CN116660846A - 一种汽车自动驾驶功能动态验证系统及方法 - Google Patents

一种汽车自动驾驶功能动态验证系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽车自动驾驶功能动态验证系统及方法，包括毫米波雷达目标模拟器、吸波箱、底盘测功机系统、虚拟场景模拟系统、试验管理及自动化测试模块、直线电机及台架，吸波箱的正面设置有呈敞开的箱口，箱口前面正对着本车的前雷达，吸波箱的背面安装有毫米波雷达目标模拟器的射频头天线，吸波箱的内壁设置有吸波棉层。本发明将自动驾驶车辆的ADAS功能测试，由室外试验场的实际道路转到室内试验室环境进行，摆脱了室外试验场地有限，试验危险性较高，无自动驾驶测试牌照无法测试的问题。具有试验成本低，可重复性好、测试验证系统环境真实可靠，节约车辆路试的时间和成本。

Description

一种汽车自动驾驶功能动态验证系统及方法
技术领域
本发明涉及一种汽车自动驾驶功能动态验证系统及方法，属于自动驾驶技术领域。
背景技术
自动驾驶是车辆在无驾驶员操纵或操纵较少的条件下，自行完成整个驾驶过程的技术。国际自动机工程学会(SAE)按照自动化程度，将自动驾分为六个级别：L0无自动化、L1驾驶支援、L2部分自动化、L3有条件自动化、L4高度自动化、L5完全自动化。
高级驾驶辅助(ADAS)是实现L1～L3级自动驾驶的必需条件，以及向L4、L5级自动驾驶技术迈进的必由之路。ADAS系统分为环境感知、计算分析和控制执行三大模块，采用安装在车上的各类传感器(毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达、红外线、单/双目摄像头、卫星导航等)在汽车行驶过程中实时监测驾驶员、车辆及其行驶环境，并通过信息和运动控制等方式辅助驾驶员执行驾驶任务或主动避免碰撞等伤害。
随着汽车自动化程度的不断提高，ADAS系统功能应用也越来越多，如自适应巡航控制(ACC)、自动紧急制动(AEB)、盲点探测(BSD)、车道偏离预警(LDW)、车道保持辅助(LKA)、自动泊车辅助(APA)等。它们将对车辆本身和行驶过程进行不同程度的干预，而这些干预或接管若出现错误将导致难以估计的后果。所以，对这些高级辅助驾驶功能进行全面动态的测试尤为重要。最准确的测试无疑是实车道路测试，但是道路测试存在着很多问题：
1.测试场景中需要有人和车时安全难以保证；
2.试验过程受路面质量和天气条件的制约；
3.人力及场地建设成本较高；
4.无法进行大规模的100％全检；
5.验证场景和条件无法重复。
作为提高安全驾驶的重要技术及手段，对ADAS功能进行100％的动态测试是急迫和必要的。迫切需要研发一套准确有效，成本可控的整车ADAS功能动态测试系统及方法，以适应未来自动驾驶汽车安全测试的需求，提高整车出厂质量。
基于此，提出本发明。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种汽车自动驾驶功能动态验证系统及方法，具体技术方案如下：
一种汽车自动驾驶功能动态验证系统，包括：
毫米波雷达目标模拟器，用于在实际车辆前方产生一个或多个虚拟目标，模拟实际路面上本车前方的车辆或行人，提供给本车前雷达扫描目标进行ADAS功能测试；
吸波箱，用来屏蔽本车前方周围环境干扰；
所述吸波箱的正面设置有呈敞开的箱口，箱口前面正对着本车的前雷达，吸波箱的背面安装有毫米波雷达目标模拟器的射频头天线，吸波箱的内壁设置有吸波棉层；
底盘测功机系统，用来为实际车辆提供道路负载模拟；
虚拟场景模拟系统，其包含一个图形工作站以及运行在图形工作站上的虚拟场景建模模块，虚拟场景建模模块能搭建多种交通场景模型；
试验管理及自动化测试模块，虚拟场景建模模块通过TCP/IP网络接口与试验管理及自动化测试模块进行交互；交通场景模型中的虚拟交通场景通过HDMI视频接口输出到场景显示屏，场景显示屏通过龙门架及六自由度机械臂置于车载摄像头的前方，用来给车载摄像头提供视觉场景动态模拟；
所述底盘测功机系统包括底盘测功机、底盘测功机控制器，底盘测功机的四个转鼓托举实际车辆的四个车轮，底盘测功机控制器实时控制转鼓的旋转；
虚拟目标被本车前雷达识别后显示在本车的仪表盘上，在仪表盘上动态显示本车与前车的相对距离和速度；
直线电机及台架，直线电机通过台架带动吸波箱在本车的车前进行左右移动，使得雷达模拟器产生的虚拟目标始终在本车正前方；
当本车在底盘测功机的转鼓上产生左右移动时，因左右移动所产生的偏离位移通过本车侧方设置的激光测距仪采集并实时输出到底盘测功机控制器，试验管理及自动化测试模块通过ADS通讯协议获取所述偏离位移，并实时控制直线电机和龙门架上的六自由度机械臂同步移动；
试验管理及自动化测试模块通过ADS通讯协议获取底盘测功机上实际车辆行驶的运动数据、偏移位移，同时，通过TCP/IP网络协议与毫米波雷达目标模拟器、六自由度机械臂、直线电机和虚拟场景模拟系统进行交互，实时控制本车车前的虚拟目标、六自由度机械臂及吸波箱的运动，并将本车和虚拟目标的运动状态显示在虚拟交通场景中。
更进一步的改进，所述虚拟目标包括虚拟车辆、虚拟行人、虚拟动物中的一种或多种。
更进一步的改进，当在ACC、AEB测试时，虚拟目标在本车的正前方；
当在LDW、LKA测试时，场景显示屏中的虚拟交通场景在车载摄像头的视野范围内。
更进一步的改进，所述底盘测功机控制器实时控制转鼓的旋转，按照F＝A+B·v+C·v2为车辆提供与路面行驶一致的行驶阻力，其中，F为行驶阻力，车速为v，用A表示与速度无关的阻力，用B表示速度的一次影响系数，用C表示速度的二次影响系数。
更进一步的改进，所述射频头天线沿着本车前雷达的x方向设置，且射频头天线与本车前雷达之间的距离至少50cm；
当本车前雷达的波束方位角为±60°、俯仰角±10°；所述吸波箱内壁的长度至少为1735mm、宽度最少为500mm，高度最少为177mm；所述吸波棉层表面呈阵列设置有多个正四棱锥状的锥体，吸波棉层表面的锥体的密度是每平方米784个，相邻两个锥体的底面紧密相连，每个锥体的底面边长为3.5cm，每个锥体的高度为7.5cm，吸波棉层中不包含锥体的那部分结构的厚度为2.5cm。
更进一步的改进，一种汽车自动驾驶功能动态验证方法，包括以下步骤：
步骤S1、根据试验车辆的轴距大小调整底盘测功机的前轴和后轴的距离，使得步骤S2中试验车辆四个车轮中心与底盘测功机四个双轴的中心对齐；
步骤S2、将试验车辆行驶到底盘测功机的试验工位，并在试验车辆后方的拖车钩处对试验车辆进行捆扎；所述试验车辆简称本车；
步骤S3、在底盘测功机控制器中设置道路负载模拟的参数，底盘测功机模拟本车在实际路面行驶的道路负荷；
步骤S4、直线电机及台架初始化，使吸波箱背面的毫米波雷达目标模拟器的射频头天线正对着本车前雷达中心；
步骤S5、调整本车右侧的激光测距仪位置，使激光测距仪发出的红色激光点处于本车轮眉中心线与垂直轴的交线上；
步骤S6、打开毫米波雷达目标模拟器，查看频域图中接收的本车前雷达信号频率是否稳定，查看时域图中雷达信号幅值是否在-1024～1023范围变化；若信号幅值不在上述范围，则需进行调整；
步骤S7、在虚拟场景模拟系统中搭建交通测试场景，交通测试场景包含静态交通场景模型、动态交通参与者；将底盘测功机上的本车车速及行驶距离与交通测试场景内的试验车辆模型关联，使得底盘测功机上的本车的运动参数与交通测试场景内的试验车辆模型一致；
步骤S8、启动试验管理及自动化测试模块，其包含登录界面、试验操控界面和状态显示界面；其中，试验操控界面供用户连接试验设备通讯，点动和自动驱动设备运行，启停各试验流程，显示或隐藏状态显示界面；状态显示界面置于驾驶员前方，用于提示驾驶员当前的试验内容和每个试验步骤的操作，以及显示本车和虚拟目标的实时速度、加速度、相对距离和车辆偏移底盘测功机转鼓中间的位移；启动试验管理及自动化测试模块依次进行用户身份校验，初始化，通过ADS通讯读车辆运动和左右移动导致的偏离位移，TCP/IP通讯连接毫米波雷达目标模拟器和六自由度机械臂，UDP通讯向虚拟场景模拟系统发送本车和虚拟目标的运动数据；上述通讯和数据交互均无异常后，才开始进行自动驾驶功能检测各试验流程；
步骤S9、记录试验数据并随时观察试验情况，出现异常时及时终止试验；分析试验结果，调整试验管理及自动化测试模块的程序中，底盘测功机上车辆不同速度与ACC或LDW/LKA试验各步骤的启动对应时间，毫米波雷达目标模拟器产生的虚拟目标的速度和距离变化频率，优化虚拟交通场景中前后车跟随、碰撞效果，车道线长度，转弯角度，重新开始试验直至得到理想的试验效果。
更进一步的改进，在步骤S3中，汽车在行驶过程中受到的纵向阻力包括：滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fs和加速阻力Fa，这些阻力合称作汽车的行驶阻力F：
F＝Ff+Fw+Fs+Fa；
滚动阻力可表示为车轮负荷与滚动阻力系数的乘积，即：
Ff＝W·f＝mg cosθ·f；
式中，m为汽车质量，单位为kg；g为重力加速度；θ为道路坡度；f为滚动阻力系数，在良好路面上滚动阻力系数满足如下关系：
空气阻力是汽车受到的空气作用力在行驶方向上的分力，其数值与气流相对速度的动压力成正比，即：
式中，Cd为空气阻力系数，为0.2～0.4；ρ为空气密度，在地面上取ρ＝1.2258N·s2/m4；ur为车辆相对于空气的相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度v，单位为m/s；Af为汽车的迎风面积，单位为m2，即汽车在行驶方向的投影面积；
当汽车的行驶速度以km/h计，则空气阻力可表示为：
坡度阻力是汽车在上坡或下坡路行驶时，重力沿着路面方向的分力，可表示为：Fs＝mg·sinθ；
加速阻力是汽车加速行驶时，克服其质量加速运动的惯性力，汽车加速阻力表示为：Fa＝m·a；式中，a为汽车行驶时的加速度，单位为m/s2；
综上分析可得汽车行驶在实际路面上所受的阻力为：
用A表示与速度无关的阻力，单位为N；用B表示速度的一次影响系数，单位N/(km/h)；用C表示速度的二次影响系数，单位为N/(km/h)2；则汽车的行驶阻力可简写为：
F＝A+Bv+Cv2+mg·sinθ+m·a
若汽车在水平路面上匀速行驶，则坡度阻力和加速阻力的值为零，此时汽车的行驶阻力为：
F＝A+Bv+Cv2。
更进一步的改进，在步骤S7中，静态交通场景模型包含道路、道路标志线、交通标志、交通灯、建筑物中的一种或数种，动态交通参与者包含交通车辆模型、行人模型、试验车辆模型中的一种或数种。
更进一步的改进，在步骤S8中，各试验流程如下：
步骤S81、全速域定速巡航测试：驾驶员启动本车，轻踩油门加速到25km/h，松开油门并开启车辆ACC，速度由默认值30改为40，观察车速是否立即由25km/h匀速上升到40km/h，并能保持5s以上；再改变ACC的设置值，通过减10再加10，观察车速是否跟随ACC设置值立即增减；
步骤S82、ACC减速测试：设置虚拟目标的前车速度为30km/h，其低于本车ACC速度40，观察本车仪表盘上是否显示前车，且距离由远及近，本车车速是否由40km/h匀速下降到30km/h并保持；
步骤S83、ACC加速测试：设置虚拟目标的前车速度为35km/h，观察本车车速是否由30km/h匀速上升到35km/h并保持；再设置虚拟目标的前车车速为50km/h，其高于本车ACC速度40，观察本车车速是否匀速恢复到40km/h并保持，不继续增加到50km/h；
步骤S84、ACC停车和自动起步测试：逐渐减小虚拟目标的前车速度，直至为0，观察本车仪表盘上前车是否逐渐靠近，本车的速度是否逐渐降低直至停止；设置虚拟目标的前车速度由0逐渐增加至30km/h，观察本车仪表盘上前车是否逐渐远离，本车是否逐渐加速，直至速度稳定为30km/h；
步骤S85、LDW和LKA测试：开启本车的LDW和LKA功能，观察本车仪表盘上是否有功能开启的标识；本车匀速行驶，在虚拟交通场景中驶入带有弯道的路面，在弯道处松开方向盘，观察是否有车道偏离预警的声光提示，本车在虚拟交通场景中行驶是否不超出车道线0.4m，且方向盘可自动纠偏，驶回车道中央。
本发明的有益效果：
1、丰富了汽车自动驾驶技术研发和测试方法，将自动驾驶车辆的ADAS功能测试，由室外试验场的实际道路转到室内试验室环境进行，摆脱了室外试验场地有限，试验危险性较高，无自动驾驶测试牌照无法测试的问题。
2、试验成本低，可重复性好。通过改变毫米波雷达目标模拟器产生的虚拟目标车与本车的不同相对距离和速度，即可快速方便地切换ACC、AEB、LDW、LKA等功能的测试。虚拟场景模拟系统可方便建立多种交通场景，并能针对某一场景重复测试。
3、测试验证系统环境真实可靠，系统中采用的底盘测功机可准确地模拟实际车辆在实际路面行驶的道路负载，毫米波雷达目标模拟器为实际车辆前雷达提供了与真实目标车一致雷达反射特性的虚拟目标，使得在试验室环境的测试与实际路面效果相同，这也节约了车辆路试的时间和成本。
附图说明
图1为本发明所述汽车自动驾驶功能动态验证系统的示意图；
图2为本发明所述汽车自动驾驶功能动态验证系统的原理图；
图3为毫米波雷达目标模拟器的专家界面图；
图4为毫米波雷达目标模拟器接收到的雷达信号的时域图；
图5为吸波箱的实物图；
图6为吸波箱内吸波棉层的实物图；
图7为吸波箱未完全屏蔽时仪表盘上显示的场景图；
图8为吸波箱完全屏蔽时仪表盘上显示的场景图；
图9为吸波箱完全屏蔽时，正常开启ACC并设置ACC速度后的状态图；
图10为吸波箱没有完全屏蔽掉车前试验设备启动ACC或者如上正在进行ACC测试时车前突然出现障碍物时的状态图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1、2所示，所述汽车自动驾驶功能动态验证系统，包括：
毫米波雷达目标模拟器(简称雷达目标模拟器)，用于在实际车辆前方产生一个或多个虚拟目标，模拟实际路面上本车前方的车辆或行人，提供给本车前雷达扫描目标进行ADAS功能测试；其中，所述虚拟目标包括虚拟车辆、虚拟行人、虚拟动物中的一种或多种。当虚拟目标为虚拟车辆时，简称虚拟目标车。本车也就是实际车辆。
吸波箱，用来屏蔽本车前方周围环境干扰；
所述吸波箱的正面设置有呈敞开的箱口，箱口前面正对着本车的前雷达，吸波箱的背面安装有毫米波雷达目标模拟器的射频头天线，吸波箱的内壁设置有吸波棉层。
毫米波雷达目标模拟器和吸波箱的作用是在实际车辆前方产生一个或多个虚拟目标车，配合在底盘测功机转鼓上行驶的车辆使用，模拟实际路面上本车前方的车辆或行人，提供给本车前雷达扫描目标进行ADAS功能测试。
底盘测功机系统，用来为实际车辆提供道路负载模拟；
虚拟场景模拟系统，其包含一个图形工作站以及运行在图形工作站上的虚拟场景建模模块，虚拟场景建模模块能搭建多种复杂的交通场景模型；
试验管理及自动化测试模块，虚拟场景建模模块通过TCP/IP网络接口与试验管理及自动化测试模块进行交互；交通场景模型中的虚拟交通场景通过HDMI视频接口输出到场景显示屏，场景显示屏上的动态图形通过标定后其视觉质量及目标物尺寸与真实驾驶条件下的交通场景一致；场景显示屏通过龙门架及六自由度机械臂置于车载摄像头的前方，用来给车载摄像头提供视觉场景动态模拟。
所述底盘测功机系统包括底盘测功机、底盘测功机控制器，底盘测功机的四个转鼓托举实际车辆的四个车轮，转鼓与轮胎之间的摩擦力与车辆在实际路面行驶相当，保证车辆行驶在转鼓上行驶不打滑。底盘测功机系统的主要功能是在试验室环境为车辆提供道路负载模拟，底盘测功机控制器实时控制转鼓的旋转，按照F＝A+B·v+C·v2为车辆提供与路面行驶一致的行驶阻力，其中，F为行驶阻力，车速为v，用A表示与速度无关的阻力，用B表示速度的一次影响系数，用C表示速度的二次影响系数。其中，特殊应用场景的行驶阻力可以由虚拟场景模拟系统和车辆动力学模型联合计算后输出给底盘测功机控制器执行，使得车辆在底盘测功机上的加减速驾驶环境与真实道路负荷一致。
虚拟目标(以虚拟目标车为例)被本车前雷达识别后显示在本车的仪表盘上，在仪表盘上动态显示本车与前车的相对距离和速度；本车在底盘测功机的转鼓上行驶并启动ACC、AEB、LDW、LKA等ADAS功能，同时动态设置本车前方的虚拟目标车的距离和速度，通过本车的行驶距离和速度的自动变化过程对车辆的自动驾驶ADAS功能进行动态验证。
直线电机及台架，直线电机通过台架带动吸波箱在本车的车前进行左右移动，使得雷达模拟器产生的虚拟目标始终在本车正前方；保证ACC、AEB功能的正常测试。
车辆在底盘测功机的转鼓上高速行驶时，会因为转向盘的轻微转动而左右移动；当本车在底盘测功机的转鼓上产生左右移动时，因左右移动所产生的偏离位移通过本车侧方设置的激光测距仪(也就是图1中所述的激光头测距)采集并实时输出到底盘测功机控制器，试验管理及自动化测试模块通过ADS通讯协议获取所述偏离位移，并实时控制直线电机和龙门架上的六自由度机械臂同步移动，使ACC、AEB测试时虚拟目标车在本车正前方；以及LDW、LKA测试时，场景显示屏中的虚拟交通场景在车载摄像头的视野范围内。
试验管理及自动化测试模块集成车辆自动驾驶ADAS动态验证算法和试验启停，试验监控和结果分析等试验管理功能。通过ADS通讯协议获取底盘测功机上实际车辆行驶的运动数据(距离、速度、加速度等)、偏移位移，同时，通过TCP/IP网络协议与毫米波雷达目标模拟器、六自由度机械臂、直线电机和虚拟场景模拟系统进行交互，实时控制本车车前的虚拟目标车、六自由度机械臂(图1中简称其为机械臂)及吸波箱的运动，并将本车和虚拟目标车的运动状态显示在虚拟交通场景中。
实施例2
吸波箱是由5个面组成的立方体，开口(箱口)前面正对着车辆的前雷达，见图5；所述吸波箱的内壁用吸波棉层覆盖，所述吸波棉层表面呈阵列设置有多个正四棱锥状的锥体，见图6；吸波棉层表面的锥体的密度是每平方米784个，相邻两个锥体的底面(正方形)紧密相连，每个锥体的底面边长为3.5cm，每个锥体的高度为7.5cm，吸波棉层中不包含锥体的那部分结构的厚度为2.5cm，即锥体的尖端距吸波棉层的底面为10cm。所述吸波箱用来屏蔽车辆前方周围环境干扰。射频头天线需在车辆前雷达的x方向上，且二者距离需至少50cm，使得前雷达接收到毫米波雷达目标模拟器的射频信号稳定准确。当本车前雷达的波束方位角为±60°、俯仰角±10°；所述吸波箱内壁的长度至少为1735mm、宽度最少为500mm，高度最少为177mm，同时，锥体的参数需要达到上述设定值，才能保证车辆前雷达只探测雷达模拟器产生的虚拟目标车信号，而不被周围环境杂波干扰。
图4表示为毫米波雷达目标模拟器接收到的雷达信号强度。
实施例3
所述汽车自动驾驶功能动态验证方法，包括以下步骤：
步骤S1、根据试验车辆的轴距大小调整底盘测功机的前轴和后轴的距离，使得步骤S2中试验车辆四个车轮中心与底盘测功机四个双轴的中心对齐。
步骤S2、将试验车辆行驶到底盘测功机的试验工位，并在试验车辆后方的拖车钩处对试验车辆进行捆扎；所述试验车辆简称本车，其也是实际车辆。
步骤S3、依据车辆的空气阻力、滚动阻力、道路阻力等阻力特性和驱动方式，在底盘测功机控制器中设置道路负载模拟的参数，确保底盘测功机能准确的模拟本车在实际路面行驶的道路负荷。
步骤S4、直线电机及台架初始化，使直线电机上的吸波箱背面的毫米波雷达目标模拟器的射频头天线正对着本车前雷达中心。保证试验开始时虚拟目标车在本车的正前方。
步骤S5、调整本车右侧的激光测距仪位置，使激光测距仪发出的红色激光点处于本车轮眉中心线与垂直轴的交线上。保证随着本车在底盘测功机上的左右移动，激光测距仪发出的激光点始终处于本车的轮眉上。
步骤S6、打开毫米波雷达目标模拟器，查看频域图中接收的本车前雷达信号频率是否稳定，查看时域图中雷达信号幅值是否在-1024～1023范围变化(该值为雷达信号强度的量化值)；若信号幅值不在上述范围，则需进行调整，通过调整毫米波雷达目标模拟器专家界面(见图3)的相关的系统参数，如“系统延时(m)”、“幅度检测门限”、“雷达与测试仪距离(m)”、“接收增益衰减(dB)”等，直至信号幅值在-1024～1023范围变化。
步骤S7、在虚拟场景模拟系统中搭建交通测试场景，交通测试场景包含静态交通场景模型(包含道路、道路标志线、交通标志、交通灯、建筑物等)、动态交通参与者(包含交通车辆模型、行人模型、试验车辆模型等)；将底盘测功机上的本车车速及行驶距离与交通测试场景内的试验车辆模型关联，使得底盘测功机上的本车的运动参数与交通测试场景内的试验车辆模型一致。
步骤S8、启动试验管理及自动化测试模块，其包含登录界面、试验操控界面和状态显示界面；其中，试验操控界面供用户连接试验设备通讯，点动和自动驱动设备运行，启停各试验流程，显示或隐藏状态显示界面；状态显示界面置于驾驶员前方，用于提示驾驶员当前的试验内容和每个试验步骤的操作，以及显示本车和虚拟目标的实时速度、加速度、相对距离和车辆偏移底盘测功机转鼓中间的位移；启动试验管理及自动化测试模块依次进行用户身份校验，初始化，通过ADS通讯读车辆运动和左右移动导致的偏离位移，TCP/IP通讯连接毫米波雷达目标模拟器和六自由度机械臂，UDP通讯向虚拟场景模拟系统发送本车和虚拟目标的运动数据；上述通讯和数据交互均无异常后，才开始进行自动驾驶功能检测各试验流程；
步骤S9、记录试验数据并随时观察试验情况，出现异常时及时终止试验；分析试验结果，调整试验管理及自动化测试模块的程序中，底盘测功机上车辆不同速度与ACC或LDW/LKA试验各步骤的启动对应时间，毫米波雷达目标模拟器产生的虚拟目标的速度和距离变化频率，优化虚拟交通场景中前后车跟随、碰撞效果，车道线长度，转弯角度等，重新开始试验直至得到理想的试验效果。
实施例4
在实施例3中，具体到步骤S3中，汽车在行驶过程中受到的纵向阻力包括：滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fs和加速阻力Fa，这些阻力合称作汽车的行驶阻力F：
F＝Ff+Fw+Fs+Fa；
滚动阻力可表示为车轮负荷与滚动阻力系数的乘积，即：
Ff＝W·f＝mg cosθ·f；
式中，m为汽车质量，单位为kg；g为重力加速度；θ为道路坡度；f为滚动阻力系数，其大小与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关，根据经验公式估算，在良好路面上滚动阻力系数满足如下关系：
空气阻力是汽车受到的空气作用力在行驶方向上的分力，其数值与气流相对速度的动压力成正比，即：
式中，Cd为空气阻力系数，为0.2～0.4；ρ为空气密度，在地面上取ρ＝1.2258N·s2/m4；ur为车辆相对于空气的相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度v，单位为m/s；Af为汽车的迎风面积，单位为m2，即汽车在行驶方向的投影面积。
当汽车的行驶速度以km/h计，则空气阻力可表示为：
坡度阻力是汽车在上坡或下坡路行驶时，重力沿着路面方向的分力，可表示为：Fs＝mg·sinθ。
加速阻力是汽车加速行驶时，克服其质量加速运动的惯性力，汽车加速阻力表示为：Fa＝m·a；式中，a为汽车行驶时的加速度，单位为m/s2。
综上分析可得汽车行驶在实际路面上所受的阻力为：
上式的前两项与车速v的零次幂、一次幂、二次幂有关，分别用A表示与速度无关的阻力，单位为N；用B表示速度的一次影响系数，单位N/(km/h)；用C表示速度的二次影响系数，单位为N/(km/h)2；则汽车的行驶阻力可简写为：
F＝A+Bv+Cv2+mg·sinθ+m·a
若汽车在水平路面上匀速行驶，则坡度阻力和加速阻力的值为零，此时汽车的行驶阻力为：
F＝A+Bv+Cv2。
如上计算汽车的行驶阻力的最终公式形式简单，对于某一款车型，在通过底盘测功机的相关试验确定了A、B、C三个常数后，只需输入行驶速度就可快速得到汽车的行驶阻力，非常实用。
实施例5
在实施例3中，具体到步骤S8中，各试验流程如下：
步骤S81、全速域定速巡航测试：驾驶员启动本车，轻踩油门加速到25km/h，松开油门并开启车辆ACC，速度由默认值30改为40，观察车速是否立即由25km/h匀速上升到40km/h，并能保持5s以上；再改变ACC的设置值(减10再加10)，观察车速是否跟随ACC设置值立即增减；
该步骤主要用来测试车辆ACC功能能否正常开启，以及在本车前方无其它车辆或行人的场景下，松开本车油门和刹车，测试本车能否通过设置的ACC速度进行加速或减速。
步骤S82、ACC减速测试：设置虚拟目标的前车速度为30km/h(低于本车ACC速度40km/h)，观察本车仪表盘上是否显示前车，且距离由远及近，本车车速是否由40km/h匀速下降到30km/h并保持；
该步骤主要用来测试本车在开启ACC，以及前方出现目标车的场景下，测试本车能否自动减速至与目标车相同的速度。
步骤S83、ACC加速测试：设置虚拟目标的前车速度为35km/h，观察本车车速是否由30km/h匀速上升到35km/h并保持；再设置虚拟目标的前车车速为50km/h(高于本车ACC速度40km/h)，观察本车车速是否匀速恢复到40km/h并保持，不继续增加到50km/h；
该步骤主要用来测试本车在开启ACC，以及与前方出现目标车相同速度的场景下，测试目标车加速后本车能否跟随加速，直至加速到本车设置的ACC速度。
步骤S84、ACC停车和自动起步测试：逐渐减小虚拟目标的前车速度，直至为0，观察本车仪表盘上前车是否逐渐靠近，本车的速度是否逐渐降低直至停止；设置虚拟目标的前车速度由0逐渐增加至30km/h，观察本车仪表盘上前车是否逐渐远离，本车是否逐渐加速，直至速度稳定为30km/h；
该步骤主要用来测试本车在开启ACC，以及前方出现目标车逐渐减速后再加速的场景下，测试本车能否跟随减速至停车再加速。
步骤S85、LDW和LKA测试：开启本车的LDW和LKA功能，观察本车仪表盘上是否有功能开启的标识；本车匀速行驶，在虚拟交通场景中驶入带有弯道的路面，在弯道处松开方向盘，观察是否有车道偏离预警的声光提示，本车在虚拟交通场景中行驶是否不超出车道线0.4m，且方向盘可自动纠偏，驶回车道中央。
该步骤主要用来测试本车在开启LDW和LKA的场景下，测试本车在偏离车道线时能否出现预警和自动纠偏保持在车道线内。
上述5个测试就是对ACC、LDW和LKA功能的准确完整验证过程，如果每一步测试都通过，则说明车辆的如上ADAS功能良好，否则，该车的ADAS功能异常。
在上述实施例中，本发明所述毫米波雷达目标模拟器产生的虚拟目标车和吸波箱屏蔽车前障碍物技术，是本发明能实现的前提。
在本发明中，吸波箱是用来屏蔽试验室场景中实际车辆周围各类试验设备的，防止这些设备被车辆的前雷达识别到，使在测试时车辆前雷达只识别毫米波雷达模拟器产生的虚拟目标车。
如果没有使用吸波箱屏蔽车前试验设备，或者没有屏蔽完全，那么车辆行驶后，在仪表盘上本车(图7中黑色车，即靠后的那辆)的前方会出现障碍物(显示为白色车，见图7中即靠前的那辆)。
如果吸波箱完全屏蔽了车前试验设备，那么车辆行驶后，在仪表盘上本车前方就不会出现障碍物，如图8所示。
在吸波箱完全屏蔽了车前试验设备后，并启动了毫米波雷达目标模拟器产生了虚拟目标车，车辆在底盘测功机上行驶，正常开启ACC并设置ACC速度的状态如图9所示，图中右上方的绿色车辆和仪表标志表示车辆的ACC功能已开启正在工作，图中左上方的带圆圈的“MAX30”表示设置的ACC速度，车辆可自动驾驶到最大速度30km/h。虚拟目标车的速度为24km/h，则本车也加速到24km/h跟随虚拟目标车。
如果吸波箱没有完全屏蔽掉车前试验设备启动ACC，或者如上正在进行ACC测试时车前突然出现障碍物，那么车辆将异常退出ACC，并自动减速急刹车，见图10，试验中应尽可能避免出现这样的情形。
面向车辆前雷达方向只能是吸波棉和射频头天线，如果射频头本体、毫米波雷达目标模拟器主机或其它设备和线缆也出现在车辆前雷达的前面，那么这些物体都会被识别成障碍物，从而不能开启ACC功能。此外，ACC功能测试时需要本车前方的虚拟目标车处于本车的正前方，即射频头天线需要在车辆前雷达的正前方，因此，本发明中采用了直线电机带动吸波箱移动的方案进行ACC测试。
如果在车前使用弧形板代替吸波箱，需要弧形板表面也粘贴吸波棉层，并且弧形板的长度和宽度均至少要2.5m，才能完全屏蔽周围试验设备不被车辆前雷达识别成障碍物。在试验时需要实时移动弧形板带动射频头天线，使其正对车辆前雷达，但是2.5m*2.5m的弧形板和吸波棉的面积非常大，重量约有30kg，跟随车辆左右实时运动非常困难(重量大，阻力也大)，移动精度以及瞬时准确性无法保证；因此，使用弧形板代替吸波箱的方案不适合本发明。
如果将吸波箱内壁的吸波棉层中的锥体换成短锥，短锥同样与锥体一样是正四棱锥结构，只是其尺寸比锥体小，例如为：短锥的底面边长为1.5cm，每个短锥的高度为3.5cm；其余与吸波棉层的结构相同；采用该吸波箱与毫米波雷达目标模拟器联用，发现该吸波箱无法屏蔽障碍物。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种汽车自动驾驶功能动态验证系统，其特征在于，包括：
毫米波雷达目标模拟器，用于在实际车辆前方产生一个或多个虚拟目标，模拟实际路面上本车前方的车辆或行人，提供给本车前雷达扫描目标进行ADAS功能测试；
吸波箱，用来屏蔽本车前方周围环境干扰；
所述吸波箱的正面设置有呈敞开的箱口，箱口前面正对着本车的前雷达，吸波箱的背面安装有毫米波雷达目标模拟器的射频头天线，吸波箱的内壁设置有吸波棉层；
底盘测功机系统，用来为实际车辆提供道路负载模拟；
虚拟场景模拟系统，其包含一个图形工作站以及运行在图形工作站上的虚拟场景建模模块，虚拟场景建模模块能搭建多种交通场景模型；
试验管理及自动化测试模块，虚拟场景建模模块通过TCP/IP网络接口与试验管理及自动化测试模块进行交互；交通场景模型中的虚拟交通场景通过HDMI视频接口输出到场景显示屏，场景显示屏通过龙门架及六自由度机械臂置于车载摄像头的前方，用来给车载摄像头提供视觉场景动态模拟；
所述底盘测功机系统包括底盘测功机、底盘测功机控制器，底盘测功机的四个转鼓托举实际车辆的四个车轮，底盘测功机控制器实时控制转鼓的旋转；
虚拟目标被本车前雷达识别后显示在本车的仪表盘上，在仪表盘上动态显示本车与前车的相对距离和速度；
直线电机及台架，直线电机通过台架带动吸波箱在本车的车前进行左右移动，使得雷达模拟器产生的虚拟目标始终在本车正前方；
当本车在底盘测功机的转鼓上产生左右移动时，因左右移动所产生的偏离位移通过本车侧方设置的激光测距仪采集并实时输出到底盘测功机控制器，试验管理及自动化测试模块通过ADS通讯协议获取所述偏离位移，并实时控制直线电机和龙门架上的六自由度机械臂同步移动；
试验管理及自动化测试模块通过ADS通讯协议获取底盘测功机上实际车辆行驶的运动数据、偏移位移，同时，通过TCP/IP网络协议与毫米波雷达目标模拟器、六自由度机械臂、直线电机和虚拟场景模拟系统进行交互，实时控制本车车前的虚拟目标、六自由度机械臂及吸波箱的运动，并将本车和虚拟目标的运动状态显示在虚拟交通场景中。
2.根据权利要求1所述的一种汽车自动驾驶功能动态验证系统，其特征在于：所述虚拟目标包括虚拟车辆、虚拟行人、虚拟动物中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种汽车自动驾驶功能动态验证系统及方法，其特征在于：当在ACC、AEB测试时，虚拟目标在本车的正前方；
当在LDW、LKA测试时，场景显示屏中的虚拟交通场景在车载摄像头的视野范围内。
4.根据权利要求1所述的一种汽车自动驾驶功能动态验证系统，其特征在于：所述底盘测功机控制器实时控制转鼓的旋转，按照F＝A+B·v+C·v2为车辆提供与路面行驶一致的行驶阻力，其中，F为行驶阻力，车速为v，用A表示与速度无关的阻力，用B表示速度的一次影响系数，用C表示速度的二次影响系数。
5.根据权利要求1所述的一种汽车自动驾驶功能动态验证系统，其特征在于：所述射频头天线沿着本车前雷达的x方向设置，且射频头天线与本车前雷达之间的距离至少50cm；
当本车前雷达的波束方位角为±60°、俯仰角±10°；所述吸波箱内壁的长度至少为1735mm、宽度最少为500mm，高度最少为177mm；所述吸波棉层表面呈阵列设置有多个正四棱锥状的锥体，吸波棉层表面的锥体的密度是每平方米784个，相邻两个锥体的底面紧密相连，每个锥体的底面边长为3.5cm，每个锥体的高度为7.5cm，吸波棉层中不包含锥体的那部分结构的厚度为2.5cm。
6.一种汽车自动驾驶功能动态验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、根据试验车辆的轴距大小调整底盘测功机的前轴和后轴的距离，使得步骤S2中试验车辆四个车轮中心与底盘测功机四个双轴的中心对齐；
步骤S2、将试验车辆行驶到底盘测功机的试验工位，并在试验车辆后方的拖车钩处对试验车辆进行捆扎；所述试验车辆简称本车；
步骤S3、在底盘测功机控制器中设置道路负载模拟的参数，底盘测功机模拟本车在实际路面行驶的道路负荷；
步骤S4、直线电机及台架初始化，使吸波箱背面的毫米波雷达目标模拟器的射频头天线正对着本车前雷达中心；
步骤S5、调整本车右侧的激光测距仪位置，使激光测距仪发出的红色激光点处于本车轮眉中心线与垂直轴的交线上；
步骤S6、打开毫米波雷达目标模拟器，查看频域图中接收的本车前雷达信号频率是否稳定，查看时域图中雷达信号幅值是否在-1024～1023范围变化；若信号幅值不在上述范围，则需进行调整；
步骤S7、在虚拟场景模拟系统中搭建交通测试场景，交通测试场景包含静态交通场景模型、动态交通参与者；将底盘测功机上的本车车速及行驶距离与交通测试场景内的试验车辆模型关联，使得底盘测功机上的本车的运动参数与交通测试场景内的试验车辆模型一致；
步骤S8、启动试验管理及自动化测试模块，其包含登录界面、试验操控界面和状态显示界面；其中，试验操控界面供用户连接试验设备通讯，点动和自动驱动设备运行，启停各试验流程，显示或隐藏状态显示界面；状态显示界面置于驾驶员前方，用于提示驾驶员当前的试验内容和每个试验步骤的操作，以及显示本车和虚拟目标的实时速度、加速度、相对距离和车辆偏移底盘测功机转鼓中间的位移；启动试验管理及自动化测试模块依次进行用户身份校验，初始化，通过ADS通讯读车辆运动和左右移动导致的偏离位移，TCP/IP通讯连接毫米波雷达目标模拟器和六自由度机械臂，UDP通讯向虚拟场景模拟系统发送本车和虚拟目标的运动数据；上述通讯和数据交互均无异常后，才开始进行自动驾驶功能检测各试验流程；
步骤S9、记录试验数据并随时观察试验情况，出现异常时及时终止试验；分析试验结果，调整试验管理及自动化测试模块的程序中，底盘测功机上车辆不同速度与ACC或LDW/LKA试验各步骤的启动对应时间，毫米波雷达目标模拟器产生的虚拟目标的速度和距离变化频率，优化虚拟交通场景中前后车跟随、碰撞效果，车道线长度，转弯角度，重新开始试验直至得到理想的试验效果。
7.根据权利要求6所述的一种汽车自动驾驶功能动态验证方法，其特征在于：在步骤S3中，汽车在行驶过程中受到的纵向阻力包括：滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fs和加速阻力Fa，这些阻力合称作汽车的行驶阻力F：
F＝Ff+Fw+Fs+Fa；
滚动阻力可表示为车轮负荷与滚动阻力系数的乘积，即：
Ff＝W·f＝mgcosθ·f；
式中，m为汽车质量，单位为kg；g为重力加速度；θ为道路坡度；f为滚动阻力系数，在良好路面上滚动阻力系数满足如下关系：
空气阻力是汽车受到的空气作用力在行驶方向上的分力，其数值与气流相对速度的动压力成正比，即：
式中，Cd为空气阻力系数，为0.2～0.4；ρ为空气密度，在地面上取ρ＝1.2258N·s2/m4；ur为车辆相对于空气的相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度v，单位为m/s；Af为汽车的迎风面积，单位为m2，即汽车在行驶方向的投影面积；
当汽车的行驶速度以km/h计，则空气阻力可表示为：
坡度阻力是汽车在上坡或下坡路行驶时，重力沿着路面方向的分力，可表示为：Fs＝mg·sinθ；
加速阻力是汽车加速行驶时，克服其质量加速运动的惯性力，汽车加速阻力表示为：Fa＝m·a；式中，a为汽车行驶时的加速度，单位为m/s2；
综上分析可得汽车行驶在实际路面上所受的阻力为：
用A表示与速度无关的阻力，单位为N；用B表示速度的一次影响系数，单位N/(km/h)；用C表示速度的二次影响系数，单位为N/(km/h)2；则汽车的行驶阻力可简写为：
F＝A+Bv+Cv2+mg·sinθ+m·a
若汽车在水平路面上匀速行驶，则坡度阻力和加速阻力的值为零，此时汽车的行驶阻力为：
F＝A+Bv+Cv2。
8.根据权利要求6所述的一种汽车自动驾驶功能动态验证方法，其特征在于：在步骤S7中，静态交通场景模型包含道路、道路标志线、交通标志、交通灯、建筑物中的一种或数种，动态交通参与者包含交通车辆模型、行人模型、试验车辆模型中的一种或数种。
9.根据权利要求6所述的一种汽车自动驾驶功能动态验证方法，其特征在于：在步骤S8中，各试验流程如下：
步骤S81、全速域定速巡航测试：驾驶员启动本车，轻踩油门加速到25km/h，松开油门并开启车辆ACC，速度由默认值30改为40，观察车速是否立即由25km/h匀速上升到40km/h，并能保持5s以上；再改变ACC的设置值，通过减10再加10，观察车速是否跟随ACC设置值立即增减；
步骤S82、ACC减速测试：设置虚拟目标的前车速度为30km/h，其低于本车ACC速度40，观察本车仪表盘上是否显示前车，且距离由远及近，本车车速是否由40km/h匀速下降到30km/h并保持；
步骤S83、ACC加速测试：设置虚拟目标的前车速度为35km/h，观察本车车速是否由30km/h匀速上升到35km/h并保持；再设置虚拟目标的前车车速为50km/h，其高于本车ACC速度40，观察本车车速是否匀速恢复到40km/h并保持，不继续增加到50km/h；
步骤S84、ACC停车和自动起步测试：逐渐减小虚拟目标的前车速度，直至为0，观察本车仪表盘上前车是否逐渐靠近，本车的速度是否逐渐降低直至停止；设置虚拟目标的前车速度由0逐渐增加至30km/h，观察本车仪表盘上前车是否逐渐远离，本车是否逐渐加速，直至速度稳定为30km/h；
步骤S85、LDW和LKA测试：开启本车的LDW和LKA功能，观察本车仪表盘上是否有功能开启的标识；本车匀速行驶，在虚拟交通场景中驶入带有弯道的路面，在弯道处松开方向盘，观察是否有车道偏离预警的声光提示，本车在虚拟交通场景中行驶是否不超出车道线0.4m，且方向盘可自动纠偏，驶回车道中央。
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