开发驾驶者监控系统AUTOSAR自适应软件

本文叙述选择一个驾驶者监控系统的原型来进行研究及证明，经由以模型为基础的设计，如何可以加速端到端的AUTOSAR自适应软件系统开发。
由Elektrobit（EB）开发的嵌入式软件被执行在全世界超过一百辆车上至少一亿个装置。这些EB开发的嵌入式软件大多使用标准的V模型（V-model）和ASPICE流程来开发和验证。虽然这些装置运作情况良好，但因为手动编写程序代码和其他需要大量劳力的手动任务，让应用软件开发速度变得缓慢。
我们团队要来证明以模型为基础的设计可以加速端到端的AUTOSAR自适应（AUTOSAR Adaptive）软件系统开发。选择一个驾驶者监控系统的原型来进行这项项目，该系统会在驾驶闭上眼睛，而且没有马上再睁开时发出警报，因为这可能代表驾驶者睡着了（图1）。


 
图1 : 驾驶者监控系统的仿真，可以看到从串流影片侦测到的人脸和眼睛。

为了要展现以模型为基础的设计来开发的效率，设定下一个野心勃勃的期限：要在三个月之内完成设计、实现、测试、以及整个系统的验证。如果使用传统的设计方法来进行同样的项目，可能会要花上至少一年的时间。

定义需求及划分设计
我们从定义需求来开始这项项目。高层级的需求包含即使是在驾驶者带着眼镜时也要侦测到闭眼，将错误警报率维持在3%以下，以及透过自适应AUTOSAR （Adaptive AUTOSAR）发送警报给EB的人机界面（human machine interface；HMI）。

在初期，与MathWorks工程师合作开发系统架构，并且将我们的需求映像到架构内的功能模块（图2）。


 
图2 : 驾驶者监控系统的顶层Simulink模型。

在设计的顶层有两个主要的模块。第一个是计算机视觉组件，它负责处理从摄影机来的输入资料，并且依串流影片产生讯号—例如侦测到人脸、侦测到眼睛、闭眼。第二个模块是AUTOSAR自适应函式模块，它负责过滤这些讯号，并且决定是否要启动警报。这个模块包含一个连接到EB corbos AdaptiveCore软件架构的接口，这个架构是用来整合模块与HMI。

设计的建模与验证
将设计划分成具备清楚定义接口之组件（图3）可独立处理每一个组件。在Simulink建立计算机视觉组件，它使用一个预先训练的深度学习网络以及计算机视觉工具箱（Computer Vision Toolbox）来侦测人脸及眼睛。

为了要验证这个模型，我们让模型处理预先录制好的驾驶者脸部影片来执行模拟。这些影片是从各种角度和不同的周遭照明条件来录制。影片也包含驾驶者带着眼镜及不戴眼镜的条件，以确保系统可以在各种操作场景下侦测闭眼。


 
图3 : 计算机视觉组件的Simulink模型（上）和过滤组件（下）。

过滤组件以计算机视觉组件的输出数据作为输入。它追踪「侦测到眼睛」和「闭眼」的讯号值，过滤掉短时间的眨眼，并且当讯号显示驾驶者眼睛闭上的时间太长时透过AUTOSAR自适应启动警讯，与EB AdaptiveCore软件架构沟通。从顶层的Simulink模型产生了一个单元测试模型，可以执行系统验证与评估设计是否符合ISO 26262。

程序代码生成与硬件部署
透过模拟验证设计之后，我们把设计部署到原型硬件设置来测试它。这个设置包含两块Raspberry Pi 3 B+板，其中一个作为DMS系统，另一个做为测试设置用，包含HMI、驾驶者输入数据、以及环境。两块板子都透过以太网络来连接（图4）。

 
图4 : 硬件测试设置。

我们将计算机视觉组件和过滤组件转换为符合MISRA的C/C++程序代码。在计算机视觉组件的程序代码完成之后，直接把它部署到第一块Raspberry Pi板。

至于过滤组件，将产生出包含ARXML档案的程序代码汇入到EB corbos Studio。在corbos Studio编译组件，并且将它当作一个AUTOSAR软件组件部署到同一块Raspberry Pi上。计算机视觉与过滤组件透过一个行程间通讯（interprocess communication；IPC）接口来连接。第二块Raspberry板子是用来执行基础EB corbos AdaptiveCore软件和EB GUIDE HMI来当作一个车辆仪表板。

当程序代码执行在两块板子上，透过实时的摄影机串流影片测试系统，并且验证HMI正确地在影片中的人闭上眼睛时发出「闭眼」警报。

从概念验证到现实世界应用
由于驾驶者管理系统是一个作为概念验证的原型，它在开发阶段不要求完全符合ISO准则。然而，项目的准备则确实需要符合ISO，因此我们使用Model Advisor来检查模型是否涵盖了所有的要求，并且符合ISO 26262、ISO 61508和MISRA C:2012等标准。

在以模型为基础的设计展现出能够加快自适应AUTOSAR软件开发速度的实力之后，我们现在打算扩大使用它。我们团队计划将安全性功能以及处理器循环（processor-in-the-loop）测试纳入工作流程，也正在帮助EB其他工作地点的同事开始使用以模型为基础的设计。

（本文由钛思科技提供；作者Thomas Kleinhenz、Seyed Nourbakhsh、Stefan Zurbes任职于Elektrobit公司）