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自動駕駛整車在環(huán)仿真平臺研究及模擬實現(xiàn)
2020-06-05 00:27:03· 來源：汽車實用技術(shù) 作者：上海電力大學(xué)自動化工程學(xué)院 上海車右智能科技有限公司）段倫永 馬志成 王立 李志斌
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針對目前主流自動駕駛整車測試方法及 ADAS 整車在環(huán)仿真測試方法的特點。利用虛擬現(xiàn)實和實時仿真技術(shù)，搭建自動駕駛整車在環(huán)仿真平臺，并在室內(nèi)進行仿真平臺的模擬實現(xiàn)和案例測試。
該平臺不僅可以提供豐富的測試環(huán)境，危險場景以及難復(fù)現(xiàn)的復(fù)雜場景進行可重復(fù)性測試，而且使用的是真實車輛的車輛動力學(xué)特性，無需復(fù)雜的車輛動力學(xué)模型，同時測試成本也相對低廉。
目前，針對自動駕駛整車測試要求，主要有三種測試方法：軟件虛擬測試、HIL（Hardware-In-the-Loop）仿真測試和真實道路測試。
軟件虛擬測試是基于虛擬場景的整車集成式的自動駕駛測試方法，是一種純數(shù)字仿真測試；HIL 仿真測試主要用于核心控制算法形成后，將真實的整車引入仿真測試系統(tǒng)中進行臺架測試；
真實道路測試分為封閉園區(qū)測試和開放道路測試，是確認自動駕駛汽車可靠性最為重要的一種測試方法，而且仿真測試永遠不能代替真實道路測試。然而，經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的三種主流測試方法都有其固有弊端，如表 1 所示。
另外，Miquet 等，Butenuth等，趙祥磊等，提出了 用于測試 ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）的 VIL（Vehicle-Inthe-Loop）仿真測試方法。
此類方法的基本原理和測試目的 與自動駕駛整車在環(huán)仿真測試相似，但是如果應(yīng)用于自動駕 駛車輛的整車測試，還存在以下問題：
■ 仿真系統(tǒng)安裝在被試車輛上，測試過程中，很難在線 分析和監(jiān)控；
■ 不能支持云端虛擬仿真環(huán)境；
■ 不能擴展，一個仿真系統(tǒng)只能對一輛整車的系統(tǒng)進行 測試；
■ 為了逼真的模擬物理世界，場景虛擬系統(tǒng)會非常龐大，由于尺寸、功率和重量等限制，很難安裝在被試車輛上。即使勉強安裝在車上，會增加被試車輛的電能負載和重量， 影響測試效果。
同時，車輛運行的振動會降低仿真系統(tǒng)硬件的可靠性。針對上述幾種測試方法的特點，本文提出搭建自動駕駛 VIL 仿真測試平臺，以此解決當前主流自動駕駛整車測試， 各自固有缺點，充分結(jié)合幾者的優(yōu)勢。
1 系統(tǒng)原理
自動駕駛整車在環(huán)仿真測試平臺總體結(jié)構(gòu)主要由交通仿真場景、自動駕駛控制系統(tǒng)、真實測試道路上的物理車輛三 部分組成。其系統(tǒng)原理，如圖 1 所示。
使用基于 UE4（Unreal Engine 4）的自動駕駛仿真測試系統(tǒng) Carla，建設(shè)所需開發(fā)測試的仿真場景；仿真場景中的數(shù)字孿生車輛，通過虛擬感知傳感器采集測試場景數(shù)據(jù)；并將數(shù)據(jù)傳遞給被試自動駕駛控制器，進行信息融合與控制決策， 決策后的車輛控制命令，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給物理車輛的執(zhí)行器；
物理車輛在真實道路上做出反應(yīng)后，車輛姿態(tài)和位置信息，再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給仿真場景中的數(shù)字孿生車輛；完成車輛位置同步，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)實時仿真。
自動駕駛 VIL 仿真系統(tǒng)中，由于交通仿真場景中數(shù)字孿生車輛的運動狀態(tài)由真實道路上行駛的物理車輛的運動狀態(tài)決定，因此仿真測試平臺無需建立復(fù)雜的車輛動力學(xué)模型；同時比其他類型的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，提供更精確的仿真能 力，且保留了軟件虛擬測試低成本，場景多樣，極端場景測試，可重復(fù)性測試等優(yōu)點。
交通仿真場景中，不僅可以生成可控的程序化車輛流、 行人、動物等動態(tài)背景物體，還可以接入駕駛模擬器，控制特定的背景車輛，模擬人類駕駛習(xí)慣，構(gòu)成更加真實、嚴苛的仿真測試環(huán)境。
交通仿真場景服務(wù)器獨立于真實道路上的物理車輛，放置在試驗室中，因此不會受到場地、供電和計算能力的限制，尤其是系統(tǒng)中不需要模擬復(fù)雜的車輛動力學(xué)模型，大幅度降低了對虛擬場景服務(wù)器計算能力的要求。
從而允許多臺被試自動駕駛車輛，在同一個交通仿真場景中進行同步測試，可 用于模擬和分析多臺自動駕駛車輛（包括不同控制算法）在同一個交通場景下的交互模式及相互間的影響?？梢詫崿F(xiàn)多輛被試自動駕駛車輛，程序化背景車輛流，人類駕駛特性車 輛共存的交通狀況。
2 自動駕駛整車在環(huán)仿真平臺實現(xiàn)
自動駕駛整車在環(huán)仿真平臺實現(xiàn)總體分成平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計、虛擬場景建設(shè)、物理車輛改裝、基于 ROS 系統(tǒng)功能開發(fā)， 四個部分來完成。
2.1 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計
自動駕駛整車在環(huán)仿真平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。圖 2 是最佳實施方案的自動駕駛 VIL 仿真平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本文是在室內(nèi)模擬實現(xiàn)自動駕駛 VIL 仿真平臺，使用的是Carla系統(tǒng)自帶的簡易AD算法，沒有獨立的自動駕駛控制器；同時，車輛駕駛控制命令和車輛姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)，通過使AP（Wireless Access Point）組建的無線局域網(wǎng)進行通訊，沒有采用 5G 通訊技術(shù)。
2.2 虛擬場景建設(shè)
此仿真平臺使用自動駕駛仿真測試系統(tǒng) Carla，進行虛擬場景建設(shè)。Carla 從頭開始開發(fā)，以支持自動駕駛系統(tǒng)的開發(fā)，訓(xùn)練和驗證。除開源代碼和協(xié)議外，Carla 還提供為此目的而創(chuàng)建的開放式數(shù)字資產(chǎn)（城市布局，建筑物，車輛等），并可自由使用。
支持靈活的傳感器套件規(guī)格和環(huán)境條件（白天、夜晚、雨雪天氣等），通過OpenDrive 格式地圖數(shù)據(jù)賦予3D模型語義信息。支持 FBX3D 模型格式導(dǎo)入，便于高效、便捷地完成虛擬場景建設(shè)任務(wù)。此次模擬平臺建設(shè)的室內(nèi) Demo 仿真場景，如圖 3 所示。
2.3 物理車輛改裝
傳感器成本一直是自動駕駛汽車硬件成本居高不下的重要原因。自動駕駛 VIL 仿真平臺中，傳感器只用來實時定位，車輛改裝的最佳傳感器配置是 RTKGPS（載波相位差分 技術(shù)全球定位系統(tǒng)）+IMU（慣性測量單元）的組合，所以和真實道路測試相比，VIL 仿真平臺大幅度降低了被試車 輛的改裝成本。
模擬平臺中我們選用 X-MAXX RC Car 進行改裝，它是按照正常車輛的 5:1 尺寸縮小，其工作原理和市面上電動汽車基本相同，車上安裝處理器（Raspberry Pi 3B+）、執(zhí)行器 （PCA9685）、激光雷達（SLAMTIC RPLIDAR A1）、慣性測 量單元（razor_imu_9dof），實現(xiàn)車輛定位和自動駕駛控制信號接收。使用低成本的硬件改裝，就可以達到較好的測試效果。改裝后的物理車輛，如圖 4 所示。
2.4 基于 ROS系統(tǒng)功能開發(fā)
ROS（Robot Operating System）是一個適用于機器人， 開源的元操作系統(tǒng)。采用分布式架構(gòu)，通過各功能獨立的節(jié)點（Node）實現(xiàn)消息傳遞任務(wù)的分層次運行，從而減輕實時計算的壓力[12]。根據(jù) ROS 提供的底層標準操作系統(tǒng)服務(wù)， 進行仿真測試平臺的功能開發(fā)。自動駕駛 VIL 仿真平臺中 ROS 節(jié)點的信息流程圖，如圖 5 所示。
3 車輛物理定位分析
自動駕駛VIL仿真平臺的模擬實現(xiàn)是在室內(nèi)進行，所以采用SLAM（Simultaneous Localization And Map）定位技術(shù)。
自動駕駛汽車在未知環(huán)境中探索，僅通過安裝在汽車上的傳感器估計汽車本身的位置的同時繪制未知環(huán)境的地圖。這是導(dǎo)航及自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)。定位傳感器 IMU 是敏感元件，尤其低成本 IMU 的偏航角信號受噪聲干擾嚴重，需對 IMU 偏航角信號數(shù)據(jù)做濾波處理。原始數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)對比，如圖 6 所示。
繪制地圖所需的節(jié)點和話題，如圖 7 所示。SLAM室內(nèi)演示場景的點云地圖，如圖 8 所示。
使用手動控制程序，控制物理車輛運動。車輛位置測試 結(jié)果數(shù)據(jù)，如表 2 所示。
根據(jù)測試結(jié)果，分析得出：排除無線信號干擾因素，仿 真平臺的實時性誤差在允許范圍內(nèi)，滿足室內(nèi)平臺模擬實現(xiàn) 的車輛物理定位要求。
4 測試案例分析
自動駕駛VIL仿真平臺具有信號實時監(jiān)測功能，可以隨時獲取某一時間段或特定場景中，車輛控制信號。這對于測試后期，數(shù)據(jù)處理、算法改進、故障分析等具有重要意義。仿真平臺測試的實驗場景：被試車輛在直行過程中，道路前方出現(xiàn)其他行駛車輛，如圖 9 所示。這一時間段的車輛控制信號，如圖 10 所示。
開始階段油門開度信號為1，電機正轉(zhuǎn)，被試車輛以最大油門開度行駛；直行過程中，道路前方出現(xiàn)其他行駛車輛，油門信號變?yōu)?，電機停止工作，被試車輛停車；當前方車輛離開后，油門信號又變?yōu)?1，被試車輛繼續(xù)行駛。
此次實驗使用的控制算法，油門開度為0時，即車輛制動，所以沒有制動信號輸出，制動信號顯示恒為0。被試車輛的舵機最大轉(zhuǎn)向角為±100°，為了保護車輛，程序中設(shè)置轉(zhuǎn)向極值角，控制算法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向信號，使車輛保持直行，其他車輛離開后， 被試車輛繼續(xù)行駛且開始轉(zhuǎn)向。
5 結(jié)論
自動駕駛車輛上路前一定需要經(jīng)過大量測試，代替實車的仿真測試已成為各大汽車廠商與自動駕駛技術(shù)供應(yīng)商的關(guān)注重點。本文通過分析當前主流的三種自動駕駛整車測試方法及 ADAS 整車在環(huán)測試方法的特點，開發(fā)了自動駕駛整車在環(huán)仿真開發(fā)平臺，充分結(jié)合了軟件虛擬測試、硬件在環(huán)仿真測試、真實道路測試三者的優(yōu)點。
通過自動駕駛 VIL 仿 真平臺研究及模擬實現(xiàn)，得到以下結(jié)論：
（1）自動駕駛 VIL 仿真平臺用于自動駕駛整車測試理論上是可行的，在實車測試平臺建設(shè)中可能會存在工程上問 題。
（2）基于成熟的軟件虛擬整車測試系統(tǒng)開發(fā)，自動駕駛 VIL 仿真平臺不僅可以提供豐富的測試環(huán)境，危險場景以及難復(fù)現(xiàn)的復(fù)雜場景進行可重復(fù)性測試，而且通過接入真實道路上行駛的物理車輛運動狀態(tài)，平臺中車輛動力學(xué)特性和真實道路測試完全一致。
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