ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理
Experimental Technology and Management
第38卷第2期2021年2月
Vol.38 No.2 Feb. 2021
DOI: 10.16791/j.c n k i.s j g.2021.02.027自动驾驶汽车硬件在环仿真实验平台研发 雍加望K2，冯能莲3，陈宁1
(1.北京工业大学北京市交通工程重点实验室，北京100124;2.清华大学汽车安全与
节能国家重点实验室，北京100084; 3.北京工业大学环境与生命学部，北京100124)
摘要：自动驾驶汽车作为重点竞争领域将是今后一个时期内国内外汽车工业发展的主流趋势。为使学生更全面地理解并掌握自动驾驶汽车关键技术，研发了自动驾驶汽车硬件在环仿真实验平台（A V H1L)。A V H I L硬件层面集成了实车制动系统、转向系统、传感器系统以及网络通信系统，可提供完整的整车 硬件在环实验环境；A V H IL 软件层面以M A T L A B/S im u lin k为核心构建快速控制原型算法，基于P r e S c a n软件提供虚拟现实界面和环境感知类传感器模块，利用C a r S i m软件实时运行整车动力学模型。A V H I L为自动驾驶上层控制算法与底层执行机构的开发与测试、高级驾驶辅助系统开发与测试、驾驶员行为特性研究等提供了实时高效的仿真平台，为本科生教学与研究生实践奠定了实验基础。 关键词：自动驾驶；硬件在环；仿真；实验平台
中图分类号：U467.3文献标识码：A文章编号：1002-4956(2021)02-0127-05
Development of hardware-in-the-loop simulation experimental
platform for automatic driving vehicle
Y O N G J ia w a n g1，2,F E N G N e n g lia n3,C H E N N in g1
(1. B e ijin g K e y L a b o ra to ry o f T ra ffic E n g in e e rin g, B e ijin g U n iv e rsity o f T ech n o lo g y, B e ijin g100124, C h in a;
2. S tate K e y L a b o ra to ry o f A u to m o tiv e S a fe ty a n d E n erg y, T sin g h u a U n iv e rsity, B e ijin g100084, C h in a;
3. F a c u lty o f E n v iro n m e n t a n d L ife, B e ijin g U n iv e rsity o f T e c h n o lo g y, B e ijin g100124, C h in a)
Abstract: A s a k e y c o m p e titio n a r e a, th e a u to m a tic d r iv in g v e h ic le w ill b e c o m e th e m a in tr e n d o f th e d e v e lo p m e n t o f a u to m o b ile in d u s tr y a t h o m e a n d a b r o a d in th e n e x t p e r io d. In o r d e r to e n a b le s tu d e n ts to u n d e r s ta n d a n d m a s te r th e k e y t e c h n o lo g ie s o f a u to p ilo t, a h a r d w a r e-in-th e-lo o p s im u la tio n e x p e r im e n ta l p la tf o r m(A V H IL) is d e v e lo p e d. T h e h a r d w a r e le v e l o f A V H IL in te g r a te s th e r e a l v e h ic le b r a k in g s y s te m, s te e r in g s y s te m, s e n s o r s y s te m a n d n e tw o r k c o m m u n ic a tio n s y s te m, w h ic h c a n p r o v id e a c o m p le te v e h ic le h a r d w a r e-in-th e-lo o p e x p e r im e n ta l e n v ir o n m e n t. A t th e A V H IL s o f tw a r e le v e l, th e r a p id c o n tr o l p r o to ty p e a lg o r ith m is c o n s tr u c te d w ith M A T L A B/ S im u lin k a s th e c o r e. T h e v ir tu a l r e a lity in te r fa c e a n d e n v ir o n m e n t s e n s in g s e n s o r m o d u le a r e p r o v id e d b a s e d o n P re S c a n s o f tw a r e, a n d th e v e h ic le d y n a m ic m o d e l is ru n in r e a l tim e b y C a r S im s o f tw a r e. A V H IL p r o v id e s a r e a l-tim e a n d e f f ic ie n t s im u la tio n p la tf o rm fo r th e d e v e lo p m e n t a n d te s t o f th e u p p e r c o n tr o l a lg o r ith m a n d th e u n d e r ly in g a c tu a to r, d e v e lo p m e n t a n d te s t o f a d v a n c e d d r iv in g a s s is ta
n c e s y s te m a n d r e s e a r c h o f d r iv e r b e h a v io r c h a r a c te r is tic s, w h ic h la y s a n e x p e r im e n ta l fo u n d a tio n f o r u n d e r g r a d u a te t e a c h in g a n d g r a d u a te p r a c tic e.
Key words: a u to m a tic d r iv in g; h a r d w a r e-in-th e-lo o p; s im u la tio n; e x p e r im e n ta l p la tf o r m
世界汽车工业发展围绕着“安全、舒适、节能
收稿日期：2020-05-15
基金项目：北京工业大学交通工程科研基地开放探索项目（2019BJUT- JTJDS012)；汽车安全与节能国家重点实验室开放基金
课题（K F2010)；北京工业大学教育教学研究项目
(ER2011-A03 )
作者简介：雍加望（1988—），男，安徽巢湖，博士，讲师，主要从 事自动驾驶汽车、汽车动力学与稳定性控制方面的研究。E-mail: *************** 3大主题，正朝着“四化”趋势发展，即智能化、电动
化、轻量化与交通网联化[M]，而集成环境感知、高 精地图、决策控制及人工智能等技术的自动驾驶汽车 则是这一趋势的最终核心产物。作为变革性技术的自 动驾驶汽车将在今后较长一个时期内成为国内外汽车 工业发展的主流趋势，也是当前全球新一轮产业技术 变革的战略前沿>8]。
128实验技术与管理
参数显示设置场景信息驾驶模拟器
闭环控制 实现目标量
采集
图
1 AVH 丨L 总体框图
上位机主要运行PreScan 软件和人机操作界面， PreScan —方面提供虚拟现实界面，为自动驾驶提供 近似真实的测试工况场景；另一方面为自动驾驶提供 环境感知传感器信号，包括毫米波雷和摄像头等。 PreScan 将传感器原始数据通过CAN 网络发送至域控 制器；域控制器根据接收的感知信息进行决策判断， 通过C A N 网络向下位机发送制动、转向和油门控制 指令；下位机运行CarSim 整车动力
学模型，根据域 控制器的控制指令及底层传感器信号，实现线控制动、 转向及驱动系统的闭环控制，在保证实现功能的前提 下，优化轨迹跟踪性能、稳定性和舒适性指标等。
AVHIL 实物图如图2所示，
场景显示器EPS T-Booster 电子油门-iEPB ECU 左后EPB -
图
2 AVH 丨L 实物图
电气柜工控机dSPACE PXI 操控显示器\操作台'右后EPB
2
关键部件匹配与软件选型
2.1
实时处理器
AVHIL 具备域控制器和下位机2套完整的实时系 统。域控制器执行自动驾驶上层控制算法，需实现的 指标包括：①动力学稳定性指标，通过二自由度车辆 模型得到车辆动力学稳定性表征参数（质心侧偏角、
dSPACE 、PXI 、动力电池、强电走线及保护、信号走 线及保护、连接器、操作开关等。
•—CAN—#
•—网线一# •-dSPACE-#•—K 他一•主机场景敁示器
笔记本虚拟场景 显示i 传感器信息
硬件在环仿真系统是A 动驾驶汽车技术测试与验 证的重要平台，具有周期短、成本低及效率高等优点。 因此，学者们在自动驾驶硬件在环仿真技术方面做出 了大量研究。美国辛辛那提大学M a 等提出一种网联 自动驾驶汽车硬件在环测试系统，将实车集成到虚拟 交通仿真环境（VISSIM 软件）中，为自动驾驶算法 提供了丰富的虚拟仿真场景，并在平台上验证了自适 应巡航算法的有效性[9]，随后又验证了队列感知的交 叉路口信号控制方法的有效性西安交通大学Chen 等提出一种新型硬件在环仿真平台，其结构分为4层， 即车辆仿真层、虚拟传感器层、虚拟环境层及电子控 制层，平台具有以下功能：①支持汽车动力学模型、 传感器和虚拟环境的构建与仿真；②实现场景感知、 路径规划、决策与
车辆控制策略等性能的闭环评估； ③进一步支持控制策略从平台到实车的快速移植[11]。 美国俄亥俄州立大学Gelbal 等提出一种用于验证自动 驾驶算法的硬件在环仿真器，该仿真器包括dSPACE Scalexio 实时机，CarSim 动力学模型软件，以及2个 用于V 2X 短程通信的DSRC 设备，该仿真器最高支持 L 4级高速公路场景下的自动驾驶算法仿真验证['长 安大学赵祥模等研发了一种基于整车在环的自动驾驶 快速测试平台，由汽车行驶阻力模拟子系统、虚拟场 景自动生成子系统、虚拟传感器模拟子系统、驾驶模 拟器及测试记过自动分析子系统等组成，可以实现汽 车行驶阻力的实时模拟，并满足各种场景下的自动驾 驶整车性能测试与评价需求113]。
自动驾驶汽车技术的迅猛发展对汽车控制提出了 新的要求，对车辆控制衍生的安全性、舒适性及稳定 性等传统性能的要求也在不断提升。学者们研究的自 动驾驶汽车硬件在环仿真系统更多关注于算法、虚拟 场景及传感器等的测试，缺少对汽车安全性、舒适性 与稳定性起到关键影响的底盘执行器方面的测试与验 证。因此，本文提出一种自动驾驶汽车硬件在环仿真 实验平台（AVHIL )，可为自动驾驶上层控制算法与底 层执行机构的开发与测试、自适应巡航（ACC )、自 动紧急制动（AEB )、车道保持（LKA )等高级驾驶辅 助系统（ADAS )功能开发与测试、驾驶员行为特性 研究等提供实时高效的仿真平台。
1 A V H IL 总体方案设计
AVHIL 总体框图如图1所示。系统硬件部分主要 由驾驶模拟器、上位机（主机）、域控制器（dSPACE MicroAutoBox )、下位机（PX I )、显示器及电气柜等 组成。其中，驾驶模拟器包括执行机构（线控制动系 统和线控转向系统）和驾驶员操纵机构等；显示器包 括操控显示器与场景显示器；电气柜用于放置主机、
操作机构
PX1设备/ CarSim 模型
执行机构操控显示器
键鼠设备
PreScan
人机界面MicroAutoBox MATLAB/Simulink
算法模型
Control D esk MATLAB 输出控制量
车辆校型反馈
目标量信号调理
雍加望，等：自动驾驶汽车硬件在环仿真实验平台研发129
横摆角速度、车身侧偏角、轮胎滑移率等）的名义值，通过状态观测器估算得到车辆动力学稳定性表征参数 实际值，将名义值与实际值的偏差作为衡量动力学稳 定性的指标；②路径跟踪性能指标，考虑横纵向路径 跟踪精度，引人驾驶员预瞄一跟踪模型，以预瞄点处 横向偏差作为衡量路径跟踪性能的指标；③乘员舒适 性指标，考虑纵向加速度、纵向急动度所表征的纵向 舒适性与横向加速度、横向急动度所表征的横向舒适 性，将二者加权得到乘员舒适性指标；④综合指标，将路径跟踪性能、乘员舒适性和燃油经济性指标进行 加权，得到综合驾驶性指标。在满足动力学稳定性的 基础上，以综合指标最优为目标，实现底层执行机构 的多目标优化控制。
域控制器选用dSPACE公司的MicroAutoBox下 位机用于系统信号采集及底层执行机构闭环控制，需 要实现的指标包括：①方向盘转角控制误差<1°;②优 化转角响应时间<70 ms;③目标转角修正区域±5°;④ 制动液压控制精度±0.4 MPa;⑤制动液压建立时间 <300 ms;⑥质心侧偏角<6°;⑦横向加速度<3.6 m/s2。下位机选用N I公司的PXI。
MicroAutoBox选用4核1401处理器，主频2.6 GHz，内存 4GB，配置 DS1513、DS1514 和DS4342 模块，具备6路CAN、32路AI 口（±10 V，分辨率16 位）、8路AO 口（±10 V，分辨率16位）及24路DIO 口（ 0〜40 V，分辨率16位）。上位机PXI控制器选择 2.6GHz4核P X I系统嵌人式处理器（PXIe-8840 Quad-Core RT)，可用于处理器密集型、模块化仪器和 数据采集应用；4G B单通道1 600 MHz DDR3 RAM；配置PXI8512/2板卡3块，可以实现6路CAN通信功 能；配置PXIe-4304板卡1块、PXI-6704板卡1块、PXI-7841R板卡1块，具备40路模拟量输人通道、40 路模拟量输出通道及96路双向数字通道。
2.2底层执行机构
该平台中，控制算法周期运算的控制指令通过各 接口发送至底层执行机构，包括发动机扭矩请求接口、转向角度请求接口、制动压力/减速度请求接口。其中，发动机扭矩请求通过电子油门或自动驾驶算法获取，直接反馈至车辆动力学模型。
线控转向系统采用双电机冗余方案，在原车型配 置的电动助力转向系统（EPS)基础上，加装主动转 向电机，如图3所示。主动转向电机与EPS电机互为 冗余，在二者之一发生故障时，未发生故障电机单独 实现转向控制，保障线控转向系统的安全性与可靠性。在人T驾驶模式下，EPS实现助力转向功能，主动转 向电机不介入，仅在危险工控或自动驾驶介人时加以 转向修正控制；在自动驾驶模式下，
主动转向电机实现转向请求角度跟随控制在转向管柱加装转角传感 器，其测量范围为±750°，测量精度为0.1°。
线控制动系统采用电动助力器（E-Booster)与电 子稳定控制系统（ESC )联合实现，系统组成框图如 图4所示。构型为单主缸双通道，X型布置，即左前 轮、右后轮轮缸对应同一制动回路，右前轮、左后轮 轮缸对应同一制动回路，如进行制动时单一冋路发生 泄漏，剩余回路的制动力基本能保持正常制动力的一 半。常规工况下，制动助力功能与制动压力/减速度请 求由T-Booster实现；E SC实现增压、保压及减压等 制动压力调节功能，调整车辆运动状态以满足动力学 稳定性指标。当T-Booster与ESC二者之一存在故障 时，由未发生故障总成实现制动压力/减速度请求控 制。当T-Booster与ESC二者均存在故障时，驾驶员
图4线控制动系统组成框
图
130实验技术与管理
实现方向盘转角跟随控制：图7为换道工况下的车速
及节气门开度变化丨丨丨丨线。
E
3.2高级驾驶辅助ACC功能仿真实验
A C C不仅可以改善车辆行驶过程的安全性而且
可以适当减轻驾驶员的负担。ACC按照驾驶员设定的
车间时距，通过调节发动机/电机驱动扭矩或制动力来
控制自车的速度和加速度，能够跟随目标车加速或减
速，以保证必要的安全车距。
ACC系统包括3种状态：①关闭状态，直接的操
作均不能触发A C C系统；②等待状态，A C C系统已
开启但未介入车辆控制，此时A C C系统可以被驾驶
员触发而进人工作状态；③工作状态，控制本车车速
或本车与前车之间的时间距。
图8为A C C功能仿真实验过程的本车车速与前
车车速变化曲线，最大车速跟随误差为3.6 km/h，最
小车速跟随误差为0式（1 )中，RMSE为车速均方
根误差，1(0和va e t(〇分别为（时刻的期望车速与实
际车速，W为采样点数，利用式（1 )计算得到车速均
方根跟随误差为1.36 km/h，本车车速控制精度较高。
图9为A C C功能仿真实验过程的制动压力及节气门
开度变化曲线。
RMSE Z(V d e s(〇-va ct(?))2
N
(1 )
踩制动踏板的脚力通过制动液传递至制动轮缸，实现 人力备份功能。制动压力控制范围为0〜12 MPa。4个 轮缸配置制动压力传感器，测量范围0〜20 MPa，测量 精度为1%。
2.3软件选型
在通信层面上，底层负载与执行机构信号通过 EDAC接口与下位机交互，下位机与上位机之间通过 网线与C A N总线通信，下位机、上位机与域控制器 之间通过C A N总线通信，如图5所示。具体软件选 型如下：①上位机，PreScan软件用于设计搭建虚拟
驾驶场景，同时为上层算法提供环境感知类传感器信 息，采用LabVIEW软件搭建人机交互界面；②域
控 制器，采用MATLAB/Simulink软件用于搭建自动驾 驶算法模型，并利用快速代码生成技术将算法导人至 MicroAutoBox;③下位机，整车动力学模型由CarSim 软件提供，实现与PreScan软件及上层算法的联合仿 真，为其提供实时车辆参数信息，LabVIEW软件用于 输出控制指令并采集底层信号。
软件
tf2o图5系统软件组成框图
3 A V H IL仿真测试结果
i52
3.1自动驾驶换道功能仿真实验
换道功能是自动驾驶模式下的主要横向控制T.况 之一，基于PreScan软件提供的环境及车道线信息，利用Lattice planner算法并使用五次多项式方法规划 出多条换道轨迹。对于规划出的多条换道轨迹，首先 判断是否有碰撞危险，若有则予以剔除。对于安全轨 迹，根据舒适性、稳定性与节能性等多目标确定代价 函数，选取代价函数最小的轨迹作为最优轨迹。最后，控制车辆实现轨迹跟随控制。图6为换道TJ兄下的方 向盘目标转角与实际转角变化曲线，算法可以较好地
5
M
.
J
)
/
1T
S4€
/
疵
裝
-
w l
t
f
轮椅电机5
5
5
3
3
2
悬浮机器人2
1
1
球墨铸铁管qiumogg%
/
s
f
f c
c
r
i
雍加望，等：自动驾驶汽车硬件在环仿真实验平台研发
131
在自动驾驶汽车技术迅速发展的背景下，考虑节 省实验成本、节约实验时间、降低算法验证周期等前 提，建立了自动驾驶汽车硬件在环仿真实验平台。本 文介绍了 AVHIL 总体硬件与软件技术方案、关键
零部 件匹配及软件选型等内容，通过自动驾驶换道功能、 高级驾驶辅助ACC 功能及底层执行器性能仿真实验， 验证了平台的功能及性能指标。作为有特的教学与
T .程双创实践平台，AVH 1L 可以有效提升师生的创新 实践能力，培养学术与工程并重的复合型人才。
参考文献（References)[1]
YONG J W, GAO F, DING N G, et al. Design and validation of an electro-hydraulic brake system using hardware-in-the-loop real-time simulation[J], International Journal of Automotive Technology, 2017, 18(4): 603-612.[2]
FENG N L, YONG J W, ZHAN Z Q. A direct multiple shooting method to improve vehicle handling and stability for four hub-wheel-drive electric vehicle during regenerative braking[J]. Pro IMechE Part D: Journal of Automobile Engineering, 2020, 234(4): 1047-1056.[3] 王建强，王昕.智能网联汽车体系结构与关键技术[J ].长安 大学学报（社会科学版），2017, 19(6): 18-25.
[4]
LUK J M, KIM H C, KLEINE R D. et al. Greenhouse gas emission benefits of vehicle lightweighting: Monte Carlo probabalistic analysis of the multi material lightweight vehicle glider[J]. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 2018,62: 1-10.
[5] 方艳红，庄永智，王学渊，等.基于增强现实的汽车驾驶仿
真实验平台[J ].实验技术与管理，2020,37(4): 147-150.
(下转第
135页
）
3.3
底层执行器性能实验
底层执行器性能实验以E -Booster 为例。E-Booster 系统瞬态响应显著影响着车辆的制动安全性能，尤其 是当车辆处于极限工况时，因此需要对制动压力跟随 控制（主动增压控制）算法的响应特性进行测试。测 试输入信号包括阶跃信号和阶梯信号两种。
图10为目标压力为6 MPa 下的主缸压力响应曲 线及推杆行程曲线。建立目标压力所需要的时间大约 为150 ms ，压力稳态跟踪误差<0.1 MPa 。
I
1]-.
为测试算法阶跃响应的一致性，进行了阶梯目标 压力信号输人响应测试，起始目标压力为3 MPa ，之
后目标压力每间隔2 s 增加1 MPa ，直至8 MPa 。随后, 分两次将目标压力减至4 MPa ，测试E -Booster 减压特
性：图11为阶梯增压及减压测试结果，增压过程中， 压力跟随均方根误差为〇.丨5 MPa ，算法的阶梯增压响
应性能及一致性较好；减压过程中，虽然算法可以迅 速调整并减小控制率，但主缸实际压力降低存在一定 的滞后。
20100
15
在自动驾驶汽车技术迅速发展的背景下,
0 20
汽结构40
60 80时间/s
图
8
本车车速与前车车速变化曲线
\
.
J -----制动压力---节气门开度-_、
1
• ^
,
•
;、、、.: 1i A :
11111
1
I
20
40
60
80
1C
时间/s
图9本车制动压力与节气门开度曲线
(L
.
J )/铟讲
E
—
03
W
麵一7B £
%
/s
f ^
c
r
i p
-
5
5 0 2
2
1
15
o
2
2
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议