項目五任務1：整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試（教師手冊）

任務5.1整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試-教師手冊項目五底盤線控系統(tǒng)的綜合測試課程名稱底盤線控執(zhí)行系統(tǒng)測試裝調學習任務名稱整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試課時4課時課程內容仿真測試的定義、分類、對像，仿真測試技術的問題和難點，仿真測試評價基本原則，典型仿真測試流程及要求，自動駕駛仿真軟件，整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試一、學習目標1、目標制定【知識目標】了解仿真測試的定義、分類、對像、自動駕駛仿真軟件；理解仿真測試技術的問題和難點、仿真測試評價基本原則；掌握典型仿真測試流程及要求?！炯寄苣繕恕磕軌颡毩⑼瓿烧嚨妆P線控系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試；能夠熟練完成整車底盤線控系統(tǒng)的自動駕駛仿真測試。【素養(yǎng)目標】嚴格遵守線控底盤測試的標準流程；獨立地計劃并實施；耐心友善地與客戶溝通；耐心記錄仿真測試數據?！舅颊繕恕客ㄟ^了解智能網聯(lián)汽車的前沿科技，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，增強四個自信。2.通過講述拿森科技的品牌故事，展現(xiàn)工匠踏實肯干、勤奮專研的精神，鼓勵學生努力學習，提高自己的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。二、學習內容1.學習情境描述一臺線控底盤車輛，客戶反映自動駕駛時，偶爾會出現(xiàn)線控制動力不足的問題，假設你是測試工程師，你將如何進行測試？2.學習內容分析本次課程內容來源于企業(yè)真實的工作任務，為了更好地對接企業(yè)工作任務及流程，提煉本次工作任務的三要素（如表1所示）。表1工作內容分析表工作對象與客戶溝通車輛問題、對客戶車輛進行調試測試、記錄測試數據，輸出測試報告工具材料底盤線控產品使用手冊、臺架、工具箱、個人防護用品、清潔抹布工作要求能根據客戶描述的問題，使用測試軟件和仿真軟件，記錄測試數據，輸出測試報告并與客戶溝通。三、教學策略1.適用的教學方法角色扮演（客戶與維修技師）、引導文法、項目教學法2.適合的組織形式個人，學生需獨立地計劃并實施測試。四、教學資源1.學習環(huán)境為了更好地開展工學結合的一體化教學模式，在教學場地方面，我們充分利用了與企業(yè)工作環(huán)境一致的校企合作校內培訓基地作為我們的教學場地，該教學場地內設學習討論區(qū)、資料查詢區(qū)、方案展示區(qū)、操作實訓區(qū)、工具存放區(qū)等（如圖1所示）。圖1：教學場地布置圖2.學習資源根據完成工作任務及達成學習目標需要，本次課我們?yōu)閷W生提供了如下學習資源（如表3、4所示）。表2軟件資源一覽表序號名稱數量圖例功能特色1學生手冊1本/人學生學習理論知識的載體2教學課件1套輔助教師講解理論知識，引導學生討論工作方案3工作頁1本/人學生按照工作流程設計，模擬真實的工作場景，填寫工單4教師手冊1套輔助教師備課表3硬件資源一覽表序號名稱數量圖例運用環(huán)節(jié)功能特色1教學臺架1輛/工位課中幫助學生掌握實踐技能2安全帽2頂/工位課中實訓操作時，用于保障學生人身安全3工作手套2雙/工位課中實訓操作時，用于保障學生人身安全4清潔抹布1塊課后清潔設備五、教學實施過程（一）學習情景導入【提示】教師導入學習情景布置工作任務，學生接受任務一臺線控底盤車輛，客戶反映自動駕駛時，偶爾會出現(xiàn)線控制動力不足的問題，假設你是測試工程師，你將如何進行測試？（線控制動如圖2所示）圖2：線控制動（二）理論知識【提示】教師講授分析解決問題的思路和方法，引導學生信息采集，了解任務仿真測試的定義【過渡】提問同學們什么是仿真？再過渡到仿真測試。自動駕駛仿真測試，是計算機仿真技術在汽車領域的應用，它以數學建模的方式將自動駕駛的應用場景進行數字化還原，建立盡可能接近真實世界的系統(tǒng)模型，通過仿真測試進行分析和研究便可以達到對自動駕駛系統(tǒng)和算法進行測試驗證的目的。如圖3所示。圖3：自動駕駛虛擬仿真在未來智能網聯(lián)普及的時代，車輛已經進化為信息物理系統(tǒng)的一部分，仿真軟件也將形成智能網聯(lián)汽車與智能交通的中央數據平臺。通過大數據與云計算為核心的仿真測試平臺，記錄車輛運行真實數據和軟件算法的決策過程，記錄與管理單車、車隊、道路與交通設施，復現(xiàn)車輛行駛的具體行為。屆時，仿真平臺不僅幫助自動駕駛系統(tǒng)更安全，也將是車隊運營、道路設施與智慧交通的管理平臺。仿真測試的分類按照測試方式不同，仿真測試可分為：（1）模型在環(huán)(MIL)在仿真測試模型中，將控制算法模型和被控算法模型連接起來形成閉環(huán)，即模型在環(huán)測試。這種測試方式在模型層面上實現(xiàn)閉環(huán)測試，主要目的是支持系統(tǒng)軟件工程師做模型級別的集成測試。（2）軟件在環(huán)(SIL)基于軟件進行的模型驅動的數字仿真測試方法。從模型在環(huán)測試引申而來，區(qū)別是把控制器的模型換成了由控制器模型生成的C代碼，軟件在環(huán)測試的目的是為了驗證生成的代碼和模型在功能上是否一致。（3）硬件在環(huán)(HIL)被測試系統(tǒng)中的傳感器、控制器和執(zhí)行器中部分實物嵌入仿真回路之中進行的仿真測試。提供可以模擬真實的系統(tǒng)環(huán)境的動態(tài)系統(tǒng)模型作為“受控設備仿真”，并通過嵌入式系統(tǒng)的輸入輸出將其與仿真系統(tǒng)平臺相連，形成閉環(huán)。硬件在環(huán)測試的目的是為了驗證控制器。（4）駕駛員在環(huán)(DIL)駕駛員的實際駕駛行為嵌入到仿真回路之中進行的仿真測試。在對車輛、發(fā)動機等系統(tǒng)進行仿真的基礎上，在保證測試精度的前提下，增加了交通和環(huán)境的仿真，并將真實駕駛員引入仿真測試閉環(huán)，融合傳感器仿真技術，結合3D實時動畫，對系統(tǒng)進行驗證。（5）車輛在環(huán)(VIL)完整的車輛系統(tǒng)嵌入仿真回路之中進行的仿真測試。將測試系統(tǒng)集成到真實車輛中，并通過仿真平臺模擬道路、交通場景以及傳感器信號，從而構成完整測試閉環(huán)。車輛在環(huán)測試的目的是驗證測試系統(tǒng)功能、各場景仿真測試、與整車相關電控系統(tǒng)的匹配及集成測試。仿真測試的發(fā)展使用計算機技術進行仿真測試，最早可以追溯到1940年代。如今，計算機仿真技術廣泛應用于核、電、飛行模擬，等各個領域。早期的仿真測試主要建立在動力學仿真基礎上，對車輛開發(fā)過程中的整車動力、操縱穩(wěn)定性，制動等進行仿真測試參數優(yōu)化。隨著輔助駕駛與自動駕駛功能的不斷發(fā)展，在仿真測試中，也逐漸提供具有簡單道路環(huán)境、可編輯的環(huán)境車輛、行人等，和簡單傳感器模型的仿真測試。這類仿真測試，在測試整車性能基礎上，增加了對駕駛自動化功能的相應測試。如今，面向高等級駕駛自動化功能的仿真測試，已具備相對復雜的系統(tǒng)架構。在回放真實測試場景之外，可以提供更接近真實動態(tài)交通的模擬環(huán)境，以及多樣的駕駛事件或場景。同時，也有自動駕駛公司開始使用云服務來進行大規(guī)模高并發(fā)的仿真測試，能達到百萬級車輛同時進行仿真測試的效果，如圖4所示。圖4：自動駕駛云仿真仿真測試技術的發(fā)展已經達到了使用高精度的自動駕駛地圖、回放真實自動駕駛路測數據，并使用游戲引擎進行高保真的仿真測試階段。在此背景下，仿真測試技術在駕駛自動化功能開發(fā)過程中的重要性和實車測試的互補優(yōu)勢更加凸顯。這主要體現(xiàn)在以下兩個方面：使用仿真測試平臺，可以模擬真實世界中出現(xiàn)概率極低的危險場景，從而可以使自動駕駛系統(tǒng)在更加豐富和復雜的場景中進行高頻度的有效測試驗證，在保障安全高效的前提下實現(xiàn)更充分的測試驗證效果，提高自動駕駛功能開發(fā)和測評的可靠性。使用仿真測試平臺對實車測試數據進行復現(xiàn)和泛化，不僅能夠更加有效和深入地分析實車測試過程中的問題，進行針對性優(yōu)化，而且可以更加精準地約束測試條件，提升測試效率，縮短功能開發(fā)和測試周期。仿真測試技術的問題和難點仿真測試部署過程中存在的主要問題和難點從宏觀角度分析，仿真測試需要模塊化、自動化。要求各家主機廠和供應商有較強的場景數據、測試數據管理能力、場景數據和仿真測試數據的分析能力。（1）相同算法在多樣化仿真平臺測試驗證結果的一致性問題。如何保障SIL、HIL、DIL、VIL仿真測試結果一致性；如何保障不同仿真工具鏈測試結果一致性；如何保障仿真模型精度在不同平臺中的一致性。（2）仿真測試與實際測試結果的一致性問題。如何保證仿真模型與實際被測件的標定真實性和特性匹配；如何保證仿真測試各系統(tǒng)之間交互反饋時鐘同步與實際測試的一致性。（3）仿真測試過程的問題回溯機制。如何根據仿真結果，快速追溯并確認仿真測試過程中某一模塊是否出現(xiàn)問題。（4）仿真測試評價標準的多樣化問題。如何評估安全性、穩(wěn)定性等普通衡量標準；如何評估舒適性、通過性等難以衡量的標準。（5）測試場景的針對性問題。如何針對被測駕駛自動化系統(tǒng)篩選相應的測試場景；如何快速迭代特定測試場景以測算驗證被測系統(tǒng)的性能。軟件在環(huán)技術的問題和難點目前仿真測試方法主要集中于SIL、HIL、VIL。其中軟件仿真測試平臺是構建HIL、DIL、VIL的基礎。軟件在環(huán)測試包含仿真場景搭建、傳感器模型搭建與標定、軟件算法集成、動力學模型標定集成、自動化仿真測試、仿真測試數據分析等模塊。（1）復現(xiàn)自動駕駛仿真環(huán)境。仿真環(huán)境需包含離散和連續(xù)化的仿真測試場景；仿真平臺應具備搭建標準化測試場景能力和快速泛化測試場景的能力。（2）感知模型搭建。傳感器物理特性標定；傳感器模型驗證；仿真軟件參數匹配。（3）執(zhí)行模型搭建。根據車輛整車參數建立車輛動力學模型；根據車輛的操縱穩(wěn)定性、動力性、制動性標定車輛動力學模型；車輛動力學模型驗證。（4）軟硬件集成。軟硬件接口統(tǒng)一；軟件和軟件、軟件和硬件聯(lián)調；軟件接口多樣性；軟硬件及執(zhí)行機構時鐘同步問題。（5）自動化測試。高效自動化構建大規(guī)模仿真測試場景、并對被測系統(tǒng)進行自動化測試；基于場景數據庫自動化分類、管理、檢索場景數據；分布式高并發(fā)仿真測試各軟件算法功能。（6）數據分析。仿真測試數據的分層次存儲；仿真數據分析的方法論；仿真測試評價。硬件在環(huán)技術的問題和難點（1）資源硬件問題。硬件設施部署的成本較高，需要部署空間較大。（2）攝像頭在環(huán)。視頻黑箱仿真測試技術受限于仿真軟件的視覺處理引擎，難以獲得與實際環(huán)境完全相同的渲染畫面；僅適用于驗證軟件的邏輯性，難以驗證軟件的可靠性和有效性；視頻注入仿真測試技術根據實際道路視頻做仿真驗證，需保障仿真平臺與視頻的數據同步。（3）毫米波雷達在環(huán)?；夭M器可模擬的目標物數量、目標物相對距離和目標物精度有限制；毫米波回波模擬器模擬波形的物理特性需與仿真軟件進行多次標定以匹配數據；毫米波回波模擬器與真實傳感器物理特性仍然存在差距。整車在環(huán)技術的問題和難點整車在環(huán)技術的問題和難點見表4。表4整車在環(huán)技術的問題和難點整車在環(huán)技術的問題和難點內容效率較低VIL只適用于單車測試。適配問題對于第三方被測對象，有一定的適配和使用成本。測試用例局限無法在開放場地模擬極限工況。針對車輛主動安全問題，整車在環(huán)測試技術無法在開放場地模擬極限工況，造成測試用例局限化問題。開放場地內的實際車輛與仿真環(huán)境的交互行為依賴仿真環(huán)境輸出的信號，存在安全性問題。此外，對于戶外遠程仿真測試，建立可靠的仿真軟件和實際車輛遠程實時通信也是一大難點。仿真測試評價基本原則仿真測試應遵循的基本原則為全面性、真實性和可重復性。全面性仿真測試的測試場景應能充分覆蓋ODD（設計運行范圍）和邊界場景，并且能用多種測試方法對被測功能的全部層級在不同開發(fā)階段進行測試。（1）測試場景的全面性測試場景設計要求能充分覆蓋設計的ODD，從而保證自動駕駛功能在ODD內的驗證是充分的，以檢驗其基本功能是否實現(xiàn)，功能安全、預期功能安全得到驗證。測試場景應考慮極端場景。過于理想的測試環(huán)境無法驗證自動駕駛產品性能的好壞，因此測試場景應包含邊緣場景、事故場景等一些極端場景，通過對極限工況的驗證提高自動駕駛產品的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。（2）測試對象的全面性測試對象需要包含自動駕駛功能中涉及的所有感知-決策-執(zhí)行系統(tǒng)，以及對應的軟硬件部分，確保自動駕駛系統(tǒng)在感知、決策、執(zhí)行等各個層面得到充分的驗證，提高自動駕駛系統(tǒng)的安全性。（3）測試方法的全面性由于測試對象不同，仿真測試形式不同，測試方法需包含模型在環(huán)(MIL)、軟件在環(huán)(SIL)、硬件在環(huán)(HIL)、駕駛員在環(huán)(DIL)、車輛在環(huán)(VIL)等，覆蓋產品開發(fā)的不同階段。測試場景數據庫、測試平臺工具鏈能夠覆蓋感知層、決策層和執(zhí)行層，支撐整個研發(fā)設計階段。真實性仿真測試的場景參數應基于實際，邏輯參數設置合理，并且測試輸出結果應與實車測試保持基本一致。(1)測試場景庫建設的原始數據來源應該真實。(2)車輛動力學模型作為被控對象時，需要標定和驗證車輛動力學模型，并要求在相同工況下車輛動力學模型仿真結果與實車試驗結果較為一致。(3)在已知相同測試場景與工況下，實車測試與仿真測試的結果差異應該保證在可控范圍之內，同時測試結果的趨勢應與實車測試一致?？芍貜托苑抡鏈y試中的同一測試用例的在同一測試平臺多次測試結果應保持高度一致，在不同測試的平臺的測試結果的偏差應符合設計要求。(1)在同一測試平臺下，同一測試工況的多次測試結果應保持高度一致，且測試結果偏差應該在可接受范圍之內。(2)通過參數調整，至少保證同一個被測對象在不同仿真平臺、不同時刻的多次試驗的結果應保持高度一致，且同一工況的測試結果偏差應在可接受范圍內。仿真測試對象MIL階段的仿真測試對象模型在環(huán)主要應用于算法開發(fā)階段，以驗證模型能否實現(xiàn)功能，是否有嚴重BUG。方便做覆蓋率測試，分析模型精簡程度，防范死循環(huán)的出現(xiàn)。在測試決策層時，可以實現(xiàn)純軟件仿真，依托仿真平臺的性能，加速測試，提高效率。算法模型接收到仿真環(huán)境傳來的目標真值列表信號后，進行決策，輸出控制信號，以及其他狀態(tài)變量，包含車輛的模式管理、橫向控制、縱向控制、安全決策、人機管理等。將控制算法與車輛模型連接起來，形成閉環(huán)，并根據車輛模型狀態(tài)變換輸入，來對控制算法實現(xiàn)的功能進行測試。SIL階段的仿真測試對象（1）感知算法感知系統(tǒng)根據各個傳感器傳回的原始數據、目標級數據，根據算法進行目標數據濾波和感知，并利用多源異構傳感器信息融合策略，對目標進行進一步篩選，并重構車輛周邊環(huán)境模型。攝像頭、毫米波雷達給環(huán)境感知系統(tǒng)以目標級數據列表為主，而激光雷達目標識別需要較強的計算能力，因此需要單獨的GPU工控機進行目標識別后，再進一步傳送至環(huán)境感知系統(tǒng)。超聲波雷達的工作原理較為簡單，只具備測距能力不具備方位角測量能力，需要進行數據處理的量較小，以模擬信號處理為主，傳感器傳回的數據就是目標距離，因此不需要類似于圖像、點云的目標識別的復雜算法。感知系統(tǒng)對車輛周邊環(huán)境的精準判斷是ADAS/AD的決策主要輸入，感知出錯，決策也無法保證正確。（2）決策算法計算平臺根據自身定義的ADAS/AD算法，利用感知環(huán)節(jié)的輸入，進行多傳感器感知信息的融合，依據車輛所處場景信息，做出自身的決策規(guī)劃，規(guī)避障礙物，完成既定的自動駕駛任務。同時輸出控制信號，驅動車輛做出橫向或者縱向運動。決策是比較關鍵的一部分，決策是在感知基礎上對下一步（加速還是減速、如何轉向等）進行判斷，同時，決策系統(tǒng)還會兼顧舒適性和安全性問題?？刂浦傅氖擒囕v本身的一些控制系統(tǒng)，它通過決策大腦對車輛下達一些指令，比如說轉向、剎車、加速。HIL階段的仿真測試對象（1）感知系統(tǒng)處理器毫米波雷達與攝像頭在傳感器端已經集成了目標識別、濾波、跟蹤算法實現(xiàn)的的處理器，可以輸出已經濾波后的目標信息，例如車輛目標距離、相對速度、車道線寬度、車道線長度、車道線相對位置、交通標志識別結果等。激光雷達的線束越多、探測范圍越廣，單次處理的點云數量也隨之增加，對處理器的性能需求也隨之增強，因此是否集成處理器與傳感器使用的性能有關。V2X車路協(xié)同的車載終端接收和輸出至環(huán)境感知傳感器的都是目標級信號，因此對數據處理器性能要求并不高。超聲波雷達的信號處理以模擬信號，且只有較為單一的數據，因此低性能的處理板卡就能覆蓋需求。（2）決策系統(tǒng)控制器計算平臺功能性能場景庫，測試計算平臺在運行過程中的功能與性能。計算平臺作為自動駕駛大腦，在系統(tǒng)架構上，域控制器作為整車電子電器中的一員，有功能安全等級的要求。VIL階段的仿真測試對象（1）被測車輛整車自動駕駛樣車要求工作在自動駕駛模式，首先需要對樣車線控系統(tǒng)進行改造，完成驅動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和檔位系統(tǒng)CAN總線可控并滿足精度要求。a.驅動系統(tǒng)：自動駕駛樣車采用油車，驅動系統(tǒng)控制發(fā)動機油門，控制油門百分比對應油門踏板開度，符合發(fā)動機J1939相關標準，驅動系統(tǒng)可連續(xù)響應自動駕駛系統(tǒng)指令，控制車輛穩(wěn)定運動。b.制動系統(tǒng)：通過CAN總線發(fā)送制動減速度指令，車輛實時反饋制動狀態(tài)信息，制動系統(tǒng)能在瀝青路面提供連續(xù)可控的減速度。c.轉向系統(tǒng)：線控轉向系統(tǒng)采用電子助力轉向系統(tǒng)（EPS），通過CAN總線控制方向盤角度，并反饋轉向系統(tǒng)的角度、扭矩、角加速度等狀態(tài)信息；EPS電機根據機械參數進行匹配，能快速響應CAN總線控制信號。d.檔位系統(tǒng)：自動駕駛樣車選用自動變速箱，可接受CAN總線指令，控制車輛運行在前進檔、空擋、后退檔，并通過CAN總線反饋擋位信息。工具鏈部署要求：a.實車設備部署：包含自動駕駛算法計算平臺安裝，仿真測試計算平臺安裝，以及必要外設的安裝。包含設備固定，設備供電，設備通信物理鏈路連接。b.實車軟件部署：包含自動駕駛算法模塊配置，虛擬仿真軟件配置，通信接口模塊安裝配置。c.實車設備通信接口調試：包含虛擬仿真軟件與自動駕駛算法之間的通信調試、虛擬仿真軟件與車輛之間的通信調試，自動駕駛軟件與車輛之間的通信調試。d.實車測量設備調試：設備自身調試，設備與主車設備通信調試。（2）被測感知功能a.毫米波雷達；b.超聲波雷達；c.激光雷達；d.V2X車路協(xié)同車載終端；e.高精度地圖；f.攝像頭。DIL階段的仿真測試對象駕駛員在環(huán)測試，可以開展ADAS和AD（自動駕駛）控制器的主觀評價，人機交互界面的設計評價，以及自動駕駛系統(tǒng)的人機接管功能測試。(1)控制器測試方向上的DIL測試對象：將ADAS和AD（自動駕駛）控制器集成到駕駛模擬器上，能夠在整車開發(fā)流程早期進行ADAS和AD系統(tǒng)功能的駕乘體驗主觀評價，即通過主觀評價的方式來評價系統(tǒng)功能的用戶友好程度和可接受度，以便整車廠進行性能對標及系統(tǒng)方案選型。同時可以在整車開發(fā)流程后期進行ADAS和AD系統(tǒng)功能的駕乘體驗主觀評價，以便整車廠進行控制器虛擬標定。(2)人機交互方向上的DIL測試對象：人機交互的DIL在環(huán)主要應用于人機交互界面及控制域開發(fā)階段的測試驗證，用于驗證人機交互界面的可用性、合理性、規(guī)范性、安全性。通過DIL在環(huán)平臺中復現(xiàn)HMI的控制邏輯和界面元素，分析試驗中的車輛狀態(tài)數據和駕駛員行為表現(xiàn)數據，對人機交互界面進行測試驗證?？梢詼y試人機交互界面中的儀表預警信號、預警時機、文字符號清晰度、中控的導航、收音機、音樂調節(jié)、空調調控、HUD清晰度、HUD界面設計。通過人機交互的DIL測試，可以提高HMI的安全性和美觀度，降低成本風險。(3)人機接管功能：人機接管功能根據周邊場景環(huán)境、本車狀態(tài)以及駕駛員的狀態(tài)提供人機接管信號，并根據駕駛員響應來執(zhí)行響應的控制權轉換。通過模擬或者實際道路的場景觸發(fā)人機接管功能開啟，并測試在規(guī)定接管場景觸發(fā)接管信號的顯示時間、體現(xiàn)形式是否達標，在接管信號期間，自動駕駛功能的顯示是否清晰，駕駛員接管操作策略的合理性以及穩(wěn)定性，期間自動駕駛相關HMI信號的合理性。可將人機接管功能策略移植到仿真平臺中，利用DIL的安全性與可重復性，對人機接管功能進行測試評價。典型仿真測試流程及要求現(xiàn)階段，自動駕駛系統(tǒng)主要包括：環(huán)境感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)，外界環(huán)境信息和車輛動態(tài)信息通過感知系統(tǒng)收集，通過通訊接口傳輸到決策系統(tǒng)運算，生成操作指令輸出控制系統(tǒng)，控制車輛各組件運行，如加速、轉向等，從而實現(xiàn)自動駕駛功能。對上述系統(tǒng)開展仿真測試，需要開展對自動駕駛算法、組件及系統(tǒng)集成的測試，保證整體性能滿足設計和安全法規(guī)要求。按照自動駕駛系統(tǒng)的研發(fā)周期，仿真測試分為模型在環(huán)、軟件在環(huán)、硬件在環(huán)、駕駛員在環(huán)和車輛在環(huán)五個測試階段，各階段原則上采用遞進的方式執(zhí)行，也可根據實際需求并行執(zhí)行，在每一個階段均涉及自動駕駛的三個主要組成系統(tǒng)測試。目前主要的仿真測試階段的層次關系如圖5所示。圖5：仿真測試階段的層次關系圖每一個測試階段按照一般的軟件測試方法設計測試要求、測試配置、接口定義、測試用例、測試步驟和測試數據等。自動駕駛系統(tǒng)主要包括：環(huán)境感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)，外界環(huán)境信息和車輛動態(tài)信息通過感知系統(tǒng)收集，通過通訊接口傳輸到決策系統(tǒng)運算，生成操作指令輸出控制系統(tǒng)，控制車輛各組件運行，如加速、轉向等，從而實現(xiàn)自動駕駛功能。在上述三個主要子系統(tǒng)中分別包括了傳感器模型、決策模型、控制對象模型及對應的軟件和硬件部件，按照從部件到系統(tǒng)的原則，在每一個階段均涉及自動駕駛的三個主要組成系統(tǒng)測試。為便于高效設計、開發(fā)、測試及驗證，在仿真測試環(huán)節(jié)中，對上述子系統(tǒng)及其涉及的模型、軟件和硬件可根據需要分別開展仿真測試，在此基礎上開展對自動駕駛算法、組件及系統(tǒng)集成的整車測試。即對自動駕駛系統(tǒng)的模型算法、計算平臺、域控制器等依次開展模型在環(huán)、軟件在環(huán)、硬件在環(huán)測試，之后對整車開展駕駛員在環(huán)和車輛在環(huán)測試。對于仿真測試階段，典型的測試流程包括：測試需求分析、測試資源配置、接口定義、設計測試用例、執(zhí)行測試、對測試結果進行分析以及測試結束條件等主要環(huán)節(jié)。（1）測試需求分析測試需求分析：明確仿真測試任務和目的，以此制定測試要求。明確仿真任務的輸入，被測自動駕駛系統(tǒng)的功能規(guī)范和性能指標，主體架構框圖（包含系統(tǒng)輸入輸出及子系統(tǒng)間輸入輸出關系），被測系統(tǒng)操作運行范圍（ODD），測試范圍，相應的文檔說明。明確仿真測試系統(tǒng)的性能要求（同步性、實時性、穩(wěn)定性等）和應用范圍。明確仿真結果的輸出要求，仿真輸出的數據格式及內容，仿真輸出數據頻率，仿真數據結果分析，相應的文檔及測試報告要求。明確仿真所需資源，時間要求、人員要求、人員所承擔的責任、仿真工具要求、仿真模型要求、場地要求等。（2）測試資源配置測試資源配置：根據測試項目和需要，對仿真系統(tǒng)進行的參數設置工作。包括車輛模型配置、靜態(tài)場景配置、動態(tài)場景配置、傳感器模擬配置、控制器配置等主要過程。其中，車輛模型配置主要設置空氣動力學、動力傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、輪胎等；靜態(tài)場景配置主要是設置道路參數，包括道路、標線、標志、護欄、植被、路燈、天氣等，生成場景文件；動態(tài)場景配置主要是目標模型的輸入，包括車輛、行人、動物以及他們之間的動態(tài)關系；傳感器模型配置主要是通過傳感器、攝像頭、毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達的物理特性根據仿真測試需求進行建模；控制器配置主要是設置供電配置電壓、接口配置和協(xié)議配置。（3）接口定義接口定義：主要包括各子系統(tǒng)和單元間接口的匹配和開發(fā)工作，接口類型包括數據格式接口、通信接口、執(zhí)行期和控制器之間的接口以及特殊接口等，典型單元包括車輛模型、環(huán)境模型、傳感器模型、高精度地圖等。（4）設計測試用例測試用例：兼顧測試充分性和效率的原則，對自動駕駛測試任務的描述、搭建和執(zhí)行過程，具有可重復性。描述主要包含功能描述、靜態(tài)場景、動態(tài)場景、期望測試結果、通過標準等方面，搭建主要包括硬件初始化、軟件初始化、參數初始化、功能定義數據庫、自然駕駛數據庫的調用和場景設置，執(zhí)行過程主要包括測試輸入（包括場景輸入、駕駛人操控輸入、指令輸入和通信輸入）、前提和約束、測試實施過程、監(jiān)控和測試自動化、終止條件等步驟。系統(tǒng)校核與驗證。根據需求分析結果，設計驗證場景或工況，對仿真測試系統(tǒng)（包含軟件和硬件）進行校核和驗證。根據仿真測試系統(tǒng)的設計要求對仿真測試系統(tǒng)進行校核。根據仿真測試系統(tǒng)的應用需求，結合道路試驗和臺架試驗測試結果對仿真測試系統(tǒng)進行逐層級驗證，即先進行層級較低的子系統(tǒng)驗證，再進行層級較高的系統(tǒng)驗證，最后形成整套仿真測試系統(tǒng)的驗證。驗證后對仿真測試系統(tǒng)的驗證范圍和置信度進行評估。如果不滿足測試要求，則需要重新開展第二步，仿真測試系統(tǒng)設計，迭代進行，直至滿足測試要求。（5）測試執(zhí)行測試執(zhí)行：根據被測系統(tǒng)測試需求，制定試驗大綱，試驗大綱包含被測系統(tǒng)的測試場景或工況，試驗時間安排，試驗方法，試驗環(huán)境，試驗人員安排，試驗輸出的數據或信號內容定義。通過軟件運行，開展具體的仿真場景測試工作，從而取得測試對象針對仿真平臺輸入信號的響應數據的過程。包括初始狀態(tài)設置、測試車輛運行、目標車輛添加、測試車輛決策、測試過程監(jiān)控、測試過程自動化、數據存儲等環(huán)節(jié)。（6）分析測試結果測試結果：檢查數據是否按照指定頻率及格式存儲。對仿真結果進行數據處理，進行數據分類、統(tǒng)計、篩選、可視化。對仿真結果進行數據分析，確保仿真結果沒有超出仿真測試系統(tǒng)的應用范圍，確保仿真結果達到一致性要求。根據仿真結果，按照測試任務要求，結合仿真測試系統(tǒng)的置信度，以及被測自動駕駛系統(tǒng)的評價指標，對被自動駕駛系統(tǒng)進行評價，并評估是否滿足測試要求和測試目標。（7）分析測試結束條件測試結束條件：主要用來評價系統(tǒng)仿真測試是否達到預定要求，通常包括:a.已按要求完成預定的系統(tǒng)測試任務；b.實際測試過程遵循了預定的測試計劃；c.客觀、完備地記錄了測試過程和測試中發(fā)現(xiàn)的所有問題；d.測試的全過程自始自終在控制下進行；e.測試中的異常有合理解釋或者正確有效的處理；f.全部測試用例、測試軟件和測試配置項已完成，數據已記錄。自動駕駛仿真軟件【過渡】提問同學們玩過的汽車游戲，過渡到自動駕駛仿真軟件。目前行業(yè)上有應用的自動駕駛仿真軟件是百花齊放、五花八門，常見的有PanoSim、PreScan、Carmaker、51VR、VTD、CARLA等。PanoSimPanoSim是新一代自動駕駛模擬仿真軟件，專注于通過模擬仿真技術實現(xiàn)汽車虛擬研發(fā)的一體化化工具與平臺。PanoSim集高精度車輛動力學模型、汽車行駛環(huán)境模型、車載環(huán)境傳感模型與交通模型等于一體，可與Matlab/Simulink無縫鏈接并支持離線與實時仿真功能。如圖6所示。圖6：PanoSimPanoSim不僅包括復雜的車輛動力學模型、底盤（制動、轉向和懸架）、輪胎、駕駛員、動力總成（發(fā)動機和變速箱）等模型，還支持各種典型驅動型式和懸架形式的大、中、小型轎車的建模以及仿真分析。它提供了三維數字虛擬試驗場景建模與編輯功能，支持對道路及道路紋理、車道線、交通標識與設施、天氣、夜景等汽車行駛環(huán)境的建模與編輯。PreScanPreScan是一款基于物理模型的仿真平臺，最初用于駕駛輔助、駕駛預警、避撞和減少碰撞等功能的前期開發(fā)和測試，現(xiàn)也可用于自動駕駛系統(tǒng)的開發(fā)。如圖7所示。圖7：PanoSimPreScan可支持多種類型傳感器的模型建立與設置，包括魚眼攝像頭、單目攝像頭、雙目攝像頭、毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達、V2X通訊傳感器、車道線傳感器、目標物體識別傳感器等。PreScan可以對道路模型進行設置與編輯，具備道路數據庫設置坡度、曲率、側傾、高架等，具備參數化得路面模型，支持自動化測試，支持非鋪裝路仿真，支持第三方地圖OSM/OpenDRIVE高精地圖導入；可以搭建環(huán)境模型，包括路面及路邊設施數據庫、交通標志數據庫、建筑物、綠化帶數據庫、支持用戶自定義3D模型導入；支持道路使用者的創(chuàng)建、編輯，包括轎車和摩托車、商用車、行人及自行車、測試用氣球車等；支持天氣、光照等天氣條件的搭建，包括創(chuàng)建白天、黑夜雨雪霧天氣、設置車燈及路燈等，光照模型具有傳感器響應特性。CarmakerCarmaker首先是一個優(yōu)秀的動力學仿真軟件，提供了精準的車輛本體模型(發(fā)動機、底盤、懸架、傳動、轉向等)，Carmaker的車輛模型與Carsim精度一致，將車輛比作多體-非線性系統(tǒng)，并根據車輛子系統(tǒng)進行了清晰的設置（例如轉向系統(tǒng)的Pfeffer模型、制動系統(tǒng)模型、發(fā)動機模型）。如圖8所示。圖8：CarmakerCarMaker具有開放性的毫米波雷達、攝像頭、激光雷達、超聲波雷達等多個高精度傳感器模型。在場景模擬方面，Carmaker可模擬不平坦的道路（例如減速帶、坑洼），可從HERE地圖直接導入真實道路環(huán)境；駕駛人模型可定義其駕駛風格（激進型、穩(wěn)健型），可支持復雜的駕駛操作，并具有學習功能，可適應不同的車輛、道路特征；交通流模型可定義幾乎無限數量的交通參與者，每個參與者都可添加動力學模型，并可根據事件對參與者進行精細控制。CarMaker作為平臺軟件，可以與很多第三方軟件進行集成，如ADAMS、AVLCruise、rFpro等，可利用各軟件的優(yōu)勢進行聯(lián)合仿真。同時CarMaker配套的硬件，提供了大量的板卡接口，可以方便的與ECU或者傳感器進行HIL測試。51VR51Sim-One是51VR自主研發(fā)的一款集多傳感器仿真、交通流與智能體仿真、感知與決策仿真、自動駕駛行為訓練于一體的自動駕駛仿真與測試平臺，如圖9所示。51Sim-One內置了一系列場景庫和測試案例庫，包括開放區(qū)域真實場景、大規(guī)模城市道路、鄉(xiāng)村道路、高速公路、停車場等。圖9：51Sim-One51Sim-One可以通過WorldEditor快速地從無到有創(chuàng)建基于OpenDRIVE的路網，或者通過點云數據和地圖影像等真實數據還原路網信息。51VR支持在場景中自由地配置全局交通流、獨立的交通智能體、對手車輛、行人等元素來構建動態(tài)場景，結合光照、天氣等環(huán)境的模擬來呈現(xiàn)豐富多變虛擬世界。VTDVTD目前運行于Linux平臺，它的功能覆蓋了道路環(huán)境建模、交通場景建模、天氣和環(huán)境模擬、簡單和物理真實的傳感器仿真、場景仿真管理以及高精度的實時畫面渲染等。如圖10所示。圖10：VTDVTD支持物理級復雜傳感器建模仿真，類型包括視頻、超聲波雷達、毫米波雷達和激光雷達等。VTD采用OpenDRIVE、OpenCRG和OpenSCENARIO標準，便于虛擬環(huán)境的重建和測試場景的開發(fā)。VTD支持OpenDRIVE格式高精地圖的導入，并基于此完成虛擬世界和環(huán)境的重建，現(xiàn)對道路和環(huán)境的模擬。具備或可擴展豐富的道路元素庫，包括道路、交通標志、路面標線、交通燈、道路附屬設施、道路周圍建筑和樹木等交通環(huán)境要素模型庫；支持復雜路網快速建模，可以設置不同道路形態(tài)的模型，具備車道級數據的應用能力；支持交通仿真和真實工況的導入，支持和第三方車輛動力學軟件的集成。CARLACARLA是由西班牙巴塞羅那自治大學計算機視覺中心指導開發(fā)的開源模擬器，CARLA提供了開源代碼和協(xié)議，以及為自動駕駛創(chuàng)建的開源數字資源（包括城市布局、建筑以及車輛）。如圖11所示。圖11：CARLACARLA平臺能夠支持傳感套件和環(huán)境條件的靈活配置。支持不同天氣狀況，如晴天、雨天、雨后和晴朗等；支持不同傳感器模式，如正常攝像頭視覺、真實深度和真實語義分隔；提供測試場景資源庫，包含40座不同的建筑，16個運動汽車模型和50個行人模型。CARLA的特點：（1）通過服務器多客戶端架構的可擴展性：相同或不同節(jié)點中的多個客戶端可以控制不同的參與者。（2）靈活的API：CARLA公開了一個強大的API，允許用戶控制與模擬相關的所有方面，包括交通生成、行人行為、天氣、傳感器等等。（3）自動駕駛傳感器套件：用戶可以配置多種傳感器套件，包括激光雷達、多攝像頭、深度傳感器和GPS等。（4）用于規(guī)劃和控制的快速模擬：此模式禁用渲染以提供不需要圖形的交通模擬和道路行為的快速執(zhí)行。（5）地圖生成：用戶可以通過RoadRunner等工具按照OpenDrive標準輕松創(chuàng)建自己的地圖。（6）交通場景模擬：引擎ScenarioRunner允許用戶基于模塊化行為定義和執(zhí)行不同的交通情況。（7）ROS集成：CARLA通過ROS-bridge與ROS集成（8）自動駕駛基線：提供自動駕駛基線作為CARLA中的可運行代理，包括AutoWare代理和條件模仿學習代理。（三）任務實施【咨詢】詢問學生操作過程中遇到的問題，收集問題【引導】引導學生思考討論“整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試內容有哪些？”整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試流程整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試實訓，具體流程如圖12所示：圖12：整車底盤線控系統(tǒng)的在環(huán)仿真測試流程設備物料介紹【提示】結合實物講解設備包括智能網聯(lián)汽車底盤線控實訓系統(tǒng)（下文簡稱教學臺架），物料及防護用品包括清潔抹布、安全帽和工作手套。設備物料見表5。表5設備物料介紹序號名稱數量圖例1教學臺架1輛/工位2安全帽2頂/工位3工作手套2雙/工位4清潔抹布1塊作業(yè)前的準備（1）檢查并穿戴工作手套和安全帽。（2）檢查臺架萬向輪是否已鎖止，確保萬向輪處于鎖止狀態(tài)。（3）連接臺架電源線，啟動臺架電源，如圖13所示。圖13：啟動臺架電源（4）啟動點火開關后臺架電腦自動啟動，檢查換檔旋鈕的檔位是否處于N檔，如圖14所示。圖14：啟動點火開關硬件在環(huán)仿真測試（1）在電腦桌面打開“智能網聯(lián)教學車調試軟件-線控底盤”。（2）選擇CAN通道1，將波特率調整為：500k，打開“開啟設備”按鈕，CAN數據會實時的刷新，如圖15所示。圖15：調試軟件（3）打開“使用仿真”按鈕，進行硬件在環(huán)仿真測試，如圖16所示。圖16：硬件在環(huán)仿真測試界面(4)操作臺架上的加速踏板、方向盤和制動踏板（如圖17所示），按照仿真軟件地圖上的路徑，正確駕駛汽車，測試線控驅動、線控轉向和線控制動工作是否正常，信號傳輸是否正常。（行駛路徑可以自定義）圖17：操作加速踏板、方向盤和制動踏板自動駕駛仿真測試【引導】先引導學生思考討論“自動駕駛仿真測試的項目有哪些？”勾選“自動駕駛”，進入自動駕駛仿真測試，仿真車輛會按照系統(tǒng)設置好的程序從起點行駛到終點，之后又以該終點作為起點，繼續(xù)行駛到下一個終點，不斷重復循環(huán)。如圖18所示。圖18：自動駕駛仿真測試界面（1）按車道線行駛測試測試仿真車輛是否按車道線正常行駛，如圖19所示。圖19：按車道線行駛測試（2）直線加速行駛測試測試仿真車輛在直線行駛狀態(tài)下是否加速行駛，如圖20所示。圖20：直線加速行駛測試（3）減速行駛測試測試仿真車輛在轉彎、路口、下坡、進入隧道前等場景是否減速行駛，如圖21、22、23、24所示。圖21：轉彎減速行駛測試圖22：路口減速行駛測試圖23：下坡減速行駛測試圖24：進入隧道前減速行駛測試（4）紅燈停車測試測試仿真車輛在遇到紅燈時是否正常減速并停車，如圖25所示。圖25：紅燈停車測試（5）環(huán)島行駛測試測試仿真車輛在環(huán)島道路上是否正常行駛，如圖26所示。圖26：環(huán)島行駛測試（6）環(huán)形調頭行駛測試測試仿真車輛在進行環(huán)形調頭時是否正常行駛，如圖27所示。圖27：環(huán)形調頭行駛測試如果需要重新測試，單擊“路徑規(guī)劃”，再單擊“回到起點”（如圖28所示），可以重新測試。圖28：路徑規(guī)劃界面測試完成后，取消“自動駕駛”的勾選，關閉“使用仿真”按鈕，再單擊“路徑規(guī)劃”，單擊“回到起點”，結束測試。整理與清潔（1）關閉軟件和電腦。（2）關閉點火開關。（3）關閉臺架電源開關并拔出電源線。（4）清潔臺架和工作臺。（5）卸下安全防護用品。（四）任務考核【提示】教師監(jiān)督學生完成任務考核硬件在環(huán)仿真測試根據你的測試結果