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模擬仿真平臺加速無人駕駛到來
2020-02-18 22:05:08· 來源：智車科技 作者：張良
自動駕駛是現(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，同時也有助于減少交通事故。行業(yè)普遍預(yù)測，為了保證自動駕駛技術(shù)安全可靠，車企需要積累17
自動駕駛是現(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，同時也有助于減少交通事故。行業(yè)普遍預(yù)測，為了保證自動駕駛技術(shù)安全可靠，車企需要積累177億公里的測試數(shù)據(jù)來優(yōu)化其自動駕駛系統(tǒng)，而如此龐大的目標(biāo)里程是很難在短時間內(nèi)通過真實路測達(dá)到的。
模擬仿真成為重要測試手段
無人駕駛系統(tǒng)由感知、預(yù)測、決策、控制、定位等多個功能模塊組成，每個模塊都各自擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和算法。絕大部分情況下，在道路測試過程中，系統(tǒng)開發(fā)人員很難對海量的輸出參數(shù)做出評價。通過在軟件模擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)和復(fù)現(xiàn)問題，不需要真實的環(huán)境和硬件，可以極大的節(jié)省成本和時間，加快模型迭代速度。因此，通過模擬真實環(huán)境和構(gòu)建汽車模型，在仿真環(huán)境下找出自動駕駛過程中可能出現(xiàn)的問題，已經(jīng)成為一種重要的自動駕駛車輛測試手段。
復(fù)雜路況仿真
自動駕駛仿真平臺核心在于真
傳統(tǒng)汽車測試重點關(guān)注物理性能，例如加速度、剎車、碰撞安全等。而自動駕駛的測試主要評價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。
自動駕駛仿真的基本原理是在仿真場景內(nèi)，將真實控制器變成算法，結(jié)合傳感器仿真等技術(shù)，完成對算法的測試和驗證。仿真平臺的核心問題在于“真”上，既要還原真實世界的客觀屬性，又要構(gòu)造真實世界的物理規(guī)律。例如需要模擬真實世界的房子、車、樹木、道路、紅綠燈、影子等，還需要能夠模擬真實世界的物理規(guī)律，比如樹和云層會遮擋住陽光，房子或者障礙物會阻擋你的前進(jìn)，車與行人之間接觸要發(fā)生交互等。同時，車輛按照真實世界的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)規(guī)律建模，啟動和停止的時候會有加減速曲線。
騰訊濱海大廈路段多天氣多時段仿真
因此，模擬場景和真實場景的差異決定了測試結(jié)果的有效性。在高保真度的系統(tǒng)下，需要集合靜態(tài)場景還原、動態(tài)案例仿真、傳感器仿真、車輛動力學(xué)仿真、并行加速計算等功能。如不同尺寸、不同性能的車輛遇到同樣的路況場景，做出的反應(yīng)會有差別；雨天的濕滑路面和晴天的路面上車輛的操控也會不同。
除此之外，自動駕駛仿真平臺還要包括根據(jù)真實路網(wǎng)或高精地圖生成大規(guī)模虛擬場景的道路環(huán)境模塊；根據(jù)實際路測數(shù)據(jù)，或者是參數(shù)化交通模型生成測試場景的交通模塊；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；車輛動力學(xué)模型，可以根據(jù) ADAS 或者自動駕駛系統(tǒng)的輸入，結(jié)合路面特性對車輛本身進(jìn)行仿真，完成閉環(huán)的測試；分布式存儲和運(yùn)行平臺，通過添加硬件的方式或者上云的方式提高自動駕駛測試的里程數(shù)；對接 ADAS 和自動駕駛系統(tǒng)的豐富的接口，以及和 ECU，傳感器進(jìn)行 HIL測試的設(shè)備等。
上海博園路仿真效果對比
目前，隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多針對自動駕駛車輛的仿真類產(chǎn)品，各平臺之間有自己本身的特點。例如，強(qiáng)調(diào)車輛本身動力學(xué)數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)仿真軟件CarSim、CarMaker；構(gòu)建簡單場景模型、用于ADAS功能驗證的PreScan等等。國外Waymo自建了平臺Carcraft，用于訓(xùn)練AI補(bǔ)充真實路測數(shù)據(jù)，國內(nèi)以騰訊、百度等一大批以高精地圖重建，真實數(shù)據(jù)回放，甚至應(yīng)用游戲引擎進(jìn)行高真實度虛擬重建的平臺也涌現(xiàn)出來。
游戲技術(shù)有助于自動駕駛仿真平臺
還原真實世界的運(yùn)行規(guī)律
擁有業(yè)內(nèi)絕對領(lǐng)先的游戲技術(shù)的騰訊，將游戲引擎、虛擬現(xiàn)實、云游戲等技術(shù)運(yùn)用到模擬仿真平臺的開發(fā)當(dāng)中，助力自動駕駛技術(shù)的研發(fā)和驗證。2020新年伊始，智車科技有幸采訪到了騰訊自動駕駛模擬仿真平臺負(fù)責(zé)人孫馳天，他對騰訊TADSim平臺進(jìn)行了獨家揭秘。
孫馳天提到，自動駕駛仿真系統(tǒng)需要四個關(guān)鍵核心能力：
1.幾何還原：對三維世界幾何特征的還原，比如場景內(nèi)道路和物體的形狀和紋理等；
2.物理還原：對于世界的幾何還原的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，基于虛擬場景的幾何特征，進(jìn)行相對應(yīng)的物理計算，包括車輛動力學(xué)、物理級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，還原場景內(nèi)元素的運(yùn)動軌跡和行為特征，用于自動駕駛算法的驗證；
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)建某個交通場景時，地圖是第一個需要考慮的。騰訊TAD Sim仿真平臺采用實際環(huán)境信息及已有的高精地圖構(gòu)建靜態(tài)場景，通過采集激光點云數(shù)據(jù)，建立高精地度地圖，構(gòu)建環(huán)境模型，并通過自動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人工構(gòu)建。通過采集實際路上的海量真實數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法抽取，再做動態(tài)場景的重建。
騰訊TAD Sim仿真平臺天氣模擬界面
當(dāng)然，對于自動駕駛算法驗證，尤其是感知算法，天氣和氣候?qū)Ψ抡娴挠绊懞艽?，這對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，對不同的天氣參數(shù)的調(diào)節(jié)是非常必要的，比如太陽高度角，霧的濃度，雨滴的大小等。
騰訊TAD Sim平臺運(yùn)用游戲引擎，顯著提高了畫面的渲染效果，能夠真實還原現(xiàn)實世界中各種天氣情況，以及光照條件的變化，對車輛感知/決策帶來影響，讓仿真的結(jié)果更加真實。舉個簡單的例子，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世界的獨特場景。
游戲《重生邊緣》場景圖
仿真云及數(shù)據(jù)云平臺相結(jié)合
加速自動駕駛研發(fā)測試
除環(huán)境渲染外，傳感器仿真對技術(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)的仿真參照真實激光雷達(dá)的掃描方式，模擬每一條真實射線的發(fā)射，與場景中所有物體求交，生成真實的點云數(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)模自動駕駛測試需求。目前，騰訊仿真云平臺上包括了場景型云仿真和虛擬城市型云仿真，高并發(fā)的橫向加速，縮短了仿真的時間。算法上傳到云端，在云上就完成自動評測。舉個例子：在不間斷運(yùn)行的虛擬城市之中，一旦自動駕駛車輛做了一個錯誤的決策，違反了系統(tǒng)評測標(biāo)準(zhǔn)，比如和一輛車發(fā)生了碰撞，那系統(tǒng)就會把碰撞場景截取下來，成為訓(xùn)練無人駕駛算法的素材。
另外，高保真的仿真效果勢必會占用顯卡等圖像計算資源，在保證高保真效果的同時，如何去兼顧仿真的效率呢？騰訊模擬仿真平臺負(fù)責(zé)人孫馳天表示，騰訊通過模塊化系統(tǒng)實現(xiàn)二者的平衡，用戶可以根據(jù)自己的實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試?yán)锍虂砣〈徊糠謱嶋H路測里程，目前自動駕駛測試90%通過模擬仿真平臺完成，9%通過測試場完成，1%通過實際道路測試完成。盡管如此，對于實際路測的人力、物力、財力都是相當(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%模擬仿真測試，0.09%測試場測試及0.01%的實際路測，將會大幅提升自動駕駛落地速度。以騰訊TAD Sim為代表的自動駕駛模擬仿真平臺，將成為整車企業(yè)落地自動駕駛的必備工具，以及智慧城市交通調(diào)度管理、自動駕駛技術(shù)測試驗證、法規(guī)制定的有力輔助。
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