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ADAS與自動駕駛汽車仿真的六個方面

2019-03-30 10:24:37·  來源：中潤漢泰，智車科技  
　
高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）與自動駕駛汽車的研發(fā)不僅極富挑戰(zhàn)，且無先例可循。此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需傳感器技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能方面不斷取得新的發(fā)展。用人工智能
高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）與自動駕駛汽車的研發(fā)不僅極富挑戰(zhàn)，且無先例可循。此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需傳感器技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能方面不斷取得新的發(fā)展。用人工智能取代人類駕駛員面臨的首要問題就是機(jī)器感知。自動駕駛汽車的計(jì)算機(jī)不僅需要能夠識別其他車輛、行人、道路標(biāo)志、道路標(biāo)線、樹木、建筑物、紅綠燈以及我們在日常駕駛中遇到的很多其他事物，同時還需克服夜晚中的黑暗、雨雪天氣等惡劣駕駛條件下的識別問題?；趥鹘y(tǒng)規(guī)則的計(jì)算機(jī)算法幾乎不可能解決這個問題，需要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法。
 
通過這些方法，可以訓(xùn)練計(jì)算機(jī)，而非對其進(jìn)行編程。但是駕駛是一項(xiàng)錯綜復(fù)雜的任務(wù)，需要大量的訓(xùn)練才能讓計(jì)算機(jī)像普通人一樣安全、可靠地駕駛。據(jù)估計(jì)，要確保ADAS 和自動駕駛汽車的安全性和可靠性，需要數(shù)10億英里的道路測式。這項(xiàng)看似不可能的任務(wù)只有借助工程仿真才能實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用仿真技術(shù)能夠以極低的成本準(zhǔn)確快速地對數(shù)以千計(jì)的駕駛情境和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行虛擬測試。本文將介紹仿真技術(shù)在研發(fā)自動駕駛汽車和高級駕駛員輔助系統(tǒng)過程中發(fā)揮重要作用的六個具體方面 ，同時介紹ADAS和自動駕駛汽車仿真所需的工具。
 
01、駕駛情境系統(tǒng)仿真
利用全自動或半自動汽車的系統(tǒng)級行為模型進(jìn)行綜合全面的駕駛情境仿真。這類車輛模型包含所有傳感器、 控制系統(tǒng)、 驅(qū)動系統(tǒng)租車身，并被放置 在包含道路、建筑糊、行人以及路標(biāo)的虛擬駕駛環(huán)境里。在這種仿真環(huán)境中，可以迅速評估數(shù)以干計(jì)的駕駛情境，以便測試汽車傳感器、 控制算法和驅(qū)動系統(tǒng)在相應(yīng)條件下是否都按照預(yù)期進(jìn)行工作。從本質(zhì)上講，自動駕駛汽車技術(shù)與ADAS系統(tǒng)是控制環(huán)路，包含物理領(lǐng)域、傳感器、控制器和致動器這四個基本要素。當(dāng)汽車在物理世界中行駛時，傳感器會感應(yīng)車輛周圍的物體，控制器會根據(jù)所感應(yīng)到的物體做出決策，而致動器會依照控制器的指令驅(qū)動汽車。
由四個要素構(gòu)成的控制環(huán)路
在仿真完整的駕駛情境時，例如汽車駛近交叉路口，尋找交叉車流，等待交叉車流暢通，直到安全時再通過交叉路口，這種情況就需要進(jìn)行系統(tǒng)仿真。
自動駕駛控制環(huán)路的仿真
系統(tǒng)仿真步驟：
第一步：建立由虛擬道路、 建筑物、 行人和其他車輛等構(gòu)成的環(huán)境模型，而有待研究的汽車（指自動駕駛汽車）則在這個虛擬世界中行駛。
第二步：需要對自動駕駛汽車上的傳感器進(jìn)行建模。汽車上的雷達(dá)、超聲波傳感器、攝像頭和其他傳感器會觀察自動駕駛汽車周圍的虛擬世界，并生成仿真的傳感器信號。
第三步：再傳遞傳感器信號，以進(jìn)行信號處理、傳感器融合和實(shí)施控制算法。這些算法可決定是否通過加速或制動來改變汽車速度，以及是否通過轉(zhuǎn)動方向盤來改變汽車方向。
第四步：控制決策被傳遞給汽車致動器的虛擬模型，例如可控制汽車運(yùn)動的制動、 轉(zhuǎn)向以及虛擬傳動系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真中的車輛動力學(xué)模塊負(fù)責(zé)計(jì)算汽車的移動。它不僅可以考慮到濕滑路面條件等各種細(xì)節(jié)，而且還能準(zhǔn)確地預(yù)測汽車的運(yùn)動情況，從而使它在環(huán)境模型中具有舉足輕重的地位。經(jīng)過這樣的流程，整個控制環(huán)路不斷重復(fù)，直至完成駕駛情境的仿真。
在這種駕駛情境的系統(tǒng)仿真中，能方便快速地對各種參數(shù)進(jìn)行測試。例如，我們可以進(jìn)行假設(shè)性研究，以了解汽車的某個傳感器發(fā)生意外故障時所造成的影響。此外，這種情境仿真對于軟件和算法的回歸測試來說非常有用。情境仿真無論在速度、成本還是精確度和自動化方面均具有極大優(yōu)勢，使其當(dāng)之無愧地成為重復(fù)執(zhí)行定義回歸測試不可或缺的工具。ANSYS的仿真軟件平臺可將業(yè)界最佳工具連接在一起，用以執(zhí)行自動駕駛汽車的高保真度情境系統(tǒng)仿真。
02、軟件與算法的建模及研發(fā)
與硬件研發(fā)一樣，仿真在軟件研發(fā)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用在研發(fā)和測試信號處理例行程序、傳感器融合算法、物體識別功能、控制算法和人機(jī)界面（HMI)軟件時，利用基于模型的軟件研發(fā)技術(shù)可使軟件更加穩(wěn)健、安全、不易出錯。由于ADAS和自動駕駛汽車系統(tǒng)本身就需要具備嚴(yán)格的安全性，汽車制造商和供應(yīng)商越來越多地依照ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)汽革的主動和被動安全系統(tǒng)。因此ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)在研發(fā)中也至關(guān)重要?；谀Ｐ偷那度胧杰浖邪l(fā)技術(shù)以及經(jīng)過ISO 26262認(rèn)證的代碼生成器能明顯加快嵌入式軟件的研發(fā)過程。一旦軟件模型經(jīng)過驗(yàn)證，就能確保所生成的代碼不會出現(xiàn)錯誤，從而能夠消除代碼的單元測試工作，將軟件研發(fā)的工作量減半。
ANSYS仿真平臺中的SCADE（安全關(guān)鍵型應(yīng)用研發(fā)環(huán)境）軟件研發(fā)套件包含基于模型的軟件研發(fā)工具和KCG代碼生成器。KCG代碼生成器將包含狀態(tài)機(jī)和數(shù)據(jù)流的SCADE軟件模型作為輸入信息，即可輸出等效的C代碼。
03、功能安全性分析
ADAS 和自動駕駛系統(tǒng)顯著增加了汽車系統(tǒng)的復(fù)雜性。它們不僅可能會造成更多故障源，還會引起更多的故障級聯(lián)路徑。由于 ADAS 和自動駕駛系統(tǒng)從本質(zhì)上需要極高的安全特性，因此任何故障很容易導(dǎo)致嚴(yán)重甚至致命的后果。這類復(fù)雜系統(tǒng)的功能安全性分析非常繁瑣，容易出錯 ，而且還極易出現(xiàn)漏洞和缺陷。 因此 ， 自動化的功能安全性分析工具對于確保 ADAS 和自動駕駛系統(tǒng)的安全性必不可少。
ANSYS仿真平臺包含的Medini Analyze可有效實(shí)施功能安全性分析的核心工作，并且能夠方便地將它們集成到產(chǎn)品的研發(fā)過程中。Medini Analyze依照ISO26262中針對軟件控制的安全相關(guān)功能和硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行安全性分析與設(shè)計(jì),并且根據(jù)SAE J1739標(biāo)準(zhǔn)和VDA質(zhì)量手冊中的產(chǎn)晶設(shè)計(jì)和相關(guān)過程執(zhí)行質(zhì)量分析。它將架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)與質(zhì)量、可靠性和功能安全性分析方法相結(jié)合，可用于執(zhí)行駕駛情境分析、 危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析、 故障樹分析（FTA)、故障模都服燥分析（FMEA）、概率分析罪日硬件故固國盼析。Medini Analyze提供完整的端到端故障追溯功能、自定義文檔生成功能以及支持詳細(xì)比較與合并的團(tuán)隊(duì)協(xié)作工具。
04、傳感器性能仿真
傳感器是自動駕駛汽車中需要研發(fā)的重要新組件。仿真技術(shù)可利用高保真度的物理分析來預(yù)測傳感器（例如雷達(dá)、V2X天線和超聲波傳感器）的性能。
例如，仿真技術(shù)能預(yù)測特定駕駛情境下的雷達(dá)方向圖和增益，無需成本高昂且耗時的物理測試。此外，當(dāng)雷達(dá)被安裝到汽車以及在雨雪天工作時 ， 仿真技術(shù)還能對其性能變化進(jìn)行計(jì)算，可以準(zhǔn)確了解真實(shí)情況下的雷達(dá)工作情況，而所需的成本和時間僅為現(xiàn)場測試的一小部分。
ANSYS仿真平臺包含一個電磁場求解器（HFSS一高規(guī)結(jié)構(gòu)仿真器）和一個射線跟蹤求解器（SBR+)這些求解器可用于執(zhí)行汽車?yán)走_(dá)的高保真度仿真。仿真技術(shù)能夠加速雷達(dá)的研發(fā)，主要體現(xiàn)在以下四個方面：
(a）隔離的雷達(dá)仿真：在自由空間中對雷達(dá)天編日天線罩進(jìn)行的仿真。 在這類仿真中執(zhí)行快速參數(shù)研究，以優(yōu)化天糊口天線罩的 幾何與材料設(shè)計(jì)。
(a）雷達(dá)天線方向圄的仿真（b）天線罩對雷達(dá)天線方向圄的影響
(b）對己安裝雷達(dá)進(jìn)行的仿真：對安裝到汽車上的雷達(dá)進(jìn)行仿真，以確定因汽車格柵或保險(xiǎn)杠阻擋而導(dǎo)致的雷達(dá)性能劣化問題。
(a）自由空間內(nèi)的雷達(dá)方向國（b）在相同的雷達(dá)被安裝到汽車格柵之后真方向國發(fā)生的變化
(c）對處于真實(shí)環(huán)境中的雷達(dá)進(jìn)行的仿真：在包含真芭車輛、建筑物、 行人、樹木的大型真實(shí)環(huán)境中天才雷達(dá)的性能進(jìn)相旗．鑒于雷左 翩天線國捕入信號，國果真虔陋仿真劊罔居雷主自脫虛 擬環(huán)境中 ”觀察” 到的情況來計(jì)算雷達(dá)接收天線上的輸出信號。
交通情境中雷達(dá)工作的高保真度物理仿真。雷達(dá)被安裝在左側(cè)的自動駕駛汽車上。 彩色的方向國用于發(fā)射，灰色的方向國用于接收。
(d）對駕駛情境中的雷達(dá)進(jìn)行的仿真：使用高保真度雷達(dá)仿真的降階模型（ROM）能夠創(chuàng)建出快速執(zhí)行的高精度雷達(dá)模型，并將其應(yīng)用到駕駛情境仿真中。
相同的仿真工具還可用來研發(fā)和布局 V2X 通信天線，并確保真實(shí)情境中的信號完整性，如當(dāng)真芭車輛或建筑糊阻擋了兩輛車之間的信號路徑時。
車輛與車輛之間的通信仿真。當(dāng)?shù)谌v車加入時，兩輛車上天線的搞合程度會顯著降低。
ANSYS仿真平臺還包括用來對超聲波傳感器進(jìn)行仿真的聲學(xué)求解器。下圖中的實(shí)例顯示的是，當(dāng)汽車朝著柱形桿倒車時，利用高保真度聲波計(jì)算來仿真安裝在汽車模型后面轉(zhuǎn)角位置的超聲波傳感器的響應(yīng)。
對安裝在汽車模型后保險(xiǎn)杠上的超聲波傳感器進(jìn)行的聲學(xué)仿真
05、電子硬件仿真
此外，熱仿真還有助于確定 PCB 及組件的不同冷卻方案，例如是選擇風(fēng)扇還是在重要部件上安裝熱沉。此外，利用溫度場進(jìn)行機(jī)械的熱-應(yīng)力仿真，可用于評估電路板及組件熱變形，并預(yù)測溫度周期變化時焊點(diǎn)的熱疲勞。這些仿真能夠確定連接位置、 加固件、 組件布局、 夾緊負(fù)荷以及其它方面，以減少電路板的熱-機(jī)械應(yīng)為疲勞。
印刷電路板（PCB）上電子器件（a）可靠性、 PCB板（b）功率圖（c）溫度分布(d）機(jī)械應(yīng)力分布進(jìn)行的仿真
06、半導(dǎo)體仿真
ADAS和自動駕駛汽車系統(tǒng)要求在汽車上實(shí)時進(jìn)行海量的信號處理與計(jì)算．因此，半導(dǎo)體企業(yè)正在研發(fā)性能更好，同時又能在能耗、結(jié)構(gòu)、熱可靠性及器件尺寸間實(shí)現(xiàn)平衡的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)不斷減小，尤其是在新興3DIC、 FinFET 和堆疊晶片架構(gòu)中更是如此，因此與之相關(guān)的物理問題就產(chǎn)生了功耗與可靠性方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。仿真和建模工具可幫助芯片設(shè)計(jì)人員提高精確度和性能，從而降低電源噪聲并改善IC的可靠性。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)并解決關(guān)鍵的物理問題，如電遷移、 熱效應(yīng)及靜電放電等。
半導(dǎo)體仿真的各個方面
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