浅述基于超声波传感器的仿真测试

测试需求

自21世纪初以来，超声波传感器已被广泛应用于汽车，为驾驶员提供障碍物距离信息的反馈。这一领域的发展方兴未艾，现在这些传感器也是自动泊车应用中的关键传感组件。由于超声波传感器的数量、安装位置、物理形状、油漆颜色不一和超声波特性的变化，使其测试变得比较困难。然而，超声波传感器不仅能够收集信息，有助于实现近场监控的感知融合，还在实现L3、L4和L5级自动驾驶方面发挥着重要作用，因此需要进行彻底的测试。

dSPACE开发了一个测试系统，即超声波传感器测试系统 （Lab），通过OTA方式激励超声波传感器。系统在运行时不需要任何运动组件。被测设备（DUT）可以进行黑盒测试， 并结合dSPACE ASM 超声波传感器模型实现动态测试，该模型通过射线计算仿真虚拟环境中的障碍物检测。

这个系统还可以与其它dSPACE仿真选项（如摄像头和雷达）结合使用。

左右滑动

系统概述

超声波传感器测试系统 （Lab）通常由运行ASM 车辆动力学和交通场景模型的实时SCALEXIO处理单元、执行dSPACE收发器底层信号处理的高性能FPGA板卡和读取ECU输出的通信网络组成。

在DUT传感器和ECU之间无需信号破解或修改，这意味着通信协议不必开放，DUT系统可被视为黑盒进行测试。

当DUT传感器发射超声波脉冲包进行距离测量时，脉冲包由dSPACE收发器捕获后处理。经过与仿真距离成比例的延时后，dSPACE收发器向DUT传感器返回一个超声波脉冲。

超声波传感器测试系统 （Lab）

测试系统提供独立版本或集成在SCALEXIO定制化系统中。现有的dSPACE底盘硬件在环仿真机柜就可以扩展此汽车超声波传感器测试系统。

如果您想将ECU放置在机柜外部，为了方便起见，ECU通过安装在机柜前面板的BNC接插件，经过内部走线与超声波传感器相连，从而便于电气信号检查。

即使尺寸仅为555 x 560 x 340 mm，此dSPACE超声波测试系统也支持多达12个传感器。

dSPACE接收器和信号发生器通过OTA（over the air）方式与真实的超声波泊车传感器连接，超声波传感器借助于传感器夹固定，并与外部干扰隔离。而dSPACE实时系统与超声波传感器测试系统（Lab）是相对独立的。

软件概述

在dSPACE实时系统上运行的程序包括两个部分：SCALEXIO Processing Unit及FPGA应用。

SCALEXIO Processing Unit运行ASM超声波传感器模型、ASM 交通模型以及与FPGA应用通讯的接口模型。

FPGA应用程序包含底层逻辑，即I/O的接口。不包含有关测量周期和模式的信息。

处理单元和FPGA板卡之间的接口主要用于对FPGA应用程序进行参数化，监控FPGA的底层信号以及计算得到的超声波特性，如频率。

ASM 超声波传感器模型的特点

ASM超声波传感器模型提供了真实的回波计算，用于OTA仿真。同一个模型也可基于软件在环仿真进行测试和算法开发，为客户提供不同开发阶段间无缝集成的解决方案。该模型通过计算优化，可直接在SCALEXIO Processing Unit实时运行，而不需要使用额外的GPU。

传感器模型提供了许多特性，以尽可能接近真实世界的行为。其特点包括：

1. 逼真且易于参数化的识别对象

ASM 超声波传感器模型的识别对象逼真且易于参数化。其由轮廓线及其高度来定义，具备六个自由度，可以用于任何场景。

2. 直接和间接（交叉）回波

对于直接回波，使用同一个传感器进行超声波的发送和接收。对于间接回波（通常称为交叉回波），回波的发送者和接收者是不同的。间接回波为ECU提供附加信息，因此通常需要有效检测。ASM超声波传感器模型计算每个传感器的直接和间接回波。

3. 多次回波

现代超声波传感器可以检测和处理来自一个或多个物体的多次回波。ASM超声波传感器为每个对象以及每个发送周期的多个对象提供真实的多次回波。

FPGA应用的自由度

基于FPGA的应用，dSPACE系统可以仿真真实回波的四个属性参数：

飞行时间（ToF）

超声波测距是基于波传播时间的。波来回传播的时间与距离成正比。环境条件，特别是温度，会影响空气中的波速，可将其作为影响因子引入到动态模型（仿真）的距离计算中，或使用温箱（物理）方案。

振幅

根据障碍物的位置、角度和特性，一部分能量反射后会被DUT传感器检测到，另外的能量要么被吸收，要么被反射到其他方向。对回波振幅的操作提供了仿真真实回波情况的可能性。

频率

基于FPGA应用，支持典型汽车应用范围内的固定和调制频率。

脉冲数

DUT传感器检测到的波的脉冲数可能会变化，借助于FPGA的应用可以仿真这一特性。

系统运行时，频率和脉冲数可能无法实时操作。

应用示例：停车位测量（PSM）

超声波传感器测试系统（Lab）和ASM超声波传感器模型的众多应用之一是停车位检测（PSM）系统的验证。这一系统测量纵向或横向停车位的宽度，并启动停车操作。这样的场景可以通过dSPACE ModelDesk进行定义，也可以用dSPACE MotionDesk和dSPACE ControlDesk实现实时可视化。超声波传感器测试系统（Lab）根据模型实时计算的动态回波行为，对DUT超声波传感器进行激励。

左右滑动

当DUT传感器的距离测量被触发时，dSPACE传感器会捕捉并分析波形的特性，如频率和振幅。同时，启动计时器，当飞行时间达到ASM 超声波传感器模型计算的回波距离对应的时间时，dSPACE信号发生器会触发一个特性匹配的回波信号。

优点

dSPACE 超声波传感器测试系统（Lab）和ASM 超声波传感器模型有机结合之后，能够通过OTA方式对各种场景进行精确且可复现的仿真和测试。将ASM超声波传感器模型集成到dSPACE工具链中，可以方便直观地对场景进行参数化，并在MotionDesk中实现生动的可视化。

超声波传感器测试系统（Lab）提供了一个解决方案，用于测试真正的泊车ECU和超声波传感器，并且无需破解或移动组件，能够轻松集成到现有系统中。测试系统尺寸紧凑，既可以独立使用，也可以作为一个组件集成到全尺寸系统中。针对多传感器融合的ADAS/AD应用测试，也可在此基础上扩展其他dSPACE传感器仿真选项，例如摄像头、激光雷达和雷达。

编辑：jq