CN112783006A - 用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，可以缩短实车车载计算单元调试与迭代时间，解决了直接进行实车测试效率低、耗费大的问题。上述仿真测试系统可以对适用于结构化道路行驶环境中的实车车载计算单元进行测试，对包含传感器硬件、车载计算单元和线控系统等自动驾驶系统中的全部硬件设备进行模拟，为开发者提供全套自动驾驶测试环境；可以实现人工/自动驾驶切换及车载计算单元实际应用效果评测，能够全面测试实车车载计算单元对于各种情况的响应能力及定位实车车载计算单元存在的问题，节省车辆自动驾驶系统开发时间；还可以对实车自动驾驶系统中所用的数据传输格式及通信方式的可行性与稳定性进行测试。

Description

用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统。

背景技术

随着自动驾驶技术的迅速发展，越来越多的车辆开始应用自动驾驶系统，本发明针对的是行驶道路环境为结构化道路(例如城市交通道路)的自动驾驶车辆的车载计算单元。

车载计算单元是指集成多种自动驾驶技术的系统，一般为工业控制计算机(Industrial Personal Computer,IPC)或嵌入式系统等，可以接入自动驾驶技术所需的各种类型的传感器，并输出控制指令控制车辆行驶，是自动驾驶系统中的“大脑”。

在高级自动驾驶技术飞速发展的今天，行驶在结构化道路中的自动驾驶车辆的安全性，是广受使用者考虑及整车厂与科研机构重视的问题，因此，对系统的“大脑”——车载计算单元的功能和性能的测试十分重要。目前的测试方法多为实车测试，如申请号为201610056814.6的发明专利，公开了一种无人驾驶车辆的测试方法，该测试方法需要在空旷地区建立行车环境，并使用实际车辆，存在着资源耗费大的问题，且为了反复测试，需要在每次测试完将车辆开回起点，测试所需时间较长。如申请号为201610525218.8的发明专利，公开了一种无人驾驶车辆测试验证平台及其测试方法，利用实际无人驾驶车辆在实验场地进行自动驾驶，再将信息传送到驾驶模拟系统的驾驶模拟器上，利用实车测试也存在着耗费较大的问题。以上所述可见，利用实车测试会导致对车载计算单元的调试与迭代速度慢，车载计算单元功能与性能的测试效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，用以对实车车载计算单元的性能进行仿真测试验证，提升实车车载计算单元的开发与迭代效率，解决直接进行实车测试耗时较长、成本较高的问题。

本发明提供的一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，包括：仿真测试平台和模拟车载计算单元；其中，

所述仿真测试平台包括依次搭建的环境设置层、设备模拟层、通信连接层和仿真分析层四个层次；其中，

所述环境设置层，用于搭建结构化道路的交通环境，导入真实自动驾驶车辆的期望路线，设置天气、仿真频率和仿真自动驾驶车辆的起始点；

所述设备模拟层，用于模拟GPS、激光雷达传感器、毫米波雷达传感器、视觉传感器、人工/自动驾驶切换装置和线控系统的设备功能和生成数据形式；

所述通信连接层，用于将所述设备模拟层所模拟设备的数据信息按照实车通信方式与所述模拟车载计算单元或实车车载计算单元进行通信交互，将所述设备模拟层所模拟设备的数据信息传输给所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元的硬件设备，并接收所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元的车辆控制与执行命令信息；

所述仿真分析层，用于在仿真测试结束后，对所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元的运行记录进行读取，并结合仿真测试过程中输出的信息，自动生成包含仿真测试信息和仿真自动驾驶车辆错误行为信息的仿真报告；

所述模拟车载计算单元，用于对所述实车车载计算单元进行模拟，测试所述仿真测试平台。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述仿真测试平台包括装有Prescan仿真软件与Matlab软件的计算机主机。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的Self模块和S-function数据模拟模块；其中，

所述Self模块，用于获取仿真自动驾驶车辆的实时位置和状态信息，并输出给所述S-function数据模拟模块；其中，所述仿真自动驾驶车辆的实时状态信息包括纬度、经度、高程、车速、航向角和姿态角；

所述S-function数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用GPS硬件设备的数据传输格式进行GPS传输数据模拟，编写模拟GPS数据和输出数据的代码过程；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的串口通信模块，用于将所述S-Function数据模拟模块模拟的GPS数据发送至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过RS232串口线与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的点云传感器输出模型和第一数据模拟模块；其中，

所述点云传感器输出模型，用于模拟真实自动驾驶车辆所用激光雷达传感器的功能，并输出点云数据至所述第一数据模拟模块；

所述第一数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用激光雷达传感器硬件设备的数据传输格式进行激光雷达传感器传输数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的数据打包模块和UDP传输模块；其中，所述数据打包模块用于将模拟的激光雷达传感器传输数据打包；所述UDP传输模块用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行UDP通信，将模拟的激光雷达传感器传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过网线与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的Radar传感器输出模型和第二数据模拟模块；其中，

所述Radar传感器输出模型，用于模拟真实自动驾驶车辆所用毫米波雷达传感器的工作方式，输出所探测到物体的信息至所述第二数据模拟模块；

所述第二数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用毫米波雷达传感器硬件设备的数据传输格式进行毫米波雷达传感器传输数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的第一CAN通信模块，用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的毫米波雷达传感器传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过CAN设备与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的ObjectCamera输出模型和第三数据模拟模块；其中，

所述Object Camera输出模型，用于输出在仿真环境中添加的各种障碍物的相对距离、相对速度和障碍物类型至所述第三数据模拟模块；其中，输出的相对距离为障碍物到视觉传感器坐标系原点的最小值；

所述第三数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用视觉传感器硬件设备的数据传输格式进行视觉传感器传输数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的第二CAN通信模块，用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的视觉传感器传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过CAN设备与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的车辆动力学模块、数据解析模块和第四数据模拟模块；其中，

所述车辆动力学模块，用于提供仿真自动驾驶车辆的油门量程输入接口、制动压力输入接口、方向盘转角值输入接口和挡位状态输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的油门踏板量程连接至油门量程输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的方向盘转角数据连接至方向盘转角值输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的制动踏板量程或减速度进行压力值转换后连接至制动压力输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的挡位数据连接至挡位状态输入接口；输出仿真自动驾驶车辆的状态信息至所述第四数据模拟模块后，反馈至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元，实现所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元对仿真自动驾驶车辆运行状态的控制；

所述数据解析模块，用于对所述实车车载计算单元与所述模拟车载计算单元的控制指令数据进行解析；

所述第四数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用线控系统的数据传输格式进行车身反馈数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的第三CAN通信模块，用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的仿真自动驾驶车辆状态信息传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元，同时接收所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的仿真自动驾驶车辆的控制信息；

所述仿真测试平台通过CAN设备与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述仿真测试平台，还包括：与所述计算机主机连接且Prescan仿真软件支持的驾驶模拟器；其中，

所述驾驶模拟器，用于配合所述设备模拟层完成人工/自动驾驶切换装置的模拟。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述模拟车载计算单元包括安装有Prescan仿真软件与Matlab软件的工控机。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，所述模拟车载计算单元，包括：在Matlab软件中生成的PathFollower模块和数据处理传输模块；

所述Path Follower模块，用于根据输入的仿真自动驾驶车辆位置信息、车辆期望速度和车辆实时速度，计算仿真自动驾驶车辆的方向盘转角、油门量程和制动压力；

所述数据处理传输模块，用于根据实际线控系统的数据传输格式与通信方式，将计算的仿真自动驾驶车辆的方向盘转角、油门量程和制动压力实时传输给所述仿真测试平台，控制所述仿真测试平台中仿真自动驾驶车辆的运行。

本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，是一种适用于典型城市交通道路的结构化道路中自动驾驶车辆车载计算单元硬件在环仿真测试系统，提供了GPS、激光雷达传感器、毫米波雷达传感器、视觉传感器、人工/自动驾驶切换装置、线控系统、车载计算单元等的模拟方法，基本涵盖了自动驾驶系统中全部硬件设备，通信方式包含串口通信、UDP通信和CAN通信，基本上涵盖了自动驾驶系统中所有通信方式。本发明提供的上述仿真测试系统能够模拟实际硬件设备，并将模拟数据根据实际硬件设备的数据传输格式与通信方式实时传输至模拟车载计算单元或实车车载计算单元，同时接受模拟车载计算单元或实车车载计算单元的车辆控制数据，达到测试仿真测试平台的性能及实车车载计算单元的性能的目的。本发明提供的上述仿真测试系统可以对实车车载计算单元的车辆循迹、环境感知、决策规划、工作流程及通信功能等进行功能性与稳定性测试，使其问题在仿真层面得到暴露，从而缩短实车车载计算单元调试与迭代时间，解决了直接进行实车测试效率低、耗费大的问题。本发明提供的上述仿真测试系统可以对适用于结构化道路行驶环境中的实车车载计算单元进行测试，还可以对包含传感器硬件、车载计算单元和线控系统等自动驾驶系统中的全部硬件设备进行模拟，为开发者提供全套自动驾驶测试环境；也可以实现人工/自动驾驶切换以及车载计算单元实际应用效果评测，能够全面地测试实车车载计算单元对于各种情况的响应能力及定位实车车载计算单元存在的问题，节省车辆自动驾驶系统开发时间；还可以实现对实车自动驾驶系统中所用的数据传输格式以及通信方式的可行性与稳定性进行测试。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统的框图；

图2为利用本发明提供的一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统进行仿真测试的流程图；

图3为利用本发明提供的一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统仅针对实车车载计算单元循迹方面功能进行测试的流程图；

图4为利用S-function数据模拟模块编写模拟GPS数据及输出数据代码过程图；

图5为模拟人工/自动驾驶切换装置的流程图；

图6为模拟车载计算单元验证仿真测试平台的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，如图1所示，包括：仿真测试平台和模拟车载计算单元；其中，

仿真测试平台包括依次搭建的环境设置层、设备模拟层、通信连接层和仿真分析层四个层次；其中，

环境设置层，用于搭建结构化道路的交通环境，导入真实自动驾驶车辆的期望路线，设置天气、仿真频率和仿真自动驾驶车辆的起始点；其中，搭建交通环境包括搭建道路网、添加仿真自动驾驶车辆和障碍物、设置仿真自动驾驶车辆和障碍物的经纬度位置、设置障碍物轨迹路径等，以此来模拟在真实的实车行驶环境中进行测试；

设备模拟层，用于模拟GPS(Global Positioning System,全球定位系统)、激光雷达传感器、毫米波雷达传感器、视觉传感器、人工/自动驾驶切换装置和线控系统的设备功能和生成数据形式；

通信连接层，用于将设备模拟层所模拟设备的数据信息按照实车通信方式与模拟车载计算单元或实车车载计算单元进行通信交互，将设备模拟层所模拟设备的数据信息传输给模拟车载计算单元或实车车载计算单元的硬件设备，并接收模拟车载计算单元或实车车载计算单元的车辆控制与执行命令信息；

仿真分析层，用于在仿真测试结束后，对模拟车载计算单元或实车车载计算单元的运行记录进行读取，并结合仿真测试过程中输出的信息，自动生成包含仿真测试信息和仿真自动驾驶车辆错误行为信息的仿真报告；从而能够定位实车车载计算单元的问题；

模拟车载计算单元，用于对实车车载计算单元进行模拟，测试仿真测试平台。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，如图2所示，仿真测试平台可以通过装有Prescan仿真软件与Matlab软件的计算机主机来实现。主要包括模拟真实设备，搭建数据模拟和数据解析模块，通过串口通信、UDP(User Datagram Protoco)通信和CAN(Controller Area Network)通信实现与模拟车载计算单元或实车车载计算单元的信息交互，形成闭环控制。仿真过程和仿真结果最终会反馈在3D仿真动画、Simulink实时显示、Matlab工作区、模拟车载计算单元或实车车载计算单元内部开发的UI界面或运行记录、以及上述数据结合形成的仿真报告中，可以测试实车车载计算单元的循迹、环境感知和决策规划等多种方面功能以及硬件性能，同时可验证仿真测试平台的性能。本发明还可以根据开发者的不同需求，选择部分内容进行测试，例如，如图3所示，只测试循迹功能，不测试环境感知功能等。

Prescan仿真软件是自动驾驶仿真软件的主流软件之一，一般利用Prescan仿真软件与Matlab/Simulink软件(Simulink是Matlab软件中的一个功能)进行联合仿真。当然，本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，也可以通过在计算机主机中安装其他软件来实现仿真测试平台的功能，在此不做限定。下面以使用Prescan仿真软件与Matlab/Simulink软件为例进行说明。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，设备模拟层，如图2所示，可以包括：在Matlab软件中生成的Self模块和S-function数据模拟模块。Self模块可以获取仿真自动驾驶车辆的实时位置和状态信息，并输出给S-function数据模拟模块；仿真自动驾驶车辆的实时状态信息主要包括纬度、经度、高程、车速、航向角和姿态角等；由于实际GPS设备的数据传输格式中包含的信息一般为语句头、Self模块输出信息、时间信息以及校验值等，且模拟实际GPS数据涉及到数据类型转换，并需要对如标点符号、“$”、“*”等符号进行模拟，以及校验值计算等，因此，可以在Matlab软件中用C语言进行编写，与Matlab语言相比，使用C语言进行编写更加容易，且执行C语言程序速度更快，效率更高。S-function数据模拟模块可以根据真实自动驾驶车辆所用GPS硬件设备的数据传输格式进行GPS传输数据模拟，编写模拟GPS数据和输出数据代码过程，如图4所示，利用S-function数据模拟模块可以在Matlab软件中使用C语言编写程序，这样可以提升程序编写的便利性和执行的效率。为了模拟GPS与模拟车载计算单元或实车车载计算单元的串口通信方式，本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，如图2所示，还可以包括在Matlab软件中生成的串口通信模块，串口通信模块可以包括串口发送模块(Serial Send)和串口配置模块(Serial Configuration)，可以通过设置串口号、波特率、停止位和校验位等信息，将S-Function数据模拟模块模拟的GPS数据发送至模拟车载计算单元或实车车载计算单元；仿真测试平台可以通过RS232串口线与模拟车载计算单元或实车车载计算单元连接，这是由于GPS数据量较小，频率要求不高，使用非阻塞模式进行串口通信，能够提升仿真工程的运行速率，不会对实时仿真产生影响。本发明按照实际GPS的数据传输格式进行数据模拟，并按照实际GPS的通信方式实现仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元间的通信，能够模拟实际GPS接入到模拟车载计算单元或实车车载计算单元上，模拟真实的自动驾驶车辆正在被控制运行，这样实现的硬件在环仿真测试所得出的结论的可信度更高。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，设备模拟层，如图2所示，可以包括：在Matlab软件中生成的点云传感器(Point Cloud Sensor)输出模型和第一数据模拟模块。点云传感器输出模型可以通过设置水平、竖直层面扫描的角度范围和激光线数，模拟真实自动驾驶车辆所用激光雷达传感器的功能，并输出点云数据至第一数据模拟模块；假设真实激光雷达为32线，竖直照射范围为-30°～+30°，点云传感器的一个限制是在水平照射最大范围为120°，因此，模拟360°点云数据需要设置三个点云传感器进行拼接；假设真实激光雷达的水平分辨率为0.2°，则每个点云传感器的水平激光数设置为600条，竖直激光数设置为32条，即可模拟真实32线激光雷达以0.2°的水平分辨率进行360°的扫描，从而可以得到360/0.2＝1800个水平方位角(0.2°、0.4°、……、359.8°、360°)上的距离数据。第一数据模拟模块可以根据真实自动驾驶车辆所用激光雷达传感器硬件设备的数据传输格式进行激光雷达传感器传输数据模拟。为了模拟激光雷达传感器与模拟车载计算单元或实车车载计算单元的UDP通信方式，本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，如图2所示，还可以包括在Matlab软件中生成的数据打包模块(Byte Pack)和UDP传输模块(UDP Send)，其中，可以在UDP传输模块中设置目标IP地址、目标端口号、本机IP地址和本机端口号。数据打包模块用于将模拟的激光雷达传感器传输数据打包；UDP传输模块用于仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元进行UDP通信，将模拟的激光雷达传感器传输数据传输至模拟车载计算单元或实车车载计算单元；仿真测试平台可以通过网线与模拟车载计算单元或实车车载计算单元连接。本发明按照实际激光雷达传感器的数据传输格式进行数据模拟，并按照实际激光雷达传感器的通信方式实现仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元间的通信，能够模拟实际激光雷达传感器接入到模拟车载计算单元或实车车载计算单元上，模拟真实的自动驾驶车辆正在被控制运行，这样实现的硬件在环仿真测试所得出的结论的可信度更高。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，设备模拟层，如图2所示，可以包括：在Matlab软件中生成的Radar传感器输出模型和第二数据模拟模块。Radar传感器输出模型可以模拟真实自动驾驶车辆所用毫米波雷达传感器的工作方式和扫描方式，输出所探测到物体的信息至第二数据模拟模块。部分实际毫米波雷达传感器的扫描区域由长距和近距扫描区域组成；长距照射范围远，覆盖水平及竖直角度范围较小；近距照射范围近，覆盖水平及竖直角度范围较大；因此，可以利用两个Radar传感器组合模拟该效果，设置探测角度范围、最远探测距离、最大检测目标数量以及感知精度等信息。在对感知要求较高的自动驾驶系统中，一般会利用左、中、右三个毫米波雷达传感器向不同方向同时进行探测，为实现这种效果，可以设置Radar传感器的安装位置与安装的Heading值，如左侧毫米波雷达传感器与中间毫米波雷达传感器的水平距离为0.3m，并向左偏移30°，右侧毫米波雷达传感器与中间毫米波雷达传感器的水平距离为0.3m，并向右偏移30°。第二数据模拟模块可以根据真实自动驾驶车辆所用毫米波雷达传感器硬件设备的数据传输格式进行毫米波雷达传感器传输数据模拟。为了模拟毫米波雷达传感器与模拟车载计算单元或实车车载计算单元的CAN通信方式，本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，如图2所示，还可以包括在Matlab软件中生成的第一CAN通信模块，用于仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的毫米波雷达传感器传输数据传输至模拟车载计算单元或实车车载计算单元，此数据传输为单向通信；仿真测试平台可以通过CAN设备与模拟车载计算单元或实车车载计算单元连接。本发明按照实际毫米波雷达传感器的数据传输格式进行数据模拟，并按照实际毫米波雷达传感器的通信方式实现仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元间的通信，能够模拟实际毫米波雷达传感器接入到模拟车载计算单元或实车车载计算单元上，模拟真实的自动驾驶车辆正在被控制运行，这样实现的硬件在环仿真测试所得出的结论的可信度更高。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，设备模拟层，如图2所示，可以包括：在Matlab软件中生成的ObjectCamera输出模型和第三数据模拟模块。Object Camera输出模型可以输出在仿真环境中添加的各种障碍物的相对距离、相对速度和障碍物类型至第三数据模拟模块；输出的相对距离为障碍物到视觉传感器坐标系原点的最小值；需要根据实际设备参数设置ObjectCamera的最大检测数量和视角范围等信息。第三数据模拟模块可以根据真实自动驾驶车辆所用视觉传感器硬件设备的数据传输格式进行视觉传感器传输数据模拟。为了模拟视觉传感器与模拟车载计算单元或实车车载计算单元的CAN通信方式，本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，如图2所示，还可以包括在Matlab软件中生成的第二CAN通信模块，用于仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的视觉传感器传输数据传输至模拟车载计算单元或实车车载计算单元，此数据传输为单向通信；仿真测试平台可以通过CAN设备与模拟车载计算单元或实车车载计算单元连接。本发明按照实际视觉传感器的数据传输格式进行数据模拟，并按照实际视觉传感器的通信方式实现仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元间的通信，能够模拟实际视觉传感器接入到模拟车载计算单元或实车车载计算单元上，模拟真实的自动驾驶车辆正在被控制运行，这样实现的硬件在环仿真测试所得出的结论的可信度更高。

在具体实施时，线控系统能够完成对车辆行为的控制，例如油门踏板、制动踏板、方向盘转角等，为了实现对线控系统的模拟，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，设备模拟层，如图2所示，可以包括：在Matlab软件中生成的车辆动力学模块、数据解析模块和第四数据模拟模块。车辆动力学模块可以提供仿真自动驾驶车辆的油门量程输入接口、制动压力输入接口、方向盘转角值输入接口和挡位状态输入接口，将模拟车载计算单元或实车车载计算单元发送的油门踏板量程连接至油门量程输入接口，将模拟车载计算单元或实车车载计算单元发送的方向盘转角数据连接至方向盘转角值输入接口(若发送的数据为前轮转角，则需要乘以传动比后再输入方向盘转角值输入接口)，将模拟车载计算单元或实车车载计算单元发送的制动踏板量程或减速度进行压力值转换后连接至制动压力输入接口，将模拟车载计算单元或实车车载计算单元发送的挡位数据连接至挡位状态输入接口；输出仿真自动驾驶车辆的状态信息至第四数据模拟模块后，反馈至模拟车载计算单元或实车车载计算单元，实现模拟车载计算单元或实车车载计算单元对仿真自动驾驶车辆运行状态的控制。数据解析模块可以对实车车载计算单元与模拟车载计算单元的控制指令数据进行解析。第四数据模拟模块可以根据真实自动驾驶车辆所用线控系统的数据传输格式进行车身反馈数据模拟。为了模拟线控系统与模拟车载计算单元或实车车载计算单元的CAN通信方式，本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，如图2所示，还可以包括在Matlab软件中生成的第三CAN通信模块，用于仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的仿真自动驾驶车辆状态信息传输数据传输至模拟车载计算单元或实车车载计算单元，同时接收模拟车载计算单元或实车车载计算单元发送的仿真自动驾驶车辆的控制信息，此数据传输为双向通信；仿真测试平台可以通过CAN设备与模拟车载计算单元或实车车载计算单元连接。本发明按照实际线控系统的数据传输格式进行数据模拟，并按照实际线控系统的通信方式实现仿真测试平台与模拟车载计算单元或实车车载计算单元间的通信，能够模拟实际线控系统接入到模拟车载计算单元或实车车载计算单元上，模拟真实的自动驾驶车辆正在被控制运行，这样实现的硬件在环仿真测试所得出的结论的可信度更高。

当然，线控系统与模拟车载计算单元或实车车载计算单元的CAN通信方式的模拟，还可以利用CAN设备的二次开发程序与UDP通信相结合的方法实现。具体是在二次开发程序中加入UDP本机通信程序，通过CAN设备接收CAN数据后通过本机UDP通信传输数据至Matlab/Simulink软件中，在Matlab/Simulink软件中利用UDP Receive模块接收模拟车载计算单元或实车车载计算单元的数据并进行解析，控制仿真自动驾驶车辆行驶，以上UDP通信中目标IP地址和本地IP地址均设置为本机回送地址“127.0.0.1”。车辆状态信息反馈方面，在Simulink中利用UDP Send模块发送信息至二次开发程序，通过CAN设备传输数据至模拟车载计算单元或实车车载计算单元。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，人工/自动驾驶切换装置的模拟，如图2和图5所示，可以通过仿真测试平台中计算机主机外接Prescan仿真软件支持的驾驶模拟器来实现，驾驶模拟器可以配合设备模拟层完成人工/自动驾驶切换装置的模拟，通过按下方向盘上的按键、手排挡挂挡、转动方向盘等方式实现人工驾驶接管或退出人工驾驶模式。当然，如图5所示，也可以通过在软件中搭建可视化界面，在界面中设置切换按钮等方式实现人工/自动驾驶模式的切换，在此不做限定。对人工/自动驾驶切换装置进行模拟，可以验证实车车载计算单元对于人工/自动驾驶切换控制真实自动驾驶车辆行驶的响应性能。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，模拟车载计算单元，如图6所示，可以包括安装有Prescan仿真软件与Matlab软件的工控机。利用一台安装有Prescan仿真软件与Matlab软件的工控机可以对实车车载计算单元进行模拟，也可以测试一般的仿真测试平台，同时本发明中的仿真测试平台也支持利用模拟车载计算单元进行测试验证。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统中，模拟车载计算单元，如图6所示，可以包括在Matlab软件中生成的PathFollower模块和数据处理传输模块。Path Follower模块可以提供控制仿真自动驾驶车辆自动驾驶循迹的功能，根据仿真自动驾驶车辆的预设轨迹、当前位置和期望车速等控制仿真自动驾驶车辆行驶。Path Follower模块所需输入包括车辆位置信息、车辆期望速度和车辆实时速度等，输出包括车辆方向盘角度、油门量程和制动压力等。Path Follower模块的输入、输出与实车车载计算单元相似。仿真测试平台中模拟实际设备的数据利用相应通信方式发送至工控机，在工控机中进行数据接收、解析，并接入到Path Follower模块输入中。Path Follower模块根据输入的仿真自动驾驶车辆位置信息、车辆期望速度和车辆实时速度等，计算仿真自动驾驶车辆的方向盘转角、油门量程和制动压力，数据处理传输模块根据实际线控系统的数据传输格式与通信方式，将计算的仿真自动驾驶车辆的方向盘转角、油门量程和制动压力实时传输给仿真测试平台，控制仿真测试平台中仿真自动驾驶车辆的运行。上述方法可验证仿真测试平台是否具备能够测试实车车载计算单元的车辆循迹等自动驾驶技术的性能，同时还可以对实车中所应用的数据传输格式及通信方式的可行性与稳定性进行测试。

本发明提供的上述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，是一种适用于典型城市交通道路的结构化道路中自动驾驶车辆车载计算单元硬件在环仿真测试系统，提供了GPS、激光雷达传感器、毫米波雷达传感器、视觉传感器、人工/自动驾驶切换装置、线控系统、车载计算单元等的模拟方法，基本涵盖了自动驾驶系统中全部硬件设备，通信方式包含串口通信、UDP通信和CAN通信，基本上涵盖了自动驾驶系统中所有通信方式。本发明提供的上述仿真测试系统能够模拟实际硬件设备，并将模拟数据根据实际硬件设备的数据传输格式与通信方式实时传输至模拟车载计算单元或实车车载计算单元，同时接受模拟车载计算单元或实车车载计算单元的车辆控制数据，达到测试仿真测试平台的性能和实车车载计算单元的性能的目的。本发明提供的上述仿真测试系统可以对实车车载计算单元的车辆循迹、环境感知、决策规划、工作流程及通信功能等进行功能性与稳定性测试，使其问题在仿真层面得到暴露，从而缩短实车车载计算单元调试与迭代时间，解决了直接进行实车测试效率低、耗费大的问题。本发明提供的上述仿真测试系统可以对适用于结构化道路行驶环境中的实车车载计算单元进行测试，还可以对包含传感器硬件、车载计算单元和线控系统等自动驾驶系统中的全部硬件设备进行模拟，为开发者提供全套自动驾驶测试环境；也可以实现人工/自动驾驶切换以及车载计算单元实际应用效果评测，能够全面地测试实车车载计算单元对于各种情况的响应能力及定位实车车载计算单元存在的问题，节省车辆自动驾驶系统开发时间；还可以实现对实车自动驾驶系统中所用的数据传输格式以及通信方式的可行性与稳定性进行测试。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，包括：仿真测试平台和模拟车载计算单元；其中，

所述仿真测试平台包括依次搭建的环境设置层、设备模拟层、通信连接层和仿真分析层四个层次；其中，

所述环境设置层，用于搭建结构化道路的交通环境，导入真实自动驾驶车辆的期望路线，设置天气、仿真频率和仿真自动驾驶车辆的起始点；

所述设备模拟层，用于模拟GPS、激光雷达传感器、毫米波雷达传感器、视觉传感器、人工/自动驾驶切换装置和线控系统的设备功能和生成数据形式；

所述通信连接层，用于将所述设备模拟层所模拟设备的数据信息按照实车通信方式与所述模拟车载计算单元或实车车载计算单元进行通信交互，将所述设备模拟层所模拟设备的数据信息传输给所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元的硬件设备，并接收所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元的车辆控制与执行命令信息；

所述仿真分析层，用于在仿真测试结束后，对所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元的运行记录进行读取，并结合仿真测试过程中输出的信息，自动生成包含仿真测试信息和仿真自动驾驶车辆错误行为信息的仿真报告；

所述模拟车载计算单元，用于对所述实车车载计算单元进行模拟，测试所述仿真测试平台。

2.如权利要求1所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述仿真测试平台包括装有Prescan仿真软件与Matlab软件的计算机主机。

3.如权利要求2所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的Self模块和S-function数据模拟模块；其中，

所述Self模块，用于获取仿真自动驾驶车辆的实时位置和状态信息，并输出给所述S-function数据模拟模块；其中，所述仿真自动驾驶车辆的实时状态信息包括纬度、经度、高程、车速、航向角和姿态角；

所述S-function数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用GPS硬件设备的数据传输格式进行GPS传输数据模拟，编写模拟GPS数据和输出数据的代码过程；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的串口通信模块，用于将所述S-Function数据模拟模块模拟的GPS数据发送至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过RS232串口线与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

4.如权利要求2所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的点云传感器输出模型和第一数据模拟模块；其中，

所述点云传感器输出模型，用于模拟真实自动驾驶车辆所用激光雷达传感器的功能，并输出点云数据至所述第一数据模拟模块；

所述第一数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用激光雷达传感器硬件设备的数据传输格式进行激光雷达传感器传输数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的数据打包模块和UDP传输模块；其中，所述数据打包模块用于将模拟的激光雷达传感器传输数据打包；所述UDP传输模块用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行UDP通信，将模拟的激光雷达传感器传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过网线与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

5.如权利要求2所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的Radar传感器输出模型和第二数据模拟模块；其中，

所述Radar传感器输出模型，用于模拟真实自动驾驶车辆所用毫米波雷达传感器的工作方式，输出所探测到物体的信息至所述第二数据模拟模块；

所述第二数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用毫米波雷达传感器硬件设备的数据传输格式进行毫米波雷达传感器传输数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的第一CAN通信模块，用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的毫米波雷达传感器传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过CAN设备与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

6.如权利要求2所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的Object Camera输出模型和第三数据模拟模块；其中，

所述Object Camera输出模型，用于输出在仿真环境中添加的各种障碍物的相对距离、相对速度和障碍物类型至所述第三数据模拟模块；其中，输出的相对距离为障碍物到视觉传感器坐标系原点的最小值；

所述第三数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用视觉传感器硬件设备的数据传输格式进行视觉传感器传输数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的第二CAN通信模块，用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的视觉传感器传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元；

所述仿真测试平台通过CAN设备与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

7.如权利要求2所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述设备模拟层，包括：在Matlab软件中生成的车辆动力学模块、数据解析模块和第四数据模拟模块；其中，

所述车辆动力学模块，用于提供仿真自动驾驶车辆的油门量程输入接口、制动压力输入接口、方向盘转角值输入接口和挡位状态输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的油门踏板量程连接至油门量程输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的方向盘转角数据连接至方向盘转角值输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的制动踏板量程或减速度进行压力值转换后连接至制动压力输入接口，将所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的挡位数据连接至挡位状态输入接口；输出仿真自动驾驶车辆的状态信息至所述第四数据模拟模块后，反馈至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元，实现所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元对仿真自动驾驶车辆运行状态的控制；

所述数据解析模块，用于对所述实车车载计算单元与所述模拟车载计算单元的控制指令数据进行解析；

所述第四数据模拟模块，用于根据真实自动驾驶车辆所用线控系统的数据传输格式进行车身反馈数据模拟；

所述用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，还包括：在Matlab软件中生成的第三CAN通信模块，用于所述仿真测试平台与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元进行CAN通信，将模拟的仿真自动驾驶车辆状态信息传输数据传输至所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元，同时接收所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元发送的仿真自动驾驶车辆的控制信息；

所述仿真测试平台通过CAN设备与所述模拟车载计算单元或所述实车车载计算单元连接。

8.如权利要求2～7任一项所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述仿真测试平台，还包括：与所述计算机主机连接且Prescan仿真软件支持的驾驶模拟器；其中，

所述驾驶模拟器，用于配合所述设备模拟层完成人工/自动驾驶切换装置的模拟。

9.如权利要求1所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述模拟车载计算单元包括安装有Prescan仿真软件与Matlab软件的工控机。

10.如权利要求9所述的用于自动驾驶车辆车载计算单元的硬件在环仿真测试系统，其特征在于，所述模拟车载计算单元，包括：在Matlab软件中生成的Path Follower模块和数据处理传输模块；

所述Path Follower模块，用于根据输入的仿真自动驾驶车辆位置信息、车辆期望速度和车辆实时速度，计算仿真自动驾驶车辆的方向盘转角、油门量程和制动压力；

所述数据处理传输模块，用于根据实际线控系统的数据传输格式与通信方式，将计算的仿真自动驾驶车辆的方向盘转角、油门量程和制动压力实时传输给所述仿真测试平台，控制所述仿真测试平台中仿真自动驾驶车辆的运行。

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