現(xiàn)代駕駛員輔助系統(tǒng)的不斷發(fā)展使得汽車駕駛自動(dòng)化程度日益提升。在電子控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)得以充分保障的情況下，采用虛擬開發(fā)和試驗(yàn)方法可謂是汽車開發(fā)過程中固定的組成部分。為了確立自動(dòng)駕駛功能在汽車市場(chǎng)中的技術(shù)地位，除了穩(wěn)妥可靠地實(shí)施其功能要求之外，還必須實(shí)現(xiàn)較高的客戶效益，因此保證駕駛的靈活性、便捷性、舒適性格外重要，同時(shí)駕駛員自身的認(rèn)可也起著決定性的作用。斯圖加特汽車和車用發(fā)動(dòng)機(jī)研究所與斯圖加特大學(xué)開展合作研究，并致力于使駕駛員與新型系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)相互作用。

1起因

在早期開發(fā)階段要對(duì)在環(huán)軟件（SiL）和在環(huán)硬件（HiL）中的全部和部分功能進(jìn)行試驗(yàn)和確認(rèn)。為了有效考察駕駛員與相關(guān)功能之間的相互作用，該類系統(tǒng)必須在被稱為在環(huán)駕駛員（DiL）的試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試。首先，鑒于當(dāng)前的技術(shù)和法律條件，在進(jìn)行3～5級(jí)自動(dòng)化程度的自動(dòng)駕駛功能試驗(yàn)時(shí)是無法由未經(jīng)專門訓(xùn)練的普通駕駛員在道路上進(jìn)行試驗(yàn)的，而在動(dòng)態(tài)行駛模擬器上的虛擬行駛試驗(yàn)則為早期開發(fā)階段進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和無風(fēng)險(xiǎn)的重復(fù)性試驗(yàn)提供了潛在的可能性。

為了在統(tǒng)計(jì)學(xué)范疇內(nèi)獲得可進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)過程的可重復(fù)性就顯得尤為重要：如果每種試驗(yàn)車輛僅在完全相同的場(chǎng)景中進(jìn)行對(duì)比的話，那么試驗(yàn)結(jié)果即可進(jìn)行評(píng)定比對(duì)。如果在試驗(yàn)中使用者對(duì)車輛的操控只能產(chǎn)生暫時(shí)的影響，那么在該情況下進(jìn)行的試驗(yàn)可稱作一種特別的挑戰(zhàn)，因?yàn)閭€(gè)人行為無法對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行充分的保障。

2動(dòng)態(tài)行駛模擬器的虛擬行駛試驗(yàn)

采用行駛模擬器時(shí)，應(yīng)使駕駛員得到在實(shí)際道路交通中行駛的體驗(yàn)，需使其感受到盡可能逼真的駕駛體驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)此類場(chǎng)景感受，需完全真實(shí)地模擬對(duì)駕駛員的感官刺激。圖1所示的斯圖加特行駛模擬器組合演示出了真實(shí)行駛境況中所出現(xiàn)的縱向及橫向加速度，在試驗(yàn)期間駕駛員仿佛置身于其所熟悉并易于操縱的整車環(huán)境中，車外環(huán)境和其他交通行車人員都借助于360°目視化顯示系統(tǒng)投影在拱頂內(nèi)壁上。

圖1 斯圖加特行駛模擬器

通過一個(gè)由實(shí)時(shí)汽車模型計(jì)算的汽車運(yùn)動(dòng)和在環(huán)境模擬中的行駛狀態(tài)處理，可利用車輛自身的位置來調(diào)整虛擬環(huán)境中的外部交通狀況，并描繪出相應(yīng)的圖像。在環(huán)境模擬過程中，除了動(dòng)態(tài)物件之外，還存在需通過的路段和道路狀況信息，因此存有完整的數(shù)據(jù)記錄，以便自動(dòng)化系統(tǒng)和模擬傳感器能提供相應(yīng)的信息。

為了借助于虛擬行駛試驗(yàn)考察自動(dòng)駕駛內(nèi)容中面臨的問題，模擬行駛器中的相應(yīng)功能必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。調(diào)整試驗(yàn)所需的功能在早期開發(fā)階段往往并不存在，而將現(xiàn)有的硬件或軟件組成部分集成到行駛模擬器結(jié)構(gòu)中則又過于費(fèi)時(shí)費(fèi)錢。出于該原因，在行駛模擬器中依然使用樣機(jī)功能。

3模擬環(huán)境中不確定成分的影響

只有所有包含在虛擬試驗(yàn)環(huán)境中的成分呈現(xiàn)出一個(gè)明確的輸入-輸出狀態(tài)時(shí)，才能確保其試驗(yàn)過程具有可重復(fù)性。為了識(shí)別出不確定的影響因素，圖2中示出了用于試驗(yàn)自動(dòng)駕駛功能的虛擬行駛試驗(yàn)中試驗(yàn)裝備的組成部分，目前總共能識(shí)別兩個(gè)調(diào)節(jié)回路：在第一個(gè)調(diào)節(jié)回路中，由人操控汽車，并將控制信號(hào)傳遞到汽車上；在第二個(gè)調(diào)節(jié)回路中，則采用自動(dòng)駕駛功能操控汽車，自動(dòng)駕駛功能可通過傳感器模擬而提供的數(shù)據(jù)，供行駛軌跡規(guī)劃器使用。該類行駛軌跡規(guī)劃器符合汽車行駛軌跡，并由其從屬的調(diào)節(jié)功能使汽車沿著該軌跡行駛，因此自動(dòng)駕駛的此類經(jīng)典作用鏈被稱為傳感識(shí)別、規(guī)劃和動(dòng)作。

圖2 試驗(yàn)方案組成部分

所示的調(diào)節(jié)回路也包含有任何時(shí)候都無法確保輸入-輸出狀態(tài)的組成部分。首先，傳感器模擬與傳感器數(shù)據(jù)的處理就屬于此類。噪聲產(chǎn)生的影響較為隨機(jī)，并且無法保證其為確定的系統(tǒng)狀態(tài)。此外，在環(huán)境模擬中會(huì)出現(xiàn)外界交通的干擾并需要予以控制，為了盡可能逼真地顯現(xiàn)出外界交通狀況，往往需采用較為復(fù)雜的模型。為此，偶然控制的外界交通對(duì)駕駛員或自動(dòng)化系統(tǒng)的影響會(huì)引起試驗(yàn)過程自身的不可重復(fù)性。

最后，甚至駕駛員本身也會(huì)呈現(xiàn)出較為不確定的狀態(tài)。在試驗(yàn)自動(dòng)化駕駛功能直至第四級(jí)自動(dòng)化程度（高度自動(dòng)化駕駛）時(shí)，由駕駛員短時(shí)操控汽車的步驟通常為整個(gè)試驗(yàn)的組成部分。在該情況下，必須確定試驗(yàn)本身具有較為重要的意義，在該階段中需確保試驗(yàn)過程的進(jìn)行，因此在具有重要意義的試驗(yàn)階段開始前，需要首先消除對(duì)行駛有影響的因素，使其處于可重復(fù)的狀態(tài)。圖3按照采用人工和自動(dòng)駕駛行駛試驗(yàn)的時(shí)間流程示出了這種處理方式。

圖3 手動(dòng)和自動(dòng)駕駛行駛試驗(yàn)的時(shí)間流程

4用于確認(rèn)自動(dòng)駕駛功能試驗(yàn)的環(huán)境

上文所述的針對(duì)試驗(yàn)過程的不確定影響因素在后文介紹的試驗(yàn)環(huán)境中應(yīng)盡可能減少。圖4中所示出的較為靈活并且可自由配置的試驗(yàn)環(huán)境使其能演示出具有不同程度的自動(dòng)駕駛功能。通常就試驗(yàn)本身而言，圍繞傳感器開展的數(shù)據(jù)處理并無顯著意義，而通過旁路的行駛軌跡規(guī)劃器（見圖2）則可根據(jù)外界目標(biāo)、路段屬性（道路彎道、交通標(biāo)志等）以及車輛自身的狀態(tài)和位置對(duì)行駛軌跡作出選擇。所有基本真實(shí)的數(shù)據(jù)，可按照該方式準(zhǔn)確無誤地在規(guī)劃行駛軌跡時(shí)被用作重要參考因素。通過應(yīng)用理想的（無噪聲的）傳感器信號(hào)，防止隨機(jī)影響沿著傳感識(shí)別→規(guī)劃→動(dòng)作作用鏈進(jìn)行傳播，從而使自動(dòng)化系統(tǒng)的狀態(tài)得以確定。

圖4 可配置試驗(yàn)環(huán)境的功能圖

汽車進(jìn)行自動(dòng)化行駛的基本功能的調(diào)節(jié)主要取決于試驗(yàn)環(huán)境。行駛軌跡規(guī)劃器在考慮到在道路規(guī)劃平面上的車輛行駛軌跡即屬于該類型,其中一個(gè)調(diào)節(jié)器承擔(dān)沿著已規(guī)劃的行駛軌跡進(jìn)行縱向及橫向調(diào)節(jié)的任務(wù)。該環(huán)境的核心部分是一個(gè)可使?fàn)顟B(tài)進(jìn)行自由配置的自動(dòng)化裝置，其中配備了試驗(yàn)所需的所有系統(tǒng)方式，可根據(jù)人機(jī)接口（HMI）、車輛狀態(tài)或時(shí)間條件等使用者輸入?yún)?shù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。為了使環(huán)境模擬（路段，場(chǎng)景）能對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換起到影響作用，可在場(chǎng)景中定義其所處位置或事件觸發(fā)器。

為了能對(duì)自動(dòng)化行駛車輛本身的行駛狀況產(chǎn)生影響，將該自動(dòng)裝置的狀態(tài)與算法密切聯(lián)系起來。此類計(jì)策可用于變換車道或顯示故障狀況，并被貯存在算法清單中。若采取一個(gè)算法的話，則在行駛軌跡規(guī)劃時(shí)就要考慮到該算法。通過采用一個(gè)對(duì)環(huán)境模擬具有顯著效果的模型，即可由試驗(yàn)環(huán)境對(duì)行駛場(chǎng)景產(chǎn)生影響，以便在對(duì)試驗(yàn)具有重要意義的階段開始時(shí)就確立其狀態(tài)。例如可能會(huì)出現(xiàn)外界車輛的擾動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)車輛的行為產(chǎn)生影響，同時(shí)需避免出現(xiàn)碰撞場(chǎng)景。

5結(jié)論和展望

上文所介紹的試驗(yàn)環(huán)境可使得在進(jìn)行虛擬行駛試驗(yàn)時(shí)，能靈活地實(shí)現(xiàn)不同自動(dòng)化程度的自動(dòng)駕駛功能。通過消除不確定的影響因素，以確保在自動(dòng)駕駛時(shí)獲得重復(fù)的試驗(yàn)過程。在短時(shí)間由駕駛員操控車輛的試驗(yàn)方案中，就會(huì)出現(xiàn)難以確定的試驗(yàn)階段。由于有可能通過試驗(yàn)對(duì)環(huán)境模擬產(chǎn)生具有針對(duì)性的影響，因此可在對(duì)試驗(yàn)具有重要意義的試驗(yàn)階段開始前就確立一個(gè)可重復(fù)的狀態(tài)，進(jìn)而可從該時(shí)間點(diǎn)起，使其獲得一個(gè)確定的試驗(yàn)過程。

靈活的試驗(yàn)環(huán)境使其可在對(duì)駕駛員狀況影響最小的情況下采用未來的調(diào)節(jié)和通訊方案進(jìn)行試驗(yàn)。其中自動(dòng)化程度較高的行駛尚缺乏道路交通經(jīng)驗(yàn)，恰好在該情況下此類方法可以確保真實(shí)的駕駛狀況，因而可使其轉(zhuǎn)換成真實(shí)的行駛場(chǎng)景。為了通過預(yù)先規(guī)定的試驗(yàn)條件進(jìn)一步減少駕駛員的影響，持續(xù)開發(fā)試驗(yàn)環(huán)境。此外，行駛模擬器還要擴(kuò)展其他的組成部分，以便提高行駛模擬的真實(shí)程度。