使用虛擬原型評(píng)估基于MOST的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)

高效的通信網(wǎng)絡(luò)是分布式先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的主要組成部分。分析在不同系統(tǒng)參數(shù)下的不同場(chǎng)景中的這類系統(tǒng)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。在早期設(shè)計(jì)階段評(píng)估關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)行為非常重要。本文將討論一種基于虛擬原型的評(píng)估架構(gòu)，它可以用來(lái)評(píng)估基于MOST的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。

汽車中先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的數(shù)量在不斷增加。這些系統(tǒng)處理來(lái)自多種傳感器的信息，比如雷達(dá)傳感器、攝像機(jī)或全球定位系統(tǒng)（GPS），然后為駕駛提供幫助。因?yàn)檫@些傳感器在全車各個(gè)地方都有分布，因此需要一個(gè)高效的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)共享不同ADAS之間的信息。另外，這些系統(tǒng)經(jīng)常要求諸如快速傅里葉變換或霍夫變換等處理算法。擁有一個(gè)專門的預(yù)處理節(jié)點(diǎn)執(zhí)行這種通用任務(wù)是有好處的，這種節(jié)點(diǎn)可以采用最優(yōu)化的硬件架構(gòu)。不過(guò)這會(huì)提高對(duì)分布式ADAS網(wǎng)絡(luò)的要求。通過(guò)優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)可以減少布線的數(shù)量。MOST通信網(wǎng)絡(luò)可以提供這類任務(wù)所需的許多功能。

MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供種類繁多的配置方案。為了找到最優(yōu)的解決方案，必須對(duì)這些方案進(jìn)行評(píng)估，并且最好是在早期設(shè)計(jì)階段完成。為了支持這些評(píng)估，本文推薦一種基于虛擬原型的評(píng)估架構(gòu)。它能減少這種基于網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)用的評(píng)估復(fù)雜性。

評(píng)估架構(gòu)——ADAS使用案例

本文討論的評(píng)估架構(gòu)支持功能和時(shí)序驗(yàn)證、性能和可靠性分析，并支持設(shè)計(jì)空間開發(fā)。架構(gòu)的主要關(guān)注點(diǎn)之一是模塊化特性以及可用于分析各種不同系統(tǒng)方案的通用方法?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/虛擬原型">虛擬原型的架構(gòu)是由眾多的基本模塊構(gòu)建的。這些模塊匯聚起來(lái)形成想要的系統(tǒng)，比如ADAS用例就是用大約150個(gè)模塊實(shí)例組裝而成的。功能提取如圖1所示。這種方案能夠方便地改變系統(tǒng)，例如只需用合適的模塊替換或擴(kuò)展現(xiàn)有系統(tǒng)就能改變通信通道。借助這種方法可以很容易地使用已有的IP組件集成新的應(yīng)用。虛擬系統(tǒng)是用XML文件配置的，因此能夠在運(yùn)行時(shí)期間方便地完成模塊的組裝和配置。


圖1：虛擬原型的模塊化結(jié)構(gòu)

分布式ADAS用例包含：

。兩個(gè)攝像機(jī)

。一個(gè)預(yù)處理器模塊

。一個(gè)圓周檢測(cè)模塊

。一個(gè)速度標(biāo)志分類模塊

。一個(gè)立體深度圖計(jì)算模塊

。一個(gè)人機(jī)界面（HMI）

系統(tǒng)包含兩個(gè)ADAS功能：立體深度圖（SDM）和交通標(biāo)志識(shí)別（TSR）。這兩個(gè)系統(tǒng)功能共享公共的攝像機(jī)和圖像預(yù)處理模塊。通信網(wǎng)絡(luò)必須轉(zhuǎn)發(fā)多種不同的圖像流，包括原始攝像圖像，預(yù)處理后的圖像，檢測(cè)到的圓周剪輯，立體深度圖或分類的速度值。根據(jù)模塊所發(fā)揮的作用，對(duì)基本通信網(wǎng)絡(luò)的要求是不同的。舉例來(lái)說(shuō)，預(yù)處理模塊要求1至n的通信組合來(lái)應(yīng)對(duì)多個(gè)接收器。攝像機(jī)圖像流提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。另一方面，剪輯過(guò)的交通標(biāo)志以突發(fā)的方式出現(xiàn)。為了揭示這種通信技術(shù)的影響，需要詳細(xì)分析立體深度圖應(yīng)用的攝像機(jī)數(shù)據(jù)流。

通信技術(shù)對(duì)應(yīng)用的影響

立體深度圖的計(jì)算需要同步發(fā)送兩個(gè)預(yù)處理后的攝像機(jī)圖像。如果圖像沒有與諸如順序號(hào)等額外信息取得關(guān)聯(lián)，那么接收緩沖器就有必要包含連續(xù)同步的攝像機(jī)圖像。因此，通信網(wǎng)絡(luò)必須確保左右攝像機(jī)圖像在兩次順序讀取操作之間總能成對(duì)發(fā)送。不同種類的通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)影響到這種行為。由于比如具有不確定性訪問行為的共享通信通道而存在置換的可能性。不同通道類型或通道的使用可能導(dǎo)致不同的時(shí)延，進(jìn)而導(dǎo)致使用老的圖像實(shí)例。


圖2：左右攝像機(jī)圖像之間存在置換時(shí)的立體深度圖（a）沒有置換（b）一幀（c）兩幀（d）三幀置換

圖2顯示了左右攝像機(jī)圖像之間存在不同置換時(shí)的立體深度圖。近的物體顯示為從紅色開始的暖色調(diào)，遠(yuǎn)的物體顯示為冷色調(diào)，如藍(lán)色。物體越近，顏色越暖，反之亦然。圖中的左上角是左右圖像同步的結(jié)果圖像。從圖中可以看到前面的樹（圖像的右邊角落）被很好地檢測(cè)到。在右上方的圖像中，左右攝像機(jī)之間引入了一幀的置換。深度信息沒有覆蓋完整的樹。在右下的圖像中，插入了三幀的置換。從圖中可以看到，樹幾乎沒有檢測(cè)出來(lái)，有關(guān)距離的信息也出現(xiàn)了差異。

MOST的同步通道是最適合完成上述任務(wù)的通道。它能提供具有確定性時(shí)延的非共享通道。由于是連續(xù)的圖像流，帶寬是一定要分配的。這種通道的最大好處是允許1至n的通信，因而預(yù)處理器件和HMI都能接收攝像機(jī)圖像，并利用深度信息計(jì)算重疊。

系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化

可以根據(jù)實(shí)際使用情況用虛擬原型確定最優(yōu)的配置參數(shù)。ADAS場(chǎng)合中最重要的緩沖器位于MOST器件和應(yīng)用之間，如圖1所示。緩沖器被分為接收和發(fā)送緩沖器。接收緩沖器的使用被用作例子。模擬INIC基本行為的MOST數(shù)據(jù)處理器從MOST幀提取/向MOST幀寫入數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)每隔20.833？s存儲(chǔ)到接收緩沖器中。在應(yīng)用側(cè)，以應(yīng)用中斷速率讀取緩沖器。為了避免緩沖器溢出和隨之而來(lái)的數(shù)據(jù)丟失或重傳，必須平衡這些讀寫訪問。在虛擬原型中，可以很容易地監(jiān)視緩沖器的使用，例如使用不同的應(yīng)用中斷速率，或影響幀使用的各種業(yè)務(wù)情景。

數(shù)據(jù)包通道共享應(yīng)用的評(píng)估

虛擬原型的巨大潛力在于能夠分析依賴于各種參數(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。評(píng)估架構(gòu)允許捕獲、監(jiān)視、比較和分析不同節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)，如應(yīng)用發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理器，不同類型的緩沖器或MOST總線自身上的數(shù)據(jù)。用戶可以在配置文件中方便地定義數(shù)據(jù)訪問點(diǎn)，從而允許用戶分析整個(gè)系統(tǒng)行為。

下面的使用案例分析了共享數(shù)據(jù)包通道的兩個(gè)應(yīng)用的行為。在TSR場(chǎng)合，剪輯后的圖像通過(guò)數(shù)據(jù)包通道傳送，因?yàn)闆]有必要采用固定的帶寬分配。這種場(chǎng)合可以評(píng)估額外連接的影響。第一個(gè)連接基于MOST高協(xié)議（MHP），第二個(gè)連接基于MOST以太網(wǎng)協(xié)議（MEP）之上的TCP/IP.MHP是通過(guò)封裝源自NetServices的協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，TCP/IP協(xié)議則是通過(guò)封裝開源lwIP——輕量級(jí)TCP/IP棧實(shí)現(xiàn)的。


圖3：使用不同工具評(píng)估TCP/IP和MHP數(shù)據(jù)連接

圖3顯示了一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器場(chǎng)合下所產(chǎn)生的跟蹤數(shù)據(jù)的提取。最底下的圖顯示了共享接收緩沖器中的四次緩沖器溢出。倒數(shù)第二張圖顯示了以字節(jié)為單位的緩沖器使用情況。中間兩張圖分別顯示了用比如圓周檢測(cè)、（MHPOutNode01）發(fā)送的數(shù)據(jù)以及用比如接收器HMI（MHPInNode00）接收的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出由于緩沖器溢出而丟失了兩個(gè)消息（圖中用紅色圓圈標(biāo)志），并且MHP在塊末尾重傳了數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證行為的正確性，可以用OptoLyzer工具套件額外地觀察MHP業(yè)務(wù)軌跡。如圖所示，MHP通過(guò)發(fā)送MultipleFramRequest來(lái)重傳0x02和0x09幀。

最上面兩張圖顯示了由MEP通信完成的數(shù)據(jù)交換。為了分析這些通信，使用了開源數(shù)據(jù)包分析儀Wireshark.在提交的使用案例中可以看出，TCP/IP重傳超時(shí)（由第三個(gè)緩沖器溢出引起的丟幀觸發(fā)）時(shí)間長(zhǎng)度足夠MHP連接發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集。這個(gè)簡(jiǎn)單例子展示了如何使用評(píng)估架構(gòu)詳細(xì)地觀察系統(tǒng)行為。借助到已有分析工具的鏈接，可以實(shí)現(xiàn)虛擬原型方法的完整集成。

本文小結(jié)

上述ADAS例子表明，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間必須確定各種系統(tǒng)參數(shù)。上述不同例子表明，虛擬原型能夠通過(guò)提供基于仿真的分析評(píng)估不同替代方案來(lái)支持各種決策。虛擬原型允許詳細(xì)的觀察系統(tǒng)行為。在已有分析工具的幫助下，可以分析在不同系統(tǒng)約束條件下的系統(tǒng)行為。在TSR和SDM情景分析中，使用到了MOST總線的諸多好處，比如在獨(dú)特的同步通道上以及在共享的數(shù)據(jù)包通道上并發(fā)傳送數(shù)據(jù)的能力，用一個(gè)發(fā)送器或集成額外通信協(xié)議（如TCP/IP）解決多個(gè)接收器的能力。