ADAS和HMI开发是仿真解决方案的新应用领域

ADAS和HMI开发是仿真解决方案的新应用领域。

在没有实体原型的情况下进行新车设计、研发和制造的想法通常会被认为是不切实际的。就算如今的虚拟开发能力越来越强，专家依旧认为需要用实体原型来验证虚拟模型的保真度。

但对于提供实时仿真和驾驶模拟器的顶级供应商来说，“零原型”并不只是一句口号。就像对VI-grade来说，“零原型”是一场改革。

VI-grade的董事总经理Guido Bairati表示：“我们的客户公司有部分已经将其第一个实体原型的建造放在设计周期最后的阶段了。这样的原型车实际上就是预生产的汽车了。”

总部位于德国达姆施塔特的VI-grade由思百吉集团于2018年收购。Bairati认为，凭借其丰富的仿真工具系列，该公司即将实现在汽车与ADAS（一个迅速成长的应用领域）开发中彻底淘汰实体原型的愿景。通过构建车辆仿真模型，工程师能够在计算机上进行多次离线运行，识别边缘场景，甚至可以在建造首个原型之前，使用驾驶模拟器对这些场景进行评估。这样一来，工程师们就可以预先研究问题并完成 V-model（验证与确认）最后阶段的大量开发工作。

Bairati在接受SAE采访时说：“基本上，整个开发过程都会提前——越早发现问题，就越容易解决它们。”只要当某个硬件部件（比如转向系统、阻尼器、摄像头或激光雷达）准备就绪，就可以将其纳入结合了硬件在环（HiL）测试和VI-grade驾驶模拟器的开发流程中。工程师不再需要完整的实体原型，而是使用Bairati所称的“混合原型（hybrid prototype）”，其中一些部件由软件模拟，另一些则是实体硬件。

Bairati继续解释道：“实际上，驾驶模拟器可以说是一个将所有资源整合起来的平台。”最新的仿真技术可帮助VI-grade客户获得各种利益。例如，沃尔沃报告称，其最新SUV平台的开发周期减少了50%。VI-grade的另一个主要客户福特汽车声称，使用仿真技术，原本需要一个月才能在试验场完成的任务现在只需一周即可完成。Bairati说：“这还不包括建造原型、将原型运送到试验场以及派遣工程师和驾驶员到试验场的时间和成本。”

福特汽车关键方法与仿真/VAI驾驶模拟器主管Louis Jamail解释说：“我们试图使用仿真来模拟真实世界，但这并不是为了替代真实世界，而是给出一种更完善的工作方法。”他表示福特在研发末期仍会使用实体验证，“但如果能在没有原型的情况下完成80%的开发工作，我们取得的成果也会更加稳定。就算还是需要投入20%的时间制作原型，那依然是划算的。”福特的仿真设施正在不断扩大，并以100%的产能运行。对此，Jamail的团队也在“一步一步”将仿真融入福特的整个产品研发体系，以帮助工程师和技术人员全面了解这些工具。Jamail 补充说：“我曾是一名测试驾驶员，也做过开发工程师。我希望能把我累积了二十多年的知识应用在虚拟领域中。”

用仿真开发ADAS

仿真技术有望减少开发时间及成本并简化产品开发流程，它点燃了全球汽车仿真解决方案市场。据某OEM仿真经理所说，SAE也统计过，有三十多家公司已经在开展驾驶模拟器业务，其中VI-grade、AB Dynamics等公司被各OEM的仿真部门经理公认为业界翘楚。Technavio Research 发布于2023年1月的一份报告称，仅驾驶模拟器市场就将预计增长3.81亿美元，复合年增长率为5.65%，在预测期内，北美预计将占市场增长的34%。

但专家表示市场增长仍将面临阻力，比如仿真验证的高成本会导致仿真器的总持有成本（TCO）增加。举例来说，福特迪尔伯恩仿真中心的核心是VI-grade的旗舰产品DiM250动态驾驶模拟器，包括建造、安装和人工成本在内的总投资高达500万美元。根据Technavio的说法，汽车仿真领域的验证流程较为有限，尤其是对于那些采用人为因素仿真的研究。全面验证人为因素驾驶员在环（DiL）仿真器的极高成本还会继续上升。

然而，这些潜在阻力并没有阻碍OEM将仿真战略整合进汽车开发的组织架构中。就在福特迪尔伯恩仿真中心试运行全新的DiM250后不久，福特南京研究工程中心就启用了一台新的VI-grade紧凑型仿真器，并配备了“虚拟测试跑道”数据包。这些公司现在正在努力将3D虚拟数据集成到驾驶模拟器中，模拟福特在南京的测试赛道。

仿真不仅在传统的车辆动力学领域发挥稳定，在ADAS和自动驾驶汽车开发中也自然而然地找到了落脚点。Progress Technologies Group是一家来自日本的工程服务公司。CEO中山岳人近日宣布将在其最新建成的工程设施中使用全新的VI-grade DiM驾驶模拟器。他希望这一工具不仅可以用于人为因素开发，还能在“自动驾驶系统功能验证和高级安全控制系统”与该公司基于模型的系统工程（MBSE）和基于模型的定义（MBD）技术相集成时对其进行“功能验证”。

改变产品开发的游戏规则

加拿大安大略省McMaster大学首席研究工程师Lucas Bruck观察道：“谁都知道仿真既能节省成本，也能缩短开发时间，也确实如此。但在我看来，驾驶模拟器最有价值的贡献在于其提供的设计灵活性，它可以添加操控性和性能，让工程师可以提早研究这些问题。这对ADAS等应用来说改变了游戏规则，特别是对于ADAS与硬件在环结合的情况。”

在ADAS和自动驾驶的开发中，驾驶模拟器正在“改变游戏规则”。它把环境因素（如天气以及无数现实世界的驾驶条件）引入协作工作环境的模型中，而不会让这些条件在现实世界中对工程师造成阻碍。

现为Guidehouse Insights电子移动解决方案部门首席研究分析师的Sam Abuelsamid曾任ABS、牵引控制和稳定性控制系统的开发工程师。他表示：“随着工程师采用越来越多的人工智能技术，ADAS与自动驾驶系统的验证会成为驾驶模拟器的热门应用领域。以前，我们是有一套测试场景，但相对有限。因为我们知道最终表现还是取决于人类驾驶员，我们只是起到辅助作用。但现在，全自动驾驶系统必须能够应对现实世界中的每一个可能发生的场景。”

据Bairati介绍，VI-grade针对ADAS的仿真解决方案无缝连接了控制系统设计、交通仿真、天气条件、传感器融合和驾驶模拟器。车载传感器阵列可与车辆一起建模到交通仿真环境之中，以验证常见的SAE L2级自动驾驶的功能，比如自动紧急制动、自适应巡航控制和车道偏离警告；也可以在子系统和系统级别下进行硬件测试。

针对ADAS研究，一套经典的VI-grade驾驶模拟器配置包括静态或全动态模拟器（公司表示，大多数客户都会配备两种以测试和调整不同类型的系统）；一个真实汽车的驾驶座（提供真实沉浸的驾驶体验）；还有主动安全系统（如为驾驶员提供额外警示的安全带和座椅震动器）。控制系统、传感器和其他设备都能够以SiL或HiL的形式添加。公司称，在ADAS的研究中，使用HiL可以用真实硬件组件（单个或融合传感器）对嵌入式控制器进行测试。如此，便可在最终系统集成之前更好地模拟真实世界的条件。

作为上述灵活性优势的又一印证，还可以通过传感器融合测试将传感器测试扩展到驾驶模拟器中，从而在进行真实道路测试之前，在实验室环境中对ADAS功能（包括驾驶员对测试参数的反应）进行全面且安全的评估优化。

未来的机会

专家们提到另一个可以发挥仿真价值且正在开发的领域：训练测试工程师。他们富有远见和实践经验，能够在赛道上进行五圈测试后提出诸如阻尼率需要增加百分之几的Ns/m等意见。驾驶模拟器训练课程可以让测试工程师理解当参数发生变化时，车辆的感觉如何变化。Abuelsamid断言称：“让他们收获相关经验后，还可以反过来训练软件。”

驾驶模拟器的另一个正在增长的应用领域是人因设计，因为人机交互（HMI）的开发对于乘员的安全性、舒适性和便利性十分重要。驾驶模拟器可以用于优化HMI设计，改善车辆与司机之间的通信，确保驾驶员保持注意力，并在车辆内部设计方面发挥作用，以提高驾驶和运输体验。

对于车辆开发团队以及为实现这一目标提供解决方案的公司来说，零原型是一个具有高价值的目标。McMaster大学的虚拟仿真和测试专家Bruck说：“我相信‘零原型’能完全实现吗？其实不然。我这么说是因为我已经在这个行业工作了10年。不过我相信，大幅减少原型是可以实现的。”