Modern approach to testing and validation of driver assistance systems

Full Text

Введение На протяжении последних десятилетий автопроизводители уделяют большое внимание развитию электронных систем активной безопасности, таких как антиблокировочная система (АБС), противобуксовочная (ПБС) и система электронного контроля устойчивости (ЭКУ). Наличие подобных функций позволяет водителю сохранять и осуществлять контроль над транспортным средством в критических ситуациях. Однако развитие и удешевление микроэлектроники, возможность использования ранее недоступных гражданской отрасли технологий (радары, лидары, ультразвуковые датчики, камеры, цифровое зрение) подтолкнули автопроизводителей к реализации такого направления как автоматизация управления транспортным средством. Результатом осуществления подобных научно-конструкторских работ стало появление серийных образцов вспомогательных систем активной безопасности, так называемых ассистентов (DAS/ADAS). Данные системы могут как предупреждать водителя в случае отрицательной динамики, приводящей к возникновению критической ситуации, так и заблаговременно вмешиваться в управление транспортным средством: оказывать воздействие на рулевой механизм, тормозную систему и системы управления двигателем, трансмиссией [1, 2]. Для сферы грузопассажирских перевозок, в которых используются легкий коммерческий, среднетоннажные транспортные средства и большегрузы, наиболее перспективным является развитие и внедрение интеллектуальных систем помощи водителю, отвечающих за мониторинг “слепых” зон, что наиболее актуально у грузовых автомобилей, а также предотвращающих ошибки в случае невнимательности, кратковременного отвлечения и физической усталости водителя [2, 3]. Следующие системы отвечают данным требованиям: · ассистент удержания в полосе (“Lane keep assistance” - LKA). Основная функция -информирование водителя о выходе автомобиля из полосы движения, а также корректировка курса, если действия водителя недостаточны или отсутствуют; · помощник при парковке (“Park assist system” - PAS) - система помогает в поиске парковочного места, а также управляет рулевым механизмом [4]. · мониторинг “слепых” зон (“Blind spot monitoring” - BSM) - предупреждает и предотвращает столкновение с попутно движущемся транспортным средством, если он находится в “мертвой” зоне [5]. Внедрение данных систем позволит повысить безопасность дорожного движения, а также снизить расходы транспортных компаний в случае простоя при ДТП. В настоящее время при тестировании электронных систем наибольшую популярность получили технологии программного (“Model-in-the-loop” - MIL, “Software-in-the-loop” - SIL) и программно-аппаратного моделирования (“Hardware-in-the-loop” - HIL), что снижает стоимость изготовления прототипа, а также позволяет избежать ошибок на ранних этапах разработки. Несмотря на все преимущества виртуальных испытаний они неспособны в полной мере заменить “полевые”, таким образом натурные тесты на протяжении многих лет остаются основным этапом разработки, а их результаты определяющими готов ли автомобиль к выпуску на рынок [6, 7]. В связи с этим актуальным остается вопрос о методиках натурных испытаний электронных систем помощи водителю, а также необходимом измерительном оборудовании. Целью приведенных в статье исследований является рассмотрение этого вопроса. Методы и средства проведения исследований Нормативная документация на функциональные свойства систем ADAS В настоящее время в Российской Федерации действует ряд нормативных документов, регламентирующих общие технические требования по отношению к электронным системам, а также описывающих методы их испытаний. Разберем каждую систему в отдельности: 1. Предупреждение о выходе из занимаемой полосы движения. Функционирование системы описано в ГОСТ Р 58807-2020. Для оценки эффективности срабатывания согласно данному документу необходимо зафиксировать: · скорость движения транспортного средства; · скорость выхода автомобиля из занимаемой полосы движения; · момент срабатывания оптического сигнализатора; · положение испытуемого объекта относительно линии разметки; · момент срабатывания сигнализатора неисправности [8]. 2. Помощь водителю при принятии решения о смене полосы движения. Функционирование данной системы регламентируется в ГОСТ Р 58803-2020 (часть заимствована из Правил ООН №130 “Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения механических транспортных средств в отношении системы предупреждения о выходе из полосы движения”). Необходимо фиксировать следующие параметры: · скорость движения транспортного средства; · усилие на рулевом колесе; · боковое ускорение; · временные интервалы; · моменты срабатывания оптического сигнализатора активации функции и информирования о неисправности; · видеофиксация действий водителя (управление переключателем поворота); · расстояние между вспомогательным (приближающегося) т.с. и испытуемым объектами [9]. 3. Система удержания транспортного средства в полосе движения - ГОСТ Р 58804-2020. Замеряемые параметры: · скорость движения транспортного средства; · усилие на рулевом колесе; · боковое ускорение; · временные интервалы; · моменты срабатывания оптического, акустического сигнализаторов активации функции и информирования о неисправности; · видеофиксация действий водителя [10]. 4. Мониторинг слепых зон - ГОСТ Р 58808-2020. Замеряемые параметры: · скорость движения транспортного средства; · скорость сближения испытуемого т.с и вспомогательного; · временные интервалы; · продольное и боковое расстояния между испытуемым и вспомогательным т.с; · моменты срабатывания оптического сигнализатора и информирования о неисправности; · видеофиксация действий водителя [11]. 5. Помощь при парковке - ПНСТ 381-2019 (афилирован с ISO 16787:2017-Intelligent transport systems - Assisted parking system (APS) - Performance requirements and test procedures). Замеряемые параметры: · скорость движения; · поперечное расстояние до припаркованных автомобилей; · курсовое угловое расстояние между объектом испытаний и припаркованными автомобилями; · моменты срабатывания оптического, звукового сигнализаторов и информирования об неисправности; · расположение испытуемого т.с в геометрии парковочного места; · временные интервалы; · моменты срабатывания оптического сигнализатора и сигнализатора неисправности [12]. Как видим, исходя из требований регламентирующих документов измерительная установка, устанавливаемая на испытуемое транспортное средство, должна обладать следующими возможностями: · определение местоположения объекта испытаний с сантиметровой точностью, а в ряде тестов дополнительно еще вспомогательного т.с.; · возможность подключения к бортовой информационной шине CAN для фиксации временных задержек в работе человеко-машинного интерфейса; · получение видеоряда с возможностью синхронизации записи со сторонним оборудованием. Разработка измерительной установки Измерение расстояний между движущимися испытуемыми транспортными средствами с сантиметровой точностью невозможно с применением классических установок по измерению пройденного пути и расстояний (например, оптический датчик пройденного пути, “пятое колесо”, линейный лазерный датчик расстояний). Рост спроса автопроизводителей на оборудование по тестированию ADAS-функций вынудил разработчиков измерительного оборудования применить технологии, ранее используемые в гражданской сфере только в геодезических измерениях. Для достижения максимальной точности и удобства испытания ADAS производители измерительных систем сейчас используют передовые ГНСС-технологии. Для достижения точности позиционирования до 2 см применяется технология кинематики реального времени (“Real-time-kinematic” - RTK). Как известно, из-за влияния большого количества негативных факторов (атмосферные неоднородности, помехи от стационарных и подвижных объектов, переотражение сигнала или многолучевость) одиночный спутниковый прибор любого класса не может обеспечить высокую точность позиционирования (до 10 м), поэтому для уточнения координат используются так называемые “RTK-поправки”, которые рассчитываются и передаются другим ГНСС-приемником (“базовая станция”), точное местоположение которого известно (рис. 1) [5, 13]. Рис.1. Принципиальная схема ГНСС-измерений при тестировании ADAS Fig.1. Schematic diagram of GNSS measurements during ADAS testing Для передачи “RTK-поправок” от базовой станции к подвижному приемнику (“ровер”) существует несколько способов: 1) используется GPRS-канал, минус этого метода состоит в том, что каждый приемник должен иметь возможность подключения к сети интернет, что не везде возможно; 2) GSM-соединение - в данном случае возможно подключить только 1 ровер, остальные недостатки аналогичны первому методу; 3) использование радиоканала - является наиболее предпочтительным, нет ограничений по количеству подключаемых роверов и независим от качества сотовой связи. Единственным минусом является то, что в Российской Федерации (как и во многих других странах) ограничена мощность нелицензируемого использования источника радиочастотного сигнала (РЭС): при работе на частоте 433 МГц максимальная мощность не должна превышать 10 мВт, а 2.4 ГГц - не более 100 мВт с максимальной высотой подвеса антенны - 10 метров. Как показывает практика, данных мощностей достаточно, чтобы покрыть зону радиусом 500-600 метров (при условии прямой видимости). Если появляется необходимость в большей зоне охвата радиосигналом, т.е использование более мощного передатчика, то необходимо проходить процедуру получения разрешения на использование радиочастоты и регистрации РЭС, что может по времени затянутся до 6-8 месяцев. Это целесообразно при проведении испытаний всегда в одном и том же месте (автомобильном полигоне), так как в случае перебазирования все разрешения необходимо получать заново. При испытаниях и валидации систем ADAS недостаточно получения точных координат каждого из подвижных приемников, необходимо вычислять параметры испытуемого автомобиля (кратчайшее, продольное и поперечное расстояния, скорость сближения и т.п) относительно вспомогательных транспортных средств или линии разметки. С этой целью каждый автомобиль оборудуется дополнительным комплектом телеметрии для синхронизации ГНСС-данных на целевом объекте (рис. 1). Перед специалистами Нижегородского Государственного Технического Университета была поставлена задача разработать и реализовать на практике измерительную установку по тестированию и валидации ADAS-функций легкого коммерческого автомобиля. Принципиальная схема представлена на рис. 2. Рис. 2. Принципиальная схема измерительной установки Fig. 2. Schematic diagram of the measuring installation На рис. 2 обозначено: а - часть, устанавливаемая на испытуемое т.с; б - часть, устанавливаемая на вспомогательное т.с; 1 - CAN-интерфейс, подключаемый к бортовой информационной шине; 2 - измерительное рулевое колесо MSW; 3 - измерительный ГНСС-прибор Racelogic Vbox 3i 100Hz RTK; 4 - телеметрия 2.4 ГГц синхронизации ГНСС-данных между автомобилями; 5 - радиоканал 2.4 ГГц синхронизации ГНСС-данных; 6 - радиоприемник RTK-поправок; 7 - радиоканал 2.4 ГГц передачи RTK-поправок; 8 - дисплей скорости движения т.с; 9 - многофункциональный дисплей MFD; 10 - Video Vbox Pro; 11 - Racelogic CAN-шина; 12 - ГНСС-базовая станция с телеметрией 2.4 ГГц передачи поправок. Основные составляющие элементы измерительной установки: 1. Высокоточный измерительный ГНСС-прибор Racelogic Vbox 3i 100 Hz (поз. 3 рис. 2). Устанавливается в каждое транспортное средство для расчета точного местоположения, определения динамических характеристик и параметров оценки функций ADAS. 2. ГНСС-базовая станция (поз. 12) необходима для уточнения (до 2 см) местоположения измерительных приборов. Для передачи RTK-поправок организуется местная радиосвязь, то есть базовая станция и все роверы оборудуется радиомодулями, работающими на частоте 2.4 ГГц (поз. 6). 3. Дополнительная телеметрия 2.4 ГГц (поз. 4) синхронизации ГНСС-данных необходима для расчета ADAS-параметров, таких как относительное расстояния между испытуемыми транспортными средствами, скорость сближения и т.п. 4. CAN-интерфейс Racelogic CAN02 (поз. 1) подключается к информационной шине испытуемого автомобиля для фиксации статусов срабатывания ADAS-функций, а также ряда других параметров (обороты двигателя, нажатие на тормоз, педаль газа, включение сигнализаторов поворота, номер включенной передачи и т.п). 5. Дисплей скорости (поз. 8) - отображение действительной скорости движения т.с. 6. Многофункциональный дисплей MFD (поз. 9) позволяет вывести на дисплей любой из измеряемых параметров. Например, необходим при контроле боковой дистанции между т.с. 7. Racelogic Video Vbox Pro (поз. 10) - ГНСС-прибор с возможностью записи видеопотока одновременно с 4 видеокамер, необходим при фиксации срабатывания световых индикаторов, пересечения транспортным средством линии разметки, видеозапись действий водителя и т.п. Для синхронизации записи с Vbox 3i подключается к Racelogic CAN-шине (поз. 11). 8. Измерительное рулевое колесо MSW (поз. 2). Устанавливается непосредственно на штатное рулевое колесо, необходим для измерения угла поворота, скорости вращения и крутящего момента. Измеренные данные передаются на Vbox 3i также при помощи Racelogic CAN-шины. а) б) в) г) д) е) Рис. 3. Установленное измерительное оборудование Fig. 3. Installed measuring equipment Установка измерительного оборудования на основное и вспомогательное транспортные средства представлена на рис. 3 (а-д). Рис. 3е - размещение ГНСС-базовой станции с установленной на телескопической штанге радиопередатчика 2.4 ГГц и его антенны. Стоит отметить, что максимальная мощность составляет 60 мВт, высота подвеса антенны - 5м, что позволяет использовать данный источник РЭС без получения дополнительных разрешений. На рис. 3 показаны: а - Racelogic Vbox 3i 100Hz в салоне основного транспортного средства; б - установленные на крыше основного т.с GPS/Глонасс и телеметрические антенны; в - Racelogic Vbox 3i 100Hz в салоне вспомогательного транспортного средства; г - камеры Video Vbox Pro, фиксирующие пересечение передним правым колесом линии разметки; д - измерительное рулевое колесо MSW, дисплей Vbox, салонная камера Video Vbox; е - ГНСС-базовая станция с комплектом телеметрии Рис.4. Трассировка линии разметки Fig.4. Tracing the line markings При тестировании функций ADAS, связанных с работой по определению полосы движения, отсутствует необходимость использования вспомогательного транспортного средства. Вместо него, используя “комплект по разметке полосы движения”, осуществляется наземная трассировка линии с геодезической точностью (рис. 4) с последующей загрузкой в измерительный прибор Vbox3i, установленный на объект испытаний. Благодаря этому производится расчет необходимых для оценивания и валидации ADAS-функции параметров движения: расстояние от колес до линии, скорость выхода из полосы движения. Результаты тестирования функций ADAS и их обсуждение Разработанная измерительная система была апробирована при тестировании прототипа легкого коммерческого автомобиля, оборудованного системами помощи водителю. Испытания проводились на полигоне ОИЦ “Березовая пойма”, тестировались следующие функции: · предупреждение о выходе из занимаемой полосы движения; · детектор слепых зон; · поиск парковочного места. Для наглядности представим часть результатов по тестированию функции “детектор мертвых зон” (BSM). Режим испытания: тестируемое транспортное средство движется со скоростью 30-35 км/ч, вспомогательный автомобиль разгоняется до 40-45 км/ч и производит опережение по правому борту. Задача теста - определить моменты срабатывания и подачи светозвуковой сигнализации помощника “мониторинг мертвых зон”. Помимо статистических данных производилась запись видеоряда при помощи оборудования Racelogic Video Vbox Pro. Пример видеокадра показан на рис. 5. Как видно, помимо возможности синхронной фиксации видео сразу с 4 камер, программное обеспечение позволяет наносить виртуальную разметку, позволяющую оценивать расположение наружных объектов. Стоит отметить, что Video Vbox оборудован CAN-интерфейсом с возможностью записи дополнительных 32 каналов из информационной шины - все числовые значение представленные на видеокадре (рис. 5) получены данным способом (статусы срабатывания звукооптического сигнализатора BSM, расположение испытуемых транспортных средств относительно друг друга, а также “точки контакта” - точки на периметре т.с, соответствующие минимальному расстоянию между объектами теста). Рис.5. Кадр видеоряда Video Vbox Pro Fig.5. Video frame of Video Vbox Pro ADAS-параметры вычисляет и записывает измерительный прибор Racelogic Vbox 3i 100 Hz, к которым относятся: · скорость движения обоих объектов (рис. 6а); · расстояние между т.с: кратчайшее, продольное, поперечное (рис. 6б); · “контактные точки” обоих транспортных средств (рис. 6в). При настройке измерительной системы размечается контур испытуемых автомобилей (так называемые “contact points”), т.е расположение “маркеров” по периметру относительно измерительной GPS/Глонасс антенны. В нашем случае это были 4 точки: левый передний угол - первый маркер, и далее нумерация против часовой стрелки; · скорость сближения, а также ускорение одного объекта относительно другого; · угловое расстояние между курсами т.с; Таким образом, по результатам испытаний мы получаем набор статистического материла, который позволяет оценить правильность (точность функционирования, отсутствие “ложных срабатываний”) работы алгоритма ADAS-системы, свалидировать её, проверить на соответствие высоким международным и отечественным требованиям, что является неотъемленной частью процесса разработки любого продукта. а) б) в) Рис. 6. Графики, полученные по результатам испытаний системы BSM Fig. 6. Graphs derived from BSM system test results На рис. 6 показаны: а - график скоростей движения основного и вспомогательного т.с; б - продольное, поперечное расстояние между т.с, статусы срабатывания BSM; в - кратчайшее расстояние между т.с, “контактные точки”. Заключение Разработанная измерительная система была успешно апробирована при испытаниях систем помощи водителю прототипа первой серии. Полученные в ходе испытаний результаты будут использованы при доводке и отладке алгоритма высшего уровня “электронных помощников”, также планируется повторное использование при тестировании прототипов второй и третьей серии. Стоит отметить, что данная измерительная система удовлетворяет международным и отечественным нормативным документам, поэтому может использоваться при сертификационных испытаниях ADAS-систем. Возможности данного измерительного оборудования не ограничиваются тестированием систем, представленных в данной статье, возможно также проводить испытания адаптивного круиз-контроля (“Adaptive Cruise Control” - ACC), экстренного торможения (“Autonomous Emergency Braking” - AEB) как с движущейся целью так и с неподвижной, предупреждения о столкновении (“Forward Collision Warning” - FCW), распознавания дорожных знаков (“Traffic Sign Recognition” - TSR).

About the authors

YE. I Toropov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: evgeny.toropov@nntu.ru
Nizhny Novgorod, Russia

YU. P Trusov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Nizhny Novgorod, Russia

A. S Vashurin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

PhD in Engineering Nizhny Novgorod, Russia

P. S Moshkov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Nizhny Novgorod, Russia

References

Supplementary files