Equipment Manufacturing Technology No.2,2021
史延雷1,2，孟庆浩1，龚进峰2，蔡永祥2
(1.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300072; 自动泊车功能2.中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司，天津300300) 摘要：针对基于超声波雷达的自动泊车功能，在较高装车量情况下仍存在功能使用率低、用户体验差的问题，基于超 声波雷达探测原理分析研发了一种车栽超声波雷达物理回波模拟设备架构，通过设计超声波发射驱动与接收处理电路、回波模拟控制系统，基于N I-F P G A板卡完成了车载超声波雷达回波模拟器样机开发。在N I-P X I平台智能驾驶虚拟仿 真测试系统基础上集成超声波雷达模拟器，搭建面向A P A自动泊车功能的传感器在环实验室仿真测试系统，通过实验 结果验证了设计方案的可行性，可应用于自动泊车控制算法的研发调试与测试验证阶段。 关键词：车载超声波雷达；超声波回波模拟；硬件在环；传感器在环
中图分类号:TP391.9 文献标识码：A 0引言
随着现代高新技术的迅速发展，集各种高新技 术于一体的汽车，其性能、舒适性、安全性已经取得 很大进步，通过分析处理各类智能传感器传来的周 围环境及汽车自身的各种信息实现ACC(Adaptive Cruise Control，自适应巡航控制）、AEB(Autonomous Emergency Braking，自动紧急制动）、LKA(Lane Keeping Assist，车道保持辅助）等智能驾驶功能。其 中APA(Auto Parking Assist，自动泊车辅助系统）自动泊车功能是最早实现、应用最广的智能驾驶辅助 功能，APS(Automated Parking System)自动泊车系统 主要依赖超声波雷达传感器和视觉传感器完成周围 环境感知，做出决策与轨迹规划控制，其中超声波雷 达在短距离障碍物探测中具有成本低、探测范围大、灵敏度高的优势，多用在慢速行驶、倒车辅助上[1_2]。超声波雷达工作原理是通过超声波发射装置向外发 出超声波，然后通过接收器接收到发送过来超声波 时的时间差来测算距离。常见的车载超声波雷达有 两种：一种是安装在汽车前后保险杠上测量汽车前 后障碍物的短程超声波雷达UPA(Ultrasonic Parking Assistant，超声波驻车辅助传感器），其一般探测角 度、探测距离近；另一种是安装在汽车侧面探测车辆 侧方车位信息的远程超声波传感器APA(Automatic Parking Assistant，自动泊车辅助传感器），其具备 F0V夹角窄且探测距离可达5 m的特点[\
收稿日期：2020-11-22
作者简介：史延雷（1983-)，男，河北邢台人，博士，研究方向：智
文章编号：1672-545X(2021 )02-0048-05
为缩短汽车研发周期，HIL(Hil in the Loop)硬件 在环系统已经在汽车厂研发中心大范围应用，解决 实际样车生成出来前实现对各子系统的独立测试验 证。针对A P S自动泊车系统功能、性能测试验证，需 要集成超声波雷达目标模拟系统进行车辆周遭环境 信息仿真，输山虚拟交通场景中虚拟超声波雷达传 感器探测到的数据。但多数情况下超声波雷达探头 与控制器之间数据传输应用定制化的协议，无法实 现总线数据仿真[«]。
本文设计了一种车载超声波雷达回波模拟设备，支持接人硬件在环测试系统中，通过控制超声波 物理回波反馈精确时延，实现超声波雷达探测障碍 物距离仿真。该物理回波模拟系统支持测试人员在 实验室环境下对自动泊车及其他智能辅助驾驶逻辑 进行传感器在环系统级仿真测试验证，减少测试执 行成本，提高测试效率、安全性及测试覆盖度。
1A P S自动泊车系统分析
车载超声波雷达探头多采用一体式超声波雷达，其工作原理是通过超声波发射部件向外发出超
声波，同时超声波接收器接收外界障碍物反射回来 的超声波，通过计算收发时间差，基于声波在空气中 传播的速度计算障碍物距离，如图1所示。
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APS 车载自动泊车系统主要包括一个APA 控制 器与12通道的超声波雷达探头组成，如图2所示。 车载超声波探头多采用车规级集成处理芯片、超声波 换能器、升压中周搭配较少的元器件组成。其中超声 波换能器将升压中周输出的电脉冲信号转换为声波 发射出去，集成处理芯片将采集、处理换能器接收到 的障碍物反射的声波信号，完成车辆周围环境探测与
感知％ APA 控制器通过采用专用的数据通信协议完 成超声波发送控制与障碍物信息反馈，并完成有效车 位检测、自动泊车轨迹规划与车辆转向控制|7'
r |11 f f I X ] f
换能器
3=5
超声波雷达回波模拟装置主要包含超声波回波 模拟板卡（滤波处理电路、驱动发射电路、仿真模拟 控制器）、与被测超声波雷达传感器相同型号的收发
一体超声波探头换能器两部分组成，超声波雷达回 波模拟原理：采用与被测超声波雷达同型号的超声 波换能器作为超声波探测及回波发射的执行器，收 发一体超声波探头与停车距离控制系统的收发一体 超声波探头采用零距离对贴方式固定，接收车载超 声波雷达发送的超声波信号，将信号给到超声波回
波模拟板卡并记录当前时刻，超声波回波模拟板卡 将仿真目标距离信息换算转换为延时时间，并计时 在指定时间后驱动超声波换能器发射超声波回波， 实现超声波回波模拟通过超声波倒车雷达回波模 拟装置实现障碍物的模拟，并经过该装置的收发一 体超声波探头和超声波回波模拟板卡，使得距离模 拟的精准，不仅对车辆智能驾驶（辅助）控制系统测 试不受场地限制，理论上可以模拟任意距离，而且对 模拟距离也可以高精度模拟，同时可以对相同距离 实现完全重复测试。
2.2驱动与滤波后处理电路设计
超声波雷达回波模拟器驱动发射电路设计如图 4所示。泊车系统
图4
超声波回波模拟驱动电路
一■体式超声波换能器P 1是一种高频电能与机 械能相互转换的装置，采用磁致伸缩式或压电陶瓷 式，工作原理是借助谐振于超声频率的压电陶瓷，将 材料的压电效应将电信号转换为机械振动。T 1升为 超声波换能器发送驱动专用中周，采用丨:1〇升压变 压器制成，用于将低电压脉冲信号放大从而驱动超
声波换能器发射超声波。TP 1为驱动超声波发射的脉 冲控制信号，经U 1三极管驱动放大驱动变压器
原 边，其中，R 1选取33(1X 1选取220uF ，起到电源保 护功能。
一体式超声波换能器P 1响应同频率的超声波 反射波，并输出同频率的弱脉冲信号，信号通过U 2、 U 3两级滤波、放大处理后，由TP 2输出给到由 LM 567通用锁相环电路音调译码器处理电路，设定
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发射
接收
集成
处理芯片
通信
控制
电路
□
超声波
雷达探头
n
数据
图2 A P S 自动泊车系统组成
2超声波雷达回波模拟器设计
2.1模拟器系统方案设计
基于超声波雷达传感器工作原理，设计超声波 雷达传感器物理回波模拟装置技术方案如图3所 ,J 〈 〇
图
3 A P S 自动泊车系统组成
《装备制造技术》2021年第2期
12
路通道
通道n
EC
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LM567外围元件参数使其响应频率设定在超声波频 率范围，P1当接收到同频率超声波回波时,LM567将 同时输出脉冲信号，实现对超声波回波探测。
图5超声波回波模拟采集电路
2.3回波模拟控制系统设计
超声波雷达回波模拟器回波模拟控制需要完成 高精度的数据延时、处理与触发输出功能，本系统采 用N I的FPGA板卡PXIe-7820完成，将超声波驱动 电路TP1与LM567捡波采集到的信号输出连接到 FPGA板卡的输入与输出10引脚上。当FPGA板卡 接收到超声波回波信号时，基于板载U S时钟完成设 定时间的延时后，输出超声波发送驱动信号，完成超 声波回波仿真。
图7为超声波雷达与超声波雷达模拟器对顶安 装后，雷达系统探测到的波形图及后处理输出电平 效果。通道2为超声波换能器反馈的超声波回波通 过滤波、放大后的电压波形图，由于采用一体式超声 波换能器，波形起始部分为驱动超声波发送波形部 分，而后的波形为相近频率的超声波回波波形图，峰 值部分对应超声波雷达回波模拟器模拟的虚拟目 标。通道1为超声波雷达中的相对应波形处理电路 检测到的超声波回波信息，通过计算从超声波驱动 发送到通道1中下降沿的时间间隔就可以推算障碍 物距离。
3实验应用
3.1回波模拟器测试
选用40kHz超声波探头进行集成测试，测量TP1超声波发送驱动输入与P1驱动引脚输出波形如图6 所示。
图6中通道2为TP1驱动脉冲，脉冲频率40 kHz，脉冲数8个。P1驱动端波形如通道1所示，由于 电容、电感作用，输出驱动波形呈逐渐衰落形式，驱 动换能器输出超声波。
图7超声波回波模拟驱动电路
传感器在环自动泊车仿真测试系统主要包括虚 拟交通场景模型、H IL实时仿真系统、传感器物理信 号仿真设备三大部分组成，系统架构框图如图1所
3.2回波模拟器应用设计
基于NI-P X I平台的智能驾驶虚拟仿真测试系 统集成超声波雷达模拟器，搭建面向A P A自动泊车 功能的实验室仿真测试系统，通过实验应用验证超 声波回波模拟器功能（图8)。
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图6超声波回波模拟驱动电路
自动泊车夫妻草
控制器
车载超声波
雷达探头
◊超声波雷达
回波模拟器
12通道
CAN/1>
CANFD
k车辆动力1
toubai>学模型
k=维虚拟
>仿真场景1
NI-FPGA
^ PXIe-7820
NI-PXI平台的智能驾驶虚拟仿真测试系统
图8回波模拟器典型应用框图
首先基于NI-P X I平台构建部署三维虚拟交通 场景及车辆动力学模型：三维虚拟交通场景主要包 含三维场景仿真模型、道路车位仿真模型、基于三维
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0 10 20 30 40 50 60
Time/s
(c )FOL 雷达探测距离数据
(a )FSR l 雷达探测距离数据
600 r
0 10 20 30 40 50 60
Time/s
(d >FSL 2雷达探测距离数据
图11超声波雷达探测距离数据
0 10 20 30 40 50 60
Time/s
(b )FSR 2雷达探测距离数据
27gan
300
r
虚拟场景的超声波传感器数学模型，从而实现对自 动泊车交通场景的测试场景仿真构建；建立车辆动 力学模型，包括底盘动力特性模型、线控转向控制器 模型、线控驱动模型、地面接触模型，响应自动泊车 控制器输出指令实时计算虚拟场景中车辆运动位置 姿态、速度、加速度，构建控制器在环仿真测试环境3 H 1L ( Hardware in the Loop )硬件在环实时仿真系统对 外接口配置主要包括与自动泊车控制器连接的 CAN \CANFD 车载总线接口与超声波雷达回波模拟 器 NI-FPGA 接口。
4硬件在环仿真实验
以某款自动泊车控制器测试为例（图9 )，该控制 器自动泊车功能激活条件为打开APA 开关，车辆行 驶速度小于10 km /h 时，A PA 功能激活，然后车辆根 据超声波传感器探测寻车位，并在挂R 挡或者前 进挡的情况下完成自动泊车功能。
机柜电源管理
程控直流电源
NI -PXI 实时机箱
超声波回波模拟器
被测自动泊车系统
图形工作站
图9硬件在环实验平台
如图10所示，布置在车辆前侧方的超声波雷达 命名为FSR 1、FSL 1，车辆后侧方超声波雷达命名为 FSL 2、FSR 2，主要实现车辆侧方车位探测功能，车辆 后方四个超声波雷达分别定义为FCL 、F 0L 、F 0R 、 FCR 。图11为四个超声波雷达在虚拟场景下探测距 离随时间变化曲线，图12为车辆基于超声波雷达实 现自动泊车过程硬件在环仿真测试结果。
FSL 2
^1-1
FCL F 0L FOR
psm
FCR
FSR 2
图
10
超声波雷达位置布局
00008
0000 5
4
3
2 1
s o /t u l Q r l s J
8
00 4 2 l
u o /a 3u «s i 5<N o :S J
8
00
2
1图12超声波雷达的自动泊车仿真
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首先，车辆在前进探测车位过程中，FSR1、FSR2 先后探测到空闲车位，基于探测时间差与当前车速 可以推算空闲车位宽度及相对纵向位置，两超声波 雷达探测的距离即为车辆右侧距离车位的横向距离；当10 s后自动泊车控制器确认检测到有效的空 闲车位，车辆停车并进行轨迹规划开始倒车入库流 程，根据后方四个超声波雷达探测车辆后方距离临 车距离避免发生碰撞（主要依据F0L传感器探测距 离结果），按照预订轨迹调整车辆姿态后完成倒车入 库虚拟场景测试验证。文具盒生产过程
5结束语
本文通过对超声波雷达探测原理分析，设计了 一款车载超声波雷达回波模拟器，包含模拟器系统 方案设计、超声波发生驱动电路设计、超声波采集滤 波与后处理电路设计、回波模拟控制系统设计。同时，
基于NI-P X I硬件在环仿真测试平台，搭建了面 向自动泊车控制器的传感器在环虚拟场景仿真测试 系统，通过实验证明该车载超声波雷达回波模拟器 设计能够满足测试使用需求。该测试系统适用于车 辆自动泊车系统研发调试与实验室测试验证环节，能够避免自动泊车算法开发不成熟导致的实车调试 安全风险，大幅降低产品设计测试成本提升测试深度、覆盖度。
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Design of Sensor-in-Loop Automatic Parking Simulation Test System
SHI Yan-lei12,MENG Qing-hao1,G0NG Jin-feng2,CAI Yong-xiang2
(1.School of Electrical and Information Engineering,Tianjin University,Tainjin 300072, China;
2.CATARC(Tianjin)Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Tainjin 300300, China)
Abstract ：Aiming at the problems of low function utilization rate and poor user experience of automatic parking function based on ultrasonic radar in the case of high vehicle installation rate,a physical echo simulation equipment architecture of vehicle-borne ultrasonic radar is developed based on the analysis of ultrasonic radar detection principle.Through the design of ultrasonic transmitting drive and receiving processing circuit and echo simulation control system,the prototype development of vehicle-borne ultrasonic radar echo simulator is completed based on NI-FPGA board.Based on the NI-PXI platform intelligent driving virtual simulation test system,the ultrasonic radar simulator is integrated to build the sensor-in-loop laboratory simulation test system for APA automatic parking function.The feasibility of the design scheme is verified by the experimental results,
which can be applied to the development,debugging and test verification stage of automatic parking control algorithm.
Key words：vehicle ultrasonic radar;ultrasonic echo simulation;hardware in the loop;sensor in the loop
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