汽車自動(dòng)化和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的仿真模擬

    汽車自動(dòng)化有望大幅減少全世界每年因機(jī)動(dòng)車事故造成的數(shù)以萬(wàn)計(jì)的死亡人數(shù)—— 包括汽車駕駛員、摩托車駕駛員、騎腳踏車者和行人。這種自動(dòng)化有可能改善交通流量、提高駕駛員舒適度和減少燃料消耗與排放。很多汽車已經(jīng)配備了自動(dòng)照明、智能停車輔助系統(tǒng)、帶警報(bào)的接近傳感器以及其它自動(dòng)系統(tǒng)。然而，就完全自動(dòng)車輛運(yùn)行或自動(dòng)駕駛汽車而言，還存在很多技術(shù)、監(jiān)管和法律方面的障礙。美國(guó)目前只有少數(shù)幾個(gè)州允許半自動(dòng)的車輛運(yùn)行（例如，如果駕駛員犯錯(cuò)誤，系統(tǒng)可以接管對(duì)汽車的控制），而無(wú)駕駛員的完全自動(dòng)汽車在美國(guó)任何地方都是不被允許的。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，汽車自動(dòng)化和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）將為人們提供各種便利，包括從完全由駕駛員控制到完全由自動(dòng)化系統(tǒng)控制的輔助和自動(dòng)化操作。在開(kāi)發(fā)這些系統(tǒng)時(shí)，主要挑戰(zhàn)是在不同自動(dòng)化等級(jí)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，包括由駕駛員發(fā)起的轉(zhuǎn)換以及由自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)起的轉(zhuǎn)換。

    德國(guó)航空航天中心（DLR）的交通運(yùn)輸系統(tǒng)研究所正在與業(yè)界領(lǐng)先的汽車原始設(shè)備制造商（OEM）合作，開(kāi)發(fā)一款能夠克服上述或其它挑戰(zhàn)的汽車自動(dòng)化和ADAS 系統(tǒng)。DLR 正在將其專業(yè)技術(shù)與心理和人體工程學(xué)研究相結(jié)合，以開(kāi)發(fā)針對(duì)每位駕駛員的能力和需求量身定制的汽車自動(dòng)化系統(tǒng)。目前正在開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)涉及對(duì)駕駛員和自動(dòng)化系統(tǒng)的整合，這樣，當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)到達(dá)極限時(shí)，控制權(quán)就會(huì)交還給駕駛員。這種情況下，駕駛員需要人機(jī)接口（HMI）在正確時(shí)間提供正確信息，這樣他或她就可以安全地恢復(fù)對(duì)汽車的控制。DLR 使用ANSYS SCADE Suite 和ANSYS SCADE Display在模型環(huán)境中利用預(yù)制的特定組件來(lái)開(kāi)發(fā)HMI。通過(guò)用模型來(lái)仿真行為，可找出和修正缺陷，以及在設(shè)計(jì)過(guò)程早期獲得重要信息以快速改進(jìn)系統(tǒng)性能。

    動(dòng)態(tài)駕駛仿真器

    人機(jī)接口的作用

    例如，當(dāng)自動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)槁访媾K污而無(wú)法感應(yīng)車道標(biāo)志線時(shí)，HMI 需要將控制權(quán)還給駕駛員。HMI 生成聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)警報(bào)以通知駕駛員回到駕駛狀態(tài)；它還會(huì)執(zhí)行各項(xiàng)檢查來(lái)確認(rèn)駕駛員是否已經(jīng)按預(yù)期接管駕駛操作，例如感應(yīng)駕駛員是否已經(jīng)握住方向盤(pán)。如果駕駛員沒(méi)有反應(yīng)，自動(dòng)系統(tǒng)會(huì)將車輛安全停止。相反，當(dāng)駕駛員控制車輛，而自動(dòng)系統(tǒng)感應(yīng)到緊急危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向駕駛員發(fā)出警報(bào)并接管控制權(quán)以避免事故。

    交接過(guò)程管理只是HMI執(zhí)行的眾多功能之一，隨著汽車自動(dòng)系統(tǒng)不斷成熟，HMI 將不斷增加更多功能。因此，HMI 開(kāi)發(fā)過(guò)程就變得越來(lái)越有挑戰(zhàn)性。過(guò)去，HMI 需要通過(guò)手動(dòng)編碼的方式開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)人員通常在代碼編譯完成并在昂貴復(fù)雜的目標(biāo)硬件環(huán)境中運(yùn)行后才能得到反饋。對(duì)于HMI 的修改十分困難，因?yàn)閳?zhí)行修改的工程師必須到代碼在目標(biāo)硬件上運(yùn)行時(shí)才能驗(yàn)證修改正確與否。每次HMI 設(shè)計(jì)迭代都要在目標(biāo)環(huán)境中評(píng)估很多不同情景，這相當(dāng)耗時(shí)。HMI的修改需要大量手動(dòng)編碼和測(cè)試工作，例如將一個(gè)元件從一個(gè)顯示位置移動(dòng)到另一個(gè)。

    過(guò)渡到基于模型的開(kāi)發(fā)

    在開(kāi)發(fā)過(guò)程中轉(zhuǎn)而采用S C A D ESuite和SCADE Display可顯著縮短開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證HMI 所需的時(shí)間。功能要求和測(cè)試案例通過(guò)SCADE 需求管理網(wǎng)關(guān)鏈接到SCADE模型。DLR的工程師現(xiàn)在使用基于模型的設(shè)計(jì)方法，在方框圖設(shè)計(jì)環(huán)境中創(chuàng)建可執(zhí)行模型。工程師使用代表算法或子系統(tǒng)的模塊定義HMI 功能。他們?cè)赟CADE環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)模塊庫(kù)，這些模塊執(zhí)行和顯示常用的汽車自動(dòng)化HMI功能，因此開(kāi)發(fā)過(guò)程大致上包括選擇和調(diào)整已有模塊，以及連接它們的輸出和輸入。

    工程師仿真模型的行為并接收即時(shí)的性能反饋。測(cè)試案例在虛擬PC 環(huán)境（而不是復(fù)雜昂貴的目標(biāo)環(huán)境）中運(yùn)行。例如，對(duì)于每次新的代碼迭代，工程師必須檢查幾百種不同情景，以確保特定信息在關(guān)鍵點(diǎn)上出現(xiàn)在屏幕上，如從自動(dòng)系統(tǒng)向駕駛員的交接。

    在過(guò)去，這要涉及較長(zhǎng)的手動(dòng)過(guò)程?，F(xiàn)在，開(kāi)發(fā)模型的工程師可運(yùn)行自動(dòng)化例程來(lái)快速評(píng)估每種情景。

    自動(dòng)編碼生成

    在模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，SCADE KCG代碼生成器產(chǎn)生針對(duì)目標(biāo)環(huán)境的代碼。SCADE Suite KCG C代碼生成器建立模型與代碼之間清晰的一對(duì)一關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從模型到所生成代碼的完整追溯功能。代碼首先在不同的DLR 駕駛仿真器中運(yùn)行，包括最終的DLR動(dòng)態(tài)駕駛仿真器。該仿真器將高保真度沉浸式視覺(jué)系統(tǒng)與集成駕駛室和液壓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合以構(gòu)成逼真的駕駛環(huán)境，用來(lái)測(cè)試原型自動(dòng)化系統(tǒng)。在這里，工程師可以在非常接近現(xiàn)實(shí)的駕駛情景中評(píng)估HMI性能，例如當(dāng)系統(tǒng)因建筑物繞道而達(dá)到極限需要將駕駛員帶回到控制環(huán)路中時(shí)。HMI的操作在駕駛仿真器上驗(yàn)證后，會(huì)生成測(cè)試車輛的代碼，車輛可由虛擬駕駛員來(lái)控制以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)評(píng)估。

    利用SCADESuite 和 CADE Display 很容易修改HMI，以評(píng)估不同備選設(shè)計(jì)并為車輛開(kāi)發(fā)不同的HMI 方案。DLR工程師只需重現(xiàn)布局模型中的模塊，即可重新布置元件在汽車不同顯示屏中的擺放方式。在過(guò)去，這需要大量的手動(dòng)編碼。ANSYS SCADE Suite 和SCADE Display能不斷測(cè)試和驗(yàn)證HMI，進(jìn)而顯著改進(jìn)HMI 的開(kāi)發(fā)過(guò)程——首先在模型階段，然后在車輛仿真器中，最后在測(cè)試車輛的目標(biāo)環(huán)境中—— 這樣就能盡早發(fā)現(xiàn)和修正問(wèn)題。

    自動(dòng)車道變更