自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試憑借其測(cè)試場(chǎng)景豐富、計(jì)算速度快、測(cè)試效率高、資源消耗低、可重復(fù)性好、可嵌入汽車開發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)等原因，能夠很好地在實(shí)際路面行駛之前，對(duì)車輛進(jìn)行全面、安全的測(cè)試。這種測(cè)試方法可以提高自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性，并減少實(shí)際測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)和成本，加速自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。仿真測(cè)試在自動(dòng)駕駛技術(shù)開發(fā)中具有以下幾個(gè)重要性和必要性：
（1）安全性保障：自動(dòng)駕駛汽車具有高度的復(fù)雜性和安全性要求，直接進(jìn)行實(shí)地測(cè)試會(huì)存在很高的風(fēng)險(xiǎn)。仿真測(cè)試可以在虛擬環(huán)境中模擬各種復(fù)雜的路況和交通情況，對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，從而發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，保障自動(dòng)駕駛汽車的安全性。
?。?）成本效益：自動(dòng)駕駛汽車的研發(fā)需要大量的測(cè)試，如果全部在實(shí)際道路上進(jìn)行測(cè)試，將會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。仿真測(cè)試可以在虛擬環(huán)境中快速、精準(zhǔn)地模擬各種場(chǎng)景和情況，有效地降低測(cè)試成本，縮短研發(fā)周期，提高測(cè)試效率。
?。?）多樣化的測(cè)試場(chǎng)景：仿真測(cè)試可以模擬各種復(fù)雜的路況、天氣狀況、道路建設(shè)和交通情況等，進(jìn)行多種不同情況下的測(cè)試，以確保自動(dòng)駕駛汽車的安全性和可靠性。
（4）提高測(cè)試覆蓋率：仿真測(cè)試可以模擬大量測(cè)試場(chǎng)景，提高測(cè)試的覆蓋率和深度，從而更好地發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。
（5）系統(tǒng)性的測(cè)試：自動(dòng)駕駛汽車涉及到多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同作用，仿真測(cè)試可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的測(cè)試，確保系統(tǒng)各個(gè)部分的配合協(xié)調(diào)性。
03自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試的類型
自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試作為一種高效、安全、低成本的測(cè)試方法，會(huì)針對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的功能和性能、安全性、可靠性等，進(jìn)行全面、充分的測(cè)試，以保證自動(dòng)駕駛汽車能夠達(dá)到路面行駛的要求。自動(dòng)駕駛汽車的功能測(cè)試是測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車是否能夠按照預(yù)期執(zhí)行各種功能，例如遵守交通規(guī)則、感知道路標(biāo)志和障礙物等。Huang等[3]將功能測(cè)試分為：
?。?）感知層功能測(cè)試：感知測(cè)試主要用于測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車的感知能力，包括車道線和道路標(biāo)志的檢測(cè)、障礙物識(shí)別和檢測(cè)、行人檢測(cè)和識(shí)別等。感知測(cè)試的目的是檢查自動(dòng)駕駛汽車的感知系統(tǒng)在不同的情況下的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
?。?）決策層功能測(cè)試：決策測(cè)試主要用于測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車的決策能力，包括行駛路徑規(guī)劃、車輛間的跟車和超車等情況。決策測(cè)試的目的是檢查自動(dòng)駕駛汽車的決策系統(tǒng)在不同的情況下的正確性和合理性。
?。?）控制層功能測(cè)試：控制測(cè)試主要用于測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車的控制能力，包括加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等控制。控制測(cè)試的目的是檢查自動(dòng)駕駛汽車的控制系統(tǒng)在不同情況下的穩(wěn)定性和精度。
除了功能測(cè)試以外，還有一些其他的測(cè)試類型也被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試中，比如安全測(cè)試、性能測(cè)試等。安全測(cè)試主要用于測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車在緊急情況下的反應(yīng)能力和安全性。安全測(cè)試的目的是檢查自動(dòng)駕駛汽車的安全性，例如急剎車或避讓等威脅場(chǎng)景中自動(dòng)駕駛汽車是否能安全應(yīng)對(duì)。而性能測(cè)試主要用于測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車的性能表現(xiàn)，例如加速、最高速度、燃油效率等。性能測(cè)試的目的是檢查自動(dòng)駕駛汽車的性能表現(xiàn)是否符合設(shè)計(jì)要求。
需要注意的是，自動(dòng)駕駛汽車的測(cè)試不僅僅是仿真測(cè)試，還需要在實(shí)際路況下進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際測(cè)試可以驗(yàn)證仿真測(cè)試的結(jié)果，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)一些仿真測(cè)試無法模擬的特殊情況。因此，自動(dòng)駕駛汽車的測(cè)試需要結(jié)合仿真測(cè)試和實(shí)際測(cè)試，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
04自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試的方式
汽車的V字開發(fā)流程是一種經(jīng)典的產(chǎn)品開發(fā)流程，它將整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程劃分為左側(cè)的需求分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)等階段，以及右側(cè)的系統(tǒng)測(cè)試、集成測(cè)試等階段，形成一個(gè)“V”字形狀，因此被稱為“V字開發(fā)流程”。
圖1 汽車的V字開發(fā)流程[3]
針對(duì)自動(dòng)駕駛的仿真測(cè)試同樣也必須滿足汽車的 V 字開發(fā)流程，具備覆蓋 SIL（軟件在環(huán)）、HIL（硬件在環(huán)）、VIL（車輛在環(huán)）全流程驗(yàn)證的能力。
?。?）軟件在環(huán)測(cè)試（Software-in-the-Loop，SIL）
軟件在環(huán)測(cè)試是在開發(fā)的早期，將被測(cè)試的軟件系統(tǒng)結(jié)合到仿真環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。在SIL測(cè)試中，采用仿真環(huán)境來執(zhí)行軟件，而不是將軟件實(shí)際加載到目標(biāo)硬件中執(zhí)行。在SIL測(cè)試中，可以對(duì)軟件的算法和邏輯進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，以檢查其是否符合規(guī)格和設(shè)計(jì)要求。SIL測(cè)試可以在早期發(fā)現(xiàn)軟件問題，這樣可以更快地糾正錯(cuò)誤，降低軟件開發(fā)成本，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
?。?）硬件在環(huán)測(cè)試（Hardware-in-the-Loop，HIL）
硬件在環(huán)測(cè)試是指將真實(shí)的汽車硬件設(shè)備與模擬的系統(tǒng)環(huán)境相結(jié)合，通過模擬各種實(shí)際的駕駛場(chǎng)景和條件，對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。在 HIL 測(cè)試中，真實(shí)的硬件設(shè)備（如控制器、傳感器、執(zhí)行器等）被連接到模擬的虛擬系統(tǒng)環(huán)境中。整個(gè)虛擬的系統(tǒng)環(huán)境向硬件設(shè)備發(fā)送模擬信號(hào)，從而模擬出真實(shí)的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景。例如，在對(duì)ECU進(jìn)行測(cè)試時(shí)，ECU會(huì)接收到仿真環(huán)境發(fā)出的各種信號(hào)和數(shù)據(jù)，車速、轉(zhuǎn)速、油門踏板信號(hào)、剎車信號(hào)等。通過這些信號(hào)和數(shù)據(jù)，ECU可以模擬不同的駕駛場(chǎng)景，例如加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、變道等。
?。?）車輛在環(huán)測(cè)試（Vehicle-in-the-Loop，VIL）
車輛在環(huán)測(cè)試是指將實(shí)際車輛放置在測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試的方法。在VIL測(cè)試中，車輛被連接到仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)提供了場(chǎng)景和其他車輛的虛擬信息，通過控制車輛的行為，進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。汽車通過實(shí)際的控制系統(tǒng)與仿真環(huán)境進(jìn)行交互，例如汽車的傳感器（如雷達(dá)、攝像頭）可以接收來自仿真環(huán)境的虛擬信息，汽車的控制系統(tǒng)也可以將車輛的實(shí)際狀態(tài)（如速度、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)）反饋給仿真環(huán)境。
05小 結(jié)
在未來的自動(dòng)駕駛汽車研發(fā)中，自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用，在保證安全的前提下，大幅降低測(cè)試成本，并且覆蓋更廣泛的測(cè)試場(chǎng)景。同時(shí)，自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試也需要不斷發(fā)展和改進(jìn)，加強(qiáng)模擬環(huán)境的復(fù)雜性，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，提升模擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的一致性，從而更好地滿足自動(dòng)駕駛汽車的測(cè)試需求，促進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展。
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