CN107728491A - 一种v2x车联网在环仿真*** - Google Patents

一种v2x车联网在环仿真*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种V2X车联网在环仿真***，属于车联网领域。该***主要由IPG Carmaker车联网仿真平台(01)、Simulink环境模块(02)、信道仿真器(03)、V2X通信终端(04)和V2X路侧设备(05)搭建而成。IPG CarMaker仿真工具负责仿真场景的搭建以及仿真参数配置；Simulink环境模块负责搭建信道模型、仿真场景和真实场景映射模型、控制模型以及通信模型等；信道仿真器用于对LTE‑V、802.11p通信协议进行性能测试；V2X通信终端通过与Simulink通信模型建立连接获取场景信息实现在环仿真；V2X路侧设备将获取到的真实场景的信息导入到仿真场景中实现室外测试功能。各个模块相辅相成，形成一个完善的在环仿真***，为车联网应用提供一个良好的测试与验证平台。

Description

一种V2X车联网在环仿真***
技术领域
本发明属于车联网***技术领域，利用IPG Carmaker仿真工具、Simulink工具、信道仿真器、V2X通信终端、V2X路侧设备等模块搭建车联网在环仿真测试***实现V2X通信测试、真实场景和仿真场景的相互映射及信息交互、真实自身车辆和交通对象接入仿真场景以及车联网应用功能一致性测试。
背景技术
随着当今社会汽车数量的日益增长，交通拥堵、交通事故的现象频频发生，而车联网的提出对缓解这些问题带来了曙光。在车联网相关研究中，为了减少成本，减少对实际场景的依赖，提高研究开发效率，准确地对车联网通信与功能一致性测试等工作，通常需要借助室内仿真***来完成。
目前，国内外也在不断深入研究和搭建车联网仿真***，并取得了一些进展。如图2所示，是现有方案的流程图，它是把网络仿真软件(06)和道路仿真软件(07)结合在一起，从而来构建一个车联网仿真***。网络仿真软件主要模拟车联网的通信特性，道路仿真软件主要负责模拟车辆的移动特性，图2中描述的方法可以把真实世界轨迹导入网路仿真软件中，网络仿真软件和道路交通软件通过中间件技术进行耦合，从而实现信息的交互。
在上述仿真方法中虽然实现了真实世界和仿真场景的信息交互，但由于需要通过网络仿真软件才能把外界信息传递到道路交通仿真器，因此信息传递的效率不高，实时性较差，而且在目前来看，该方法所用的通信中间件技术研究成本高，技术还不太成熟，网络仿真器的种类繁多以及更新频繁，要实现不同平台的有机结合工作量极大，可操作性也不强。另外，该方法主要依赖仿真软件进行车联网的相关技术测试，没有建立真实场景和仿真场景的相互映射模型，也没有将真实车辆以及真实场景的交通对象模拟到仿真场景中。总而言之，该方法对车联网应用的测试不灵活，测试信息的实用性以及模型的准确性也得不到保证。
发明内容
针对车联网应用在仿真平台的欠缺，本发明的目的是借助IPG Carmaker仿真平台、Simulink工具、无线信道仿真器、V2X通信终端、V2X路侧设备等构建一个车联网在环仿真、测试与验证***。该仿真***能够实现对车联网两大通信协议的测试，实现真实场景和仿真场景的实时相互映射及信息交互，实现真实自身车辆和交通对象接入仿真场景以及车联网应用功能一致性测试。
为了实现上述目的本发明的技术方案是：一种V2X车联网在环仿真***，包括IPGCarmaker车联网仿真平台、Simulink环境模块、信道仿真器、V2X通信终端和V2X路侧设备。
其中，所述IPG Carmaker车联网仿真平台搭建有车联网仿真场景，用于输出仿真环境参数到Simulink环境模块，接收外部测试验证对象的数据并显示；车联网仿真场景包括调用建筑物模型库建立的建筑物体、树木和停车场模型，调用车辆模型库建立的不同型号的车辆，调用交通道路模型库建立的弯道、直道、斜坡和十字路口道路模型，调用交通灯模型库建立的交通灯模型。
所述Simulink环境模块，用于建立IPG Carmaker车联网仿真平台与V2X通信终端之间，以及IPG Carmaker车联网仿真平台与V2X路侧设备之间的数据通信；Simulink环境模块具有串口通信模块，通过串口通信模块实现IPG Carmaker车联网仿真平台与V2X通信终端之间的通信。在Simulink环境模块中还具有CAN报文封装模块，CAN报文封装模块通过网口与工控机连接，工控机与V2X通信终端之间通过CAN总线通信。
所述信道仿真器，用于导入经Simulink环境模块的由车联网仿真场景输出的场景信道数据，将根据场景信道数据变化生成的信号，输出到需要测试的V2X通信终端，对通信协议进行性能测试。
所述V2X通信终端，用于接收信道仿真器的信息并测试通信性能，或/和接收车辆控制与运行参数，并通过Simulink环境模块上传到车联网仿真场景控制仿真车辆，动态显示车辆的实际状态。
所述V2X路侧设备，用于实时获取真实场景的信息状态，通过Simulink环境模块上传到车联网仿真场景控制仿真的交通对象。真实场景的信息状态包括运动对象的位置、速度和运动方向信息，交通灯的位置、状态和剩余秒数信息。
在上述方案中，结合所述Simulink环境模块中设置的UDP/TCP通信模块，可以进行以下室外测试，实现V2X通信终端设备和Simulink环境模块之间的实时通信，形成真实车辆和仿真车辆的动态映射。
本发明的有益效果是：本发明以仿真平台为基础，仿真场景为依据，构建了一个基于V2X的车联网在环仿真***，并且通过在Simulink环境中建立了信道模型对LTE-V、802.11P通信标准进行了性能和功能测试，通过真实场景和仿真场景的信息交互实现真实交通对象接入仿真平台的方法，对车联网标准和功能进行了一致性测试，为车联网***的测试和实践降低了成本，大大减少了人力和物力。这种在环仿真***比单纯的仿真***数据更可靠，精确度更高，演示效果更好，同时也为车联网应用(如提高车辆的安全系数、增强车辆的通行效率)的测试奠定基础。
附图说明
图1是车联网在环仿真***总体架构图；
图2是现有车联网仿真***的原理图；
图3是利用IPG Carmaker仿真平台搭建车联网仿真场景的结构图；
图4是建立Simulink信道仿真模型测试LTE-V、802.11P通信性能的流程图；
图5是借助V2X通信终端对LTE-V、802.11P通信功能测试的流程图；
图6是实现真实场景和仿真场景实时相互映射的流程图；
图7是在环仿真***设计流程图；
图8是室外真实车辆接入仿真场景的流程图；
图9是室外真实车辆接入仿真场景的另一种流程图；
图10是室外真实场景交通对象接入仿真场景的流程图；
图11是把输出到外部通信设备的数据进行格式转化以及解析的流程图；
图12是把输入到仿真场景的数据进行格式转化以及解析的流程图；
图13是车联网防撞预警功能一致性测试的的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和主要用途阐述更加清楚明了，下面将结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明的目的是借助IPG Carmaker仿真平台、Simulink工具、信道仿真器、V2X通信终端通信设备以及V2X路侧设备搭建一个车联网在环仿真***，如图1所述。为了实现该目的，首先，本发明提供基于仿真平台IPG Carmaker的仿真场景搭建。
车联网是一个庞大的网联***，里面包含车辆、行人、交通灯等交通对象，本发明借助IPG Carmaker仿真平台设计一种车联网仿真场景，该车联网***仿真场景的建立包含以下三个部分。
第一，仿真测试环境的选择。针对不同的测试环境建立不同的道路类型和道路信息，其中道路类型包括城市道路、乡村道路、高速公路等，道路信息包含直道、弯道、丁字路口、十字路口等。
第二，交通对象的选择。车联网***涉及的主要交通对象有车辆、行人、交通灯、绿化、房屋、电子设备等信息。这些交通物体可以根据实际需要放置在场景中指定的位置，设定不同的功能。
第三，仿真车辆的行驶控制和路径设定。与其它仿真软件相比，IPG Carmaker仿真平台拥有更强大的驾驶员模型，场景里设置的任何车辆都可以控制它的行驶行为和行驶路径，这给车联网仿真***的搭建奠定了基础。
具体，IPG Carmaker仿真平台可以根据车联网测试需求搭建仿真场景，参见图3所示，调用IPG Carmaker仿真平台里的建筑物模型库08可以在场景中设置建筑物体、树木、停车场等交通对象；调用IPG Carmaker仿真平台里的车辆模型库09可以在场景中设置不同型号的车辆；调用IPG Carmaker仿真平台里的交通道路模型库10可以在场景中设置弯道、直道、斜坡、十字路口等道路类型；调用IPG Carmaker仿真平台里的交通灯模型库11可以在场景中设置交通灯。通过调用这些模型库进行仿真环境的参数配置，这些参数可以通过TCL文件格式实时显示在仿真场景中，也可以通过场景输入输出关联模型12实时传递到Simulink环境中，为Simulink模型的搭建提供数据基础。
车联网的关键技术在于V2X通信，本发明借助IPG CarMaker仿真平台搭建好的仿真场景以及V2X通信终端设备进行了车联网V2X通信测试。本发明提供了LTE-V、802.11P两种车联网通信协议的性能测试方法，具体方案如下：
所述的车联网通信协议的性能测试方法需要在Simulink环境中建立信道仿真模型，该信道模型的输入参数为仿真场景产生的实时参数，该信道模型的输出参数为一系列信道冲击响应，最终模拟出接收方的接收信号，并传给信道仿真器，最后通过天线发送给V2X通信终端设备，从而测试LTE-V、802.11P的通信性能。
进一步的，所述的两种车联网通信协议的功能测试方法是通过将仿真环境的参数实时发送给V2X通信终端，V2X通信终端再通过LTE-V、802.11P相互通信后再回传到仿真环境中实现的。将仿真场景中需要验证的数据通过CAN总线(车辆参数)和串口(GPS映射信息)模块实时传输到真实场景中V2X通信终端通信设备(集成了802.11P或者LTE-V的通信模块)中，模拟V2X通信获取场景信息。然后V2X通信终端通过802.11P或者LTE-V通信之后把数据回传到仿真场景中仿真车辆的车窗玻璃上显示。
针对以上车联网V2X通信测试，本发明对国内外目前运用最广泛的两种车辆通信协议进行性能和功能测试。参照图4所示，该方法是提供LTE-V、802.11p车辆通信协议的性能测试。在本方法中，车辆与车辆通信需要建立信道模型13，该信道模型为Simulink模型，具体实施办法为：在仿真场景中选取两辆车，一个作为发送方，另一个作为接收方，将发送方和接收方的位置、速度、方向角，有无遮挡等信息作为信道模型的输入，然后此信道模型会输出一系列信道冲击响应，最终模拟出接收方的接收信号，最后将这些信号输入到信道仿真器14中进行测试，再把测试结果通过天线传送给V2X通信终端。
基于仿真***和V2X通信终端的CAN总线通信，本发明提供LTE-V、802.11p车辆通信协议的功能测试方法。具体实施方法参照图5所示，IPG Carmaker仿真平台将生成的仿真车辆参数进行CAN报文编制15，编制后生成的CAN报文DBC再通过Msys编译工具16编译通过网口传输给工控机(XPark)17，V2X通信终端把从工控机获取的仿真车辆参数经过LTE-V、802.11p通信后回传给仿真场景的仿真车辆车窗玻璃上。
参照图6所示，该方法提供仿真场景和真实场景的相互映射功能，为构建在环仿真***奠定基石，其实施方案包括以下几个步骤：
第一步，打开Google地图软件，在地图里设定路径，其中设定路径的方法包含两种方式：第一种方式是在软件中输入起点和终点后，Google地图便会形成一个路径文件；第二种方式是人为在地图中设定起点和终点，同样会形成一个路径文件。
第二步，得到路径文件之后将其修改成TCL格式，导入到IPG Carmaker仿真平台中。
第三步，导入路径文件之后相当于把真实地图映射到仿真平台中，为了实现仿真场景二维坐标和真实场景经纬度坐标的相互映射，需要在Simulink环境中建立了一个位置映射模型18，从而实现真正意义上的虚实场景映射功能，其中位置映射原理是基于球面坐标和大地坐标的投影关系，具体实施方式为：
以仿真场景二维坐标的原点为基点，可以通过在Simulink环境中编程求出仿真场景中交通对象对应此基点的距离L：
其中，(x1,y1)为基点的坐标，(x2,y2)为仿真场景某一个交通对象的坐标。
以坐标y轴对应地理坐标的正北方向，可以通过在Simulink环境中编程求出仿真场景中交通对象对应正北方向的方位角α：
最后根据基点所对应的经纬度坐标、距离、方位角建立Simulink映射模型求出仿真场景二维坐标所对应真实场景的经纬度坐标，计算公式如下：
Bw＝90-arccos(cos(90-Aw)×cos(C)+sin(90-Aw)×sin(C)+cosα)(3)
其中，Aj为基点的经度，Aw为基点的纬度；Bj为仿真场景交通对象的经度，Bw为仿真场景交通对象的纬度(北纬为正，南纬为负；东经为正，西经为负)，弧度C为：
其中，R为地球平均半径。
参照图7所示，该方法提供车联网在环仿真***的搭建，将仿真场景中自身车辆参数以及周围交通对象的参数通过场景输入输出关联模型传输到Simulink环境中，再将这些参数通过串口或者CAN总线通信实时传输给V2X通信终端，模拟V2X通信获取的真实场景信息。CAN总线通信是将仿真场景的参数封装成CAN报文格式，编译后通过PC机网口传给工控机(XPark)，工控机再转发给V2X通信终端。其中工控机具有实时性强、接口丰富、数据容量大的特点，测试效果好。具体实施方法为：在Simulink环境中，调用IPG CarMaker工具箱19将仿真场景中交通对象的参数通过Simulink输入输出模型传输到Simulink的串口通信模块20或者工控机中，再通过Simulink的串口通信模块或者工控机建立IPG CarMaker仿真平台与V2X通信终端的通信连接，把交通对象的参数实时输出到真实场景中的车载V2X通信终端上，结合真实场景和仿真场景的映射功能以及车辆之间的相互通信，模拟V2X通信获取的真实场景信息，实现车联网的在环仿真。
在进行室外仿真测试和验证时，可以将车辆以及路侧单元接入仿真场景中，具体为：
把真实车辆的油门、刹车、转角和离合参数或者直接把车辆的速度通过UDP/TCP通信传入仿真平台中，通过这种方法可以实时控制仿真场景中的车辆。同理，也可以通过此方法实现仿真场景的车辆控制真实车辆。
所述UDP/TCP通信为V2X通信终端和Simulink UDP/TCP通信模块之间的相互通信，Simulink通信模块可以接收V2X通信终端信息也可以发送仿真场景里的参数信息。
所述的真实车辆控制仿真车辆是通过Simulink UDP/TCP通信模块从V2X通信终端接收到车辆的运动参数后，再通过场景输入输出关联模型把这些车辆运动参数传输给仿真场景中指定的仿真车辆实现的。
所述的仿真车辆控制真实车辆是通过场景输入输出关联模型把仿真场景中指定仿真车辆的运动参数发送给Simulink UDP/TCP通信模块，再发送给V2X通信终端实现的。
所述的场景输入输出关联模型是通过在Simulink环境中调用IPG CarMaker工具箱实现的。
参照图8和图9所示，是把真实车辆接入仿真场景的实现流程图，首先把真实车辆的油门、刹车、转角和离合参数或者直接把车辆的速度信息通过车载OBD模块21存储到V2X通信终端设备中，然后通过UDP/TCP通信将这些参数从V2X通信终端设备中传入仿真场景中，实现实时控制仿真场景中的车辆，形成真实车辆和仿真车辆的动态映射。
除此之外，仿真车辆的运动参数同样可以通过UDP/TCP通信实时控制真实车辆，模拟自动驾驶。
上述方法中提到的UDP/TCP通信是指V2X通信终端设备和Simulink UDP/TCP通信模块之间的通信，Simulink环境里集成有UDP/TCP通信模块，与V2X通信终端建立通信连接后，数据就可以实时相互传输。同时，V2X通信终端实时获取真实车辆的运动参数并传递给仿真***的车辆控制接口单元，从而控制仿真场景中指定的仿真车辆。
参照图10所示，根据图8和图9的原理，还可以将运动对象的位置、速度和运动方向信息，交通灯的位置、状态和剩余秒数信息模拟到仿真场景中，不同的只是V2X通信终端设备变成了V2X路侧设备。
针对真实场景中的交通灯，把它的位置、状态、剩余秒数等参数传入到仿真场景中模拟的交通灯上，并通过信息交互让真实交通灯和仿真交通灯的参数保持同步。
针对真实场景中运动对象，把它们的位置、速度、方向角参数传入到仿真场景中对应的运动对象上，并通过信息交互让真实运动对象和仿真运动对象的参数保持同步。
由于Simulink的UDP/TCP模块只支持字节流数据格式，因此本发明提供对于多个数据同时发送时进行数据解析的方法，该方法运行在Simulink环境中。参照图11所示，是数据从仿真场景传输到V2X通信终端设备的流程图，为了便于V2X通信终端设备对接受的数据进行处理，仿真平台需要对多个字节流数据进行数据类型的转换，然后进行打包(相当于每个字节按顺序发送)，方便V2X通信终端设备的存储和处理。
参照图12所示，是数据从V2X通信终端设备发送到仿真场景的流程图，外部设备每隔一定周期发送一串字节流时，Simulink环境中的Unpack模块将这串字节流进行解包，然后按顺序依次输入到仿真平台的各个数据接口中。
参照图13所示，是车联网应用车辆防撞预警功能一致性测试的流程图，具体实施方法为：首先按照图6的原理搭建好真实场景和仿真场景的映射模型、信息交互模型后，在真实场景中设定两辆车并按照图8或图9的原理把它们的油门、刹车、转角和离合参数传入到仿真场景中控制仿真场景中的两辆车，再按照图10的原理把真实车辆的实时参数(如位置、速度信息)传入到仿真场景中，利用这些数据建立Simulink防撞预警模型22实现两个车辆防撞预警功能。最后把预警结果信息再按照图10的原理实时传给真实车辆，告知驾驶员预警信息。
通过上述原理还可以实现更多的车联网应用功能一致性测试；除此之外，通过对仿真环境产生的参数进行格式封装实现对车联网应用标准的一致性测试；这种测试方法具有更精确、更有效等特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非进行限制；对于本技术领域的专业技术人员或者普通人来说，在本发明所限定的权利范围内依然可以进行相关的修改和改善，但这些改变也应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种V2X车联网在环仿真***，其特征在于：包括IPG Carmaker车联网仿真平台(01)、Simulink环境模块(02)、信道仿真器(03)、V2X通信终端(04)和V2X路侧设备(05)，
其中，所述IPG Carmaker车联网仿真平台(01)搭建有车联网仿真场景，用于输出仿真环境参数到Simulink环境模块，接收外部测试验证对象的数据并显示；
所述Simulink环境模块(02)，用于建立IPG Carmaker车联网仿真平台与V2X通信终端之间，以及IPG Carmaker车联网仿真平台与V2X路侧设备之间的数据通信；
所述信道仿真器(03)，用于导入经Simulink环境模块的由车联网仿真场景输出的场景信道数据，将根据场景信道数据变化生成的信号，输出到需要测试的V2X通信终端，对通信协议进行性能测试；
所述V2X通信终端(04)，用于接收信道仿真器的信息并测试通信性能，或/和接收车辆控制与运行参数，并通过Simulink环境模块上传到车联网仿真场景控制仿真车辆，动态显示车辆的实际状态；
所述V2X路侧设备(05)，用于实时获取真实场景的信息状态，通过Simulink环境模块上传到车联网仿真场景控制仿真的交通对象。
2.根据权利要求1所述一种V2X车联网在环仿真***，其特征在于：所述车联网仿真场景包括调用建筑物模型库(08)建立的建筑物体、树木和停车场模型，调用车辆模型库(09)建立的不同型号的车辆，调用交通道路模型库(10)建立的弯道、直道、斜坡和十字路口道路模型，调用交通灯模型库(11)建立的交通灯模型。
3.根据权利要求1所述一种V2X车联网在环仿真***，其特征在于：所述Simulink环境模块具有串口通信模块，通过串口通信模块实现IPG Carmaker车联网仿真平台与V2X通信终端之间的通信。
4.根据权利要求1所述一种V2X车联网在环仿真***，其特征在于：所述Simulink环境模块还具有CAN报文封装模块，CAN报文封装模块通过网口与工控机连接，工控机与V2X通信终端之间通过CAN总线通信。
5.根据权利要求1到4任一项所述一种V2X车联网在环仿真***，其特征在于：所述真实场景的信息状态包括运动对象的位置、速度和运动方向信息，交通灯的位置、状态和剩余秒数信息。
6.根据权利要求5所述一种V2X车联网在环仿真***，其特征在于：所述Simulink环境模块中还设置UDP/TCP通信模块，实现V2X通信终端设备和Simulink环境模块之间的实时通信，形成真实车辆和仿真车辆的动态映射。
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