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模擬仿真平臺(tái)加速無(wú)人駕駛到來(lái)
2020-02-18 22:05:08· 來(lái)源：智車科技 作者：張良
自動(dòng)駕駛是現(xiàn)代汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，它將為人們提供更廣泛的交通便利，同時(shí)也有助于減少交通事故。行業(yè)普遍預(yù)測(cè)，為了保證自動(dòng)駕駛技術(shù)安全可靠，車企需要積累17
自動(dòng)駕駛是現(xiàn)代汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，它將為人們提供更廣泛的交通便利，同時(shí)也有助于減少交通事故。行業(yè)普遍預(yù)測(cè)，為了保證自動(dòng)駕駛技術(shù)安全可靠，車企需要積累177億公里的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，而如此龐大的目標(biāo)里程是很難在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)真實(shí)路測(cè)達(dá)到的。
模擬仿真成為重要測(cè)試手段
無(wú)人駕駛系統(tǒng)由感知、預(yù)測(cè)、決策、控制、定位等多個(gè)功能模塊組成，每個(gè)模塊都各自擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和算法。絕大部分情況下，在道路測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)開發(fā)人員很難對(duì)海量的輸出參數(shù)做出評(píng)價(jià)。通過(guò)在軟件模擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)和復(fù)現(xiàn)問題，不需要真實(shí)的環(huán)境和硬件，可以極大的節(jié)省成本和時(shí)間，加快模型迭代速度。因此，通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境和構(gòu)建汽車模型，在仿真環(huán)境下找出自動(dòng)駕駛過(guò)程中可能出現(xiàn)的問題，已經(jīng)成為一種重要的自動(dòng)駕駛車輛測(cè)試手段。
復(fù)雜路況仿真
自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)核心在于真
傳統(tǒng)汽車測(cè)試重點(diǎn)關(guān)注物理性能，例如加速度、剎車、碰撞安全等。而自動(dòng)駕駛的測(cè)試主要評(píng)價(jià)整車多傳感器的配合以及傳感器融合輸出的感知、判斷和決策能力，例如遇到相應(yīng)的路況應(yīng)該是變道超車還是減速避讓。
自動(dòng)駕駛仿真的基本原理是在仿真場(chǎng)景內(nèi)，將真實(shí)控制器變成算法，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。仿真平臺(tái)的核心問題在于“真”上，既要還原真實(shí)世界的客觀屬性，又要構(gòu)造真實(shí)世界的物理規(guī)律。例如需要模擬真實(shí)世界的房子、車、樹木、道路、紅綠燈、影子等，還需要能夠模擬真實(shí)世界的物理規(guī)律，比如樹和云層會(huì)遮擋住陽(yáng)光，房子或者障礙物會(huì)阻擋你的前進(jìn)，車與行人之間接觸要發(fā)生交互等。同時(shí)，車輛按照真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律建模，啟動(dòng)和停止的時(shí)候會(huì)有加減速曲線。
騰訊濱海大廈路段多天氣多時(shí)段仿真
因此，模擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景的差異決定了測(cè)試結(jié)果的有效性。在高保真度的系統(tǒng)下，需要集合靜態(tài)場(chǎng)景還原、動(dòng)態(tài)案例仿真、傳感器仿真、車輛動(dòng)力學(xué)仿真、并行加速計(jì)算等功能。如不同尺寸、不同性能的車輛遇到同樣的路況場(chǎng)景，做出的反應(yīng)會(huì)有差別；雨天的濕滑路面和晴天的路面上車輛的操控也會(huì)不同。
除此之外，自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還要包括根據(jù)真實(shí)路網(wǎng)或高精地圖生成大規(guī)模虛擬場(chǎng)景的道路環(huán)境模塊；根據(jù)實(shí)際路測(cè)數(shù)據(jù)，或者是參數(shù)化交通模型生成測(cè)試場(chǎng)景的交通模塊；仿真各種傳感器，包括攝像頭，激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)，GPS，超聲波雷達(dá)，IMU等模塊，既可以提供原始數(shù)據(jù)，也可以提供真值；車輛動(dòng)力學(xué)模型，可以根據(jù) ADAS 或者自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的輸入，結(jié)合路面特性對(duì)車輛本身進(jìn)行仿真，完成閉環(huán)的測(cè)試；分布式存儲(chǔ)和運(yùn)行平臺(tái)，通過(guò)添加硬件的方式或者上云的方式提高自動(dòng)駕駛測(cè)試的里程數(shù)；對(duì)接 ADAS 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的豐富的接口，以及和 ECU，傳感器進(jìn)行 HIL測(cè)試的設(shè)備等。
上海博園路仿真效果對(duì)比
目前，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多針對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的仿真類產(chǎn)品，各平臺(tái)之間有自己本身的特點(diǎn)。例如，強(qiáng)調(diào)車輛本身動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)仿真軟件CarSim、CarMaker；構(gòu)建簡(jiǎn)單場(chǎng)景模型、用于ADAS功能驗(yàn)證的PreScan等等。國(guó)外Waymo自建了平臺(tái)Carcraft，用于訓(xùn)練AI補(bǔ)充真實(shí)路測(cè)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)以騰訊、百度等一大批以高精地圖重建，真實(shí)數(shù)據(jù)回放，甚至應(yīng)用游戲引擎進(jìn)行高真實(shí)度虛擬重建的平臺(tái)也涌現(xiàn)出來(lái)。
游戲技術(shù)有助于自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)
還原真實(shí)世界的運(yùn)行規(guī)律
擁有業(yè)內(nèi)絕對(duì)領(lǐng)先的游戲技術(shù)的騰訊，將游戲引擎、虛擬現(xiàn)實(shí)、云游戲等技術(shù)運(yùn)用到模擬仿真平臺(tái)的開發(fā)當(dāng)中，助力自動(dòng)駕駛技術(shù)的研發(fā)和驗(yàn)證。2020新年伊始，智車科技有幸采訪到了騰訊自動(dòng)駕駛模擬仿真平臺(tái)負(fù)責(zé)人孫馳天，他對(duì)騰訊TADSim平臺(tái)進(jìn)行了獨(dú)家揭秘。
孫馳天提到，自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)需要四個(gè)關(guān)鍵核心能力：
1.幾何還原：對(duì)三維世界幾何特征的還原，比如場(chǎng)景內(nèi)道路和物體的形狀和紋理等；
2.物理還原：對(duì)于世界的幾何還原的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，基于虛擬場(chǎng)景的幾何特征，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的物理計(jì)算，包括車輛動(dòng)力學(xué)、物理級(jí)傳感器仿真和碰撞結(jié)果等；
3.邏輯還原：基于幾何還原和物理還原，還原場(chǎng)景內(nèi)元素的運(yùn)動(dòng)軌跡和行為特征，用于自動(dòng)駕駛算法的驗(yàn)證；
4.并發(fā)系統(tǒng)：可以高并發(fā)的運(yùn)行仿真核心引擎的能力。
通俗的講就是，當(dāng)選擇構(gòu)建某個(gè)交通場(chǎng)景時(shí)，地圖是第一個(gè)需要考慮的。騰訊TAD Sim仿真平臺(tái)采用實(shí)際環(huán)境信息及已有的高精地圖構(gòu)建靜態(tài)場(chǎng)景，通過(guò)采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立高精地度地圖，構(gòu)建環(huán)境模型，并通過(guò)自動(dòng)化工具生成高精度的道路還原，一些典型的交通元素也可以通過(guò)人工構(gòu)建。通過(guò)采集實(shí)際路上的海量真實(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法抽取，再做動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的重建。
騰訊TAD Sim仿真平臺(tái)天氣模擬界面
當(dāng)然，對(duì)于自動(dòng)駕駛算法驗(yàn)證，尤其是感知算法，天氣和氣候?qū)Ψ抡娴挠绊懞艽螅@對(duì)傳感器能否有效工作有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。所以，在仿真環(huán)境里，對(duì)不同的天氣參數(shù)的調(diào)節(jié)是非常必要的，比如太陽(yáng)高度角，霧的濃度，雨滴的大小等。
騰訊TAD Sim平臺(tái)運(yùn)用游戲引擎，顯著提高了畫面的渲染效果，能夠真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)世界中各種天氣情況，以及光照條件的變化，對(duì)車輛感知/決策帶來(lái)影響，讓仿真的結(jié)果更加真實(shí)。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如《重生邊緣》游戲，采用了光線追蹤技術(shù)，逼真的光影效果讓畫面看上去更加真實(shí)驚艷，水中的倒影、隨風(fēng)搖擺的植物以及階梯上的影子，讓玩家身臨其境的感受到未來(lái)世界的獨(dú)特場(chǎng)景。
游戲《重生邊緣》場(chǎng)景圖
仿真云及數(shù)據(jù)云平臺(tái)相結(jié)合
加速自動(dòng)駕駛研發(fā)測(cè)試
除環(huán)境渲染外，傳感器仿真對(duì)技術(shù)的要求更高。包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)這些無(wú)人駕駛技術(shù)最重要的周邊環(huán)境感知的設(shè)備，都可以很好地被進(jìn)行建模和仿真；在攝像頭仿真上，騰訊模擬了各種復(fù)雜的真實(shí)天氣情況，可以自主調(diào)節(jié)天氣，支持各種天氣和光線條件下的攝像頭仿真；激光雷達(dá)的仿真參照真實(shí)激光雷達(dá)的掃描方式，模擬每一條真實(shí)射線的發(fā)射，與場(chǎng)景中所有物體求交，生成真實(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)仿真
相機(jī)缺陷模擬
在本地部署之外，云端的高并發(fā)系統(tǒng)更符合大規(guī)模自動(dòng)駕駛測(cè)試需求。目前，騰訊仿真云平臺(tái)上包括了場(chǎng)景型云仿真和虛擬城市型云仿真，高并發(fā)的橫向加速，縮短了仿真的時(shí)間。算法上傳到云端，在云上就完成自動(dòng)評(píng)測(cè)。舉個(gè)例子：在不間斷運(yùn)行的虛擬城市之中，一旦自動(dòng)駕駛車輛做了一個(gè)錯(cuò)誤的決策，違反了系統(tǒng)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，比如和一輛車發(fā)生了碰撞，那系統(tǒng)就會(huì)把碰撞場(chǎng)景截取下來(lái)，成為訓(xùn)練無(wú)人駕駛算法的素材。
另外，高保真的仿真效果勢(shì)必會(huì)占用顯卡等圖像計(jì)算資源，在保證高保真效果的同時(shí)，如何去兼顧仿真的效率呢？騰訊模擬仿真平臺(tái)負(fù)責(zé)人孫馳天表示，騰訊通過(guò)模塊化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二者的平衡，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際使用需求配置不同仿真程度的模塊，比如用戶比較在意仿真效率的話就可以選擇較低保真度的仿真模塊運(yùn)行。
當(dāng)前，全球各大車企正在研究用仿真測(cè)試?yán)锍虂?lái)取代一部分實(shí)際路測(cè)里程，目前自動(dòng)駕駛測(cè)試90%通過(guò)模擬仿真平臺(tái)完成，9%通過(guò)測(cè)試場(chǎng)完成，1%通過(guò)實(shí)際道路測(cè)試完成。盡管如此，對(duì)于實(shí)際路測(cè)的人力、物力、財(cái)力都是相當(dāng)大的投入，且存在安全性隱患。隨著技術(shù)的發(fā)展，如果能夠?qū)崿F(xiàn)99.9%模擬仿真測(cè)試，0.09%測(cè)試場(chǎng)測(cè)試及0.01%的實(shí)際路測(cè)，將會(huì)大幅提升自動(dòng)駕駛落地速度。以騰訊TAD Sim為代表的自動(dòng)駕駛模擬仿真平臺(tái)，將成為整車企業(yè)落地自動(dòng)駕駛的必備工具，以及智慧城市交通調(diào)度管理、自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證、法規(guī)制定的有力輔助。
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