汽车自动化和高级驾驶辅助系统的仿真模拟

    汽车自动化有望大幅减少全世界每年因机动车事故造成的数以万计的死亡人数—— 包括汽车驾驶员、摩托车驾驶员、骑脚踏车者和行人。这种自动化有可能改善交通流量、提高驾驶员舒适度和减少燃料消耗与排放。很多汽车已经配备了自动照明、智能停车辅助系统、带警报的接近传感器以及其它自动系统。然而，就完全自动车辆运行或自动驾驶汽车而言，还存在很多技术、监管和法律方面的障碍。美国目前只有少数几个州允许半自动的车辆运行（例如，如果驾驶员犯错误，系统可以接管对汽车的控制），而无驾驶员的完全自动汽车在美国任何地方都是不被允许的。在可预见的将来，汽车自动化和高级驾驶辅助系统（ADAS）将为人们提供各种便利，包括从完全由驾驶员控制到完全由自动化系统控制的辅助和自动化操作。在开发这些系统时，主要挑战是在不同自动化等级之间进行转换，包括由驾驶员发起的转换以及由自动化系统发起的转换。

    德国航空航天中心（DLR）的交通运输系统研究所正在与业界领先的汽车原始设备制造商（OEM）合作，开发一款能够克服上述或其它挑战的汽车自动化和ADAS 系统。DLR 正在将其专业技术与心理和人体工程学研究相结合，以开发针对每位驾驶员的能力和需求量身定制的汽车自动化系统。目前正在开发的系统涉及对驾驶员和自动化系统的整合，这样，当自动化系统到达极限时，控制权就会交还给驾驶员。这种情况下，驾驶员需要人机接口（HMI）在正确时间提供正确信息，这样他或她就可以安全地恢复对汽车的控制。DLR 使用ANSYS SCADE Suite 和ANSYS SCADE Display在模型环境中利用预制的特定组件来开发HMI。通过用模型来仿真行为，可找出和修正缺陷，以及在设计过程早期获得重要信息以快速改进系统性能。

    动态驾驶仿真器

    人机接口的作用

    例如，当自动系统因为路面脏污而无法感应车道标志线时，HMI 需要将控制权还给驾驶员。HMI 生成听觉、触觉和视觉警报以通知驾驶员回到驾驶状态；它还会执行各项检查来确认驾驶员是否已经按预期接管驾驶操作，例如感应驾驶员是否已经握住方向盘。如果驾驶员没有反应，自动系统会将车辆安全停止。相反，当驾驶员控制车辆，而自动系统感应到紧急危险时，系统会向驾驶员发出警报并接管控制权以避免事故。

    交接过程管理只是HMI执行的众多功能之一，随着汽车自动系统不断成熟，HMI 将不断增加更多功能。因此，HMI 开发过程就变得越来越有挑战性。过去，HMI 需要通过手动编码的方式开发，开发人员通常在代码编译完成并在昂贵复杂的目标硬件环境中运行后才能得到反馈。对于HMI 的修改十分困难，因为执行修改的工程师必须到代码在目标硬件上运行时才能验证修改正确与否。每次HMI 设计迭代都要在目标环境中评估很多不同情景，这相当耗时。HMI的修改需要大量手动编码和测试工作，例如将一个元件从一个显示位置移动到另一个。

    过渡到基于模型的开发

    在开发过程中转而采用S C A D ESuite和SCADE Display可显著缩短开发和验证HMI 所需的时间。功能要求和测试案例通过SCADE 需求管理网关链接到SCADE模型。DLR的工程师现在使用基于模型的设计方法，在方框图设计环境中创建可执行模型。工程师使用代表算法或子系统的模块定义HMI 功能。他们在SCADE环境中创建一个模块库，这些模块执行和显示常用的汽车自动化HMI功能，因此开发过程大致上包括选择和调整已有模块，以及连接它们的输出和输入。

    工程师仿真模型的行为并接收即时的性能反馈。测试案例在虚拟PC 环境（而不是复杂昂贵的目标环境）中运行。例如，对于每次新的代码迭代，工程师必须检查几百种不同情景，以确保特定信息在关键点上出现在屏幕上，如从自动系统向驾驶员的交接。

    在过去，这要涉及较长的手动过程。现在，开发模型的工程师可运行自动化例程来快速评估每种情景。

    自动编码生成

    在模型经过验证后，SCADE KCG代码生成器产生针对目标环境的代码。SCADE Suite KCG C代码生成器建立模型与代码之间清晰的一对一关系，进而实现从模型到所生成代码的完整追溯功能。代码首先在不同的DLR 驾驶仿真器中运行，包括最终的DLR动态驾驶仿真器。该仿真器将高保真度沉浸式视觉系统与集成驾驶室和液压运动系统相结合以构成逼真的驾驶环境，用来测试原型自动化系统。在这里，工程师可以在非常接近现实的驾驶情景中评估HMI性能，例如当系统因建筑物绕道而达到极限需要将驾驶员带回到控制环路中时。HMI的操作在驾驶仿真器上验证后，会生成测试车辆的代码，车辆可由虚拟驾驶员来控制以实现系统评估。

    利用SCADESuite 和 CADE Display 很容易修改HMI，以评估不同备选设计并为车辆开发不同的HMI 方案。DLR工程师只需重现布局模型中的模块，即可重新布置元件在汽车不同显示屏中的摆放方式。在过去，这需要大量的手动编码。ANSYS SCADE Suite 和SCADE Display能不断测试和验证HMI，进而显著改进HMI 的开发过程——首先在模型阶段，然后在车辆仿真器中，最后在测试车辆的目标环境中—— 这样就能尽早发现和修正问题。

    自动车道变更