無(wú)人駕駛汽車(chē)真實(shí)上路后所要面臨的外部環(huán)境是復(fù)雜多變的。通過(guò)利用仿真模擬軟件可以檢查算法，也可以訓(xùn)練無(wú)人車(chē)面對(duì)不同場(chǎng)景下的感知、決策等算法。

模擬平臺(tái)有很多種，如果分類的話，可以分為兩種：開(kāi)源和收費(fèi)的。從技術(shù)上分，也主要有兩種：第一種是基于合成數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境、感知以及車(chē)輛進(jìn)行模擬，這種模擬器主要用于控制與規(guī)劃算法的初步開(kāi)發(fā)上；第二種是基于真實(shí)數(shù)據(jù)的回放以測(cè)試無(wú)人駕駛不同部件的功能及性能。

開(kāi)源模擬平臺(tái)

Gazebo



Gazebo平臺(tái)可以提供在復(fù)雜的室內(nèi)和室外環(huán)境中準(zhǔn)確有效地模擬訓(xùn)練機(jī)器人的能力。它擁有一個(gè)強(qiáng)大的物理引擎，高品質(zhì)的圖形，方便的編程和圖形界面。最重要的是，Gazebo是一個(gè)充滿活力的社區(qū)免費(fèi)。三維機(jī)器人模擬器Gazebo一般結(jié)合機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS來(lái)測(cè)試。

優(yōu)點(diǎn)：
1.動(dòng)力學(xué)仿真
可以連接多個(gè)高性能物理引擎，包括ODE，Bullet，Simbody和DART。
2.先進(jìn)的3D圖形
Gazebo利用OGRE提供逼真的渲染環(huán)境，包括高質(zhì)量的照明，陰影和紋理。
3.傳感器和噪音
從激光測(cè)距儀，2D / 3D攝像機(jī)，Kinect風(fēng)格的傳感器，接觸式傳感器，力矩等等生成傳感器數(shù)據(jù)，可選的噪音。
4.插件
可開(kāi)發(fā)機(jī)器人，傳感器和環(huán)境控制的自定義插件。插件可直接訪問(wèn)Gazebo的API。
5.機(jī)器人模型
提供了許多機(jī)器人，包括PR2，Pioneer2 DX，iRobotCreate和TurtleBot。 或者使用SDF構(gòu)建你自己的。
6.命令行工具
廣泛的命令行工具有利于模擬內(nèi)省和控制。
7.云模擬
通過(guò)運(yùn)用Gazebo的功能來(lái)整合現(xiàn)有的模型和傳感器。

應(yīng)用：
在無(wú)人駕駛車(chē)輛測(cè)試方面，github上有人用ROS動(dòng)能和Gazebo 8做過(guò)一個(gè)Car Demo，車(chē)輛的油門(mén)、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向和傳動(dòng)都是通過(guò)一個(gè)ROS系統(tǒng)去控制。所有傳感器數(shù)據(jù)都是通過(guò)ROS發(fā)布，并且可以用RVIZ可視化。利用Gazebo功能整合現(xiàn)有的模型和傳感器，構(gòu)建城市模型和一個(gè)高速公路交互場(chǎng)景，垃圾箱、交通錐和加油站等都來(lái)自Gazebo模型庫(kù)。在車(chē)頂處搭載一個(gè)16線激光雷達(dá)，8個(gè)超聲波傳感器，4個(gè)攝像頭和2個(gè)平面激光雷達(dá)。代碼可以從Github 網(wǎng)址得到。通過(guò)Nvidia-docker并從Docker Hub中提取osrt/car_demo進(jìn)行嘗試。該平臺(tái)基于C++開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)要求ROS+Ubuntu環(huán)境。





EuroTruck Simulator 2



Euro Truck Simulator 2 本身是一個(gè)卡車(chē)模擬經(jīng)營(yíng)類游戲，可以通過(guò)代碼訓(xùn)練和運(yùn)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)，。通過(guò)AI輸出的結(jié)果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向、加速和剎車(chē)，可以用來(lái)強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練車(chē)輛算法。它的缺點(diǎn)是只能控制上下左右四個(gè)方向鍵，不能設(shè)置方向盤(pán)的角度。
除了Euro Truck Simulator 2，還有The Open Racing Car Simulator游戲也可以被用來(lái)進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)的訓(xùn)練。

應(yīng)用：gibbgub上有人做了Self-driving-truck項(xiàng)目，基本訓(xùn)練方法遵循接近原始的 Atri 論文中的強(qiáng)化學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)，此外該模型還試圖未來(lái)的狀態(tài)和獎(jiǎng)勵(lì)。訓(xùn)練中還使用了一些手工創(chuàng)建的模型和自動(dòng)生成的模型。

配置要求：
CPU： Core 2 Duo 2.2 GHz,
內(nèi)存：1 GB RAM (2 GB RAM - Vista/7)
顯卡：512 MB (GeForce 6800 or better)
硬盤(pán)：1.2 GB HDD
系統(tǒng)：Windows、Mac OS X、SteamOS + Linux
編程：基于Python。

Torcs



The Open Racing Car Simulator（TORCS）是一款開(kāi)源3D賽車(chē)模擬游戲。是在Linux操作系統(tǒng)上廣受歡迎的賽車(chē)游戲。有50種車(chē)輛和20條賽道，簡(jiǎn)單的視覺(jué)效果。用C和C++寫(xiě)成，釋放在GPL協(xié)議下。

應(yīng)用：有人用深度學(xué)習(xí)框架Keras和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法DDPG去訓(xùn)練Torcs汽車(chē)。也有人使用gym_torcs庫(kù)，在python中直接調(diào)用torcs，接口類似于OpenAI的Gym。還有人做了基于DRL和TORCS的自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)。

Unity

自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要自動(dòng)駕駛軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)，而在線教育公司Udacity（優(yōu)達(dá)學(xué)城）推出了面向自動(dòng)駕駛開(kāi)發(fā)的納米學(xué)位，來(lái)滿足目前汽車(chē)行業(yè)對(duì)自動(dòng)駕駛軟件工程師旺盛的需求。近日，Udacity通過(guò)開(kāi)源協(xié)議授權(quán)公開(kāi)了它的自動(dòng)駕駛汽車(chē)模擬器，有 Unity 技術(shù)背景的任何人都可以利用此模擬器的資源，載入軟件內(nèi)置場(chǎng)景或創(chuàng)建自己的虛擬測(cè)試路線。





該模擬器是為優(yōu)達(dá)自動(dòng)駕駛，旨在教學(xué)生如何使用深度學(xué)習(xí)駕駛汽車(chē)，支持Linux、Mac、Windows環(huán)境，只需將數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制到本地目錄，確保使用Git LFS 帶動(dòng)大量的紋理和模型資源。

Carla

英特爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合豐田研究院和巴塞羅那計(jì)算機(jī)視覺(jué)中心聯(lián)合發(fā)布CARLA，用于城市自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、訓(xùn)練和驗(yàn)證的開(kāi)源模擬器，支持多種傳感模式和環(huán)境條件的靈活配置，論文中詳細(xì)評(píng)估并比較了三種自動(dòng)駕駛方法的性能。

CARLA的開(kāi)發(fā)包括從最基礎(chǔ)的直到支持城市自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、訓(xùn)練和驗(yàn)證。除了開(kāi)源代碼和協(xié)議，CARLA還提供了為自動(dòng)駕駛創(chuàng)建的開(kāi)源數(shù)字資源（包括城市布局、建筑以及車(chē)輛），這些資源都是可以免費(fèi)獲取和使用的。

這個(gè)模擬平臺(tái)能夠支持傳感套件和環(huán)境條件的靈活配置。我們使用CARLA來(lái)研究三種自動(dòng)駕駛方法的性能：傳統(tǒng)的模塊化流水線，通過(guò)模仿學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到的端到端模型，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到的端到端模型。這三種方法在難度遞增的受控環(huán)境中做了評(píng)估，并用CARLA提供的指標(biāo)進(jìn)行性能測(cè)試，表明CARLA可以用來(lái)進(jìn)行自動(dòng)駕駛的研究。



Apollo仿真模擬



之前已經(jīng)講過(guò)關(guān)于百度Apollo平臺(tái)的內(nèi)容，《深度揭秘Apollo自動(dòng)駕駛及跟車(chē)方案的思路設(shè)計(jì)》《Apollo 2.0發(fā)布 | 深度揭秘百度自動(dòng)駕駛平臺(tái)》，這里不多講了，優(yōu)點(diǎn)是平臺(tái)開(kāi)源，Apollo特點(diǎn)主要是真實(shí)高精地圖，豐富的真實(shí)場(chǎng)景。后續(xù)也會(huì)有動(dòng)力學(xué)模型。

收費(fèi)模擬平臺(tái)

Prescan

PreScan是一個(gè)基于物理的仿真平臺(tái)，用于汽車(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)基于雷達(dá)，激光/激光雷達(dá)，攝像頭和GPS等傳感器技術(shù)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）。 PreScan還可用于設(shè)計(jì)和評(píng)估車(chē)輛到車(chē)輛（V2V）和車(chē)輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）的通信應(yīng)用以及自動(dòng)駕駛應(yīng)用。PreScan可以從基于模型的控制器設(shè)計(jì)（MIL）用于軟件在環(huán)（SIL）和硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)試。



主要分為四個(gè)步驟，搭建場(chǎng)景、添加傳感器、添加控制系統(tǒng)、運(yùn)行仿真。

場(chǎng)景搭建

專用預(yù)處理器（GUI）允許用戶使用路段，基礎(chǔ)設(shè)施組件（樹(shù)木，建筑物，交通標(biāo)志），演員（汽車(chē)，卡車(chē)，自行車(chē)和行人），天氣條件（如雨，雪和霧）以及光源（如太陽(yáng)光，大燈和路燈）。通過(guò)從OpenStreetMap，Google Earth，Google 3D Warehouse和/或GPS導(dǎo)航設(shè)備讀取信息，可以快速表示真實(shí)道路。

模型傳感器

車(chē)輛模型可以配備不同的傳感器類型，包括雷達(dá)，激光，攝像頭，超聲波，紅外線，GPS和車(chē)輛到X（V2X）通信的天線。通過(guò)簡(jiǎn)單的交換和修改傳感器類型和傳感器特性，便于傳感器設(shè)計(jì)和基準(zhǔn)測(cè)試。



添加控制系統(tǒng)

Matlab / Simulink接口使用戶能夠設(shè)計(jì)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理，傳感器融合，決策制定和控制的算法以及現(xiàn)有的Simulink模型（如CarSim，Dyna4或ASM的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型）的重復(fù)使用。



運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

3D可視化查看器允許用戶分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。它提供了多個(gè)視點(diǎn)，直觀的導(dǎo)航控件以及圖片和電影生成功能。此外，使用ControlDesk和LabView的界面可以用來(lái)自動(dòng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)批次的場(chǎng)景以及運(yùn)行硬件在環(huán)（HIL）模擬。

Panosim

PanoSim是一款集復(fù)雜車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、汽車(chē)三維行駛環(huán)境模型、汽車(chē)行駛交通模型、車(chē)載環(huán)境傳感模型（像機(jī)和雷達(dá)）、無(wú)線通信模型、GPS和數(shù)字地圖模型、Matlab/Simulink仿真環(huán)境自動(dòng)生成、圖形與動(dòng)畫(huà)后處理工具等于一體的大型模擬仿真軟件平臺(tái)。它基于物理建模和精確與高效兼顧的數(shù)值仿真原則，利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逼真地模擬汽車(chē)駕駛的各種環(huán)境和工況，基于幾何模型與物理建模相結(jié)合的建模理念建立了高精度的像機(jī)、雷達(dá)和無(wú)線通信模型，以支持在高效、高精度的數(shù)字仿真環(huán)境下汽車(chē)動(dòng)力學(xué)與性能、汽車(chē)電子控制系統(tǒng)、智能輔助駕駛與主動(dòng)安全系統(tǒng)、環(huán)境傳感與感知、自動(dòng)駕駛等技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證。

PanoSim不僅包括復(fù)雜的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、底盤(pán)（制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架）、輪胎、駕駛員、動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱）等模型，還支持各種典型驅(qū)動(dòng)型式和懸架形式的大、中、小型轎車(chē)的建模以及仿真分析。它提供了先進(jìn)的三維數(shù)字虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景建模與編輯功能，支持對(duì)道路及道路紋理、車(chē)道線、交通標(biāo)識(shí)與設(shè)施、天氣、夜景等汽車(chē)行駛環(huán)境的建模與編輯。

PanoSim仿真實(shí)驗(yàn)操作流程簡(jiǎn)單易懂，制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)步驟：

創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)：新建實(shí)驗(yàn)工程，選擇合適的道路場(chǎng)景，設(shè)置環(huán)境天氣和光照；



設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)：在道路上添加車(chē)輛，設(shè)置車(chē)輛橫向或縱向駕駛參數(shù)，設(shè)置交通流和行人干擾，安裝車(chē)載傳感器（像機(jī)、雷達(dá)或V2X），配置交通元素（交通標(biāo)志牌、信號(hào)燈、障礙物）；

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：使用后處理工具對(duì)仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表分析，或回放仿真動(dòng)。



Carsim

CarSim 是 Mechanical Simulation Corporation 推出的一款整車(chē)仿真軟件，主要從整車(chē)角度進(jìn)行仿真。這個(gè)軟件比較“傻瓜化”，其本質(zhì)上是一個(gè)模型庫(kù)+參數(shù)庫(kù)+求解器+后處理工具+配置界面。也就是說(shuō)，這個(gè)仿真軟件自身已經(jīng)自帶了相當(dāng)數(shù)量的模型，并且這些模型都有一些“比較靠譜”的參數(shù)，用戶免去了繁雜建模和調(diào)參數(shù)的過(guò)程，只要將已有模型“拼”在一起，調(diào)整參數(shù)即可進(jìn)行仿真。

CarSim是專門(mén)針對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的仿真軟件，CarSim模型在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的速度比實(shí)時(shí)快3-6倍，可以仿真車(chē)輛對(duì)駕駛員，路面及空氣動(dòng)力學(xué)輸入的響應(yīng)，主要用來(lái)預(yù)測(cè)和仿真汽車(chē)整車(chē)的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、平順性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。CarSim可以方便靈活的定義試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)過(guò)程，詳細(xì)的定義整車(chē)各系統(tǒng)的特性參數(shù)和特性文件。CarSim軟件的主要適用于以下車(chē)型的建模仿真：轎車(chē)、輕型貨車(chē)、輕型多用途運(yùn)輸車(chē)及SUV。



因?yàn)镃arSim做的全是整車(chē)仿真，為了提升仿真的速度，所以CarSim里的模型都比較簡(jiǎn)單，通常就是簡(jiǎn)單的公式或者基于特性（查表）的模型，參數(shù)也比較少，但是從整車(chē)層面來(lái)看，其精度還是可以接受的。

應(yīng)用：龔建偉等人在《無(wú)人駕駛車(chē)輛模型預(yù)測(cè)控制》一書(shū)中，利用Simulink/CarSim聯(lián)合仿真平臺(tái)，構(gòu)建了車(chē)輛模擬進(jìn)行測(cè)試。

Pro-SiVIC



ESI集團(tuán)傳感器仿真分析解決方案Pro-SiVIC™可以幫助交通運(yùn)輸行業(yè)的制造商們對(duì)車(chē)載或機(jī)載的多種感知系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行虛擬測(cè)試，并且能夠準(zhǔn)確得再現(xiàn)出諸如照明條件、天氣以及其他道路使用者等影響因素。

Pro-SiVIC™可以用來(lái)建立高逼真、與實(shí)際場(chǎng)景相當(dāng)?shù)?D場(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中的實(shí)時(shí)交互進(jìn)行仿真分析，削減物理樣機(jī)的需求。Pro-SiVIC™的使用者們可以快速并且精確地對(duì)各個(gè)嵌入系統(tǒng)在典型及極端操作環(huán)境下的性能進(jìn)行仿真分析，它可以提供基于多種技術(shù)的傳感器模型，例如：攝像機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)（激光掃描儀）、超聲波傳感器、GPS、里程表及通信設(shè)備等。

這就使得該解決方案可以在地面交通、航空航天以及船舶等有基于感知的控制系統(tǒng)的各種行業(yè)得到應(yīng)用。同時(shí)傳感器也可以集成到仿真的3D場(chǎng)景中，以汽車(chē)行業(yè)為例，Pro-SiVIC™提供了多個(gè)環(huán)境目錄，提供具有代表性的不同道路（城市道路、高速以及鄉(xiāng)村公路）、交通標(biāo)識(shí)及車(chē)道線標(biāo)記。



應(yīng)用：在2017年CES上，ESI集團(tuán)與汽車(chē)供應(yīng)商DURA聯(lián)合展示了通過(guò)ESI集團(tuán)Pro-SiVIC解決方案對(duì)汽車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新型的虛擬測(cè)試。兩公司合作構(gòu)建了逼真的3D仿真環(huán)境，再現(xiàn)了拉斯維加斯的部分城市街景，包括實(shí)際道路布局、路標(biāo)和行人等，對(duì)駕駛輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行虛擬測(cè)試。

結(jié)論：除了上述這么軟件外，還有很多采集真實(shí)場(chǎng)景，基于真實(shí)交通場(chǎng)景多傳感數(shù)據(jù)來(lái)做離線測(cè)試。從訓(xùn)練到測(cè)試，虛擬環(huán)境正在讓自動(dòng)駕駛變得越來(lái)越完善。在訓(xùn)練過(guò)程中，它能夠幫我們節(jié)省時(shí)間，提高效率，并且?guī)臀覀円?guī)避在真實(shí)世界中進(jìn)行測(cè)試時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。