Sistema ADAS HIL di NI e Altran con Sensor Fusion

Panoramica

Dato che i veicoli sono sempre più dotati di funzionalità autonome, aumenta la necessità di effettuare test HIL (hardware-in-the-loop) per la validazione e la verifica di sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS - Advanced Driver Assistance System).. Questo white paper illustra i concetti del sistema ADAS HIL con sensor fusion, oltre che descrivere i più importanti risultati della ricerca ed evidenziare gli elementi chiave a livello di sistema implementati nell'applicazione.

Sommario

  1. La fusione di sensori
  2. Utilizzo della Sensor Fusion
  3. ADAS HIL Test Environment Suite (AHTES)
  4. Componenti del sistema
  5. Conclusioni
  6. Altre risorse

La fusione di sensori

Le automobili odierne dispongono di diversi sistemi ADAS che funzionano grazie a diversi sensori (radar, telecamere, lidar e ultrasuoni). Di solito ognuno di questi sensori assolve alla propria funzione specifica e solo in alcuni casi condivide le informazioni con gli altri. La quantità di informazioni che giungono al guidatore è direttamente proporzionale al numero di sensori attivati. Se i dati dei sensori sono sufficienti e la comunicazione tra di essi funziona, si possono utilizzare algoritmi intelligenti per creare un sistema autonomo.

La sensor fusion è la commistione di informazioni provenienti da diversi tipi di sensori in grado di offrire una visione più chiara dell'ambiente circostante. Questa è la condizione necessaria per ottenere sistemi di guida autonoma affidabili e sicuri.


Figura 1. Rappresentazione dei sensori di un'automobile

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Utilizzo della Sensor Fusion

La Sensor Fusion si adatta ad ogni tipo di sensore. Consideriamo ad esempio l'insieme delle informazioni provenienti dalla telecamera e radar anteriori. Una telecamera che opera nello spettro del visibile si trova in difficoltà in condizioni difficili come pioggia, nebbia, riflessi di sole e oscurità, ma è estremamente affidabile nel riconoscimento dei colori, come nel caso della segnaletica orizzontale. Un radar, anche se a bassa risoluzione, è utile per rilevare le distanze e non è influenzato dalle condizioni ambientali.    


​Le tipiche funzioni ADAS che sfruttano la telecamera e radar anteriori sono:
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•Adaptive Cruise Control (ACC) - È un sistema di controllo della velocità di crociera che si adatta alle condizioni del traffico. La velocità del veicolo viene ridotta quando la distanza dal veicolo che precede scende al di sotto della soglia di sicurezza. Quando la strada è libera o la distanza dal veicolo che precede è sufficiente, ACC accelera automaticamente il veicolo fino alla velocità preimpostata.

• Autonomous Emergency Braking (AEB) - È un sistema anticollisione che controlla l'impianto frenante riducendo la velocità nel caso di una collisione certa oppure avvisando il guidatore nel caso di situazioni critiche.

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ADAS HIL Test Environment Suite (AHTES)

Per la validazione di sistemi complessi è necessario configurare un ambiente di test che simuli accuratamente i sensori per verificare il comportamento del veicolo in condizioni reali.

Altran Italia ha integrato un simulatore di oggetti radar innovativo basato sulle tecnologie NI e un simulatore 3D di possibili scenari stradali in un sistema HIL per la realizzazione di un tester in grado di sincronizzare i dati della telecamera e del radar per la validazione degli algoritmi della fusione di sensori.

Figura 2. La soluzione di test ADAS HIL di ALTRAN ed NI

Gli scenari 3D sono realizzati grazie a Unity 3D Graphic Engine, un motore grafico di Unity Technologies, e sono completamente personalizzabili in base a diversi parametri come numero di corsie, condizioni di luce e tipo di superficie. S Sul mercato sono disponibili altri ambienti di modellazione grafica (IPG Carmaker e TASS PreScan per esempio) che possono essere utilizzati in maniera simile.

Il motore grafico riproduce il punto di vista di una telecamera posizionata sul parabrezza di un'auto. Si può modificare il punto di vista in base all'altezza da terra e al campo visivo della telecamera. È inoltre possibile individuare un ostacolo ad un distanza predeterminata che si muove a una velocità predefinita.

Figura 3. Uno scenario creato con il motore grafico Unity

Per quanto riguarda il controllo del veicolo, il motore grafico ottiene la posizione dei pedali del freno, dell'acceleratore e dell'angolo di sterzo delle ruote. Un sistema PXI acquisisce questi dati in aggiunta ai segnali provenienti dal volante e dai pedali (Logitech G29). Questo modello dinamico viene integrato nel motore grafico ed è altamente configurabile.

Figura 4. Manovre standard

In base allo scenario dell'ostacolo selezionato, il motore grafico imposta la velocità del veicolo e fornisce al VRTS le informazioni di cui ha bisogno per produrre un segnale RF. Tutti i dati di ingresso e uscita sono scambiati con il PXI tramite un protocollo proprietario che può essere modificato se necessario.

Per recuperare le informazioni sui target del radar (distanza, sezione radar equivalente, angolo di arrivo e velocità) dal generatore di scenari, questo sistema utilizza la comunicazione CAN con PXI-8512/2. La scheda PXI-8512/2 è un'interfaccia CAN/CAN-FD a due porte ad alta velocità per sistemi PXI che permette di trasmettere e ricevere frame su bus CAN a 1 Mbit/s. Le informazioni vengono inviate al generatore di ostacoli soltanto se le informazioni sui target cambiano tra le letture consecutive.

Oltre a inviare i dati al generatore di ostacoli e acquisire i segnali dei pedali e del volante, il PXI simula anche messaggi CAN che il radar e la telecamera inviano e ricevono su una rete privata del veicolo.

I messaggi CAN sono sincronizzati con lo scenario virtuale 3D e il Target Generator per produrre l'ambiente appropriato per la validazione dei dati delle telecamere e radar.

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Componenti del sistema



• Radar Engine Control Unit (ECU) - Il task principale del sensore radar è quello di rilevare gli oggetti e misurare la loro velocità e posizione in relazione al movimento del veicolo equipaggiato con il radar. Il sensore radar è un radar monostatico multimodale che utilizza la banda di frequenza 76 GHz e dispone di sei antenne radar fisse. Il sensore è in grado di rilevare altri veicoli a una distanza di circa 250 metri. Il radar è dotato di un sensore termico che garantisce la completa disponibilità del sensore, anche in condizioni climatiche difficili (come neve o ghiaccio). La velocità relativa degli oggetti è misurata dall'effetto Doppler (cambio di frequenza tra i segnali trasmessi ed emessi) e la distanza dall'oggetto può essere determinata dall'intervallo temporale.
L'ECU gestisce la sensor fusion e i dati della telecamera e supporta funzioni come regolatore elettronico della velocità adattivo e frenatura autonoma di emergenza.

• Camera ECU - L'ECU della telecamere acquisisce le immagini dall'ambiente circostante e fornisce informazioni come distanza dalle corsie e altri ostacoli. Queste informazioni vengono inviate alla Radar ECU per effettuare la sensor fusion, ma in alcuni casi, come ad esempio informazioni su segnali stradali o mantenimento della corsia, la Camera ECU funziona in modo autonomo. In questo caso, invia messaggi CAN alla rete CAN veicolare. In questo caso, invia messaggi CAN alla rete CAN veicolare.

• Video Scenario Generation - Video Scenario Generation è un simulatore dotato di un sistema di veicoli che riceve i dati in ingresso dalla scheda PXI-8512/2 attraverso la comunicazione CAN e trasmette informazioni sull'ambiente simulato. I dati del radar come distanza, RCS (Radar Cross Section), angolo di arrivo e velocità sono generati durante la simulazione e calcolati in tempo reale in base allo scenario video. Il pannello di controllo sul secondo schermo consente di gestire la connessione con PXI-8521/2, modificare le condizioni meteorologiche, regolare la posizione del radar e mostrare un nuovo veicolo con velocità e distanza predefinite.

Figura 5. Emulazione comunicazione veicolo

Questo simulatore è stato sviluppato con Unity 3D Graphic Engine, un motore grafico di Unity Technologies. Utilizzando un approccio modularizzato, lo scenario video può essere facilmente integrato con ogni tipi di piattaforma di terze parti, plugin o dispositivi come ad esempio Logitech G29, riportato nella precedente immagine.

Figura 6. Ambiente di test HIL ADAS

Il simulatore di oggetti radar è utilizzato nel sistema HIL per il test e le misure. La modularità, flessibilità e scalabilità del sistema NI permette agli utenti di integrarlo facilmente con altri I/O per la creazione di un tester HIL per applicazioni di progettazione e test e per riutilizzarlo per l'emulazione di target e la misura di dispositivi radar, con una notevole riduzione dei costi di test.

Funzioni del sistema:

• Misure RF per la verifica delle prestazioni dei sensori
• Analisi dei segnali: EIRP (equivalent isotropically radiated power), rumore, larghezza del fascio e frequenza
• Analisi Chirp: linearità, overshoot, registrazione e tagging
• Simulatore dei target radar per la verifica della funzionalità del sensore
• Target singoli e multipli
• Distanza fissa e variabile
• Scenari oggetti (distanza, velocità, dimensioni e angolo di arrivo)
• Scenari target configurabili

Figura 7. Architettura di un sistema a due target, singolo angolo

In Figura 7, la configurazione con un VST PXIe-5840 e un dispositivo onde millimetriche (mmWave) è in grado di generare due target con lo stesso angolo di arrivo. La flessibilità della piattaforma PXI facilita l'estensione del sistema per gestire più target con più angoli di arrivo. In Figura 8, la configurazione con quattro PXIe-5840 e quattro dispositivi a onde millimetriche può simulare fino a otto diversi target e quattro angoli di arrivo.

Figura 8. Architettura di sistema a otto target, quattro angoli

Lo chassis del simulatore di oggetti radar può essere integrato con la comunicazione bus automotive (CAN o LIN) e con altri tipi di comunicazione richiesti dal sistema HIL. La modularità della soluzione permette ai produttori di macchine di testare scenari reali complessi con la possibilità di gestire diversi angoli di arrivo. Le manovre standard illustrate dalle linee guida di New Car Assessment Program (NCAP) possono essere testate automaticamente, riducendo tempi e costi.

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Conclusioni

Altran ha dimostrato come sia possibile la validazione in laboratorio di sistemi radar e telecamere in soluzioni integrate o stand alone.

Entrambi i componenti sono fondamentali per la sicurezza, ed eseguire in test in laboratorio, prima di testare il veicolo, è uno step fondamentale.

Questo tipo di processo di validazione offre i seguenti vantaggi:

• La possibilità di anticipare la validazione in una fase precedente alla disponibilità del veicolo consente di intraprendere azioni correttive prima che sia troppo tardi
• Il tempo di sviluppo totale è notevolmente ridotto in quanto i test possono iniziare anche prima che il veicolo sia disponibile
• l costi di sviluppo sono ridotti dato che il sistema può funzionare 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana
• I test di non regressione possono essere eseguiti in meno tempo e ad un costo inferiore rispetto all'utilizzo del veicolo assemblato

Sebbene ADAS HIL Test Environment Suite sia stata sviluppata da Altran con software e hardware NI per la verifica e la validazione, può essere utilizzata per altre applicazioni come ad esempio calibrazione ECU per determinare parametri associati al collaudo del veicolo.

Il sistema ADAS si integra perfettamente con altri prodotti hardware NI per HIL, come l'hardware SLSC (switch load signal conditioning) per la standardizzazione e il routing del segnale, commutazione di carichi e condizionamento del segnale. Con il software di test real-time VeriStand, è possibile integrare ogni componente in un framework che interagisce con sistemi HIL real-time.

Figura 9. L'integrazione di SLSC in un sistema HIL

 

Figura 10. VX2, Lidar, e GNSS per i veicoli connessi






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Altre risorse

Soluzione di test ADAS NI per radar automotive 76–81 GHz

Altran Group

Utilizzo dell'architettura SLSC per aggiungere elementi al percorso di segnale di un sistema di test

About Altran

As a global leader in engineering and R&D (ER&D) services, Altran offers its clients a new way to innovate by developing the products and services of tomorrow. Altran works alongside its clients on every link in the value chain of their project, from conception to industrialization.

For over 30 years, the group has provided its expertise to key players in the aerospace, automotive, defense, energy, finance, life sciences, railway, and telecoms sectors among others.

In 2016, the Altran group generated revenues of €2,120bn. With a headcount of more than 30,000 employees, Altran is in more than 20 countries.

Altran has been present in Italy since 1996 and currently employs about 2,800 people. It is headquartered in Rome and is in much of the country: Genoa, Turin, Milan, Trieste, Verona, Padua, Bologna, Modena, Pisa, Florence, Naples, Pomigliano, and Brindisi. In 2015, it generated sales of 208 million €.
altran.com
and altran.it

About NI

NI (ni.com) empowers engineers and scientists with a software-centric platform that incorporates modular hardware and an expansive ecosystem. This proven approach puts users firmly in control of defining what they need to accelerate their system design within test, measurement, and control. NI’s solution helps build high-performance systems that exceed requirements, quickly adapt to change, and ultimately improve the world.

 

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