CN106873397B - 智能网联汽车“硬件在环”加速加载仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于智能网联汽车的“硬件在环”加速加载仿真测试系统，涉及智能车自动驾驶和交通仿真技术领域，旨在通过丰富且逼真的交通场景对智能车规划决策设备进行更高级、“真实”、全面的快速测试。该仿真测试系统包含交通仿真层、数据传输层以及智能车层，这三层共同制约着系统的运行速度，其中交通仿真层主要基于交通仿真软件生成“真实”的交通场景并模拟智能车对周围环境的感知与反应情况，可实现多场景自动加载及场景加速运行；智能车层包含由不同机构研制的智能网联汽车；数据传输层则通过软/硬件接口，将交通仿真软件与实际一辆或多辆智能车规划决策设备进行连接，实现感知信息和车辆控制信息在交通仿真层与智能车层之间的传递。

Description

智能网联汽车“硬件在环”加速加载仿真测试系统

技术领域

本发明属于智能车自动驾驶和交通仿真技术领域，更具体的说，本发明涉及一种用于智能网联汽车的“硬件在环”加速加载仿真测试系统，应用于智能车上路前的科学预评估，同时可作为提升智能车自动驾驶水平的训练工具。

背景技术

根据中国汽车工业协会对智能网联汽车的定义，智能网联汽车为搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、车、路、后台等）智能信息交换共享，具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能，可实现安全、舒适、节能、高效行驶，并最终可替代人来操作的新一代汽车。由于智能网联汽车在解决交通安全、道路拥堵以及改善驾乘体验上具有较大潜力，已受到世界各国的高度重视并成为未来交通的发展趋势及核心。目前国内外无论是互联网公司还是传统车企都在积极探索自动驾驶领域的相关技术并相继推出不同自动化程度的智能网联汽车（如特斯拉Model S，Google汽车以及百度无人车等），但智能汽车要达到量产阶段仍需经历严格且漫长的测试过程。同时，智能汽车实现车辆的自动驾驶需经历环境感知、规划决策和车辆控制三个阶段，其中环境感知阶段主要依赖于车上所搭载的各式传感器（如激光雷达、摄像头、GPS等），完成对交通标志、标线、信号灯的识别以及自身、周围车辆位置、速度等信息的获取；规划决策阶段的核心是规划决策设备模块（以下亦称为智能车“驾驶脑”），其内部决策模块的优劣决定着智能汽车的“驾驶水平”，依据所采集的感知信息决定车辆的下一步动作（包括车道选择，跟驰、换道、汇入行为的选择，多车交互情况下的决策等）；车辆控制阶段则依据智能车“驾驶脑”下发的控制指令驱动相关执行器完成车辆的转向以及加减速等操作。

目前，对智能汽车的测试评价方法可以归纳为三类：仿真测试、试验场地测试和实车路试。实车路试是最全面且真实的，涉及自动驾驶过程的各个方面，但往往受到法律、安全和人力物力等因素限制，在智能汽车早期发展阶段，难以大规模展开。试验场地测试往往针对单车进行简单且有限交通场景下的功能测试，无法在精确的受控交通流场景下进行重复实验，更无法搭建较真实的交通流场景（如我国特有的机动车-非机动车混杂环境、快速路高密度车流环境等），且场地实验仍存在耗时耗力、费用高昂、有一定安全隐患等问题。仿真测试在汽车工业中主要用于智能车“驾驶脑”决策模块的开发与调试阶段，借助相关汽车仿真软件（如PRESCAN，dSPACE等）完成对决策模块的离线虚拟测试或在线硬件在环测试，其中汽车仿真软件以汽车仿真模型为主并侧重于汽车动力传动、电气以及动力学模拟，适合用于智能车“驾驶脑”决策模块的前期开发与校正，但在“真实”交通场景的生成与模拟上无法满足后期更高的测试需求。交通仿真软件以交通流仿真模型（车辆跟驰、换道等）为主，并不侧重车辆本身的动力学模拟，但在“真实”交通场景生成与模拟上具有显著优势，故本发明提出了基于交通仿真软件的智能网联汽车“硬件在环”加速加载仿真测试系统，通过提供丰富且高仿真精度的交通场景来对智能车“驾驶脑”中的决策模块进行更高级、更“真实”、更全面的快速测试，来弥补目前试验场地测试以及实车路试所存在的不足与不便，从而为智能车的真正上路做准备。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的在于提出一种用于智能网联汽车的“硬件在环”加速加载仿真测试系统，可对智能车“驾驶脑”中的决策模块进行更高级、更“真实”且更全面的快速测试，克服目前智能车测试存在的测试场景单一、交通流环境不真实且费时、成本高、不安全等缺点。

为实现上述目的，本发明提出一种智能网联汽车“硬件在环”加速加载仿真测试系统，智能车层包括智能车规划决策设备，智能车规划决策设备包括感知信息输入接口、决策模块和车辆控制输出接口，感知信息输入接口的输入端与数据传输层的输出端连接，感知信息输入接口的输出端与决策模块的输入端连接，决策模块的输出端连接车辆控制输出接口的输入端，车辆控制输出接口的输出端连接数据传输层的输入端，感知信息输入接口将获得的车辆的感知信息传递给决策模块，决策模块据此做出决策，并将车辆控制信息通过车辆控制输出接口传递给数据传输层；

交通仿真层包含交通仿真软件、仿真控制接口以及仿真控制模块，仿真控制模块由车辆基本参数、感知范围与内容、多测试场景选择和多测试速度选择组成，交通仿真软件配有仿真控制接口，所述仿真控制模块通过仿真控制接口连接交通仿真软件；通过交通仿真软件提供的仿真控制接口进行“仿真智能车”模型标定以及仿真运行参数设置，其中“仿真智能车”模型标定包含车辆基本参数、感知范围与内容两部分，需依据将要测试的实际智能车车型、操纵性能以及所搭载的传感器类型、数量、安装位置确定；仿真运行参数设置包含多测试场景选择、多测试速度选择，需依据用户需求以及智能车规划决策设备的运算性能确定；

数据传输层包含数据传输接口、传输控制模块、计算机通信接口以及通信接口设备，数据传输接口与交通仿真层进行双向连接，数据传输接口的输出端连接感知信息提取的输入端，感知信息提取连接计算机通信接口，计算机通信接口连接仿真智能车控制，数据传输接口的输入端连接仿真智能车控制的输出端，计算机通信接口与通信接口设备双向连接，通信接口设备与过有线/无线与智能车层的智能车规划决策设备进行双向连接；传输控制模块按照交通仿真层标定的“仿真智能车”模型以及设定的测试速度，通过交通仿真软件提供的数据传输接口进行感知信息提取以及“仿真智能车”控制，其运行步骤如下：

（1）交通仿真层中，用户可通过仿真控制模块对交通仿真软件进行初始化操作，依据待测试的智能车车型、操纵性能以及所装载的传感器类型、数量、安装位置，完成对“仿真智能车”车辆基本参数以及感知范围与内容的标定，依据智能车“驾驶脑”的智力水平（决策模块的功能）以及运算性能确定合适的测试场景以及测试速度；

（2）将数据传输层中的计算机通信接口与通信接口设备进行连接，再将通信接口设备与智能车层中的智能车“驾驶脑”的感知信息输入接口、车辆控制输出接口进行连接；

（3）交通仿真层中，通过仿真控制模块自动运行交通仿真软件并依次加载预先选择的测试场景，同时配置交通仿真软件按照设定的测试速度运行；

（4）数据传输层中，传输控制模块按照标定后的感知范围与内容通过数据传输接口从仿真运行场景中提取感知信息，并通过计算机通信接口以及通信接口设备传递给智能车层；同时依据接收到的车辆控制信息通过数据传输接口控制“仿真智能车”在仿真中的运动；

（5）智能车层中，智能车“驾驶脑”中的决策模块依据接收到的感知信息进行决策，并通过车辆控制输出接口将车辆控制信息传递给数据传输层；

步骤（1）、（2）仅在测试开始时执行一次，之后步骤（3）、（4）、（5）循环往复运行，其中步骤（3）只在当前仿真测试场景运行结束需要加载新的测试场景时才执行，步骤（4）、（5）在仿真运行期间并行执行，直到所有预先选择的测试场景运行完毕。

本发明中，所述仿真测试系统的测试对象仅为智能车规划决策设备中的决策模块，并不涉及任何真实的传感器以及车辆执行装置，故智能车层可以是整辆智能汽车，也可以是仅包含不同机构研制的智能车规划决策设备。

本发明中，所述交通仿真层的交通仿真软件为提供了外部程序控制接口以及外部驾驶员控制模块的仿真程序，其外部程序控制接口作为仿真控制接口，外部驾驶员控制模块作为数据传输接口，同时可以提供高度模拟现实的不同交通流运行场景。

本发明中，所述仿真控制模块和传输控制模块是分别基于交通仿真软件的外部程序控制接口以及外部驾驶员控制模块二次开发形成，均安装在计算机中，其中仿真控制模块控制交通仿真软件实现测试场景的自动加载以及运行速度的设置；传输控制模块实现对仿真智能车周围感知信息的提取以及“仿真智能车”的车辆控制。

本发明中，所述数据传输层包含软件和硬件两个部分，硬件包括计算机通信接口和通信接口设备，其中通信接口设备具有多网络节点管理功能，可通过有线/无线连接多个智能车规划决策设备。

本发明中，所述数据传输层将智能车层与交通仿真层进行双向连接，形成“硬件在环”仿真测试：一方面从交通仿真层提取“仿真智能车”周围感知信息，转化为实际智能车规划决策设备能够识别的数字信号；另一方面从实际智能车规划决策设备模块接收车辆控制信息，转化为交通仿真层可以识别的数字信号，并发送给计算机中的仿真软件。

本发明一种用于智能网联汽车的加速加载仿真测试系统的优势在于以下几个方面：

（1）针对智能车规划决策阶段的高级测试。本仿真测试系统的测试对象为智能车规划决策设备中的决策模块，主要测试其对复杂多变的交通环境的反应能力，而非基于功能的简单测试。

（2）提供更加“真实”的测试场景。相比于汽车仿真软件生成的简单交通场景，基于交通仿真软件的交通场景将更加符合实际交通流运行规律，可支撑智能车规划决策阶段的高级测试。

（3）建立更全面的评估体系。不仅能对智能车规划决策阶段面对不同交通环境的反应能力进行评估，同时也可以对混入智能车的混合交通流运行进行整体运行效率和安全的评估。

（4）实现多场景连续自动加载的加速测试。该仿真测试系统可依据所测试智能车的智能化程度，选择多个测试场景并可实现场景的自动加载，同时“硬件在环”模式下也可进行多测试速度选择。

附图说明

图1是本发明所述的智能网联汽车加速加载仿真测试系统组成示意图。

图2是本发明所述的智能车“驾驶脑”组成示意图。

图3是本发明所述的交通仿真层组成示意图。

图4是本发明所述的数据传输层组成示意图。

图5是本发明所述的智能网联汽车加速加载仿真测试系统实施例的连接示意图。

图中标号：11为智能车层，12为交通仿真层，13为数据传输层，21为智能车规划决策设备，22为决策模块，23为感知信息输入接口，24为车辆控制输出接口，31为仿真控制模块，32为仿真智能车模型标定，33为车辆基本参数，34为感知范围与内容，35为仿真运行参数设置，36为多测试场景选择，37为多测试速度选择，38为仿真控制接口，39为交通仿真软件，41为计算机通信接口，42为传输控制模块，43为感知信息提取，44为仿真智能车控制，45为数据传输接口，46为通信接口设备，51为计算机，52为交通仿真软件VISSIM，53为主控电脑，54为网络交换机，55为网线，56为主控电脑上的网口，57为计算机上的网口。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例１：智能车层11、交通仿真层12以及数据传输层13共同组成了仿真测试系统，交通仿真层12实现测试场景的动态加载以及仿真智能车的加速模拟运行，智能车层11包含由不同机构研制的智能车规划决策设备21，属于被测对象，数据传输层13实现感知信息与车辆控制信息在智能车层与交通仿真层之间的传递，其关系如图1所示。

本发明所述的智能车层11包含由由不同机构研制的智能车规划决策设备21，其中智能车规划决策设备21由决策模块22、感知信息输入接口23以及车辆控制输出接口24组成，感知信息输入接口23、车辆控制输出接口24分别与数据传输层13相连接，将获取的仿真智能车感知信息传递给决策模块22，决策模块22据此做出决策并通过车辆控制输出接口传递给数据传输层13，其关系如图2所示。

为了实现仿真测试系统的加载加速，前提是要对交通仿真层12中的交通仿真软件39进行初始化设置。如图3所示，仿真控制模块31通过交通仿真软件39提供的仿真控制接口38进行“仿真智能车”模型标定32以及仿真运行参数设置35，其中“仿真智能车”模型标定32包含车辆基本参数33、感知范围与内容两部分34，需依据将要测试的智能车车型、操纵性能以及所搭载的传感器类型、数量、安装位置确定，仿真运行参数设置35包含多测试场景选择36、多测试速度选择37，需依据用户需求以及智能车规划决策设备的运算性能确定。

本发明所述的数据传输层13是仿真测试系统加速运行的保障，传输控制模块42按照交通仿真层标定的“仿真智能车”模型以及设定的测试速度，通过交通仿真软件39提供的数据传输接口45进行感知信息提取以及仿真智能车控制，数据传输层通过计算机通信接口41、通信接口设备46与智能车层进行连接，其关系如图4所示。

如下图5所示，某研究机构基于某品牌汽车自主研发了可实现车辆自动跟驰功能的智能网联汽车，其中智能车规划决策设备为一台主控电脑53，CPU型号为i5-4460，处理速度可达3.2GHz，置于小汽车后备箱内，配合搭载于车顶的激光雷达、内部后视镜处的摄像头、车头3个雷达以及车尾1个雷达，决策模块22为经典的IDM（Intelligent Driver Model）跟驰模型。

交通仿真层的交通仿真软件39采用德国PTV公司的微观交通仿真软件VISSIM 9，其所提供的COM接口可作为仿真控制接口，用于仿真智能车模型的标定以及仿真运行参数的设置。依据待测试的实际智能车所搭载的各式传感器，可得仿真智能车的感知范围可达150m且能获取周围车辆的位置、速度信息，同时由于该智能车规划决策设备物理配置较高，基本满足中等仿真速度5（仿真秒/实际秒）。为了有效检验其跟驰策略对不同交通环境的反应能力，可选择城市道路交叉口、城市快速路入匝道等多个场景进行测试。

数据传输层中的感知信息提取与仿真智能车控制通过交通仿真软件VISSIM 9提供的外部驾驶员模块DLL完成，该动态链接库DLL与VISSIM 9有较好的交互性，在每一个仿真步长的末尾便会自动调用外部驾驶员DLL模块。随着仿真运行速度的加快，感知信息以及车辆控制信息在交通仿真层与智能车层之间传递地也愈加频繁，故要求数据通信协议的制定上应能满足较好的实时性。由于以太网通讯速度较快且VISSIM 9的外部驾驶员模块DLL很好的支持TCP/IP协议，故选用RJ45网口与智能车规划决策设备进行连接，通信接口设备为网络交换机54，可对接入的多个智能车规划决策设备进行数据传输上的管理。

仿真控制模块与传输控制模块均采用C++语言编写，且分别基于VISSIM提供的COM接口以及外部驾驶员DLL模块。首先在交通仿真层仿真控制模块对交通仿真软件VISSIM 9进行初始化设置，包含对“仿真智能车”感知范围与内容的确定以及测试场景、测试速度的设定，同时也要通过网线55、网络交换机54将交通仿真层的计算机与智能车主控电脑53相连接，之后仿真控制模块便可启动仿真软件并自动加载不同的测试场景，同时传输控制模块则通过外部驾驶员DLL获取仿真智能车感知信息并对其运动进行控制，并遵循TCP/IP协议与主控电脑之间发送和接收感知信息以及车辆控制信息，从而完成针对智能车行为决策模块的加速加载测试。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明参照上述的实时范例对本发明已经进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，仍然可对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (3)

1.智能网联汽车“硬件在环”加速加载仿真测试系统，由交通仿真层、数据传输层以及智能车层组成，其特征在于：

所述数据传输层将智能车层与交通仿真层进行双向连接，形成“硬件在环”仿真测试：一方面从交通仿真层提取“仿真智能车”周围感知信息，转化为实际智能车规划决策设备能够识别的数字信号；另一方面从实际智能车规划决策设备接收车辆控制信息，转化为交通仿真层可以识别的数字信号，并发送给计算机中的仿真软件；

智能车层包括智能车规划决策设备，智能车规划决策设备包括感知信息输入接口、决策模块和车辆控制输出接口，感知信息输入接口的输入端与数据传输层的输出端连接，感知信息输入接口的输出端与决策模块的输入端连接，决策模块的输出端连接车辆控制输出接口的输入端，车辆控制输出接口的输出端连接数据传输层的输入端，感知信息输入接口将获得的车辆的感知信息传递给决策模块，决策模块据此做出决策，并将车辆控制信息通过车辆控制输出接口传递给数据传输层；

交通仿真层包含交通仿真软件、仿真控制接口以及仿真控制模块，仿真控制模块由车辆基本参数、感知范围与内容、多测试场景选择和多测试速度选择组成，交通仿真软件配有仿真控制接口，所述仿真控制模块通过仿真控制接口连接交通仿真软件，控制交通仿真软件实现测试场景的自动加载，通过交通仿真软件提供的仿真控制接口进行“仿真智能车”模型标定以及仿真运行参数设置，其中“仿真智能车”模型标定包含车辆基本参数、感知范围与内容两部分，需依据将要测试的实际智能网联汽车车型、操纵性能以及所搭载的传感器类型、数量、安装位置确定；仿真运行参数设置包含多测试场景选择、多测试速度选择，需依据用户需求以及智能车规划决策设备的运算性能确定；

数据传输层包含数据传输接口、传输控制模块、计算机通信接口以及通信接口设备，数据传输接口与交通仿真层进行双向连接，数据传输接口的输出端连接感知信息提取的输入端，感知信息提取连接计算机通信接口，计算机通信接口连接仿真智能车控制，数据传输接口的输入端连接仿真智能车控制的输出端，计算机通信接口与通信接口设备双向连接，通信接口设备具有多网络节点管理功能，能够通过有线/无线与智能车层的多个智能车规划决策设备进行双向连接；传输控制模块按照交通仿真层标定的“仿真智能车”模型以及设定的测试速度，通过交通仿真软件提供的数据传输接口实现对仿真智能车周围感知信息的提取以及“仿真智能车”控制；

其中，所述仿真控制模块和传输控制模块是分别基于交通仿真软件的外部程序控制接口以及外部驾驶员控制模块二次开发形成，均安装在计算机中；

该仿真测试系统的运行步骤如下：

（1）交通仿真层中，用户通过仿真控制模块对交通仿真软件进行初始化操作，依据待测试的智能网联汽车车型、操纵性能以及所装载的传感器类型、数量、安装位置，完成对“仿真智能车”车辆基本参数以及感知范围与内容的标定，依据智能车规划决策设备中决策模块的功能以及运算性能选择测试场景以及测试速度；

（2）将数据传输层中的计算机通信接口与通信接口设备进行连接，再将通信接口设备与智能车层中的智能车规划决策设备的感知信息输入接口、车辆控制输出接口进行连接；

（3）交通仿真层中，通过仿真控制模块自动运行交通仿真软件并依次加载预先选择的测试场景，同时配置交通仿真软件按照设定的测试速度运行；

（4）数据传输层中，传输控制模块按照标定后的感知范围与内容通过数据传输接口从仿真运行场景中提取感知信息，并通过计算机通信接口以及通信接口设备传递给智能车层；同时依据接收到的车辆控制信息通过数据传输接口控制“仿真智能车”在仿真中的运动；

（5）智能车层中，智能车规划决策设备中的决策模块依据接收到的感知信息进行决策，并通过车辆控制输出接口将车辆控制信息传递给数据传输层；

步骤（1）、（2）仅在测试开始时执行一次，之后步骤（3）、（4）、（5）循环往复运行，其中步骤（3）只在当前仿真测试场景运行结束需要加载新的测试场景时才执行，步骤（4）、（5）在仿真运行期间并行执行，直到所有预先选择的测试场景运行完毕。

2.根据权利要求1所述的智能网联汽车“硬件在环”加速加载仿真测试系统，其特征在于所述仿真测试系统的测试对象仅为智能车规划决策设备中的决策模块，并不涉及任何真实的传感器以及车辆执行装置，故智能车层是整辆智能网联汽车，或者是仅包含不同机构研制的智能车规划决策设备。

3.根据权利要求1所述的智能网联汽车“硬件在环”加速加载仿真测试系统，其特征在于所述交通仿真层的交通仿真软件提供了外部程序控制接口以及外部驾驶员控制模块的仿真程序，其外部程序控制接口作为仿真控制接口，外部驾驶员控制模块作为数据传输接口，同时提供模拟现实的不同交通流运行场景。

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