自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

張 微，李鑫慧，吳學(xué)易，唐風(fēng)敏， 郭 蓬，何 佳

（1.工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心，北京 100001；2.中汽研 （天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300；3.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 概述

近年來(lái)，隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展和汽車(chē)保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，人們對(duì)于汽車(chē)的功能要求也越來(lái)越高。因此，智能化作為汽車(chē)的主要發(fā)展趨勢(shì)，受到越來(lái)越多廠(chǎng)商的關(guān)注，在不久的將來(lái)，汽車(chē)會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，但是隨著汽車(chē)自動(dòng)化駕駛程度的不斷提高，如何高效地測(cè)試和驗(yàn)證自動(dòng)駕駛汽車(chē)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛的智能算法已經(jīng)成為至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

有報(bào)告指出，自動(dòng)駕駛軟件開(kāi)發(fā)是自動(dòng)駕駛最重要的環(huán)節(jié)之一。對(duì)于汽車(chē)廠(chǎng)商而言，自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)可以作為技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的工具箱，來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和安全性。目前看來(lái)，自動(dòng)駕駛車(chē)輛測(cè)試可分為兩類(lèi)：實(shí)車(chē)測(cè)試和虛擬仿真測(cè)試。虛擬仿真測(cè)試就是借助于計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)駕駛仿真軟件進(jìn)行測(cè)試，具有無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)、測(cè)試速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在自動(dòng)駕駛產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期階段，自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)就顯得尤為重要［1］。

2 自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)

2.1 自動(dòng)駕駛技術(shù)仿真方法

自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)，和其他的仿真平臺(tái)一樣，必須盡可能地與真實(shí)場(chǎng)景相似。它需要通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式將真實(shí)世界進(jìn)行數(shù)字化還原和泛化，使仿真平臺(tái)正確、可靠、真實(shí)，測(cè)試結(jié)果可信度高。

目前普遍認(rèn)為，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是基于傳感器搭載的環(huán)境感知系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行感知，并根據(jù)所獲得的信息，通過(guò)車(chē)載設(shè)備控制車(chē)輛的速度和轉(zhuǎn)向，使車(chē)輛能夠安全可靠快速行駛，以最佳的方式到達(dá)目的地。自動(dòng)駕駛汽車(chē)的3大關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境感知、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)的原理就是在仿真軟件所搭載的場(chǎng)景內(nèi)，用算法代替真實(shí)控制器，再結(jié)合傳感器仿真等技術(shù)，完成對(duì)算法的測(cè)試和驗(yàn)證。一個(gè)完整的自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)需要包括多個(gè)功能，如圖2所示。算法與仿真平臺(tái)相結(jié)合并形成一個(gè)閉環(huán)，從而進(jìn)行持續(xù)迭代的狀態(tài)。

2.2 自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)落地應(yīng)用，需要結(jié)合汽車(chē)行業(yè)普遍采用的基于計(jì)算機(jī)模型的控制器開(kāi)發(fā)“V”模式，其含義是快速應(yīng)用開(kāi)發(fā) （Rapid Application Development，RAD），如圖3所示，目的是為了改善早期軟件開(kāi)發(fā)使用的模型中的錯(cuò)誤。

自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試平臺(tái)主要包括動(dòng)態(tài)案例仿真、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真、傳感器仿真、虛擬場(chǎng)景等，如圖4所示，描述了仿真平臺(tái)的典型軟件架構(gòu)，對(duì)自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試的驗(yàn)證與精度評(píng)估主要就是對(duì)仿真系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)各個(gè)模塊的評(píng)估和對(duì)整體框架的評(píng)估［2］。

圖1 自動(dòng)駕駛汽車(chē)系統(tǒng)

圖2 自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)模塊

圖3 V-cycle

3 自動(dòng)駕駛仿真環(huán)境搭建技術(shù)

3.1 場(chǎng)景庫(kù)的構(gòu)建

自動(dòng)駕駛虛擬場(chǎng)景庫(kù)作為智能網(wǎng)聯(lián)研發(fā)的基礎(chǔ)之一，在很大程度上決定了系統(tǒng)工作的范圍。它主要是由虛擬靜態(tài)場(chǎng)景和虛擬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景構(gòu)成，并能滿(mǎn)足測(cè)試需求。

圖4 仿真系統(tǒng)典型架構(gòu)

虛擬靜態(tài)場(chǎng)景通常包括：交通元素 （交通燈與交通標(biāo)志牌）、道路 （車(chē)道線(xiàn)、中心線(xiàn)和路面材質(zhì)等）、交通參與者 （行人、機(jī)動(dòng)車(chē)和非機(jī)動(dòng)車(chē)）、道路周邊元素 （路燈、廣告牌、建筑物、垃圾箱、綠化帶）等。

虛擬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景主要包括：機(jī)動(dòng)車(chē)仿真、交通管理控制仿真和行人與非機(jī)動(dòng)車(chē)仿真等。

通常從3個(gè)方面來(lái)構(gòu)建自動(dòng)駕駛虛擬場(chǎng)景庫(kù)。

1）確定單個(gè)虛擬場(chǎng)景的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式和標(biāo)準(zhǔn)。除了國(guó)際通用數(shù)據(jù)格式，其它相關(guān)企業(yè)也積極開(kāi)發(fā)符合自動(dòng)駕駛場(chǎng)景特點(diǎn)的其他數(shù)據(jù)格式。

2）構(gòu)建單個(gè)自動(dòng)駕駛測(cè)試虛擬場(chǎng)景。在符合數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，整合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景為虛擬場(chǎng)景的數(shù)據(jù)格式，并將該場(chǎng)景的關(guān)鍵信息存儲(chǔ)。

3）建立自動(dòng)駕駛虛擬場(chǎng)景庫(kù)。根據(jù)測(cè)試需求，總結(jié)所需的靜態(tài)場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景特征，在采集的虛擬場(chǎng)景中根據(jù)特征選取適當(dāng)場(chǎng)景作為場(chǎng)景庫(kù)的組成部分，將選取的虛擬場(chǎng)景存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為了便于場(chǎng)景快速檢索與提取，將與測(cè)試需求高度相關(guān)的特征標(biāo)簽作為數(shù)據(jù)庫(kù)檢索項(xiàng)。

3.2 仿真

自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)中的仿真內(nèi)容包括車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真和傳感器仿真。

1）車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真

在自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)中，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)起著關(guān)鍵的作用。通過(guò)仿真對(duì)車(chē)輛的各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試及查找問(wèn)題，可以完成在特殊場(chǎng)景下的復(fù)雜測(cè)試。

在車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真中，燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力學(xué)、安全性、機(jī)動(dòng)性和舒適性等作為其研究和評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

仿真端接收自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的控制模塊給出的控制信號(hào)（油門(mén)、剎車(chē)等），仿真端生成并更新后的車(chē)輛位姿狀態(tài)和底盤(pán)總線(xiàn)參數(shù)，并輸出給自動(dòng)駕駛的各個(gè)模塊。仿真端也直接對(duì)車(chē)輛的各個(gè)模塊進(jìn)行控制 （轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等），自動(dòng)駕駛的控制模塊通過(guò)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真，規(guī)劃出車(chē)輛位置、速度等，并發(fā)出合理的控制信號(hào)。

利用控制設(shè)計(jì)仿真軟件Matlab的Simulink模塊，搭建車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)模型從而實(shí)時(shí)仿真。通過(guò)專(zhuān)業(yè)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件如CarSim、CarMaker和VI-Grade等建立的模型，有效地提高了計(jì)算速度，減少參數(shù)，能夠表征低頻的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)。

2）傳感器仿真

目前傳感器仿真主要是通過(guò)激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、GPS（全球定位系統(tǒng)）、慣導(dǎo)、超聲波雷達(dá)和V2X（車(chē)用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)）等進(jìn)行。

激光雷達(dá)仿真是通過(guò)參考真實(shí)激光雷達(dá)的掃描方式，模擬每一條真實(shí)雷達(dá)射線(xiàn)的發(fā)射，與場(chǎng)景中所有物體求交。它要求：場(chǎng)景中物理模型與原始模型基本完全一致、場(chǎng)景資源的物理材質(zhì)要合適。激光雷達(dá)的仿真結(jié)果通過(guò)局域網(wǎng)傳輸給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，生成帶反射強(qiáng)度的點(diǎn)云和障礙物真值信息 (位置、朝向、速度和類(lèi)型等)。

攝像頭仿真是基于環(huán)境物體的幾何空間信息構(gòu)建對(duì)象的具有顏色和光學(xué)屬性的三維模型。它要求：能夠支持更改攝像頭外參、內(nèi)參、畸變參數(shù)，模擬各種天氣情況和障礙物的真值信息等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，攝像頭的仿真結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)地傳遞到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，并可以用來(lái)對(duì)象檢測(cè)和訓(xùn)練其他計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法等。

毫米波雷達(dá)仿真是在已知視場(chǎng)角和分辨率信息的情況下，發(fā)射一系列虛擬連續(xù)調(diào)頻毫米波到不同方向，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)。它要求：在物理級(jí)仿真中要有高精密硬件模擬器的支持，在信號(hào)級(jí)仿真中使用軟件模擬真實(shí)雷達(dá)回波信號(hào)，并直接對(duì)信號(hào)處理。毫米波雷達(dá)仿真要求：支持更改毫米波雷達(dá)安裝位置和參數(shù)等。

GPS仿真要求在實(shí)際的仿真條件下支持更改 GPS位置以及GPS噪聲模型參數(shù)。GPS仿真可以得到主車(chē)的速度、航向和經(jīng)緯度。

慣導(dǎo)仿真要求支持對(duì)主車(chē)的加速度和角速度進(jìn)行仿真。在GPS信號(hào)丟失時(shí)，慣導(dǎo)仿真仍可以得到主車(chē)的位置、航向角和速度等信息。

超聲波雷達(dá)仿真要求支持更改超聲波雷達(dá)安裝位置和角度等，超聲波雷達(dá)仿真可以實(shí)時(shí)地返回障礙物的距離。

V2X傳感器仿真通過(guò)實(shí)際V2X設(shè)備信息建立一個(gè)虛擬的具有動(dòng)態(tài)交通流的車(chē)載OBU信息的傳感器網(wǎng)。在每一幀主車(chē)都能獲取想要的V2X設(shè)備數(shù)據(jù)。

3.3 分布式并行計(jì)算架構(gòu)

在仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，一方面仿真系統(tǒng)需要訪(fǎng)問(wèn)大量的數(shù)據(jù)，利用CPU和GPU資源對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理并還原等操作，而這往往對(duì)計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存和計(jì)算能力有一定的要求。另一方面在提高計(jì)算機(jī)的硬件性能的情形下，在按照真實(shí)時(shí)間進(jìn)行模擬仿真時(shí)，計(jì)算機(jī)不能消耗其全部的性能。如果能充分利用硬件性能優(yōu)勢(shì)，模擬效率將會(huì)大大提高。

分布式框架可以在一定程度上提升計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和計(jì)算能力。目前應(yīng)用廣泛的分布式框架有Hadoop、Storm和Spark等。它將計(jì)算和儲(chǔ)存任務(wù)進(jìn)行拆分到多個(gè)機(jī)器上，多臺(tái)機(jī)器相互連接，讓每一臺(tái)進(jìn)行承擔(dān)一部分的儲(chǔ)存和計(jì)算任務(wù)，并且讓所有機(jī)器協(xié)同進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步和接收。這樣做能夠降低單個(gè)機(jī)器的性能需求，降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)成本并提高整體的計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力，從而使得大規(guī)模仿真任務(wù)得以實(shí)現(xiàn)。

在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)能力一定的情況下，通過(guò)使計(jì)算機(jī)模擬的速度以高于真實(shí)時(shí)間的速率進(jìn)行仿真來(lái)充分利用硬件優(yōu)勢(shì)。仿真節(jié)點(diǎn)按照更高的頻率進(jìn)行仿真時(shí)，可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成仿真任務(wù)，在這個(gè)過(guò)程中，為了保證仿真結(jié)果的一致性，要求各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的加速程度必須保持一致。為了同時(shí)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)時(shí)間和數(shù)據(jù)一致性的需求，虛擬時(shí)間可以使節(jié)點(diǎn)之間保持同步，根據(jù)當(dāng)前仿真任務(wù)的完成情況來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，既能保證每一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠順利完成任務(wù)又能保證整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保持一致性。

4 自動(dòng)駕駛仿真軟件現(xiàn)狀

4.1 自動(dòng)駕駛仿真軟件的發(fā)展

隨著ADAS和自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展，自動(dòng)駕駛仿真軟件的發(fā)展也經(jīng)歷了幾個(gè)階段。早期的仿真測(cè)試軟件主要是以動(dòng)力學(xué)仿真為主，用來(lái)對(duì)整車(chē)的動(dòng)力、穩(wěn)定性、制動(dòng)等進(jìn)行仿真，如CarSim。而伴隨著ADAS功能的開(kāi)發(fā)，輔助ADAS功能的仿真測(cè)試軟件開(kāi)始出現(xiàn)，主要關(guān)注在功能的驗(yàn)證方面，比如Prescan。隨著以Waymo為代表、以L(fǎng)4級(jí)別自動(dòng)駕駛為目標(biāo)的初創(chuàng)公司的成立和取得突破性進(jìn)展，陸續(xù)出現(xiàn)了一批高真實(shí)感虛擬環(huán)境重建的仿真測(cè)試平臺(tái)。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的仿真軟件各有各的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，同時(shí)搭建一個(gè)完整的仿真系統(tǒng)也需要多個(gè)軟件之間的配合［3］。

4.2 自動(dòng)駕駛仿真軟件介紹

在這里列出一些典型的自動(dòng)駕駛仿真軟件，CarSim是被廣泛應(yīng)用的強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，被各大主機(jī)廠(chǎng)和供應(yīng)商所采用。Carmaker是德國(guó)IPG公司推出的動(dòng)力學(xué)、ADAS和自動(dòng)駕駛仿真軟件。Prescan是由Tass International研發(fā)的一款A(yù)DAS測(cè)試仿真軟件，2017年8月被西門(mén)子收購(gòu)。Vissim是德國(guó)PTV公司提供的一款世界領(lǐng)先的微觀交通流仿真軟件。VTD是德國(guó)VIRES公司開(kāi)發(fā)的一套用于ADAS，主動(dòng)安全和自動(dòng)駕駛的完整模塊化仿真工具鏈。RightHook是一家成立于美國(guó)加州的初創(chuàng)公司，為自動(dòng)駕駛行業(yè)提供仿真解決方案。AAI是一個(gè)成立于柏林的初創(chuàng)公司，其目標(biāo)是復(fù)制真實(shí)世界，模擬所有道路使用者和環(huán)境因素。Waymo的Carcraft可以使用在真實(shí)世界里駕駛的回放數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，用來(lái)驗(yàn)證算法的改進(jìn)，還可以構(gòu)建全新的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。

5 自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)展望

隨著自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)在自動(dòng)駕駛研發(fā)過(guò)程中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。未來(lái)自動(dòng)駕駛車(chē)輛需要進(jìn)行全系統(tǒng)完整的仿真，同時(shí)也需要進(jìn)行更多維度的測(cè)試與評(píng)價(jià)，與此同時(shí)，這需要仿真軟件提供更高維度的虛擬場(chǎng)景與更完善的測(cè)評(píng)體系。除此之外，自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)還可以在交通行為的管理和監(jiān)管，交通規(guī)則的技術(shù)評(píng)估，交通事故的責(zé)任判定等方面發(fā)揮仿真的作用。自動(dòng)駕駛仿真技術(shù)還可以協(xié)助建立一個(gè)包括自動(dòng)駕駛的典型工況和邊緣案例的通用數(shù)據(jù)庫(kù)，供中國(guó)使用，還可以與其他國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息共享，最終達(dá)到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)技術(shù)的普適性。