NI平臺(tái)化方法的優(yōu)勢(shì)

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI），作為一家專(zhuān)注于測(cè)試、測(cè)量、自動(dòng)化解決方案的領(lǐng)先企業(yè)。在自動(dòng)駕駛的領(lǐng)域里，NI服務(wù)于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈上的各芯片廠、零部件廠、主機(jī)廠，為它們?cè)谧詣?dòng)駕駛研發(fā)過(guò)程中，提供產(chǎn)線(xiàn)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室輔助驗(yàn)證的解決方案。儀器是測(cè)試最重要的媒介和手段。NI針對(duì)自動(dòng)化和定制化的測(cè)試需求，提出了兩種平臺(tái)化方案，一個(gè)是虛擬儀器，第二個(gè)是圖形化軟件。平臺(tái)化的核心概念是允許用戶(hù)做自定制，然后基于模塊化硬件來(lái)提高系統(tǒng)的重用性。凡是使用過(guò)NI儀器的用戶(hù)，都知道NI儀器是沒(méi)有界面的，所有界面都是客戶(hù)自定制的界面。NI所提供的儀器也沒(méi)有主機(jī)，而是由一個(gè)個(gè)模塊和一個(gè)個(gè)網(wǎng)卡組成，所有儀器就像自動(dòng)駕駛系統(tǒng)一樣，可拆分成為感知、決策、執(zhí)行三個(gè)部分。儀器主要承擔(dān)輸入輸出和計(jì)算兩個(gè)部分，其中NI提供的是輸入輸出，計(jì)算部分利用商用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，統(tǒng)一整合起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)集成化的方法（如圖1）。

圖1 平臺(tái)化方法的優(yōu)勢(shì)NI在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的解決方案從2017年開(kāi)始，在公司戰(zhàn)略層面上，NI定義了新的發(fā)展方向，未來(lái)將關(guān)注的四個(gè)行業(yè)方向分別是（圖2）：半導(dǎo)體、汽車(chē)、航空航天、科研院所。這四個(gè)方向里面，除了平臺(tái)之外，更進(jìn)一步需要積累針對(duì)于行業(yè)的實(shí)際方案。

圖2 NI汽車(chē)解決方案

自動(dòng)駕駛測(cè)試驗(yàn)證的目的是什么？

主要是驗(yàn)證系統(tǒng)高可靠性以確保自動(dòng)駕駛的安全性。絕對(duì)安全是一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的概念，要證明自動(dòng)駕駛比人工駕駛更安全，最基礎(chǔ)的手段就是進(jìn)行大量的路測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)。對(duì)人工駕駛而言，即便是常規(guī)的安全性測(cè)試門(mén)檻也很高。根據(jù)美國(guó)交通部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全美所有司機(jī)一年駕駛里程大概3萬(wàn)億英里，一年內(nèi)美國(guó)發(fā)生的傷害事故大概2300萬(wàn)起，致命死亡事故大概32000起。這意味著在人工駕駛的情況下，發(fā)生一例死亡事故的平均駕駛里程是1億英里。那么要證明自動(dòng)駕駛比人工駕駛更安全，路測(cè)的基礎(chǔ)里程應(yīng)該是多少？在今年4月，NI在首爾舉辦的一場(chǎng)活動(dòng)中，梅賽德斯奔馳的測(cè)試人員透露，到現(xiàn)在為止他們?cè)?4款項(xiàng)目上，總共做了900萬(wàn)英里的路測(cè)。截止2018年3月，Waymo自動(dòng)駕駛的路測(cè)里程超500萬(wàn)英里。這個(gè)數(shù)據(jù)和我們要達(dá)到的一個(gè)駕駛員平均1億英里的安全行駛里程還有很大差距，所以純粹用路測(cè)來(lái)驗(yàn)證安全性，其成本和負(fù)擔(dān)非常大（圖3）。

圖3 驗(yàn)證無(wú)人駕駛的安全性需要大量的測(cè)試

NI提供的方法，將作為路測(cè)的輔助，實(shí)現(xiàn)在軟件、硬件、零部件和臺(tái)架的平臺(tái)上通過(guò)硬件在環(huán)（HIL）安全性驗(yàn)證。講到硬件在環(huán)，基本的核心概念就是把車(chē)輛抽象為一個(gè)模型，包括動(dòng)力總成、底盤(pán)、剎車(chē)、ADAS。傳統(tǒng)的做法，是將這些都通過(guò)參數(shù)化的方法進(jìn)行配置和仿真，把真實(shí)的控制器和可靈活配置的場(chǎng)景模擬器進(jìn)行互聯(lián)，從而替代一部分路測(cè)功能。而NI在傳統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試上添加了新的功能，使ADAS能夠在硬件在環(huán)領(lǐng)域進(jìn)行驗(yàn)證。ADAS的測(cè)試對(duì)象，主要包括雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)、ADAS以及后端的節(jié)點(diǎn)（圖4）。

圖4 主要的ADAS測(cè)試對(duì)象

NI針對(duì)雷達(dá)、攝像頭、V2X的硬件在環(huán)測(cè)試（1）雷達(dá)毫米波雷達(dá)探測(cè)的原理和蝙蝠、海豚很像，是通過(guò)微波在空間反射時(shí)間的延遲判斷距離，通過(guò)反射波形的頻移判斷對(duì)象是在接近還是在遠(yuǎn)離。所以在仿真驗(yàn)證的平臺(tái)上，同樣可以通過(guò)高效、高速的硬件在微波傳輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)，利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)發(fā)射波頻譜的頻移以及時(shí)間疊加，讓雷達(dá)誤以為是一個(gè)真實(shí)目標(biāo)。NI現(xiàn)在的仿真測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)的主要參數(shù)指標(biāo)為（圖5）：目標(biāo)距離4米到500米，距離分辨率可達(dá)0.1米，速度分辨率可達(dá)0.1公里/小時(shí)。這些參數(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足現(xiàn)在市場(chǎng)主流的需求。

圖5 NI汽車(chē)?yán)走_(dá)測(cè)試系統(tǒng)

主要參數(shù)指標(biāo)成功案例：在2017年的上海汽車(chē)展上，NI汽車(chē)?yán)走_(dá)測(cè)試系統(tǒng)（VRTS）已經(jīng)成功發(fā)布。中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心（簡(jiǎn)稱(chēng)中汽研），在NI的平臺(tái)上通過(guò)回波模擬的方法，驗(yàn)證了自動(dòng)駕駛開(kāi)發(fā)階段的場(chǎng)景以及安全性指標(biāo)。在這個(gè)平臺(tái)上目前可實(shí)現(xiàn)三種常見(jiàn)場(chǎng)景的仿真測(cè)試（圖6），分別是ACC（自適應(yīng)巡航）、FCW（前方碰撞預(yù)警）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中定義的場(chǎng)景以及C-NCAP 2018版中AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)）定義的典型場(chǎng)景。

圖6 基于VRTS實(shí)現(xiàn)的測(cè)試場(chǎng)景

NI與中汽研合作，根據(jù)中國(guó)交通事故數(shù)據(jù)庫(kù)，未來(lái)也將在中國(guó)道路上的常見(jiàn)事故數(shù)據(jù)加載到這樣一個(gè)平臺(tái)上，以針對(duì)常見(jiàn)事故進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。這里有幾個(gè)問(wèn)題需要解決——場(chǎng)景怎么去加載？仿真是否和真實(shí)路況場(chǎng)景一樣逼真？NI的解決辦法主要是通過(guò)和第三方的場(chǎng)景建設(shè)軟件進(jìn)行互聯(lián)，譬如和兩家比較主流的場(chǎng)景軟件公司合作，分別是PreScan和Carmaker。NI可以做到從場(chǎng)景仿真軟件上提取要在硬件上仿真的對(duì)象坐標(biāo)，通過(guò)回波模擬器將實(shí)際信號(hào)和場(chǎng)景實(shí)時(shí)互聯(lián)，然后發(fā)射到真實(shí)的雷達(dá)上，來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真。

圖7 第三方場(chǎng)景軟件互聯(lián)

如圖7，為NI在2017年初在辦公室內(nèi)做的一個(gè)演示，展示了互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。仿真展示的左側(cè)是場(chǎng)景和動(dòng)力學(xué)模型的仿真環(huán)境，演示仿真了一輛車(chē)在高速軋道上并道并跟隨前車(chē)ACC的場(chǎng)景。這是一個(gè)雷達(dá)的交互界面，雷達(dá)所探測(cè)到的實(shí)時(shí)目標(biāo)會(huì)在這個(gè)界面上進(jìn)行顯示。右側(cè)演示仿真了真實(shí)的雷達(dá)在前面，后面有回波模擬器的路況場(chǎng)景。當(dāng)這個(gè)場(chǎng)景運(yùn)行起來(lái)以后，這輛車(chē)開(kāi)始做自主尋道，然后做軋道并道和跟車(chē)。這個(gè)場(chǎng)景的構(gòu)建是在場(chǎng)景模擬器里面直接構(gòu)建的，從場(chǎng)景模擬器里面對(duì)象的坐標(biāo)到提取到一個(gè)真實(shí)的回波模擬，再產(chǎn)生雷達(dá)的實(shí)時(shí)回波，最后被真實(shí)的雷達(dá)探測(cè)到，這兩邊的數(shù)據(jù)是同步的。所以就能在零部件階段驗(yàn)證雷達(dá)傳感器以及雷達(dá)算法，在一個(gè)并道場(chǎng)景中的表現(xiàn)。（2）攝像頭NI針對(duì)攝像頭自定制的協(xié)議，采用自定制的卡來(lái)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試與主機(jī)的互聯(lián)。由于可以做自定制，所以適用于不同相機(jī)的傳輸協(xié)議的用戶(hù)定制（圖8）。比如，NI與法雷奧合作的案例，在歐洲和中國(guó)對(duì)法雷奧相機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)性測(cè)試和研發(fā)互聯(lián)就用到了這種解決方案。

圖8 攝像頭

測(cè)試（3）V2X2017年，國(guó)家無(wú)線(xiàn)電檢測(cè)中心在天津車(chē)檢院做了一個(gè)仿真測(cè)試：仿真了兩輛車(chē)在90度直角障礙物遮擋的情況下，測(cè)試V2X最遠(yuǎn)通信距離能夠達(dá)到多少？以及在彎道、直道高速的情況下，車(chē)車(chē)通信協(xié)議上連接距離是多少？到現(xiàn)在為止大家還停留在用仿真器做V2X通信的階段，但是NI已經(jīng)儲(chǔ)備了將V2X連接到硬件在環(huán)的能力。NI會(huì)提供一些模塊，用來(lái)模擬車(chē)載節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)車(chē)和車(chē)之間的數(shù)據(jù)通信。包括NI會(huì)對(duì)一些V2X模塊的一致性等做測(cè)試。比如，NI在德國(guó)的一個(gè)案例（圖9），在V2X的研發(fā)階段用了V2X節(jié)點(diǎn)做算法開(kāi)發(fā)。

圖9 V2X HIL

測(cè)試傳感器融合硬件在環(huán)的解決方案以上分別提到了雷達(dá)、攝像頭、V2X的測(cè)試，最后回到融合的話(huà)題。在實(shí)際路況上，對(duì)象同步性是顯而易見(jiàn)的，當(dāng)真實(shí)道路上出現(xiàn)一個(gè)人，攝像頭、雷達(dá)、V2X看到這個(gè)人一定是同步的。但是在仿真測(cè)試的環(huán)境下，要通過(guò)視覺(jué)場(chǎng)景、雷達(dá)回波模擬器、射頻發(fā)射節(jié)點(diǎn)三個(gè)不同源頭去模擬真實(shí)路況的場(chǎng)景。

圖10 基于PXI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)融合測(cè)試需求

實(shí)現(xiàn)三者的同步技術(shù)，保證仿真和實(shí)際路況盡可能接近，是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)和趨勢(shì)。得益于本文開(kāi)頭所講的虛擬化儀器平臺(tái)（圖10），通過(guò)在同一臺(tái)主機(jī)上實(shí)現(xiàn)三個(gè)對(duì)象的仿真，在有必要的情況下通過(guò)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒及亞毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)同步，來(lái)保證和驗(yàn)證融合算法的時(shí)候仿真對(duì)象是真實(shí)的。這是到目前為止最全的一種傳感器融合硬件在環(huán)的解決方案。去年，NI在美國(guó)和上海分別做了一次演示。

圖11 傳感器融合硬件在環(huán)測(cè)試如圖11，左上角是毫米波雷達(dá)仿真，左下角是一個(gè)攝像頭仿真，右上角是激光雷達(dá)仿真，右下角是第三視角界面。三個(gè)仿真是完全同步的，所以在進(jìn)行超車(chē)動(dòng)作時(shí)，三種傳感器的感知融合很統(tǒng)一。

汽車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)線(xiàn)測(cè)試

從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線(xiàn)，除了整車(chē)廠研發(fā)驗(yàn)證之外，NI在國(guó)內(nèi)外給很多的傳感器供應(yīng)商產(chǎn)線(xiàn)做質(zhì)量測(cè)試，以及針對(duì)汽車(chē)?yán)走_(dá)的車(chē)規(guī)測(cè)試（圖12）。在高低溫環(huán)境里測(cè)試?yán)走_(dá)功能來(lái)驗(yàn)證它是否符合車(chē)規(guī)，以及在EMI、EMC場(chǎng)景下怎么來(lái)驗(yàn)證雷達(dá)。甚至針對(duì)匹配車(chē)型的測(cè)試，將雷達(dá)裝在了某一個(gè)特定的材料上面。涂料、形狀、金屬會(huì)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生怎樣的影響，NI都做了深入的研究。

圖12 汽車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)線(xiàn)測(cè)試

結(jié)語(yǔ)

2017年7月全球首款實(shí)現(xiàn)Level-3（SAE）級(jí)別自動(dòng)駕駛的量產(chǎn)車(chē)奧迪A8成功發(fā)布，而在成功之前對(duì)其自動(dòng)駕駛技術(shù)安全可靠的驗(yàn)證，結(jié)合了路測(cè)和硬件在環(huán)兩種技術(shù)，而NI正是其中硬件在環(huán)技術(shù)的供應(yīng)方。由此可見(jiàn)，基于NI平臺(tái)化方法，加上合作伙伴的集成模塊和軟件，NI能幫助汽車(chē)廠商實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的車(chē)身動(dòng)力總成到最新的涵蓋智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電氣化的智能汽車(chē)測(cè)試項(xiàng)，且能為廠商/研究機(jī)構(gòu)提供從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到量產(chǎn)測(cè)試的全方位解決方案。