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開發駕駛者監控系統AUTOSAR自適應軟體
以模型為基礎的設計流程

【作者: 鈦思科技提供】   2021年05月19日 星期三

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本文敘述選擇一個駕駛者監控系統的原型來進行研究及證明,經由以模型為基礎的設計,如何可以加速端到端的AUTOSAR自適應軟體系統開發。


由Elektrobit(EB)開發的嵌入式軟體被執行在全世界超過一百輛車上至少一億個裝置。這些EB開發的嵌入式軟體大多使用標準的V模型(V-model)和ASPICE流程來開發和驗證。雖然這些裝置運作情況良好,但因為手動編寫程式碼和其他需要大量勞力的手動任務,讓應用軟體開發速度變得緩慢。


我們團隊要來證明以模型為基礎的設計可以加速端到端的AUTOSAR自適應(AUTOSAR Adaptive)軟體系統開發。選擇一個駕駛者監控系統的原型來進行這項專案,該系統會在駕駛閉上眼睛,而且沒有馬上再睜開時發出警報,因為這可能代表駕駛者睡著了(圖1)。



圖1 : 駕駛者監控系統的模擬,可以看到從串流影片偵測到的人臉和眼睛。
圖1 : 駕駛者監控系統的模擬,可以看到從串流影片偵測到的人臉和眼睛。

為了要展現以模型為基礎的設計來開發的效率,設定下一個野心勃勃的期限:要在三個月之內完成設計、實現、測試、以及整個系統的驗證。如果使用傳統的設計方法來進行同樣的專案,可能會要花上至少一年的時間。


定義需求及劃分設計

我們從定義需求來開始這項專案。高層級的需求包含即使是在駕駛者帶著眼鏡時也要偵測到閉眼,將錯誤警報率維持在3%以下,以及透過自適應AUTOSAR (Adaptive AUTOSAR)發送警報給EB的人機介面(human machine interface;HMI)。


在初期,與MathWorks工程師合作開發系統架構,並且將我們的需求映射到架構內的功能模塊(圖2)。



圖2 : 駕駛者監控系統的頂層Simulink模型。
圖2 : 駕駛者監控系統的頂層Simulink模型。

在設計的頂層有兩個主要的模塊。第一個是電腦視覺元件,它負責處理從攝影機來的輸入資料,並且依串流影片產生訊號—例如偵測到人臉、偵測到眼睛、閉眼。第二個模塊是AUTOSAR自適應函式模塊,它負責過濾這些訊號,並且決定是否要啟動警報。這個模塊包含一個連接到EB corbos AdaptiveCore軟體架構的介面,這個架構是用來整合模塊與HMI。


設計的建模與驗證

將設計劃分成具備清楚定義介面之元件(圖3)可獨立處理每一個元件。在Simulink建立電腦視覺元件,它使用一個預先訓練的深度學習網路以及電腦視覺工具箱(Computer Vision Toolbox)來偵測人臉及眼睛。


為了要驗證這個模型,我們讓模型處理預先錄製好的駕駛者臉部影片來執行模擬。這些影片是從各種角度和不同的周遭照明條件來錄製。影片也包含駕駛者帶著眼鏡及不戴眼鏡的條件,以確保系統可以在各種操作場景下偵測閉眼。



圖3 : 電腦視覺元件的Simulink模型(上)和過濾元件(下)。
圖3 : 電腦視覺元件的Simulink模型(上)和過濾元件(下)。

過濾元件以電腦視覺元件的輸出資料作為輸入。它追蹤「偵測到眼睛」和「閉眼」的訊號值,過濾掉短時間的眨眼,並且當訊號顯示駕駛者眼睛閉上的時間太長時透過AUTOSAR自適應啟動警訊,與EB AdaptiveCore軟體架構溝通。從頂層的Simulink模型產生了一個單元測試模型,可以執行系統驗證與評估設計是否符合ISO 26262。


程式碼生成與硬體部署

透過模擬驗證設計之後,我們把設計部署到原型硬體設置來測試它。這個設置包含兩塊Raspberry Pi 3 B+板,其中一個作為DMS系統,另一個做為測試設置用,包含HMI、駕駛者輸入資料、以及環境。兩塊板子都透過乙太網路來連接(圖4)。



圖4 : 硬體測試設置。
圖4 : 硬體測試設置。

我們將電腦視覺元件和過濾元件轉換為符合MISRA的C/C++程式碼。在電腦視覺元件的程式碼完成之後,直接把它部署到第一塊Raspberry Pi板。


至於過濾元件,將產生出包含ARXML檔案的程式碼匯入到EB corbos Studio。在corbos Studio編譯元件,並且將它當作一個AUTOSAR軟體元件部署到同一塊Raspberry Pi上。電腦視覺與過濾元件透過一個行程間通訊(interprocess communication;IPC)介面來連接。第二塊Raspberry板子是用來執行基礎EB corbos AdaptiveCore軟體和EB GUIDE HMI來當作一個車輛儀表板。


當程式碼執行在兩塊板子上,透過即時的攝影機串流影片測試系統,並且驗證HMI正確地在影片中的人閉上眼睛時發出「閉眼」警報。


從概念驗證到現實世界應用

由於駕駛者管理系統是一個作為概念驗證的原型,它在開發階段不要求完全符合ISO準則。然而,專案的準備則確實需要符合ISO,因此我們使用Model Advisor來檢查模型是否涵蓋了所有的要求,並且符合ISO 26262、ISO 61508和MISRA C:2012等標準。


在以模型為基礎的設計展現出能夠加快自適應AUTOSAR軟體開發速度的實力之後,我們現在打算擴大使用它。我們團隊計畫將安全性功能以及處理器迴圈(processor-in-the-loop)測試納入工作流程,也正在幫助EB其他工作地點的同事開始使用以模型為基礎的設計。


(本文由鈦思科技提供;作者Thomas Kleinhenz、Seyed Nourbakhsh、Stefan Zurbes任職於Elektrobit公司)


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