支持ADAS功能开发的仿真平台搭建

唐野　刘世东

摘 要：本文针对传统电子电气架构在面对先进驾驶辅助系统（ADAS）时的不足，通过构建整车多域式的电控方案，设计支持ADAS功能开发的仿真平台。该平台以逻辑单元的形式，通过分析ADAS功能的需求定义，实现车辆纵向和侧向运动的耦合控制。为验证平台的合理性及有效性，以交通拥堵辅助（TJA）功能为例，结合车辆动力学软件进行分析验证。仿真结果表明，ADAS功能得到正确响应，仿真平台符合预期设计。

关键词：仿真平台;主动安全;运动集成

1 前言

1.1 开发背景

伴随着人工智能、传感技术、通讯技术及移动互联的快速发展，人们需求的不断变更，推动汽车从单一的交通工具，向智能移动空间进行转型，汽车属性得到了重新定义与赋能。传统的整车电控系统，以分布式电子控制单元的方式，确保整车功能的集成控制。然而分布式的E/E架构，因运算能力有限、通讯链路过长、网络负载率高和带宽不足等问题，严重制约了ADAS功能的快速发展。鉴于此，域控制器（Domain Control Unit，DCU）的设计得以广泛应用，不同于传统的分布式E/E架构，整车电控系统以域的形式被重新划分，如：动力域、底盘域、车身域和主动安全域等，架构如图1所示。

1.2 研究意义

实现多域电子电气架构下的仿真平台搭建，具有重大意义。一方面，主机厂和零部件供应商可以在同一套架构下进行功能开发，避免出现逻辑重叠或信号失配等问题，降低系统冗余程度，加速整车研发周期，同时也为后续电控系统的功能升级和扩展提供基础。另一方面，该平台可以作为白盒化的测試工具，通过场景搭建和开/闭环信号交互等方式，进行单元测试和系统集成测试，以验证电控系统中其他控制器的逻辑关系，在设计过程中对风险进行提前甄别，最终优化整车性能。

2 实施方案

2.1 主动安全域系统构成

ADAS功能主要围绕“感知+决策+控制”的思路进行开发。其中，感知系统通过雷达、摄像头等车载传感器，对周围环境和车辆状态进行探测，输出车辆和行人大小、速度、位置以及其他交通灯、交通标识、道路坡路、道路曲率等交通信息。决策系统，在含主动安全功能的整车中，扮演着驾驶员的角色。通过获取感知系统输出的交通信息和驾驶员自身动作，进行功能逻辑判断和优先级仲裁，在系统安全阈值的范围内，输出车辆期望的姿态变化值。控制系统，一般指车辆的转向、档位、驱动和制动等执行机构，保证决策系统发出的请求值能够得到有效地响应和执行。

2.2 控制器逻辑单元

针对主动安全功能所应用的不同典型场景，设计控制器包含以下逻辑单元：

纵向控制单元，可实现自动紧急刹车、自适应巡航等功能。该逻辑单元通过前向雷达或前向摄像头，输出同车道方向车辆的位姿变化关系，计算目标加速度，对车辆驱动和制动相关子系统进行闭环控制，以保证相邻汽车之间有足够的安全距离，并实现车辆定速行驶。

侧向控制单元，可实现车辆保持辅助、车道偏移预防等功能，一般需通过前向摄像头识别车道线等环境信息，计算当前道路曲率及侧向偏移量，基于二自由度车辆动力学模型或预瞄点规划，计算目标行驶轨迹并输出目标转角或力矩值至转向子系统。

功能仲裁单元，可处理人机共驾过程中主动安全功能的激活、抑制和状态跳转等情况。例如，当车道保持辅助功能激活时，驾驶员施加一个同向的方向盘转角，此时功能仲裁单元应对驾驶员意图进行解析，并协调测试控制单元输出新的力矩值，以保证车辆不发生较大的偏航。此外，当多个主动安全功能同时触发时，该逻辑单元需根据功能定义、功能安全等级，仲裁分析当前车辆执行动作的优先级，并输出相应的功能控制信号。

预警单元，以碰撞时间（Time to Collision，TTC）等安全阈值计算为主。常见的预警功能包括前向碰撞预警和车辆变道预警等。当驾驶员长时间脱手、闭眼或车辆有可能发生碰撞时，控制器触发报警信号控制音箱蜂鸣、方向盘抖动，以听觉或触觉的方式提示驾驶员接管车辆并进行转向、制动等避撞动作，及时避免交通事故发生。

数据融合单元，主要对多传感器输出的目标级信息进行处理运算。一般而言，车载传感器会因路面、光照和天气等因素产生较大的数据波动。针对复杂的主动安全功能动态驾驶任务，域控制器需要实现雷达、双目摄像头、惯导和GPS等多传感器的目标识别和数据融合，匹配深度学习算法，对所探测目标类型（如：成年人、儿童、自行车和树木）和目标间位姿关系（如：位移、速度和角度）进行信息互补和优化处理，最终生成一致性的环境信息，供其他逻辑单元进行决策控制。同时，该逻辑单元的设计也为后续整车功能升级、系统冗余备份提供基础，最大程度地保证了主动安全功能的舒适性和安全性。

2.3 仿真平台搭建

为实现主动安全功能的正向开发，采用基于模型的设计方法，设计功能状态机，并在Matlab/Siumlink环境下完成功能的控制策略编写。结合上节设计的逻辑单元，构建支持ADAS功能开发的仿真平台如图3所示，该平台包含发动机控制EMS、纵向控制EPS、档位控制TCU、主动安全控制ADAS、人机交互控制HMI、侧向控制ESP等多个模块，模块间通过虚拟总线BUS进行互联，具备完整的信号交互接口。车辆动力学模型输出如轮速、方向盘转角、主缸压力等车辆状态信号，实现ADAS系统的闭环控制。

3 仿真测试验证

仿真平台中所包含的功能模型需通过测试，方可对其控制逻辑进行合理性验证。为此，采用CarSim车辆动力学软件作为仿真工具，车辆参数配置如图4所示。

3.1 TJA弯道跟车启停工况

交通拥堵辅助功能（Traffic Jam Assist，TJA），是一种在车辆低速通过交通拥堵路段时，通过对行驶方向及相邻车道的实时环境监测，自动实现纵向及侧向控制的驾驶辅助功能，功能速度限值一般为0-60kph。