關(guān)于作者
Mustafa Sarao?lu 是德累斯頓工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化研究所的一名博士生，重點(diǎn)研究自主車輛及其組件的安全評(píng)估。

我正在與德累斯頓工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化研究所的同事們共同研究 MOBATSim 仿真框架。工程師們可以利用此框架評(píng)估自主車輛的決策和控制算法、可視化算法性能，并分析算法將對(duì)城市交通環(huán)境產(chǎn)生的影響（圖 1）。


圖 1.用于評(píng)估功能安全的 MOBATSim 仿真框架。

MOBATSim 完全依托 MATLAB® 和 Simulink® 構(gòu)建，讓測(cè)試工程師可以在不同場(chǎng)景下評(píng)估算法的功能安全，這不僅包括只有前車和后車的簡(jiǎn)單仿真，也包括有多輛汽車以不同速度行駛且可能存在傳感器或通信系統(tǒng)故障的復(fù)雜環(huán)境。在設(shè)計(jì)初期，工程師可以將 MOBATSim 用作虛擬環(huán)境以縮短測(cè)試時(shí)間并降低測(cè)試成本，這個(gè)框架也適應(yīng) ISO 26262 道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

開(kāi)發(fā) MOBATSim

首先，開(kāi)發(fā) MATLAB 算法，用于簡(jiǎn)單的縱向（加速和減速）及橫向（左右方向）車輛運(yùn)動(dòng)控制。將這些算法作為 MATLAB System 模塊整合至 Simulink 模型。添加子模型，用于實(shí)現(xiàn)自主駕駛系統(tǒng)中常見(jiàn)的感知、決策和軌跡規(guī)劃任務(wù)（圖 2）。


圖 2.包括感知、決策和軌跡規(guī)劃組件的 Simulink 模型。

鑒于 MOBATSim 采用模塊化架構(gòu)，我們可以在項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程中不斷提高各組件（例如，傳感器融合、車輛動(dòng)力學(xué)和車輛間通信）的保真度。為了加快 MOBATSim 初始版本的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，我們構(gòu)建了這些組件的簡(jiǎn)單模型；例如，原始縱向控制模型采用簡(jiǎn)單傳遞函數(shù)關(guān)聯(lián)加速度與車輛速度，但未考慮輪胎打滑或空氣阻力等因素。

注入故障

ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)建議采用故障注入方法研究故障組件及錯(cuò)誤傳播在系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響。MOBATSim 支持各種故障注入方案，包括傳感器噪聲、固定型故障以及車輛對(duì)車輛 (V2V) 和車輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信網(wǎng)絡(luò)延遲。

為了建立性能基線，首先根據(jù)理想（無(wú)故障）運(yùn)行條件在 MOBATSim 中對(duì)算法進(jìn)行仿真。還可以通過(guò) MATLAB 文件或 MOBATSim 界面（圖 3）指定仿真參數(shù)，如車輛數(shù)、車輛起點(diǎn)、終點(diǎn)、尺寸及最大速度。


圖 3.配置和初始化仿真的 MOBATSim 界面（使用 MATLAB App Designer 開(kāi)發(fā)）。

在現(xiàn)實(shí)情況中，車輛可能同時(shí)發(fā)生多種不同程度的故障。在 MOBATSim 中，我們可以運(yùn)行大量仿真，以評(píng)估在故障逐漸嚴(yán)重的條件下運(yùn)行自主駕駛系統(tǒng)的安全性，查明首先發(fā)生失效的系統(tǒng)位置。例如，在調(diào)整固定型故障持續(xù)時(shí)間的同時(shí)，我們可以穩(wěn)步提高前向距離傳感器的噪聲。在 Simulink 中運(yùn)行仿真后，我們可以在 MATLAB 中查看結(jié)果，識(shí)別車輛無(wú)法保持安全車距的狀況（圖 4）。


圖 4.安全距離沖突隨固定型故障持續(xù)時(shí)間和傳感器噪聲的變化。

MOBATSim 學(xué)生項(xiàng)目：交叉路口管理

我是 MOBATSim 的主要開(kāi)發(fā)者，但還有一些德累斯頓工業(yè)大學(xué)學(xué)生參與這個(gè)項(xiàng)目。一些學(xué)生負(fù)責(zé)改進(jìn)仿真框架的各個(gè)組件，另一些學(xué)生則使用框架自行開(kāi)展研究。

近期的一個(gè)學(xué)生項(xiàng)目側(cè)重研究交叉路口自主管理。學(xué)生使用 MOBATSim 開(kāi)發(fā)并仿真了一個(gè)管理系統(tǒng)，可最大程度縮短車輛通過(guò)繁忙路口的行駛時(shí)間并降低能耗。車輛在駛近交叉路口時(shí)，使用 V2I 通信發(fā)出信號(hào)來(lái)通知交叉路口管理算法并接收算法傳回的信號(hào)，算法確保車輛安全，并優(yōu)化城市交通。

在大多數(shù) MOBATSim 仿真（包括交叉路口管理項(xiàng)目進(jìn)行的仿真）中，使用 2D 動(dòng)畫(huà)呈現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)可視化效果就足夠了。但在最終演示中，我們使用 Simulink 3D Animation™ 創(chuàng)建 3D 可視化效果，因?yàn)檫@樣可以更逼真地展示動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為（圖 5）。


圖 5.使用 Simulink 3D Animation 生成的仿真駕駛場(chǎng)景。

榮譽(yù)和改進(jìn)計(jì)劃

在去年的 Simulink 學(xué)生挑戰(zhàn)賽中，MOBATSim 榮登榜首。Simulink 學(xué)生挑戰(zhàn)賽是享譽(yù)全球的國(guó)際性競(jìng)賽，使用 MATLAB 和 Simulink 的所有學(xué)生都能參加該競(jìng)賽。我們的長(zhǎng)期目標(biāo)是面向汽車 OEM 推廣采用 MOBATSim 來(lái)評(píng)估自主駕駛系統(tǒng)的功能安全。

MOBATSim 開(kāi)發(fā)工作仍在如火如荼地進(jìn)行，我將繼續(xù)與德累斯頓工業(yè)大學(xué)學(xué)生合作推進(jìn)項(xiàng)目，加強(qiáng)框架各個(gè)層面的保真度，提高總體仿真精度。計(jì)劃的增強(qiáng)功能包括：自動(dòng)化故障注入；使用并行計(jì)算加快仿真速度。同時(shí)，我們的團(tuán)隊(duì)還在積極研究添加新的自動(dòng)駕駛和車輛動(dòng)力學(xué)功能，包括使用 Unreal Engine® 場(chǎng)景進(jìn)行協(xié)同仿真，使用模型預(yù)測(cè)控制器替換某些專為車輛跟隨場(chǎng)景編寫(xiě)的算法。目前，我們采用帶外環(huán)距離控制和內(nèi)環(huán)速度控制的 PID，盡管速度快、效率高，但精度不及模型預(yù)測(cè)控制器。另外，我們計(jì)劃開(kāi)發(fā) MOBATSim 開(kāi)源版本并將其上傳到 File Exchange。