ADAS/AD 驗證領域的創新發展：Valeo 與 NI 合作之 HIL 架構的發展

​​移動革命的核心

​想以先進的自動化系統取代人類駕駛，就是希望能夠提高生產力、提升舒適度並減少道路交通事故。但是，如此野心勃勃的目標也有其挑戰與顧慮，尤其是攸關系統故障與安全等重大議題的層面。想達到更高的車輛自動化程度，就必須針對無數種實際情境進行全方位測試。

為因應這方面的挑戰，汽車公司不斷致力於開發相關技術與驗證測試策略。Valeo 公司就是其中一家汽車技術解決方案全球頂尖廠商。Valeo 在電動化、進階駕駛輔助系統 (ADAS) 與自動駕駛 (AD) 等領域都是開拓者。Valeo 與 NI 合作推動創新，並且致力於提供最先進的解決方案，雙方的合作正朝著更安全的未來邁進。

ADAS 與自動停車 (AP) 概述

​ADAS 系統日益複雜，在真實車輛中測試這些系統的難度也越來越高。虛擬驗證是為因應需求而生的產業趨勢，能縮短測試時間、降低成本，以及因應實際情況難以測試的極端情境。

​AP 系統在這方面的難度尤其高，因為這類系統必須靠整合感測器將車輛週遭環境繪製成虛擬地圖，從而支援自動停車操作。這類系統相當複雜，每個軟體版本都要進行數千次測試，因此驗證作業的規模相當大。不過，由於車輛上市前無車可測，因此想測試目標車輛中的整套系統往往是不可能的。

圖 1： ^{Valeo 自動停車 ECU 架構}

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​為克服這些挑戰，Valeo 的駕駛視覺系統 (DVS) 團隊採用了以開迴路與閉迴路硬體迴路 (HIL) 技術為基礎的完整測試法。這種測試法要運用實驗室環境中的專用測試台，針對執行於車外電子控制單元 (ECU) 的軟體進行測試：

• ​Open-Loop Replay HIL — 這種方法會將預錄的實際道路資料注入於 ECU。其用途主要在於測試電腦視覺演算法與偵測率。
• ​Closed-Loop Virtual HIL — 會產生合成感測器資料，並將資料輸入於 ECU。這個設定支援在 ECU 提供回饋，以利準確模擬車輛行為。

​雖然車內測試能提供實際的動態與環境，但成本高、耗時且有各種限制。另一方面，虛擬 HIL 測試能靈活擴充、採自動化作業且具備成本效益，卻少了實際情境的真實感。請務必注意，模擬環境越真實，HIL 測試就越接近實際情況。

​Valeo DVS 的角色

Valeo DVS 運用汽車攝影機加上魚眼鏡頭、超音波感測器和 ECU，能在開發車輛環視系統發揮重要作用。這些系統都是 AP 與駕駛輔助功能的一部分。Valeo 的測試工具與基礎架構團隊負責提供整個產品開發生命週期的驗證工具，包括研發設計到車內錄製、HIL 測試，以及生產中的產線末端 (EOL) 測試。

HIL 架構在 ADAS/AD 驗證中的發展

​這個領域的環境相當活躍，因此帶動 HIL 架構不斷發展。這些系統都經過調整，能因應業界不斷發展的需求，力求協助業界隨時掌握最新的技術發展與不斷成長的需求。

​目前 Valeo DVS 團隊使用三種與 NI 合作開發的不同 HIL 架構，每一種架構各自發揮不同的測試功能。

​多系統擴充介面 (MXI) 架構的 HIL

​由 Valeo DVS 團隊所開發的第一代 HIL 系統採用稱為 Vosstrex 的內部模擬引擎，這也是針對 Valeo 的感測器組合所設計打造的引擎。這個系統由一組魚眼攝影機與超音波感測器模型組成，可將合成資料從 Windows 架構的模擬電腦傳送至 NI PXI 系統與 ECU。

​具體而言，攝影機感測器能呈現模擬引擎的合成資料；資料經由流程間通訊傳送至 LabVIEW 應用程式，接著使用 MXI Express 傳送至 NI PXI 系統。在 PXI 系統中，FlexRIO FPGA 是軟體與硬體之間的介面，負責模擬真實的攝影機訊號以及之後會傳送至 ECU 的初階資料。

^{圖 2： 閉迴圈 MXI 架構的 HIL 架構圖}

​這個架構用於停車等低速駕駛之類的主要用途能發揮相當好的成效，因此相當適合用於該公司的特定需求。再者，他們的 Vosstrex 模擬不但能發揮相當充分的視覺真實感，更提供穩固的基礎，有利於進一步強化。

​不過，這種架構確實有其挑戰。其中最主要的挑戰就在於 MXI 介面的傳輸率有限，連帶使得資料傳輸率受到限制。此外，攝影機、超音波資料與車輛指標這三項關鍵要素之間，在時間方面無法同步，因此會形成另一項限制。儘管面臨這些挑戰，這套系統仍相當適用於原定的低速用途，而第三方模擬引擎的進步也為未來的模擬作業帶來了機會。

​目前 Valeo 約有 50 組 HIL 測試機，能支援 Valeo 的九個全球據點，可以測試超過 12 項 OEM 專案。這個 HIL 系統有助於在專案早期階段建立系統驗證架構，讓 Valeo 得以掌握完整的原始碼。由於能在 LabVIEW 中進行開發，因此他們得以隨著專案進度不斷改進整個系統，包括 FPGA 與模擬引擎。

^{​圖 3：在 Valeo 據點的 HIL Farm}

​HDMI 架構的 HIL

​以 MXI 為基礎的 HIL 架構系統之所以需要不斷發展，原因是要因應某歐洲高級 OEM 的需求。他們其中一部分的需求是要模擬 12 組高百萬像素的攝影機，也就是說，頻寬必須是舊版系統的四倍，還得用到兩組不同的 Linux 模擬引擎。Valeo 與 NI 合作後，成功打造出符合這些標準的解決方案。

^{​圖 4： 十二組攝影機的模擬架構}

圖 4 的配置採用四台電腦與十二組顯示卡，其中每個 GPU 分別模擬一台攝影機。採用 Linux 架構的電腦，執行這十二台攝影機的攝影機感測器模型，從而進行模擬。GPU 輸出實體連接採 HDMI 接線方式連接至 PXI FPGA，因此，在這樣的傳輸路徑中會進行數次轉換。具體而言，整個作業包括從 HDMI 轉為序列數位介面 (SDI) 的初始轉換，接著進行後續從 SDI 轉為 MIPI CSI 的轉換。為加速轉換流程，工作流程中額外增加了一組 FPGA。完成轉換作業之後，就能將資料傳送至 FPD-Link III (PXIe-1486) 與 GMSL2 (PXIe-1487) 的汽車視訊介面，FPGA 在其中是重要的軟硬體介面，負責模擬 ECU 輸入的感測器訊號。

^{​圖 5： HDMI 架構的攝影機感測器模擬}

就頻寬而言，系統會以每秒 4.5 GB 的速率運作，將視訊資料注入於 ECU。這樣的設置方式有一項優點，那就是不受模擬影響。雖然這個範例採用的是 Linux 架構模擬引擎，但同一個資料路徑也能支援其他模擬供應商的資料。HDMI->SDI 轉換多了 FPGA，固然因此增加成本，卻也多了能在這個新的資料路徑中進一步處理影像資料的功能。 

不過，這種配置依然有某些限制。首先，HDMI 介面有其難度，必須採用相當複雜的轉換工具鏈，才能從 HDMI 轉換為 SDI再轉換為 CSI。歸根究柢，這種配置與過去的配置方式有著類似的限制，那就是攝影機資料與超音波或其他車輛匯流排模擬無法保持同步。最重要的是，這個 HIL 系統無法充分發揮開迴路重播 HIL 的作用，因此不適合使用 GPU 重播預先擷取到的資料。

^{​圖 6： 視訊注入管線架構}

RDMA 架構的 HIL

NI 提供的最新一代產品稱為 RDMA HIL 系統，這套系統使用整合式乙太網路的遠端直接記憶體存取 (RoCE)。這個系統採 RDMA 架構，能讓主機電腦與 NI PXI 順利交換資料。RDMA 能建立乙太網路架構的連線，有助於進行低潛時、高頻寬的視訊資料傳輸作業，並且支援電腦記憶體和 PXI 即時控制器記憶體直接連結，因此不需要記憶體複本。從高階架構角度來看,資料流會在模擬電腦中開始透過 RDMA 傳輸至 PXI 機箱內的 PXI 即時控制器，這個機箱裝的是負責饋送 ECU 不可或缺的 FPGA。這個系統的運作可以採開迴路或閉迴路，因此能重播預先擷取的資料，也能回頭整合即時控制器的回饋。

^{​圖 7： RDMA 開迴路重播 HIL}

這個架構能發揮現階段所知最高的傳輸率效能：單一 RDMA 模組最高能發揮每秒 6.25 GB 的資料傳輸率。另一項重要優勢就是開迴路與閉迴路 HIL 均採統一架構，兩者之間的差異主要在於資料來源選擇；儲存檔案或模擬，因此支援重複使用。然而，其主要優勢在於它採用精準同步機制，能讓視訊資料與車輛匯流排訊號完美保持同步。這項同步功能可以延伸到攝影機以外的多種感測器，提供完整的同步化資料集。舉例來說，Valeo 目前正積極評估整合這些 HIL 系統的可能性，未來或許有機會取代其現行策略中的 MXI HIL。

不過，使用 RDMA 時仍需考量幾項因素。模擬引擎必須相容於 RDMA，因此必須在模擬引擎呼叫 RDMA 用戶端函式庫 DLL。如果無法整合外部 DLL 與模擬引擎，也可以改用 HDMI-to-RDMA 轉換器。這種方法其實就是一種混合配置，會結合原有配置中的元素，但由於必須額外進行轉換 (HDMI-to-RDMA)，因此會額外造成延遲與抖動 (Jitter)。

完整的解決方案： NI AD 軟體開發套件 (SDK)

NI RDMA 架構的 HIL 系統能獨立於模擬器之外，因應所有客戶需求。之所以能夠做到如此豐富的功能，就是因為採用 NI AD 軟體開發套件 (SDK)。 SDK 有助於迅速整合感測器的匯流排模擬與模擬軟體。隨附的 AD SDK 是一組外掛程式，能提供一致的介面，因此能簡化模擬器供應商與 AD HIL 系統之間的整合。SDK 運用 LabVIEW 與 gRPC 支援提供模擬 API，以利運用定義完整的介面進行流暢的整合。這種方法能讓第三方模擬器公司使用原本慣用的工具，因此得以建立簡單明瞭的測試點，順利支援除錯與 CI/CD 流程。這樣的效能可以降低模擬軟體與 ADAS HIL 系統之間的系統通訊複雜度，讓一般使用者能夠自行選擇想要使用的模擬器供應商。

NI 與 Valeo 的合作

NI 與 Valeo 之間的合作關係包括研發合作、搶先體驗 NI 原型、工程服務以及統包 HIL 系統開發。這項合作讓 Valeo 能夠站在 ADAS 驗證的最前線。

NI PXI 平台支援 Valeo 團隊在全世界採用標準化的驗證系統，並且重複使用測試元件，因為他們能夠充分運用 PXI 平台的模組化特性、準確的時間同步，還能支援重要的汽車界面。

結論

Valeo 與 NI 合作推動 HIL 系統的發展充分說明了調整測試法的重要性，唯有如此才有助於因應日益複雜的 ADAS/AD 系統所帶來的挑戰。RDMA 架構的 HIL 系統提供高傳輸率與同步功能，代表著非常大的進步。Valeo 會繼續運用 NI 系統因應不斷變化的 ADAS/AD 驗證需求，並在瞬息萬變的汽車產業中確實令客戶滿意。

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