第五章：基于EURO-NCAP的AEB系统验证与优化
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近年来，汽车制造商已经实现了各种先进的驾驶辅助技术改善车辆的操作。这些 技术包括电子控制装置，其能够根据车辆的状态自动的做出动作。开发这种辅助技术 有许多安全问题：在紧急情况下，控制装置能够比驾驶员更快地做出决定，并且因此 减少了某种形式的碰撞的可能性。
另一方面 AEB 系统分为前方碰撞预警(FCW Forward Collision Warning)和自动 制动两个阶段。FCW 的警告是当危险出现的前一段时间，利用声光或者震动等方式 提醒驾驶员制动。避撞预警系统的关键是避撞算法，碰撞算法决定了预警的时机和逻 辑。预警的提前时间是基于驾驶员反应时间，驾驶员的反应时间一直是一个测试难点。若预警时间过早，则预警系统会干扰驾驶员正常驾驶，并且降低驾驶员对 AEB 系统 的信任，使驾驶员放松警惕；若预警时间过晚，则将会无法起到预警的作用，导致事 故的发生。
为了实现这一目标，在汽车工业中对驾驶员建模的研究越来越受到关注，因此可 以开发驾驶员在环(DIL Driver in Loop)控制系统。DIL 系统工作来解释驾驶员的意 图，以便做出是否介入的决定。这些 DIL 系统的最终结果是改进车辆控制，而不使 驾驶员感觉他们失去了对车辆的控制。
■ 汽车 AEB 系统的硬件模拟器
DIL 系统可以分为软件和硬件，软件是 AEB 系统的场景及传感器建模软件、车 辆动力学仿真软件、控制系统仿真软件；硬件是驾驶员操作装置、图像仿真显示设备、 声音模拟设备，以及座椅。
在建立驾驶员在环系统中，按照结构来分类是输入系统、处理系统、输出系统三 部分。输入系统是模拟驾驶仪，在 PreScan 软件中可以支持罗技 MOMO、 罗技的 Wingman Formula GP 和罗技 G27 设备；处理系统是 DIL 的软件仿真模型，包括：仿真环境模型、传感器仿真模型和模型的逻辑控制算法，车辆动力学模型受到驾驶员 和 AEB 系统的控制，并且根据车辆底盘特性，反馈车辆的运动姿态；输出系统是 PreScan 软件的 VisSever 窗口，将车辆运动姿态数据可视化，驾驶员通过显示器观察 车辆运动姿态，调整驾驶控制，从而形成一个封闭的驾驶员在环系统。
驾驶员在环的功能是为了在驾驶员参与的情况下测试控制算法，并且在本文中驾 驶员会受到方向盘给的回馈震动。DIL 系统可以允许驾驶员在设计的地图里驾驶。
本文中采用 CarSim8.0.2 作为车辆动力学仿真平台，将 PreScan7.12 作为 AEB 系 统的场景和传感器建模工具，利用 MATLAB/Simulink2013b 研究 AEB 系统的控制算法。硬件环境是一台 64 为 Window 7 操作系统的台式电脑，处理器是酷睿 i7，4G 内 存。驾驶员的模拟驾驶设备是罗技公司的 G27，包括方向盘、排挡和踏板三大组件， 使用真皮方向盘，更加真实的模拟实车的方向盘操作。
图 3.1 驾驶员在环 AEB 测试仿真平台
■ 场景及传感器建模软件与系统控制软件介绍
本文使用 PreScan 软件建立场景与传感器模型。PreScan 软件是汽车主动安全的 仿真平台，能够快速建立仿真交通场景和传感器的仿真模型，可以实现不同的天气、 道路、桥梁、隧道、房屋、车型、传感器、行人的各种组合模型。而且 PreScan 软件 能够和 MATLAB/Simulink 软件进行良好的联合仿真，可以连接人机交互设备从而实 现驾驶员在环 DIL(Driver-In-the-Loop)。
PreScan 软件可以实现不同天气的光照强度、太阳位置、雨水强度、雾天的能见 度、降雪量的各种环境。PreScan 的传感器可以做到与真实传感器较为接近的水平。该软件中有毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达、普通摄像头、鱼眼摄像头、景深摄 像头、车车通信(v2v)传感器、车与环境通信(v2x)传感器。其中每个传感器都 有一个反射波的能量检测阈值，如果被检测物体的反射波能量低于阈值，则定物体没 有被检测到。
激光雷达和毫米波雷达类似，激光雷与毫米波雷达不同的是，激光雷达采用的是 激光束，工作频率比微波高了很多，因此激光雷达的探测精度高，其精度可以高达几 厘米，可以识别探测目标的轮廓形状，但是激光雷达的数据量较大，易受雾、雨、雪 等天气影响，同时价格也较为昂贵。
超声波雷达，超声波雷达测距范围较小，成本低廉，方向性好，能量消耗缓慢， 在价值中超声波雷达收发器是基于高频声波，其声波频率大于 20KHz。摄像头传感器在智能化驾驶中的作用也越来越大。随着图像处理技术的发展，摄像头的功能也愈发强大，包括人脸识别、驾驶员疲倦检测、行人识别、车道线检测、 车距检测、交通标示识别。
PreScan 软件中的摄像头传感器可以将图像数据(例如像素单元数据)发送给 Simulink，进而 Simulink 可以实现软件在环(SIL software in the loop)的方式对主动 安全控制算法进行验证和优化，例如上文所提到的车道线检测，目标检测等。
在开发主动安全的视觉新算法过程中，PreScan 软件中提供了调教对比用户自己的开发的图像处理算法用的“参考标准传感器(Ground-truth sensors)”。参考标准传 感器包含景深摄像头(Depth camera)，车道线识别传感器(Lane marker sensor)，分析车道识别传感器(Analytical Lane marker sensor)，边缘检测传感器和目标检测传感 器(Bounding Rectangle Sensor & Object Camera)。
在 PreScan 软件中还有一种标定视觉算法的传感器，边界矩形传感器/物体检测摄 像头。边界矩形传感器的主要功能是提供被检测物体的边界矩形(bonding box)，并且在 3D 观察窗口和 Simulink 软件中显示检测结果。该传感器可以应用在摄像头传感 器输入信号的物体检测逻辑算法。
PreScan 软件和 MATLAB/Simulink 软件可以相互调用，具体来说就是 PreScan 中 的各种传感器仿真数据传递到 Simulink 中，Simulink 进行逻辑判断和验证各种主动安 全的算法，汽车动力学仿真软件(例如 TESIS-dynaware、CarSim、IPG、CarMaker、 dSPACE)可以计算得到即时的车辆运动情况参数，PreScan 软件再利用车辆运动参数 得到整体的仿真，并且影响传感器的运动和探测到的数据，由此得到一个封闭的多个 软件共同联合仿真的主动安全开发仿真系统，可以实现软件在环、驾驶员在环、硬件在环。
图 3.2 PreScan、CarSim、Simulink 联合仿真结构
MATLAB/Simulink 软件可以实现对汽车主动安全系统的逻辑控制决策层进行编 程。其中，Simulink 是一个图形界面编程软件，不用编写程序代码，而可以使用各种 Simulink 中的工具包，利用拖拽并连接图形化的逻辑控制模块，从而不用大量书写程序，就可以快速地建构出复杂准确的模型。Simulink 也可以利用 code generation 功能 快速生成面对各种硬件的控制代码，从而为后期的硬件功能实现做准备。
■ 场景与传感器模型建立
1.场景建立
在 Euro-NCAP 测试工况中，目标车与本车都是位于同一直线。在 PreScan 软件 中可用 GUI 模块，在道路片段(Road Segment)中搭建一条 5 车道长度为 1km 直线 道路，天气晴朗，太阳高度与位置缺省，太阳光线亮度缺省。车辆道路场景如图 3.3 所示。
2.2 汽车AEB测试场景
目标车选用 Audi A8 作为目标车，其车辆相关参数选用缺省设置。由于目标车需 要创造不同的工况场景，所以在本文中参考 Euro-NCAP 中 CCRs、CCRm、CCRb 三 个场景，目标车运动情况为匀速运动、匀减速运动和静止。设置车辆运动速度在 PreScan 软件的 GUI 模块中，定义一条路径(path)，在路径中轨迹(Trajectories) 中编辑速度概述(Speed Profile)中设置。
在车辆轨迹设置如图 3.4(a)所示，车辆可以设定多条不同路线的轨迹，但是激 活的轨迹只能为一条。车辆的速度设置如图 3.4(b)所示，可以按照不同的位置(slot) 设置，轨迹的速度类型可以分为匀速(constant speed)、匀加速(constant Accel)， 并且设置每一部分路径的终点速度(End Speed)，最终设置车辆的轨迹路线及不同 时间的车速情况。
(a)
(b) 图 3.4 (a)PreScan 中路径选择 (b)PreScan 中车速的配置
2. 传感器建立
本文研究在毫米波雷达传感器的前方碰撞自动制动算法，主要研究目标为本车与 前方车辆。传感器设置为 Sensor 模块中的 TIS(独立技术传感器 Technology Independent Sensor)传感器，TIS 是通用的扫射传感器模型，可以通过改变参数模拟 雷达、激光雷达、超声波雷达。本文将 TIS 传感器设定为两个雷达传感器，一个为长 距离雷达(LRR Long Range Radar)、短距离雷达(SRR Short Range Rada)。长距 离雷达：探测距离 150m，水平探测角度范围是 9◦。；短距离雷达：探测距离 30m， 水平探测角度范围是 80◦，雷达的波形都为角锥(Pyramid)。雷达的安装位置在本车 的保险杠内部正中间，雷达型号发射方向水平朝向前方。
图 3.5 (a)TIS 波束参数配置 (b)TIS 安装位置配置 3. 驾驶员输入硬件配置
车辆动力学模型采用前文在 CarSim 软件中建立的车辆动力学模型。在 PreScan 的车辆模型里建立由驾驶员控制的车辆动力学模：在本车的车辆配置中选择目标设置 (object configuration)，在 Driver Model 中选择 Man-in-the-loop，其他选择默认选项。DIL 的车辆模型可以设置为手动挡(Manual)和自动挡(Automatic)。
图 3.6 PreScan 中驾驶员在环配置
PreScan 是结合 Simulink 软件联合使用的，在 PreScan 软件的 GUI 模块中搭建好场景与传感器模型后，需要生成 Simulink 软件中.mdl 文件，
图 3.7 Simulink 生成的 PreScan 模型
在 Simulink 模型中需要将各个内部模块之间的输入和输出接口用线连接起来。驾驶员在环系统仿真设计如图 3.8 所示：
图 3.8 DIL 的 Simulink 模型
罗技 G27 方向盘不允许同时使用刹车和油门。仿真时间等于真正的时间，可以 将将"仿真时间尺度(在 Experiment-simulation scheduler 中修改 simulation time)"的 值更改为 1。在 Simulink 中 G27 输出端口设置如下表所示。
■ 本章小结
本文介绍了 PreScan 软件的基本模块及其功能设置；建立了场景模型、传感器模 型；配置利用罗技 G27、高性能计算机硬件和 CarSim、PreScan、Simulink 软件建立 了驾驶员在环的 AEB 系统测试仿真平台。
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